（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

金屬材料0.2%規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度試驗(yàn)方法分析

吳慧鋒
（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

詳細(xì)介紹了利用電子引伸計(jì)和位移傳感器進(jìn)行規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測(cè)試的自動(dòng)化試驗(yàn)方法，并通過中碳Cr-Mo結(jié)構(gòu)鋼為例介紹了這兩種儀器進(jìn)行0.2%規(guī)定非比例延伸測(cè)試方法對(duì)比試驗(yàn)，闡述了對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析過程，確定了一種滿足企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)與質(zhì)量控制的高效Rp0.2試驗(yàn)方法。

金屬屈服強(qiáng)度引伸計(jì)位移傳感器0.2%規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度

1 前言

拉伸屈服強(qiáng)度是金屬材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)，機(jī)械零件在工作過程中若發(fā)生塑性變形，即可能進(jìn)一步演變?yōu)槭鹿剩使こ淘O(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)中把拉伸屈服強(qiáng)度作為力學(xué)計(jì)算和選材的依據(jù)，其重要性甚至于超過極限強(qiáng)度。本文探討引伸計(jì)法和位移傳感器兩種試驗(yàn)方法之間的差異，確立了一種滿足企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)與質(zhì)量控制要求的高效0.2%規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測(cè)試方法。

2 屈服拉伸曲線特點(diǎn)描述

除淬火鋼等沒有屈服現(xiàn)象的脆性金屬材料外，隨著金屬材料的化學(xué)成分和組織狀態(tài)的不同，其拉伸曲線屈服現(xiàn)象的明顯程度與呈現(xiàn)特征可分為以下3類：

（1）明顯屈服型，在屈服階段出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)，例如退火低碳鋼等，見圖1。

（2）平直型，無明顯的屈服現(xiàn)象，具有明顯彈性直線段，如中、高強(qiáng)度鋼等，見圖2。

圖1 明顯屈服型

（3）弧線型，無明顯的屈服現(xiàn)象，彈性線段呈圓弧狀，如球墨鑄鐵等，見圖3。

對(duì)于拉伸曲線無圖1所示的明顯屈服平臺(tái)的金屬材料，即圖2和圖3所示的金屬，國(guó)內(nèi)外普遍采用“0.2%規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度”，即Rp0.2,作為拉伸屈服強(qiáng)度，表示金屬材料對(duì)微量塑性變形的抗力。

要準(zhǔn)確測(cè)得材料的Rp0.2，除了保證試驗(yàn)機(jī)的精度與可靠性外，還必須采用正確、合理的試驗(yàn)方法，排除各種不利的干擾因素。

圖2 平直型

圖3 弧線型

3 測(cè)試原理

Rp0.2測(cè)試方法如圖4所示：首先通過拉伸試驗(yàn)，獲得“力－延伸”曲線，然后在曲線圖上，劃一條與曲線的彈性直線段部分平行、且在延伸軸上與此直線段的距離等效于規(guī)定非比例延伸率0.2%的直線，此平行線與曲線的交截點(diǎn)給出相應(yīng)于所求規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度的力，此力除以試樣原始橫截面積S0得到規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2。

GB/T 228－2002“金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法”規(guī)定了常規(guī)平行線法、滯后環(huán)法、逼近法等試驗(yàn)方法，可根據(jù)金屬材料的拉伸曲線特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

（1）如果拉伸曲線圖屬于圖2類型，即具有明顯彈性直線段，則推薦選用常規(guī)平行線法，如圖4所示。

（2）如果拉伸曲線圖屬于圖3類型，即彈性線段呈圓弧狀，以致不能以足夠的準(zhǔn)確劃出這一平行線，則可以采用如圖5和圖6所示的2種試驗(yàn)方法中的一種。

滯后環(huán)法需預(yù)先估計(jì)卸力點(diǎn)，缷力點(diǎn)估計(jì)過低和過高都導(dǎo)致最終數(shù)據(jù)的過低和過高。逼近法除了能應(yīng)用不具有明顯彈性直線段拉伸曲線圖外，同時(shí)也能應(yīng)用于具有明顯彈性直線段拉伸曲線圖，但其計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，效率不高。

