金属材料试样制备与力学性能试验结果的相关性_省略_取样部位及机加工与力学性能试验

技术讲座
金属材料试样制备与力学性能试验结果
的相关性
第一讲　试样的取样部位及机加工与力学性能试验结果的相关性
王承忠
(宝钢特殊钢分公司质量保证部,上海200940)
摘　要:介绍了金属材料试样制备与力学性能试验结果的相关性。

对国家标准中关于力学性能试验试样取样和机加工的要求、力学试验取样和制样过程中需要注意的问题、机加工质量的检验等问题进行了讨论。

结果表明金属材料试验试样的制备与力学性能试验的结果有着非常密切的相关性,由于这个原因,力学试验试样的取样和机加工必须严格按照国家标准的要求进行,机加工后必须检验加工质量,以保证力学试验结果的正确性。

关键词:试样机加工;取样;制样;力学性能;相关性;力学试验
中图分类号:T G115.5 文献标识码:A 文章编号:100124012(2008)0120033204
R EL A TIV IT Y B ETWEEN PR EPA RA TION O F SPECIM ENS AND R ESUL TS
O F M EC HAN ICAL PRO PER T Y TESTIN G FOR M ETALL IC MA TERIAL S L EC TU R E No.1　R EL A TIV IT Y FOR LOCA TION O F SAM PL IN G&PROCESS MAC H IN IN G AND R ESUL TS O F M EC HAN ICAL PRO PER T Y TESTIN G
WANG Cheng2zhong
(Baoshan Iron&Steel Co.L td.,Special Steel Branch,Shanghai200940,China) Abstract:The relativity for preparation of specimens and results of mechanical testing for metallic materials was introduced in a systematic way.The requirement of Chinese standards to location of sampling and process machining of test pieces for mechanical testing,the needing attention problems of the process for sampling and preparation of test pieces for mechanical testing,the examine of quality for process machining etc.were also discussed.The results showed that the relativity for preparation of specimens and results of mechanical testing for metallic materials were very close relationship.For the reason the location of sampling and process machining of test pieces for mechanical testing must be in processing strictly according to the requirement of Chinese standards.After the process machining must inspect the quality of processing.The exactitude of the results for mechanical testing is guaranteed.
K eyw ords:Process machining of specimens;Sampling;Preparation of specimens;Mechanical property;
Relativity;Mechanical testing
金属材料是工程材料中的主体,其力学性能是工程应用中十分重要的性能。

为保证材料构件的安全,通过材料的各种性能试验所得到的性能参数必
收稿日期:2007208209
作者简介:王承忠(1941-),男,教授级高级工程师。

须真实地描述由材料化学成分、冶炼条件和热处理制度等一切冶金因素所决定的金属材料的材质特性,而不应该与试验因素有关。

试样加工是试验因素中的首要因素。

长期的试验结果表明,试样加工与金属材料力学性能测试结果有着非常密切的相关性。

如果试样的加工不能
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3
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满足有关性能测试方法标准的要求,那么即使其他条件再好,测试所得到的材料特性参数仍是失真的,其各种特性数据仍然不能描述金属材料的各种性能,达不到通过测试来判断材质的最终目的。

因此,严格按照各种力学性能测试方法标准的要求加工各种力学性能试样是测试或检测工作的关键。

在CNAS-CL01:2006《检测和校准实验室能力认可准则》(ISO/IEC17025:2005)“5.8检测和校准物品(样品)的处置”条款中就专门强调了试样加工的重要性并做了具体规定。

而且在CNAS-CL19:2006《实验室认可准则在金属材料检测实验室的应用说明》的认可文件中更加强调试样处置包括取样、制备、标识、存储、保留和/或清理等要求,此认可文件包括管理在内共计11个条款,关于试样方面的条款就有七个之多,占64%。

可见试样加工技术与力学性能相关性不仅是工程应用中的关键问题,也是实验室认可中十分关注和强调的问题。

一般来说,如果严格按照各种力学性能测试方法标准的要求来加工各种力学性能试样并通过了严格的检验,那么试样加工对力学性能测试结果的影响就可以下降到最低水平。

试样加工好以后必须对其状态进行检查,试样的状态是否符合国家标准要求取决于两方面的因素,其一是取样,其二是机加工。

这两方面都与力学性能测试结果密切相关,因此取样和制样都必须满足国家标准要求。

下面具体介绍在力学专业中试样状态(取样和机加工的精度)与性能测试结果之间的相关性,以及相应的国家或国际标准,并介绍怎样加工才能达到标准的要求。

1　试样的取样部位及方向与力学性能试验结果的相关性
1.1　取样部位与拉伸试验测试结果的相关性
取样的基本慨念是:从产品批(母体)中随机抽取一个产品,如一块钢板叫做抽样产品(子样),在抽样产品上切取足够用的材料称为试料,经机械处理或需要的热处理后的试料,称为样坯,再经机加工或未经机加工具有合乎标准要求的状态(尺寸、形状公差和表面粗糙度等)的样品称为试样。

