摘 要:对于钢管产品的拉伸试验,国标、美标以及ISO标准对试样尺寸的测量方法要求有所不 同,钢管产品具有轧制特性,存在壁厚不均匀现象,壁厚的测量精度对于试验误差的控制有较大影 响。对比了不同标准规定的试样尺寸测量方法,并选用两种标准方法对钢管弧形试样进行拉伸试 验,对拉伸试验结果进行对比,研究了试样尺寸测量方法对钢管力学性能的影响。
关键词:钢管;标准;试样尺寸;测量方法;力学性能
中图分类号:TB31;TG115.3 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)03-0005-03
拉伸试验是材料力学性能测试中重要的试验方 法之一。室温拉伸试验一般是指试样在室温环境, 承受轴向拉伸载荷的条件下,测定材料特性的试验 方法。不同的拉伸试验标准对试样原始横截面积测 量和计算方法有所不同,ASTM 标准(ASTM E8— 2021《金 属 材 料 拉 伸 试 验 的 标 准 试 验 方 法》和 ASTM A370—2021《钢产品机械性能测试的方法 和定义》)对弧形试样横截面积测量的要求如表1所 示,国标(GB/T228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》)及ISO 标准(ISO6892- 1:2019《金属材料-拉伸试验-第1部分:室温下 试验方法》)对弧形试样横截面积测量的要求如表2 所示。为了验证标准要求与实际操作的符合性,笔 者依据 ASTM A370—2021和 GB/T228.1—2021 对钢管弧形试样进行拉伸试验,研究了试样尺寸测 量方法对钢管弧形试样力学性能的影响。
1 试样制备及试验方法
1.1 试样制备
将性能均匀、稳定,规格为177.8mm×8.05mm (外径×壁厚)的37Mn5钢管加工成弧形试样,为了 保证试验结果的一致性,所有试样的平行段宽度均按 照25.4mm进行加工,加工方式如表3所示。
1.2 试验方法
采用Z330型电子拉伸试验机,配备全自动引 伸计,引伸计标距为50mm。依据 ASTM A370— 2021 对 试 样 1~5 进 行 拉 伸 试 验,依 据 GB/T 228.1—2021对试样6~10进行拉伸试验。使用壁 厚千分尺测量试样1~10的原始壁厚,使用外径千 分尺测量试样1~10的宽度。
试样1~10均在减缩段划分成5个区域,在每 个区域内测量壁厚并进行记录(见图1),试样1~ 5直接测量中心部位(点3),按最小值进行计算; 试样6~10在平行段部位测量宽度,按平均值进 行计算。
2 试验结果
试样1~5的力学性能测试结果如表4所示,试 样6~10 的力学性能测试结果如表 5 所示。由 表4,5可以看出:按照 ASTM A370—2021进行拉 伸试验,试样宽度方向在减缩段中心呈锥度,中间宽 度最小,在宽度最小部位测量壁厚,测量结果差异较 小;按照 GB/T228.1—2021进行拉伸试验,试样壁 厚测 量 结 果 的 差 异 在 整 个 平 行 段 方 向 最 大 为 0.78mm,选择3点平均与5点平均的计算方法,强 度差异约15MPa。
3 综合分析
钢管产品加工弧形试样,在壁厚方向会出现螺 旋状的起伏,导致在壁厚测量上存在争议,宽度方向 的尺寸精度由数控加工设备进行控制,形状公差不 超过0.03mm,尺寸公差控制在-0.1~0.1mm 范 围内。从表4可以看出,宽度的测量结果差异较小, 但在整个平行段测量中,壁厚的测量结果差异较大, 因此测量误差主要来源于壁厚测量。
根据表4,5所示的断裂部位进行分析,当宽度 基本一致时,若排除试样本身缺陷和加工缺陷的影 响,拉伸断裂较大概率发生在试样平行部分原始横截面尺寸较小的部位附近。按照 ASTM A370— 2021标准加工试样,加工时规定可以在减缩段加工 一个锥度,控制减缩段中间最小部位的宽度比两侧 宽度小0.04mm,测量时直接测量中间最小部位的 宽度,并在该部位测量壁厚,测量3次取最小值,从 断裂部位看,基本都断裂在测量部位,说明该试样的 力学性能测试结 果 更 接 近 真 实 值。按 照 GB/T 228.1—2021标准要求,在试样平行段测量足够的 点数,并取平均值参与横截面积计算,对于壁厚差异 较小的试样,可选择3点平均法进行计算,对于壁厚 差异较大的试样,使用5点或5点以上平均法进行 计算,利于减少测量结果的误差,使力学性能的测试 结果更接近真实值。
ASTM A370—2021标准规定,试样人为加工 最小横截面,宽度及壁厚的测量均在该处取最小值, 在壁厚差异较小的情况下,控制断裂发生在此处,可 以保证试样的力学性能测试结果更接近真实值。 GB/T228.1—2021标准对试样横截面积的计算提 出了要求,对于壁厚差异较大的试样,可以利用重复 多次测量的方法来减少力学性能测试结果的误差,但断裂部位有较大概率出现偏在一边的情况,会影 响试样断后伸长率的测量。
4 结论
(1)对于钢管弧形试样,在宽度不作为主要误 差来源时,壁厚差异越大,尺寸测量误差带来力学性 能测试结果的误差就越大。
(2)根据 ASTM A370—2021标准,试样减缩 段呈锥度,在壁厚差异不大的条件下,有利于得到真 实、稳定的测量结果,并能保证断裂部位和测量部位 基本一致。
(3)根据GB/T228.1—2021标准,在平行段测 量足够的点数,采用平均值法计算横截面积,对于壁 厚差异较小的试样,可选择3点平均法进行计算,对 于壁厚差异较大的试样,可以采用5点或5点以上 平均法进行计算,使试样的力学性能测试结果更接 近真实值。
(4)GB/T228.1—2021标准可以考虑在加工试样 时,在平行段增加锥度,在壁厚差异较小的情况下,既能 得到满意的结果,又能保证断裂部位在平行段中间。
