力学性能试样培训

苏洪英2013年10月 2013年04月 力学性能常用试样 1 目录 2 目录 3 试样是力学性能试验的试验对象的一部分 通过对试样的试验来获得评定冶金产品的力学性能数据 进而评定产品的质量 事实上不可能将一批产品都取作试样进行试验以评定产品质量 只能抽取部分产品作为试样 因此 试样的真正意义在于它能代表其所在的一批产品的质量 正确取样是准确评定产品性能的重要一环 取样部位 取样方向和取样数量是取样三要素 这些要素中每一个都对试样力学性能试验结果有影响 4 由于金属材料在冷变形或热变形的加工过程中 变形量不会处处均匀 而变形时金属沿主变形方向流动 加工成材之前的原锭坯内部会有各类缺陷 在加工变形时 缺陷的分布不均匀以及因热处理条件的差异 成材后的金属组织也存在不均匀 此外还有其他诸多工艺变动因素 使得名义上相同的一批 甚至同一产品的不同部位其力学性能出现差异 正因如此 在不同部位取样试验 其结果必然不同 表1为45号钢取样部位对拉伸性能的影响结果 1 取样部位 5 表145号钢取样部位对拉伸性能的影响 1 取样部位 GB T2975 1998 钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备 6 图A1在型钢腿部宽度方向切取样坯的位置 7 图A2在型钢腿部厚度方向切取拉伸样坯的位置 8 图A3在型钢腿部厚度方向切取冲击样坯的位置 9 图A4在圆钢上切取拉伸样坯的位置 10 图A5在圆钢上切取冲击样坯的位置 11 图A6在六角钢上切取拉伸样坯的位置 12 图A7在六角钢上切取冲击样坯的位置 13 图A8在矩形截面条钢上切取拉伸样坯的位置 W代表宽度t代表厚度 14 图A9在矩形截面条钢上切取冲击样坯的位置 15 图A10在钢板上切取拉伸样坯的位置 16 图A11在钢板上切取冲击样坯的位置 17 图A12在钢管上切取拉伸及弯曲样坯的位置 L代表纵向取样T代表横向取样 18 图A13在钢管上切取冲击样坯的位置 19 图A14在方形钢管上切取拉伸及弯曲样坯的位置 20 图A15在方形钢管上切取拉伸及弯曲样坯的位置 21 冶金产品在生产制造过程中一般通过压力加工使产品具有一定形状的横截面 在制造时 材料的金属晶粒沿主变形方向流动 晶粒被变形拉长 而且夹杂也沿变形方向排列 这就形成所谓的金属纤维 由此造成性能各向异性 此外冷加工成形的制品 会形成织构和残余应力 这也是造成性能各向异性的原因之一 表2是板材沿轧制方向和垂直于轧制方向取样拉伸试验的结果 2 取样方向 22 表2取样方向对拉伸性能的影响 2 取样方向 23 为得到有用的试验结果 对于具体试验 最小试验数量应规定 但这个问题不容易解决 因为试验类型不同 试验条件引起的试验结果分散和材料本身的变化都影响个别试验结果的准确性 目前一般的做法是 根据要进行的试验类型 产品和材料的性能的主要用途 性能的分散性以及经济因素确定最小试验数目 对于生产检验和验收试验的拉伸性能 一般是一批做一个试验 3 取样数量 24 用烧割法切取样坯时 从样坯切割线至试样的边缘必须保留有足够的加工余量 一般不小于钢产品的厚度和直径 但最小不得小于20mm 对于厚度和直径大于60mm的钢产品 其加工余量可根据供需双方协议适当减少 4 样坯加工余量的选择 25 表3冷剪样坯加工余量单位为毫米 4 样坯加工余量的选择 26 试样横截面可以为圆形 矩形 多边形 环形 特殊情况下可以为某些其他形状 试样原始标距和原始横截面积有关系者称为 比例试样 国际上试用的比例系数k的值为5 65 原始标距不小于15mm 当试样横截面积太小 以致采用比例系数k为5 65的值不能符合这一最小标距要求时 可以采用较高的值 优先采用11 3的值 或采用非比例试样 非比例试样其原始标距与原始面积无关 1 拉伸试样形状与尺寸的一般要求 a0 8 12mm b0 30 02mm 则修约为90mm 27 试样的形状试样的夹持头部一般应比其平行长度部分宽 试样头部与平行长度之间应有过渡半经至少为20mm的过渡弧相连接 头部宽度应 1 2b0 通过协议 也可以使用不带头试样 对于这类试样 两夹头间的自由长度应等于L0 3b0 对于宽度等于或小于20mm的产品 