圖4 常規(guī)平行線法

圖5 滯后環(huán)法

圖6 逼近法

4 試驗(yàn)儀器

Rp0.2測(cè)試方法屬于圖解試驗(yàn)方法，需要根據(jù)“力－延伸”曲線圖來求解屈服強(qiáng)度值，只有采用合適的儀器，才能準(zhǔn)確地繪制出“力－延伸”曲線圖，常用的測(cè)試方法有電子引伸計(jì)和夾頭位移傳感器等。

4.1 引伸計(jì)

電子引伸計(jì)作為一種繪制“力－延伸”曲線圖的重要儀器，其標(biāo)距允差、測(cè)量范圍、變形示值誤差和穩(wěn)定性等對(duì)變形測(cè)量的影響是最直接的。根據(jù)GB/T 228－2002的規(guī)定，引伸計(jì)準(zhǔn)確度須不劣于1級(jí)。

試驗(yàn)時(shí)引伸計(jì)夾持在試樣平行段上，可根據(jù)變形測(cè)量范圍盡可能選取臂長(zhǎng)較短的引伸計(jì)，以減少引伸計(jì)自身晃動(dòng)，提高測(cè)量靈敏度。把引伸計(jì)安裝到試樣時(shí)，夾持力也要適宜。夾持力過大會(huì)造成引伸計(jì)懸梁承受扭矩，影響測(cè)量準(zhǔn)確度，過小則會(huì)引起試驗(yàn)時(shí)刀口“打滑”。作為高精度試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器，在試驗(yàn)過程中引伸計(jì)安裝繁瑣復(fù)雜，效率較低，不適于頻次高數(shù)量多的日常拉伸試驗(yàn)檢測(cè)。

4.2 夾頭位移傳感器

隨著位移傳感器在電子拉力機(jī)中的廣泛應(yīng)用，一種“力－夾頭位移”試驗(yàn)法作為快速試驗(yàn)法得到應(yīng)用。其原理和引伸計(jì)類似，利用位移傳感器標(biāo)距的延伸量代替引伸計(jì)標(biāo)距的延伸量完成試驗(yàn)。位移傳感器作為試驗(yàn)機(jī)的一部分，固定裝配在

兩夾頭間或橫梁與立柱之間，拉伸試驗(yàn)時(shí)位移傳感器標(biāo)距的延伸量除了試樣標(biāo)距的延伸量外，還包括了試樣過渡弧的非比例變形等標(biāo)距以外的變形，故采用夾頭位移傳感器繪制的“力－夾頭位移”近似于標(biāo)準(zhǔn)的“力－（引伸計(jì)標(biāo)距）延伸”。然而，作為一種試驗(yàn)機(jī)固定儀器，位移傳感器試驗(yàn)無需安裝，且量程遠(yuǎn)超過試驗(yàn)機(jī)夾頭的最大行程，不受試樣斷裂影響，可以避免引伸計(jì)的裝夾難度高、測(cè)量行程短等不利因素的影響，大大減少了屈服強(qiáng)度測(cè)試難度與工作量，適合于日常大量試驗(yàn)使用。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)條件

拉伸屈服強(qiáng)度試驗(yàn)精度受試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)程序、試樣尺寸和拉伸速度等多種因素影響，本次試驗(yàn)的兩組試驗(yàn)法采用相同試驗(yàn)參數(shù)（見表1）。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

5.2 試驗(yàn)內(nèi)容

選取機(jī)械制造中應(yīng)用廣泛的中碳Cr-Mo結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)淬火+中溫回火后，加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒。采用相同原則確定試驗(yàn)儀器與人員，進(jìn)行Rp0.2試驗(yàn)。在每件樣件試驗(yàn)中同時(shí)使用引伸計(jì)和位移傳感器進(jìn)行測(cè)定，通過引伸計(jì)獲得的強(qiáng)度值為參考值。2種試驗(yàn)方法除了要驗(yàn)證的因素外，其余條件完全一致，符合系統(tǒng)分析要求，結(jié)果見表2。

