高温拉伸试验参数对试验结果的影响

陈黔芬

贵州航天风华精密设备有限公司质量部理化室

摘要：高温拉伸试验是科学评价金属材料高温力学性能的一种试验方法，影响高温拉伸试验结果准确性的因素很多，其中拉伸速率和保温时间就是比较重要的因素，通常，高温拉伸试验的试验速率对力学性能的影响比室温影响更大，本文通过不同参数下试验结果的分析，取得了较好的试验参数，能更精确的获得试验结果。旨在帮助理化试验人员在高温试验参数的选择上有一定的参考，减少试验误差，提高试验数据的准确性和可靠性。通过试验，5mm/min的拉伸速度和15min的保温时间是较好的试验参数。

关键词：高温拉伸试验，试验参数，影响

引言：很多金属材料及产品经常使用于高温严酷环境，因此，金属原材料的高温性能对我们的产品至关重要，也有一定的严格要求。现在国内对金属材料高温性能的检测依据是GB/T228.2-2015金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法（GB/T228.2-2015代替GB/T4338-2006），此标准对我们实际试验的操作过程进行了规定和说明，但并未对试验参数进行明确规定，在实际试验中也发现不同试验参数下试验结果也不是特别稳定，尤其是试验速率对力学性能的影响比室温更大。因此，分析高温拉伸试验参数对试验结果的影响，并选择一个良好的试验参数对高温拉伸试验的数据的准确性和真实性有重要作用。

一、试验条件

选择高温拉伸试验系统是日本岛津公司生产的AG-I 100kN 电子材料试验机及其配套的高温设备和软件；电子拉力机准确度级别符合GB/T16825.1的要求，并为0.5级，分辨率为量程满刻度的1/16000，其配套的高温试验箱为TCH-SP，功率6.5kW，炉膛大小为38cmx40cmx60cm，加热温度范围为50℃～500℃；夹具冷却水循环系统为BLK-1，功率1kW，冷却水流量为33L/min；使用量具为精度0.01mm的外径千分尺和精度0.01mm的数显游标卡尺。高温试验箱测量温度和规定温度的允许偏差为±3℃，高温箱的升温控制为自动控制。

二、试验参数的理论影响
对于现有试验设备而言，我们可以控制的试验参数主是要在试验拉伸速度和高温保温时间上。

金属材料实质上就是金属晶粒按照一定结构的堆积，因而在力学拉伸试验中，试样开始屈服时，晶粒结构薄弱的局部区域首先开始产生塑性变形滑移带，在某一应力作用下将这一滑移带扩展到整个试样，屈服点就是这起始塑性变形的抗力，上屈服点相当于产生塑性变形滑移带的形核应力，而下屈服点就相当于滑移带生长扩展的应力。
任何一种金属都有自己的塑性变形的传播速度，如果加载速度大于它本身的塑性变形传播速度，必然是形变抗力即屈服点提高。这是因为加载速度太快，导致外力方向的晶面转动不充分，滑移在整个试样的生长扩展中就会受阻，在宏观上表现为起始塑性变形抗力的提高。此外，随着变形硬化的产生，自发消除硬化的回复无法进行，而形变硬化又会阻碍形变的继续发展，因此，要达到所需的残余形变，就必须继续增加外力，这也就表现为起始塑性变形抗力提高。
在拉伸试验中，来自试验机的外力，即负荷，作用于试样上，使试样内部产生了抗力，即应力。金属材料的变形、屈服、断裂都是由应力引起的。因此力学拉伸过程就是试验机负荷作用于试样上，在试样内部产生应力，所谓强度是指材料在单位截面积上的应力。金属材料的应力使金属晶体发生滑移，而导致金属的塑性变形，其变形量与试样原始截面积的比值我们称之为应变。由此可知，试验时加载速度的快慢决定了负荷速率和应力速率的大小，从而也决定了应变速率的大小。因此，当加载速度（即拉伸速度）太快，必然是负荷速率增大，受其影响，金属材料（试样）的应力速率和应变速率增大，导致屈服强度和抗拉强度的提高，从而影响到测试数据的准确性。
对于金属材料而言高温拉伸试验的环境是一个较低温度的热处理环境。试验过程是将试样逐渐加热至规定温度，达到规定温度后保持一定的时间，再进行试验。由于试验温度在A3以下，这个低温热处理过程能够逐步消除金属内部的位错、空穴、热应力等缺陷，改善金属材料的塑性，提高力学性能。由于金属材料相变速度较为缓慢，在一定的时间范围内，金属材料的力学性能会随高温下保温时间的延长而提高。