试样宽度可以相同于产品的宽度 2 厚度0 1mm 3mm薄板和薄带使用的试样类型 28 试样的尺寸平行长度应不小于L0 b0 2 仲裁试验 平行长度应为L0 2b0 对于宽度等于或小于20mm的不带头试样 除非产品标准中另有规定 原始标距应等于50mm 2 厚度0 1mm 3mm薄板和薄带使用的试样类型 29 表B 1矩形横截面比例试样单位为毫米 图1 30 表B 2矩形横截面非比例试样单位为毫米 31 表B 3试样宽度公差单位为毫米 32 圆形横截面试样 r 0 75d0矩形横截面试样 r 12mm 矩形横截面试样推荐其宽厚比不超过8 1 机加工的圆形横截面其平行长度的直径一般不小于3mm 如相关产品标准有规定 型材 线材 棒材等可以采用不经机加工的试样机加工的试样进行试验 3 厚度 3mm板材和扁材以及直径或厚度 4mm线材 棒材和型材使用的试样类型 33 机加工试样的平行长度圆形横截面试样 Lc L0 d0 2 矩形横截面试样 Lc L0 1 5仲裁试验 Lc L0 2d0或L0 2 不经机加工试样的平行长度试验机两夹头间的自由长度应足够 以使试样原始标距的标记与最接近夹头间的距离不小于 3 厚度 3mm板材和扁材以及直径或厚度 4mm线材 棒材和型材使用的试样类型 34 表D 1圆形横截面比例试样单位为毫米 35 表D 2矩形横截面比例试样单位为毫米 36 表D 3矩形横截面非比例试样 37 表D 4试样横向尺寸公差单位为毫米 38 通常不经机加工 原始标距为200mm 2mm和100mm 1mm 试验机两夹头间的自由长度应至少为L0 3b0或L0 3d0 最小值为L0 20mm 如不测定断后伸长率 两夹头间的最小自由长度可以为50mm 表C 1非比例试样 4 直径或厚度小于4mm线材 棒材和型材使用的试样类型 39 分为全壁厚纵向弧形试样 管段试样 全壁厚横向试样 或从管壁厚机加工的圆形横截面试样 通过协议 可采用不带头的纵向弧形试样和不带头的横向试样 仲裁试验采用带头试样 不带头的试样 两夹头间的自由长度应足够 以使试样原始标距的标记与最接近的夹头间的距离不小于1 5 5 管材使用的试样类型 40 表E 1纵向弧形试样单位为毫米 41 表E 2管段试样 机加工的横向矩形横截面试样 管壁厚度小于3mm时 采用表B 1或B 2规定的试样尺寸 管壁厚度大于或等于3mm时 采用表D 2或D 3规定的试样尺寸 管壁厚度机加工的纵向圆形横截面试样应采用表D 1规定的试样尺寸 相关产品标准应根据管壁厚度规定机加工的纵向圆形横截面试样 如无具体规定 根据表E 3选定试样 42 表E 3管壁厚度机加工的纵向圆形横截面试样 43 取样取样所采用的机械加工方法或热加工方法不得对试样性能产生影响 钢 厚度超过8mm时 不得采用剪切方法 当采用热切割或可能影响切割面性能的其他切割方法从焊件或试件上截取试样时 应确保所有切割面距离试样的表面至少8mm以上 平行于焊件或试件的原始表面的切割 不应采用热切割方法 其他金属材料 不得采用剪切方法和热切割方法 只能采用机械加工方法 如锯或铣 磨等 6 焊接拉伸试样 44 机械加工一般要求 公差按照GB T228规定 位置 试样的厚度ts一般应与焊接接头处母材的厚度相同 参见图2a 当相关标准要求进行全厚度 厚度超过30mm 试验时 可从接头截取若干个试样覆盖整个厚度 参见图2b 在这种情况下 试样相对接头厚度的位置应做记录 6 焊接拉伸试样 45 图2试样的位置示例 46 图3板接头 47 图4管接头 48 表4板及管板状试样尺寸单位为毫米 49 表面制备试样制备的最后阶段应进行机加工 应采取预防措施避免在表面产生形变硬化或过热 试样表面应没有垂直于试样平行长度Lc方向的划痕或切痕 不得除去咬边 除非相关标准另有要求 超出试样表面的焊缝金属应通过机加工除去 除非另有要求 对于有熔透焊道的整管试样应保留管内焊缝 6 焊接拉伸试样 50 7 加工班常用圆拉伸试样 图5室温 10拉伸试样 51 7 加工班常用圆拉伸试样 图6室温 6拉伸试样 52 7 加工班常用圆拉伸试样 图7室温 12 5拉伸试样 53 7 加工班常用圆拉伸试样 图8室温 14拉伸试样 54 7 加工班常用圆拉伸试样 图9高温 