δ0.05mm薄鋼帶力學(xué)性能測試方法研究

徐秋發(fā) 李東東 楊慶功 李阿妮 劉宗杰 展曉艷

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

1 引 言

δ0.05mm 1Cr18Ni9Ti不銹鋼帶為航天多個(gè)型號用關(guān)鍵原材料，依據(jù)GB/T 4239-1991技術(shù)條件要求[1]，不進(jìn)行力學(xué)性能測試，標(biāo)準(zhǔn)中也無此規(guī)格對應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)與檢測方法，但在航天領(lǐng)域中，使用該規(guī)格材料時(shí)一直按標(biāo)準(zhǔn)中最小規(guī)格δ0.3mm對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合格與否的判定。由于0.05mm厚的 1Cr18Ni9Ti在進(jìn)行力學(xué)性能測試時(shí)，難度大，影響因素多而且還不明確，測試結(jié)果往往并不是材料本身性能的真實(shí)反映。目前，已有多批δ0.05mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼帶的力學(xué)性能測試結(jié)果達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求，致使無法繼續(xù)生產(chǎn)使用，已嚴(yán)重影響了各型號的科研生產(chǎn)任務(wù)的順利進(jìn)行。

眾所周知，影響金屬材料力學(xué)性能測試結(jié)果有很多因素，如拉伸速率、試樣形狀、表面加工狀態(tài)等[2～9]。有文獻(xiàn)研究表明[2]，不同材料對拉伸速度的敏感程度不同，拉伸速率對不同的材料的影響大小不一樣。對于試樣形狀的研究結(jié)果，不同材料也有不同結(jié)果[3～5]。在GB/T 4239-1991技術(shù)條件中[1]，對試樣形狀也沒有唯一規(guī)定，試樣形狀可選擇帶頭(啞鈴型)和不帶頭(直條型)的試樣。因此，本文研究了拉伸速率、試樣形狀和表面狀態(tài)對0.05mm厚的 1Cr18Ni9Ti不銹鋼帶力學(xué)性能測試的影響，并且制定出合理的檢測方法，以提高產(chǎn)品一次檢驗(yàn)合格率。

2 試驗(yàn)方案

隨機(jī)選取一批次1Cr18Ni9Ti不銹鋼帶為試驗(yàn)材料，鋼帶厚度為0.05mm，寬度為200mm。沿鋼帶軋制方向并排取樣，試樣形狀按GB/T 4239-1991要求加工成直條型和啞鈴型兩種形式，試樣實(shí)物如圖1所示。

圖1 啞鈴型和直條型拉伸試樣Fig.1 Dumbbell-shaped samples and straight strip samples

在室溫條件下，用GMT 6203微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試，分別采用4種不同的拉伸速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，4種不同拉伸速率分別為0.5mm/min、3mm/min、5mm/min、20mm/min，測量不同拉伸速率下鋼帶的抗拉強(qiáng)度(σb)和屈服強(qiáng)度(σ0.2)和斷后延伸率(δ5)。拉伸試驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)結(jié)果的判定依據(jù)GB/T 228.1-2010進(jìn)行[10]。

為了研究試樣表面狀態(tài)對力學(xué)性能測試結(jié)果的影響，本文還選取了表面有壓痕的鋼帶試樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 拉伸速率對直條型試樣力學(xué)性能測試結(jié)果的影響

表1是直條型試樣在4種不同拉伸速率下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的結(jié)果。從表1中可以看出，直條型試樣在不同拉伸速率下的抗拉強(qiáng)度(σb)和屈服強(qiáng)度(σ0.2)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但是延伸率(δ5)有一半達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。延伸率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的原因是直條型試樣拉斷部位在夾頭處，而不是在有效標(biāo)距內(nèi)，屬于不合格數(shù)據(jù)。

表1 在不同拉伸速率下直條型試樣力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.1 Results of mechanical properties of straight strip samples at different tensile rates

3.2 拉伸速率對啞鈴型試樣力學(xué)性能測試結(jié)果的影響

表2是啞鈴型試樣在4種不同拉伸速率下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的結(jié)果。從表2中可以看出，啞鈴型試樣在不同拉伸速率下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，并且斷裂位置也都在有效標(biāo)距內(nèi)，屬于合格數(shù)據(jù)。

抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率與拉伸速率之間的變化關(guān)系如圖2、圖3和圖4所示。從圖2～4中可以看出，在不同拉伸速率下，不同編號的啞鈴型試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率差別不大，均在誤差范圍內(nèi)。可見，拉伸速率的大小對啞鈴型試樣力學(xué)性能測試結(jié)果影響很小。

圖2 拉伸速率對抗拉強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of tensile rate on tensile strength

圖3 拉伸速率對屈服強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of tensile rate on yield strength

圖4 拉伸速率對延伸率的影響Fig.4 Influence of the tensile rate on the elongation

3.3 拉伸試樣類型對力學(xué)性能測試結(jié)果的影響

對比表1和表2可知，直條型試樣在不同拉伸速率下幾乎都有一半的試樣斷裂位置在夾頭內(nèi)，屬于無效測試結(jié)果，而啞鈴型試樣在不同拉伸速率下的試樣均在有效標(biāo)距內(nèi)斷裂，屬于有效測試結(jié)果。可見，拉伸試樣的類型對厚度為0.05mm的薄鋼帶力學(xué)性能測試結(jié)果具有很大的影響，使用啞鈴型拉伸試樣可以提高薄鋼帶的一次檢驗(yàn)合格率。

3.4 表面加工狀態(tài)對力學(xué)性能測試結(jié)果的影響

在GB/T 4239-1991中對于試樣表面狀態(tài)的規(guī)定是允許鋼帶試樣表面有劃痕、壓痕等缺陷[1]。圖5和圖6分別是正常鋼帶試樣和表面有壓痕鋼帶試樣的SEM圖片，表面有壓痕啞鈴型鋼帶試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，表面有壓痕鋼帶試樣拉伸斷裂后的部位均在有效標(biāo)距內(nèi)，所以測出來的數(shù)據(jù)都是有效數(shù)據(jù)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是延伸率都比標(biāo)準(zhǔn)值小，不符合要求。可見，試樣表面質(zhì)量對測試結(jié)果影響很大。

表3 在不同拉伸速率下表面有壓痕啞鈴型 鋼帶試樣力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.3 Results of mechanical properties of dumbbell-shaped samples with indentation on the surface at different tensile rates

圖5 正常鋼帶試樣Fig.5 Normal steel strip sample

圖6 表面有壓痕的鋼帶試樣Fig.6 Steel strip with indentation on the surface

4 結(jié)束語

本文從以上數(shù)據(jù)分析中可以得出以下結(jié)論：

(1)拉伸速率對厚度為0.05mm薄鋼帶的力學(xué)性能測試結(jié)果影響并不大；

(2)直條型試樣在拉伸過程中，約有一半的試樣斷裂在夾頭位置，為無效測試結(jié)果；啞鈴型試樣均斷裂在標(biāo)距內(nèi)，屬于有效測試結(jié)果；

(3)薄鋼帶的表面質(zhì)量對拉伸試驗(yàn)結(jié)果影響很大；

(4)建議對厚度為0.05mm薄鋼帶的力學(xué)性能測試時(shí)采用表面沒有缺陷的啞鈴型試樣，能提高檢驗(yàn)一次合格率。