三、试验方案
分别在夏季和冬季两种不同的试验环境下进行试验。冬季试验环境为：室内温度10℃,湿度40%.夏季试验环境为：室内温度20℃,湿度55%.选用试验材料为2A12铝合金，热处理状态为T4，试样为直径是Φ10，标距50mm的标准螺纹试棒，以材料在350℃时的抗拉强度为考察对象。
GB/T228.2-2015金属材料 拉伸试验第2部分：高温试验方法中规定高温拉伸试验中，将试样加热至规定时间并至少保持10min（保温时间），因此，选定保温时间参数为10min，15min，20min 三个进行对比。

相对于传统的机械传感器，电子材料试验机使用的电子传感器灵敏度高，测量准确，对试验力和位移的变化敏感，对试验速度的要求较为宽松。GB／T228.2-2015金属材料 拉伸试验第2部分：高温试验方法中规定高温拉伸试验在只测量抗拉强度的时候，试样的应变速率应在0.02/min～0.20/min之间保持恒定。而现在电子万能试验机一般采用位移速率控制方式进行试验，所以针对试样选取试验位移速率参数为1mm/min，5mm/min，10mm/min 三个进行对比。
每组试验参数（保温时间、试验速度）进行两次试验，总的试验次数为3x3x2x2＝36次，准备40根同炉号、同状态的2A12试样备用。

四、试验结果数据及其分析

（一）试验结果数据

夏季试验时间为8月份的上旬，其试验结果数据见表1，冬季试验时间为12月份的下旬，其试验结果数据见表2。

表1夏季试验 2A12材料在350℃下不同试验参数的抗拉强度（MPa）

	保温10min	保温15min	保温20min
1mm/min	180 180	181 180	184 182
5mm/min	184 183	185 184	185 184
10mm/min	190 183	190 184	191 184

表2 冬季试验  2A12材料在350℃下不同试验参数的抗拉强度（MPa）

	保温10min	保温15min	保温20min
1mm/min	181 180	182 180	183 182
5mm/min	184 184	185 183	185 184
10mm/min	189 184	189 185	191 187

（二）试验结果数据统计
表1、表2可看出，冬季夏季的试验环境对试验过程和结果的影响不是特别明显，因此，可以将两组数据进行合并统计。
所有的36个试验数据的算术平均值为184.2778,样本标准偏差为19,样本极差为12.
所有36个试验数据按保温时间区分的散点分布图见图1。

图1 不同保温时间的抗拉强度散点分布图

所有36个数据按试验速度区分的散点分布图见图2。

图2 不同试验速度的抗拉强度散点分布图

3. 试验结果数据分析

1 从图1中可以看出，随着保温时间的延长，试样的抗拉强度明显上升。保温时间为10min时，所有试验数据均在平均值以下，不适合作为一个标准试验参数。保温时间为15min时的标准方差为9.1667,保温时间为20min时的标准方差为9.3889,因此，保温时间为15min的试验结果更为稳定，更适合现有试验条件。
2 从图2中可以看出，较高的拉伸速度明显的提高了试样的抗拉强度，但是也带来了较大的偏差，拉伸速度为10mm/min时的样本平均偏差达到了3.1389,而拉伸速度为5mm/min时的样本平均偏差仅为0.1111,同时，拉伸速度为5mm/min的数据极差仅为2,远小于总数据的极差12.而拉伸速度为1mm/min的全部数据都在平均值以下，不适合作为一个标准试验参数。
3所有18组试样的结果均表现出第二根试样强度低于第一根试样强度。对此，我们认为这是由于第二根试验是在第一根试验后热夹具情况下进行的，升温时间短，也就相当于保温时间短，因此强度降低。
4.3.4 由于现在夏季和冬季有空调进行调控，所以试验环境基本处于一个较为恒定的条件，在这个较为恒定的环境条件的下进行试验，试验环境的影响基本可以忽略。因此，在高温拉伸试验中不考虑试验环境的影响。

五、结论

通过对比使用不同拉伸速率和保温时间所得出的试验结果，使用本套设备进行高温拉伸试验的较好试验参数为：保温时间15min,试验拉伸速度为5mm/min.
试验数据呈现随连续试验的总时间的延长而强度降低的趋势，我们认为这是由于试验箱炉膛太大，温度均匀性和可控性不良所致，因此，为了进一步提高高温试验结果的有效性和准确性，建议改造或更换现有的高温试验箱。

参考文献：

[1]GB/T228,1-2010金属材料拉伸试验第2部分:室温试验方法[M].北京:中国标准出版社,2011.

[2]郑峰. 常用金属材料手册[M]. 化学工业出版社, 2007.