10拉伸试样 55 7 加工班常用圆拉伸试样 图10高温 6拉伸试样 56 7 加工班常用圆拉伸试样 图11Instron 10低温 高温圆拉伸试样 57 1 试样厚度应为薄带或薄板产品的厚度 并保留两个原表面 2 其宽度应为20 25mm 对于宽度小于20mm的薄带产品 试样宽度应为原产品的全宽度 试样长度约150mm 1 表面应光滑和平坦 并且不应有氧化皮及外界污物 尤其不应有油脂 试样表面应能保证压痕直径的精确测量 2 布氏试样表面粗糙度参数Ra一般不大于1 6 m 3 维氏试样建议抛光处理 4 洛氏试样表面粗糙度参数Ra一般不大于1 6 m 58 5 焊接接头硬度试样试件横截面应通过机械切割获取 通常垂直于焊接接头 试样表面的制备过程应正确进行以保证硬度侧量没有受到冶金因素的影响 被检测表面制备完成后最好进行适当的腐蚀 以便准确确定焊接接头不同区域的硬度测试位置 59 1 根据有关标准或协议 试样可以保留一或两个轧制面 缺口轴线垂直于轧制面 2 对于端面定位的试样 缺口中心线至端面距离应为 27 5 0 165 mm 端面粗糙度Ra应不大于3 2 m 且端面应与试样侧面垂直 3 试样缺口底部应光滑 对于仲裁试验 缺口底部表面粗糙度Ra应不大于1 6 m 4 如不能制备标准试样 可采用宽度7 5mm 5mm 2 5mm等小尺寸试样 5 试样标记的位置不应影响试样的支承和定位 并应尽量远离缺口 6 焊接冲击按委托者确定的试样位置和缺口方向进行加工 60 图12标准夏比V型缺口冲击试样 61 图13缺口深度为2mm的标准夏比U型缺口冲击试样 62 试样长度应不小于10mm 但不超过100mm 试样的棱边允许用锉或其他方法倒圆或倒角 如果试验结果满足试验要求 可以不对试样棱边倒圆或倒角 63 1 当产品宽度不大于20mm时 试样宽度为原产品宽度 2 当产品宽度大于20mm时 厚度小于3mm时 试样宽度为20mm 5mm 厚度不小于3mm时 试样宽度为20mm 50mm 3 试样厚度和直径应按照相关产品标准的要求 如未具体规定 应按照如下要求 3 1对于板材 带材和型材 产品厚度不大于25mm时 试样厚度应为原产品的厚度 产品厚度大于25mm时 试样厚度可以机加工减薄至不小于25mm 并应保留一侧原表面 金属材料弯曲试样 64 3 2直径或多边形横截面内切圆直径不大于30mm的产品 其试样横截面应为产品的横截面 直径或多边形横截面内切圆直径大于30mm而不大于50mm的产品 其试样横截面可加工成横截面内切圆直径不小于25mm的试样 直径或多边形横截面内切圆直径大于50mm的产品 其试样横截面可加工成横截面内切圆直径不小于25mm的试样 试验时原表面位于受拉变形一侧 金属材料弯曲试样 图14取样示意图 65 4 试样表面不得有划痕和损伤 方形 矩形和多边形横截面试样的棱边应倒圆 倒圆半径不能超过以下数值 1mm 当试样厚度小于10mm 1 5mm 当试样厚度大于或等于10mm且小于50mm 3mm 当试样厚度不小于50mm 棱边倒圆时不应形成影响试验结果的横向毛刺 伤痕或刻痕 如果试验结果不受影响 允许试样的棱边不倒圆 金属材料弯曲试样 66 焊接接头弯曲试样 定义对接接头正弯试样 FBB 焊缝表面为受拉面的试样 双面焊时焊缝表面为焊缝较宽或焊接开始的一面 对接接头背弯试样 RBB 焊缝根部为受拉面的试样 对接接头侧弯试样 SBB 焊缝横截面为受拉面的试样 67 图15对接接头横向弯曲试样 FBB和RBB 68 图16对接接头侧弯试样 SBB 69 图17对接接头纵向弯曲试样 FBB和RBB 70 对接接头横向弯曲试样 FBB和RBB 试样截取试样的截取参见图18 试样厚度ts应等于焊接接头处母材的厚度 当相关标准要求对整个厚度 30mm以上 进行试验时 可以截取若干个试样覆盖整个厚度 在这种情况下 试样在焊接接头厚度方向的位置应做标识 焊接接头弯曲试样 71 图18对接接头横向弯曲试样 FBB和RBB 截取图 72 对接接头侧弯试样 SBB 截取试样的截取参见图19 试样宽度b应等于焊接接头处母材的厚度 试样厚度ts至少应为 10 0 5 mm 而且试样宽度大于或等于试样厚度的I 5倍 当接头厚度超过40mm时 