爆炸復合板剪切試樣加工和試驗影響因素

范廣森，王常青，陸帥(南京三方化工設備監理有限公司，江蘇 南京 210036)

0 引言

在石化行業涉及腐蝕性介質時，設備選材需要用到高合金材料或者內襯專用塑料等，內襯防腐塑料的適用范圍較小，若使用整體耐腐蝕材料制造，材料成本和加工制造成本會非常不經濟，因此金屬復合材料是一個優秀的解決方案，它可以結合基材的強度和復層的抗腐蝕性，在成本控制方面有極大優勢，也符合當今講求發展高效經濟的趨勢。復合板的結合強度，尤其是基層和復層之間的剪切強度，是衡量其能否保證產品使用質量的關鍵因素。本文主要以銀與不銹鋼復合板剪切試驗實例(爆炸復合方式)，討論試樣形狀和剪切試驗過程參數的影響。文中涉及的復合板規格為：筒體(δ1.5+δ26)×1715×4985 mm，封頭：(δ1.5+δ25)×Φ2050 mm。

1 最終剪切試樣取樣的形狀

GB/T 6396—2008標準規定當復合板總厚度T≤10 mm時，可用拉剪試樣進行剪切試驗，美標ASTM B898及ASTM A265標準沒有對薄板做單獨的規定。本文僅討論剪切試驗，不討論拉剪試驗。基層板較薄的情況下試驗時，基層容易彎曲影響試驗精度，可以參考文獻[1]設計的工裝進行測試。

對比兩個標準，國標和美標的試樣規格總體是相似的，主要差異是：

(1)國標復層前側有一個3×0.5(寬×深)mm溝槽；

(2)國標對上下表面平齊度進行了要求；

(3)美標對復層厚度進行了限制，當復層厚度大于3.2 mm時需機加工去除余量到3.2 mm(max)；

(4)國標對各表面的粗糙度進行要求；

(5)國標對復層寬度進行了嚴格的限制，ASTM B898對寬度的要求比較寬泛。但ASTM B898引用的剪切試驗規范ASTM A265中要求復層厚度a≤1/8英寸，即最大厚度3.17 mm，同時復層寬度限制為W=3a/2。

國標要求在覆層后部基層板上加工出一個0.5 mm深的凹坑，可徹底去除后部殘余覆層的影響，提高試驗值的準確性。美標沒有明確對各表面的垂直度、平行度進行要求，不過為保證順利試驗并保證結果準確，在機加過程也必須保證一定精度。國標對于試樣表面粗糙度的要求以及試樣與工裝間隙保證在0.1～0.15 mm，美標為0.005 inch(0.127 mm)，是防止夾頭與試樣基層表面接觸影響試驗結果。美標中對試樣上復層厚度進行了限制，應該是為了去除多余的復層，以減少對剪切過程的影響。中美標準對復層的寬度都限制在比較小的尺寸，這是因為當復層寬度過大時，容易出現復層的滑移，本實例中銀材料質軟，結合面的強度大，在取樣試驗中多次出現斷裂在銀層或者銀層滑移的現象，如圖2所示，無法得到結合面的剪切值的準確值。

國標與美標比較，兩者的試樣形狀大體相同，國標對試樣的要求更具體一些，特別是復層后側溝槽的要求，國標的要求更加細致規范，也更能保證最終結果真實。

2 試樣加工方式

標準中未對試樣加工做細致要求，試樣的加工有多種方法，應盡量減少加工過程對試樣的熱影響或加工應力等。通常使用的加工方式有線切割和機加工的方法。

剪切試樣的機加工過程如下：

(1)鋸—用鋸床加工60×700 mm的原始樣，取出剪切試樣毛坯；

(2)刨—用刨床將剪切試樣毛坯兩側刨平，確定試樣寬度，打磨掉毛刺；

(3)車—用車床將刨床加工過后的試樣兩頭車平齊，定下試樣長度；

(4)銑—用銑床銑去多余的復層，確定復層寬度，打磨掉毛刺，通過以上加工過程，得到最終的試樣形態。

在某項目中，同一批次的鈦+不銹鋼316L復合板的原始樣，復合板供應商和買方廠家分別取樣加工和試驗差異較大，試驗結果如表1所示。

經雙方商討后，重新取樣進行對比試驗，選取16006-70和16006-21批次各四個樣品(各兩個)，樣品均為復合板廠家的檢驗中心采用機械加工方式進行加工，雙方分別按之前方法進行剪切試驗，試驗結果如表2所示(單位MPa)。

通過表1發現兩方測試結果整體差異很大；表2所示兩邊試驗時對兩個板號分別做兩個試樣，16006-70批次平均差值約50 MPa，16006-21批次平均差值約40 MPa，但采用機加工方法后，買方測試的剪切值提升明顯。綜合表1和表2結果得出結論：線切割加工方式對試驗的剪切結果存在較大的影響，機械加工方法更為合理。