可见从产品批成为试样的整个过程(五步),包括了两个方面的工艺,其一是取样,其二是机加工。

取样有三大要素:①取样部位:一般中心部位的性能低于其他部位的性能;②取样方向:一般纵向试样的性能优于横向试样的性能;③取样数量:子样应有代表性,数量由产品标准及使用情况而定。

这三大要素都与力学性能测试结果有密切的相关性。

这是因为:①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,变形时金属沿主变形方向流动;②加工成材前的原钢锭坯内部会存在各类冶金缺陷,在加工变形时缺陷的分布也不均匀;③加热或散热的条件也会有差异,所以成材后的金相组织必然也不均匀;④还有其他诸多工艺变动因素等,决定了名义上相同的一批,甚至同一产品(如同一块钢板)的不同部位,其力学性能也出现差异。

因此,在不同部位取样、制样和试验,其结果必然不同,试验结果(表1)说明了这一结论。

表1　25号圆钢取样部位对拉伸性能的影响
Tab.1　The influence of location for sampling on
tensile property of25steel
尺寸/mm状态部位R m/MPa A/% <50轧中心50631.3
1/4处52031.8 <50拉中心51931.5
1/4处52231.5 <60拉中心59611.2
1/4处61712.2
从表1可以看出,对于25号圆钢,在中心区域取样所得到的抗拉强度值低于其他部位(如1/4处,按G B/T2975-1998标准的规定)的数值,而断后伸长率A的数值变化不大。

表2是在槽钢腰部和腿部不同部位取样对拉伸试验结果的影响。

结果表明,不同部位的取样拉伸试验结果有所不同,可见取样部位是试验结果不可忽视的影响因素之一,毛坯号为2号和6号所对应的数据为国家标准的规定。

表2　槽钢取样部位对拉伸性能的影响
Tab.2　The influence of location for sampling on tensile
property of channel iron
毛坯号取样部位R m/MPa R eL/MPa A/% 1腰部　1/6处44033133.0
2腰部　1/4处43934832.0
3腰部　1/3处47337629.6
4腰部　1/2处48837929.4
5腰部　2/3处46336630.0
6腿部　1/3处44435530.5
7腿部　2/3处43932433.0
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4
3
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1.2　取样方向与拉伸试验结果的相关性
在力学性能试验中,取样方向对试验结果有十分重要的影响。

这是因为金属材料制成的冶金产品在生产制造过程中一般都要通过压力加工使产品具有一定形状的横截面,那么有:①在加工时材料的金属晶粒沿主变形方向流动,晶粒被变形拉长并排列成行,而且夹杂也沿变形方向排列,形成所谓的金属纤维,于是材料性能必然是各向异性的;②冷加工成形的制品会形成织构和残余应力,这是造成性能各向异性的第二个原因。

试验结果证实了这个结
论,表3列出了薄板材料沿平行轧制方向和垂直于轧制方向取样对拉伸性能的影响。

表3　取样方向对拉伸试验结果的影响
Tab.3　The influence of direction for sampling on
results of tensile testing
取样方向状态
R m /MPa R eL /MPa Z /%
平行轧制方向
P 2F 1)47630656(纵向试样)
M (400)2F 2)99262415M (800)2F 3)
73146540垂直于轧制方向
P 2F 43127812(横向试样)
M (400)2F 8965103M (800)2F
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408
9
注:1)P 2F 表示带状珠光体2铁素体;2)M (400)2F 表示带状珠光体2铁素体,回火温度204.44℃(400));3)M (800)2F 表示带状珠光体2铁素体,回火温度426.67℃(800))。

由表3可见,纵向试样(平行轧制方向取样)的拉伸性能,不管是强度指标还是塑性指标都优于横向试样(垂直于轧制方向取样)的性能,特别是断面收缩率的差异特别显著。

2　试样的机加工与力学试验结果的相关性
样坯取好后,下一步就是制样,制样就是通过车、铣、钻、刨和磨等机加工方式,加工成符合标准要求又不因机加工而破坏材料真实性能的试样或样品,其总原则是不要因机加工使试样受热或冷加工硬化而影响材料的性能,而且加工的精度一定要达到标准的要求,这一步非常重要。

