鋼索鋼絲繩斷后伸長率測試新方法

于 湃, 劉天釗, 劉俊博, 王 林, 吳 莉, 孫 奇

(中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司產檢中心 理化檢測室, 沈陽 110043)

依據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的要求及鋼索結構的特殊性，在測試鋼索的拉伸性能時，應在測試其破斷拉力的拉伸過程中，實時動態地測試鋼索的斷后伸長率，并配置專用試驗機、專用工裝和檢測軟件進行測試。實驗室現有試驗條件可以開展破斷拉力測試，但不具備實時動態斷后伸長率的測試能力，因此一直未開展該項測試。為滿足生產部門的測試需求，筆者研究了帶接頭鋼索鋼絲繩斷后伸長率測試的新方法，利用實驗室現有設備和測試條件實現了鋼索斷后伸長率的測試，獲得了準確可靠的鋼索力學性能數據。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

采用入廠復驗0Cr18Ni9鋼帶接頭的鋼索鋼絲繩，將鋼索外部的鎧裝銅絲脫去，取軸心部分進行試驗，鋼索鋼絲繩的力學性能應符合企業要求，其破斷拉力應大于9 000 N，斷后伸長率應小于1.0%，鋼索結構及軸心橫截面如圖1所示。

圖1 鋼索結構及軸心橫截面示意

1.2 試驗設備

試驗選用能夠自動采集測試數據的電子拉力試驗機，其負荷精度為±0.5%，應變測試精度為±0.5%，采集間隔為0.5 ms，設備能夠自動繪制試驗曲線和記錄試驗數據，其夾具能使試樣正確地承受負荷，并保證其同心度滿足GB/T 228.1—2010的要求，且試樣上產生的最大彎曲應變不超過軸向應變的15%，引伸計選用大量程全自動測試，量程為1 000 mm。

2 新測試方法

依據GB/T 228.1—2010，利用設備自帶軟件提前編寫試驗程序，使試驗機按要求進行加載、保載、卸載等一系列連續動作，以實現自動控制，也可以切換到手動控制完成斷后伸長率的測試。完成斷后伸長率測試之后，繼續不間斷地以恒定的試驗速率持續加載，直到試樣斷裂，以得到試樣的破斷拉力。

2.1 專用工裝

鋼索由外面的鎧裝不銹鋼絲和銅絲包裹，里面由多股細絲組成，因此試驗時無法采用螺紋連接方式對其進行裝夾。采用液壓式楔形夾持方式進行拉伸試驗的結果顯示：當液壓壓力過大時，試樣端部易被夾扁而產生應力集中，并且夾持端單股細絲出現了連續的過早斷裂，使試樣不斷振動，無法實施斷后伸長率測試；當液壓壓力過小時，試樣因夾持不牢而出現打滑或拉脫，無法判斷試樣的斷裂位置。采用小載荷平板夾持方式，則無法夾緊試樣，因此現有的試驗裝夾方式均不適合鋼索斷后伸長率的測試，必須研制出專用工裝，才能做到既將試樣夾持牢固，又不損傷試樣，從而保證試驗有效。

根據鋼索結構特點設計出兩種工裝，第一種工裝采用圓盤纏繞+凸輪鎖緊方式，其連接拉伸過程如圖2所示。由圖2可知，這種工裝夾持牢固，不易出現打滑現象，為避免夾持時因應力集中而使試樣在非平行段位置斷裂，故將其設計成上、下夾具經圓盤纏繞和凸輪鎖緊，但夾持部分需要一定的長度，因此該工裝夾具僅適合長試樣的拉伸試驗，無法完成長度在1 000 mm以下短試樣的斷后伸長率測試。

圖2 圓盤纏繞+凸輪鎖緊夾具的連接拉伸過程示意

第二種工裝采用組合式的鎖緊方式，即將工裝設計成帶2塊有V型槽口的組合夾塊，采用螺栓和螺帽連接的方式使試樣夾持部分均勻受力并牢固鎖緊(見圖3)。采用該工裝夾具進行試驗時，試樣不易出現打滑，避免了應力集中，試樣在有效位置斷裂，因其平行段之外的夾持部分相對較短，故該工裝夾具適合不同長度試樣的測試。此外，該工裝夾具還具備加工簡單、方便操作的優點，因此,此次試驗采用第二種工裝夾具。

圖3 組合式鎖緊夾具的連接拉伸過程示意

2.2 應變速率

試驗時的應變速率對拉伸試驗結果有一定的影響，即抗拉強度隨著應變速率的增大而減小，靜態斷后伸長率隨著應變速率的增大而增大。因為之前沒有開展過鋼索動態斷后伸長率的測試，所以有必要分析應變速率對試樣破斷拉力和動態斷后伸長率的影響，才能制定合理的試驗應變速率。依據GB/T 228.1—2010，塑性范圍內試樣平行長度的應變速率不應超過0.008 s-1。不同應變速率下斷后伸長率和破斷拉力的測試結果如圖4，5所示。