表1 線切割測試與機械加工試樣測試數據對比 單位：MPa

表2 兩方試驗數據對比 單位：MPa

3 試驗過程參數控制

GB/T 6396—2008與ASTM A265—2012中對試驗工裝及夾持的要求總體相似，國標對與復層接觸的工裝倒角要求R＜0.1，對試驗平臺要求與試樣和工裝垂直度要求在0.03 mm范圍內。

GB/T 6396—2008規定：工裝硬度不低于400 HV，剪切刀刃處不低于600 HV。試驗機應按照GB/T 228中規定執行。試驗載荷應力F垂直作用與試樣基材的中心線上。同時，根據不同復材彈性模量規定了不同試驗剪切應力速率范圍，如表3所示，美標沒有明確的要求。因此相對于美標，國標更加詳細。如果約定的是按照美標取樣和試驗，在美標未明確的地方，可以參考國標執行。

表3 剪切試驗應力速率

4 試驗結果及偏差分析

GB/T 8547—2006標準要求結合率100%的剪切強度≥196 MPa，其他類的≥140 MPa，ASTM B898標準中對剪切強度要求≥20 000 psi(127.9 MPa)。對于鈦復合板的剪切試樣結果一般如圖1所示(執行國標的試樣)，而銀板的剪切試樣結果存在如圖2所示(執行美標的試樣)的情況，圖2復層材料出現了滑移，即試驗結束后，部分復層材料粘結在了基層上。

圖1 鈦與不銹鋼復合板剪切試樣

圖2 銀與不銹鋼復合板剪切試樣

鈦復合板的覆層會脫落，且邊界分明，而銀復合板的覆層一般在載荷已經下降后(可判定試驗結束)，也未能與基層完全脫離。主要原因是鈦板強度和硬度較高，銀質軟，銀覆層的斷裂一般不是嚴格的界面上，是偏向于銀層側發生滑移。考慮銀復合板在此種情況下取得的試驗結果也滿足＞140 MPa，可以推測結合面的實際剪切強度肯定＞140 MPa，因此試驗結果滿足標準要求，判定剪切試驗合格。微觀角度來講，結合界面并非一條理想的曲線而是一個有元素擴散的過渡區域，通常復合板厚度的均勻性、取樣的部位和界面的平直度都會影響界面的確定從而影響結合強度的準確性[2]。

在本文的研究案例中，出現了業主自己做試驗(試樣亦本廠加工)取得的剪切強度普遍低于復合板廠所得數據40 MPa左右，以至部分試驗數據沒有滿足140 MPa的最低要求情況，復合板廠技術人員到業主方的理化室實地檢查后，分析的原因如下：

(1)標準建議試驗機測試時力值滿足試驗機噸位的10%～90%，復合板廠采用20噸試驗機，業主方采用試驗機噸位60噸(600 kN)，業主方采用60噸試驗機測試時測試強度180 MPa時力值大約為20 kN，采用大噸位試驗機測試小力值試樣精度不高。

(2)標準要求試驗速率應滿足3～15 N/mm2·s(強度大于150 MPa)，復合板廠理化中心可以控制試驗速率滿足要求，業主方試驗機無法精確控制試驗速度，速率不確定全靠實驗員經驗控制。

(3)業主方試驗機在加載過程中力值加載不連續，不滿足標準規定要求。

(4)業主方剪切工裝夾具不穩定，存在缺陷。底座應盡量保證水平，自配底座未自調整，底座配合剪切工裝時如果受力不同軸影響剪切試驗結果。

以上問題，需要試驗人員認真、周全考慮各影響因素，選取合適的試驗機器和試驗方法，才能取得更加符合實際的試驗值。如果有必要，雙方可以協商約定測試方法。

5 結語

復合板的剪切試樣取樣位置、取樣方向、試樣加工方法、試樣尺寸對試驗結果都會產生影響：

(1)用于制備試樣的板料和樣坯的切取和機加工，應避免產生表面加工硬化及熱影響改變材料的力學性能。做剪切試驗時應選用合適的機器和夾持方法，也是為了保證測試數據的準確度。

(2)試驗機器和工裝的選用、試驗時剪切速度確定應嚴格按照標準要求。

(3)取樣應留有余料，防止試驗不合格而能進行復驗取樣，以及可能需要的仲裁。當各方數據偏差較大時，應協商后考慮多做幾組對比試驗，排除人為因素和機器的影響因素。

(4)對于銀等貴重金屬的復合板，還要考慮到取樣的經濟性，不能產生過多的廢邊角料。至于選用國標試樣，或者美標試樣，兩者本身的差別不大，要根據合同要求選取，在細節處國標更完善，應參考執行。

試驗結果的準確性對最終產品的重要性不言而喻，為取得最合適的試驗值，需要每一個步驟的周密考量和規范操作。對于可能存在爭議的過程，應提前進行協議約定。