位移傳感器法測(cè)試所需時(shí)間為3 min/每件試樣，引伸計(jì)法則為10 min/每件試樣，二者效率相差十分明顯，這對(duì)于大批量生產(chǎn)中的日常拉伸檢測(cè)影響更甚。

6 試驗(yàn)結(jié)果分析[1]

6.1 假設(shè)性判斷

考慮到2種強(qiáng)度之間的可比性，把二者強(qiáng)度差與參考值的比值作為研究對(duì)象，見表2。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，假定比值服從正態(tài)分布，且二者方差相等。利用t檢驗(yàn)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行假設(shè)性判斷。

（1）假設(shè)H0：引伸計(jì)法與夾頭位移傳感器法這2種試驗(yàn)方法所測(cè)強(qiáng)度無顯著性差異。

（2）計(jì)算差值比值百分?jǐn)?shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差S比及統(tǒng)計(jì)量t

（3）根據(jù)α=5%和自由度ν=14，查t分布表得到ta=2.145。

（4）統(tǒng)計(jì)推斷：因?yàn)閨t=-15.12|大于ta=2.145，所以推翻原假設(shè)H0，應(yīng)認(rèn)為引伸計(jì)與夾頭位移傳感器2種試驗(yàn)方法所測(cè)強(qiáng)度有顯著性差異，其置信度為95%。

（5）比值百分?jǐn)?shù)置信區(qū)間估計(jì)如下：

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

因此，有95%的把握推斷，位移傳感器與引伸計(jì)獲得的Rp0.2強(qiáng)度差比值百分?jǐn)?shù)的95%置信區(qū)間：(-0.642,-0.482)。

6.2 不確定度計(jì)算

變形不確定度包括使用位移傳感器因素所形成的位移變形不確定度和引伸計(jì)延伸變形不確定度。

（1）確定位移變形不確定度（極差法）：

式中，

Wn——強(qiáng)度差比值的最大值與最小值的差；

dn——系數(shù)，其值按n值由資料查得為3.472；

（2）考慮置信度的擴(kuò)展不確定度表示為

k為p=95%時(shí)的置信系數(shù)，小子樣法按t分布確定k值。

（3）引伸計(jì)不確定度

在本次試驗(yàn)中使用電子引伸計(jì)準(zhǔn)確度0.3級(jí)，即引伸計(jì)的不確定度u引=0.3。

（4）不確定度合成

上述計(jì)算結(jié)果表明，在本次力－夾頭位移方法試驗(yàn)中，因位移傳感器代替引伸計(jì)造成的變形（位移）不確定度為0.4，符合國(guó)標(biāo)Rp0.2拉伸試驗(yàn)中要求變形（位移）不確定度小于等于1的要求。

7 結(jié)論

通過上述Rp0.2對(duì)比試驗(yàn)可以看出，利用位移傳感器的力－夾頭位移方法測(cè)試數(shù)據(jù)比利用引伸計(jì)的常規(guī)平行線方法測(cè)試數(shù)據(jù)略有偏低，但是偏差符合國(guó)標(biāo)要求，大幅度提高了測(cè)試效率，降低了生產(chǎn)成本，完全可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制與研發(fā)的需要。

在實(shí)際工作中，不便安裝引伸計(jì)或者想提高試驗(yàn)測(cè)試效率的，都可以利用位移傳感器進(jìn)行力－夾頭位移方法進(jìn)行Rp0.2測(cè)試，再利用上述對(duì)比試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，這種方法在本企業(yè)日常金屬材料測(cè)試中得到廣泛應(yīng)用。

1曹用濤．機(jī)械工程材料測(cè)試手冊(cè)－力學(xué)卷[M]．遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

Metallic Material Rp0.2Strength Testing Analysis

Wu Huifeng
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

Automatic testing methods of proof strength at 0.2%non-proportional extension(i.e.Rp0.2) with extensometer and displacement transducer is introduced in detail.A more efficient Rp0.2 testing method is established through analyzing practical applications in the mid-carbon Cr-Mo structural steel.

metal,yield strength,extensometer,displacement transducer,proof strength Rp0.2

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.03.009

來稿日期：2011-05-13

吳慧鋒（1976-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)椴牧吓c理化實(shí)驗(yàn)。