圖4 不同應變速率下的斷后伸長率測試結果

從圖4可以看出:選用不同的應變速率對試樣斷后伸長率測試結果影響不大，斷后伸長率平均值基本在0.904 7%上下波動，且隨著應變速率增大略有降低，當應變速率不小于0.008 s-1時，試樣的斷后伸長率趨于平穩，采用0.010 s-1應變速率時，試樣出現過一次打滑現象，重新夾持后完成試驗。

從圖5可以看出:隨著應變速率的增大，試樣的破斷拉力呈逐步下降趨勢，當應變速率為0.006 s-1時，曲線趨于平穩，表明應變速率增加到一定值時，對試驗結果影響作用不大[1];應變速率過慢會使測試效率變低，應變速率過快試樣會出現打滑現象，即應變速率過慢或過快都會影響測試的一次成功率，因此比較合理的試驗應變速率為0.006 s-1。

圖5 不同應變速率下的破斷拉力測試結果

2.3 標距標記方法

鋼索試樣在拉伸時沒有明顯的集中變形，而是整體均勻伸長，因此必須保證足夠長的標距，才能真實反映出試樣的塑性指標。試樣的總長度應不小于460 mm，除去鋼索兩端夾持所需的余量外，應保持試樣平行段長度不小于200 mm，以便于安裝引伸計。

鋼索由多股細絲組成，橫截面呈不規則的幾何形狀，因此常規試樣標距的標記方法不適用，應探索其他方法進行標記。采用大量程引伸計法可直接將引伸計的標距作為試樣標距，無需在試樣上進行原始標距的標定。因鋼索表面存在油漬，在試樣延伸過程中，引伸計夾持端不易夾緊，在引伸計跟蹤鋼索的變形位移過程中，試樣會間斷出現打滑現象，故可以用丙酮或酒精擦洗試樣被夾持的部分來避免試樣打滑。因此，試樣平行段內的標距長度選定為100 mm，與生產廠家的要求相一致。

3 結果驗證

3.1 結果可靠性分析

采用新測試方法在不同型號的試驗機A,B上分別對試樣進行拉伸試驗，試驗速率在屈服前均為0.1 mm/min，屈服后均為2 mm/min，測試結果如表1所示。由表1可知，采用新測試方法在不同型號試驗機上獲得的試樣抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率結果的平均值和標準方差均一致，表明新測試方法得到的數據可靠。

表1 不同型號試驗機的拉伸性能測試結果

3.2 結果有效性分析

選用3個鋼索試樣進行斷后伸長率測試，隨后以恒定速率持續加載試樣，直至試樣被拉斷，從而得出試樣的破斷拉力測試結果，結果顯示：3個試樣的斷后伸長率均小于1.0%，破斷拉力均滿足最小破斷拉力，屬于有效試驗，試驗結果合格。拉斷后試樣的宏觀形貌如圖6所示。

圖6 試樣拉斷后的宏觀形貌

3.3 結果準確性分析

為考察一次試驗成功率及試驗結果的準確性，將試驗數據與廠家數據進行對比。取20個同爐批次入廠的復驗余料進行斷后伸長率測試，試驗數據與廠家數據的對比結果如圖7所示。從圖7可知：試驗的一次成功率可達100%，試驗數據與廠家數據曲線的變化趨勢一致，大部分數據相等(曲線上的點重合)；其中，廠家數據的標準方差為6.266，試驗數據的標準方差為5.989。采用F檢驗法檢驗試驗數據和廠家數據的標準方差是否相同，取顯著度α=5%時，兩組數據的自由度均為19，其中Fα(接受區間的上限為)1.81，F(廠家數據方差與試驗數據方差的比值)為1.05，由于F

圖7 試驗數據與廠家數據的對比結果

4 綜合分析

由上述分析結果可知,試驗過程使用的工裝夾具、應變速率和標距方法是影響測試結果的關鍵因素。采用新測試方法在不同型號試驗機上得到的試樣力學性能測試結果一致，說明新測試方法采用的工裝夾具、應變速率與標距方法符合要求。試驗數據與廠家數據的對比結果顯示，兩組數據的平均值和標準方差均一致，說明二者測試水平相當，試驗結果互為認證。此外，依據JJF 1059—1999《測量不確定度評定與表示》，對試驗數據進行不確定度評估，發現試驗數據(除個別異常數據)均落在置信度區間95%內，說明試驗結果精確可靠。

5 結語及建議

采用鋼索鋼絲繩斷后伸長率的新測試方法，一次試驗成功率達到90%以上，數據穩定可靠，填補了檢測空白，達到攻關目標。此方法不僅獲得了更加全面的力學性能指標，而且為設計和使用部門提供了試驗支持。該方法可直接應用于產品的日常科研生產性能測試中。

建議開展標距為200 mm和300 mm的斷后伸長率測試，以適應各種尺寸鋼索鋼絲繩的性能測試。