低壓流體輸送用焊接鋼管力學性能試驗影響因素及建議

黃泉開

(福建省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司龍巖分公司，福建 龍巖 64000)

1 引言

低壓流體輸送用焊接鋼管也稱一般焊管,俗稱黑管。是用于輸送水、煤氣、空氣、油和取暖蒸汽等一般較低壓力流體和其他用途的焊接鋼管。與圓鋼等實心鋼材相比,在抗彎抗扭強度相同時,重量較輕,是一種經(jīng)濟截面鋼材,廣泛用于制造結構件和機械零件。其中φ48普通鋼管在建筑施工中常用于腳手架、支架等部位。這決定著鋼管質(zhì)量好壞將直接影響工程質(zhì)量和施工人員作業(yè)安全,因而鋼管質(zhì)量的檢驗顯得尤為重要。拉伸試驗是材料力學性能試驗中最常用的、也是最重要的一種試驗方法,同時也是工業(yè)領域中最基本的試驗方法。鋼管的主要力學性能指標有屈服強度、抗拉強度、伸長率等。拉伸試驗所獲得的強度和塑性數(shù)據(jù),對生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品研發(fā)、工程設計、工程質(zhì)量等具有非常重要的價值。影響拉伸試驗力學性能指標的因素主要來自于生產(chǎn)工藝。然而,對于同一生產(chǎn)條件下的成品管材,采用不同的拉伸速率、設備等,拉伸試驗所獲得的力學性能指標也有所不同。在力學性能試驗過程中,還存在很多不穩(wěn)定因素會影響試驗結果的有效性。

2 拉伸試驗的試驗原理

在室溫條件下(10℃-35℃),將試樣放置于夾具內(nèi),以一定的速率給試樣施加拉力荷載,一般拉至試樣斷裂結束,測出所需的力學性能指標,通常測量的力學性能指標主要有：

(1)抗拉強度(Rm)：拉伸時,試樣在拉斷前所承受的最大載荷與試樣原始截面積之比。

(2)屈服強度(Re)：試樣在拉伸的過程中,當載荷到達某一數(shù)值時,載荷不變但試樣仍繼續(xù)伸長的現(xiàn)象,稱之為屈服。當試樣發(fā)生屈服時所對應的力與試樣原始截面積之比就叫做屈服強度。

(3)斷后伸長率(A)：試樣被拉斷后,測量其斷后標距的伸長總量與原始標距之間比值的百分率

3 試驗方法3.1 試樣的選擇

參照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》附錄E,選擇并截取標準管段試樣加工成縱向弧形試樣(如圖1所示)。

圖1 拉伸試樣示意圖

3.2 拉伸過程

拉伸試驗在SHT4106微機控制電液伺服萬能試驗機上進行,最大負荷100kN,加載速度V=10mm/min,恒加載,選用φ48×3.6mm、φ89×6mm、φ108×8mm,牌號Q235普通鋼管進行拉伸,通過試驗測得應力-應變曲線如圖2所示。

圖2 應力-應變曲線

3.3 試驗結果

試驗結束后,計算出力學指標數(shù)據(jù)見表1。

表1 拉伸試驗結果

4 影響因素及建議

通過上述力學性能試驗發(fā)現(xiàn),鋼管在試驗過程中存在很多影響試驗結果的不穩(wěn)定因素,具體影響因素有：

(1)試驗機的準確度。試驗機是對試驗試樣施加載荷以測定性能指標的設備,它的準確度會直接影響試驗結果。因此,試驗機必須經(jīng)過有資質(zhì)的部門檢定合格并在有效期內(nèi)方可進行使用。

(2)試樣的加工制備。金屬材料的力學性能指標是通過對試樣進行試驗獲得的。因鋼管公稱直徑較大、規(guī)格多,一般夾具無法用于鋼管的全管段試樣拉伸,且全管段試樣拉伸試驗需要配有專用塞頭,這在尺寸上帶來一定的局限性。這時往往需要在鋼管上截取縱向弧形試樣。試樣的加工,包括樣管段的切取和試樣的制備,會直接影響力學性能試驗結果。拉伸試驗前應選擇正確的取樣部位和取樣方向以及加工方式,加工成規(guī)定橫截面和形狀的試樣,并避免試樣在加工過程中受到熱影響和加工硬化影響,同時還應盡可能提高試樣的加工精度。

(3)拉伸速率影響。表2是在不同拉伸速率下材料的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率參數(shù)的變化情況。從表中可以看出,在一定速率范圍內(nèi),同一規(guī)格試樣,采用不同速率測得的屈服強度、抗拉強度數(shù)值相差非常小,無明顯變化,但是伸長率隨速率的增大而有所降低。從試驗角度講,如果試驗速率過快,會對傳感器造成損壞,過慢又會影響試驗效率,因此,最好還是按照標準規(guī)定,選擇適中的加載速率進行試驗。

表2 不同速率下力學性能

(4)夾持方法。拉伸試驗中夾持方法非常重要,如果試樣夾不住,試驗則無法進行；如果夾持方法不合理,則會實驗結果出現(xiàn)較大誤差。在進行拉伸試驗時,常出現(xiàn)試樣因應力集中而斷在夾持部分或標距外的過渡區(qū),導致實驗失敗的現(xiàn)象。其次試驗機的加載軸線應與試樣的幾何中心一致,如果不一致,會造成偏心加載而產(chǎn)生彎曲。一般不允許對試樣施加偏心力,因為力的偏心容易使試驗力與試樣軸線產(chǎn)生明顯偏移；拉伸夾具選用不當會使試樣產(chǎn)生附加彎曲應力,從而使結果產(chǎn)生誤差,同時拉伸夾具選用不當也極易引起拉伸試樣打滑或斷在鉗口內(nèi),導致實驗數(shù)據(jù)不準確或?qū)嶒灁?shù)據(jù)偏低。總之,試樣裝夾過程盡量保持中心線與力的方向一致。

(5)試樣尺寸的測量。在拉伸試驗中試樣的橫截面積計算非常關鍵,橫截面積往往是通過試樣尺寸測量后計算得到,鋼管縱向弧形試樣的橫截面積計算參照GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》附錄E,計算公式如下：

a0——管的壁厚；

b0——縱向弧形試樣的平均寬度，b0<(D0-2a0);

D0——管的外徑。

在產(chǎn)品的標準當中如果沒有特殊的規(guī)定,就必須要遵循國家標準要求,對其實際尺寸進行測量。鋼管表面銹蝕、試樣加工精度都會影響試樣的尺寸測量,應多次測量求取平均值。

5 結束語

通過試驗發(fā)現(xiàn),鋼管因其壁厚較小、規(guī)格較多且中空截面,在拉伸試驗的過程會出現(xiàn)上述所提到的影響因素,其中試樣的加工制備、速率的選擇以及試樣橫截面積的計算是決定試驗成敗的關鍵因素,處理不好就會使試樣報廢試驗無效。因此,在拉伸試驗的過程中,應正確認識這些因素,盡量避免這些影響因素的產(chǎn)生,并嚴格按照相關標準來進行試驗操作,這樣才能夠提高拉伸試驗的有效性和準確性,降低試驗成本。

[1]GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》.

[2]GB/T 3091-2015《低壓流體輸送用焊接鋼管》.