允许从焊接接头截取几个试样代替一个全厚度试样 试样宽度b的范围为20mm 40mm 在这种情况下 试样在焊接接头厚度方向的位置应做标识 焊接接头弯曲试样 73 图19对接接头侧弯试样 SBB 截取图 74 对接接头纵向弯曲试样 FBB和RBB 截取试样的截取参见图20 试样厚度ts应等于焊接接头处母材的厚度 如果试件厚度大于12mm 试样厚度ts应为 12 0 5 mm 而且试样应取自焊缝的正面或背面 焊接接头弯曲试样 75 图20对接接头纵向弯曲试样 FBB和RBB 截取图 76 长度 试样的长度Lt应为Lt l 2R 且至少应满足相关标准的要求 l d 3a 0 5a R为弯曲试验机支辊半径 厚度 试样厚度ts的要求见前面介绍 宽度 a 横向正弯和背弯试样钢板试样宽度b应不小于1 5ts 最小为20mm 铝 铜及其合金板试样宽宽度b应不小于2ts 最小为20mm 管径 50mm时 管试样最小宽度b为t 0 1D 最小为8mm 管径 50mm时 管试样最小宽度b为t 0 05D 最小为8mm 最大为40mm 焊接接头弯曲试样 77 焊接接头弯曲试样 宽度 b 侧弯试样 试样宽度b一般等于焊接接头处母材厚度 c 纵向弯曲试样 试样宽度b ls 2b1 尺寸见表5 表5单位为mm 78 焊接接头弯曲试样 棱角试样拉伸面棱角应加工成圆角 其半径r不超过0 2ts 最大为3mm 表面制备试样加工的最后工序应采用机加工或磨削 避免材料的表面变形硬化或过热 在试验的长度范围内 试样表面应没有横向划痕或切痕 不得除去咬边 除非相关标准和 或协议另有要求 除非相关标准和和 或协议另有要求 超出试样表面的焊缝金属一般应通过机加工方法除去 小直径管内壁的熔透焊缝应保留 79 图21重轨疲劳裂纹扩展速率试样 80 图22重轨平面应变断裂韧性试样 81 图23圆形横截面疲劳试样 82 图24矩形横截面疲劳试样 83 对于较硬材料 磨削优于工具加工 车削或者铣削 随后进行抛光 磨削 从离最终直径的0 1mm开始 以每转不超过0 005mm的速率进行 抛光 用逐次变细的砂布或砂纸处理掉最后的0 025mm 建议最后的抛光方向沿着试样的轴向 平均表面粗糙度小于或等于Ra0 2 m 机加工刮伤 圆形试样的最后工序应该消除在车削工序中产生的圆周方向上划痕 特别建议在磨削之后进行纵向的抛光 抛光后再进行低倍 大约20倍 检查 试样测试长度内不应有圆周方向的划痕 疲劳试样加工流程 84 疲劳试样加工工艺范例 A 1车削A 1 I车削粗加工将试样的直径从x 5mm x是试样标称直径d加上适当的表面抛光余量 车至x 0 5mm时 应逐次减少其切削深度 建议切削深度为 1 25mm 0 75m 0 25mm 注 高强度材料试样的表面抛光余量为0 025mm A 1 2车削精加工将试样的直径x 0 5mm从车至x时 应进一步逐次减少切削深度 建议切削深度为 0 125mm 0 075mm 0 05mm 应采用较小的走刀量 如每转不超过0 06mm 85 疲劳试样加工工艺范例 A 2铣削此方法可用于从料坏切取试样毛坯 并将矩形横截面试样毛坯加工到试样的标称尺寸 其切削速度和进刀量应根据试样材料而定 精铣时 应考虑到所要求的表面精加工质量 A 3磨削对因热处理而提高强度以至不易车削加工的材料 可将试样毛坯直径车至x 0 5mm后进行热处理 然后采用磨削精加工至直径为x 建议采用如下磨削深度 比标称直径大0 1mm之前 磨削深度为0 030mm 比标称直径大0 025mm之前 磨削深度为0 005mm 以0 0025mm的磨削深度 磨到试样直径为x 磨削时 应充分冷却 86 疲劳试样加工工艺范例 A 4表面抛光当试验部分直径加工至工后 用逐次变细的砂布或砂纸 沿近似平行于试样的轴向进行机械或手工抛光 使其表面光洁度小于或等于Ra0 2 m 6000号水磨碳化硅砂纸可用来迸行试验部分表面的最后抛光 注 本工艺虽适合加工多种金属材料 但并非万能 因此 应根据试样的材料性能选择合理的加工工艺 87 图25NDT标准试样 88 单位为mm 表6标准试样尺寸 89 试样坯料和试样端部可采用锯切 剪切或火焰切割的方法切割试样 剪切或火焰切割的试样应通过机械加工去除剪切变形区或热影响区 试样侧面应