因为机加工精度直接影响力学性能试验的结果。

2.1　拉伸试样形状公差与试验结果的相关性
一般试样机加工造成的形状公差有三种情况:①一端大另一端小;②两端大中间小;③中间大两端小。

最常见的是一端大另一端小的情况(图1)。

现以最常见的情况为例子说明形状公差与伸长(应
变)测试结果的相关性。

图1　圆形横截面试样的形状公差示意图
Fig.1　Sketch of shape tolerance for specimens
of the cross section for circle
2.1.1　圆形横截面试样
在标距范围内,由于加工原因,一端大另一端
小。

对于这种情况,所引起的应变测定误差δ可按下式计算:
δ=
Δe 0
e 0
=-(
L 0-L E
L E
)×100%(1)
式中　L 0———原始标距;
L E ———等效标距。

L E
=D 2/n 0(D 1-2/n 1-D 1-2/n
)(1-2/n )(D 1-D 0)
×L 0
(2)
式中　D 0———最小直径;
D 1———最大直径;
n ———硬化指数,计算时取0.2。

2.1.2　相对两面机加工的矩形横截面试样
对于相对两面机加工的矩形横截面试样,假定在标距L 0范围内厚度处处相等,而宽度沿L 0方向有形状公差,这类公差一般也像圆形横截面试样一样,主要也是三种情况,即一端大一端小、两端大中间小以及两端小中间大。

最常见的是一端大一端小的情况。

现以此种情况为例来说明形状公差的影响。

对于这种形状公差所引起的应变测定误差也按式(1)计算,但是式中的等效标距L E 应按下式计算:
L E
=b 1/n 0(b 1-1/n 1-b 1-1/n
)(1-1/n )(b 1-b 0)
×L 0
(3)
式中　b 0———最小宽度;
b 1———最大宽度。

应用式(1)～(3)分别计算国家和国际拉伸标准规定的形状公差对应变测定误差的影响,见表4和表5(n =0.2,原始标距为L 0)。

从表4可见,由于国家标准与国际标准对圆形横截面试样直径规格和形状公差的规定基本相同,因此,形状公差对应变测定所引起的误差也相近,其
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53・
表4　圆形横截面试样形状公差引起的应变测定误差
Tab.4　The error of measurement for strain due to the shape tolerance of specimens for the cross section of circle 直径D/mm形状公差/mm等效标距L E/mm应变误差δ/%
G B/T228ISO6892G B/T228ISO6892G B/T228ISO6892G B/T228ISO6892
330.020.0250.967L00.960L0-3.4-4.2
3～6>3～≤60.030.0300.952L0～0.975L00.952L0～0.975L0-5.0～-2.6-5.0～-2.6 6～10>6～≤100.040.0360.967L0～0.980L00.971L0～0.982L0-3.4～-2.0-3.0～-1.8 10～18>10～≤180.040.0430.980L0～0.989L00.979L0～0.988L0-2.0～-1.1-2.1～-1.2 18～30>18～≤300.050.0520.986L0～0.992L00.986L0～0.991L0-1.4～-0.1-1.4～-0.1
表5　相对两面机加工矩形横截面试样形状公差引起的应变测定误差Tab.5　The error of measurement for strain due to the shape tolerance of specimens for process machining
of relative two surfaces for the cross section of rectangle
试样宽度b/mm形状公差/mm等效标距L E/mm应变误差δ/%
G B/T228ISO6892G B/T228ISO6892G B/T228ISO6892G B/T228ISO6892
330.050.14-0.960L00.893L0-4.2-12.0 3～6>3～≤60.050.18-0.960L0～0.980L00.866L0～0.929L0-4.2～-2.0-15.5～-7.6 6～10>6～≤100.100.22-0.960L0～0.975L00.915L0～0.947L0-4.2～-2.6-9.3～-5.6 10～18>10～≤180.100.27-0.975L0～0.986L00.936L0～0.964L0-2.6～-1.4-6.8～-3.7 18～30>18～≤300.200.33-0.973L0～0.984L00.956L0～0.973L0-2.8～-1.6-4.6～-2.8 30～50>30～≤500.200.39-0.984L0～0.990L00.968L0～0.980L0-1.6～-1.0-3.3～-2.0
最大相对误差都约为-5.0%。

然而,从表5可知,不管对试样的那一个宽度范围,国际标准规定的形状公差都大于国家标准所规定的形状公差,所以由此引起的应变测试误差也都大于我国标准规定所引起的测定误差。

如ISO6892标准规定所引起的最大误差达到-15.5%,我国标准规定所引起的最大误差只有-4.2%。

而且不管是圆形试样还是两面机加工的矩形试样,形状公差所引入的应变测定最大误差都出现在常用尺寸试样的范围(即>3～≤6mm)。

从表4和表5可知,形状公差引起应变测定结果产生负的误差,即对断后伸长率和均匀伸长率影响明显,形状公差大,导致断后伸长率和均匀伸长率明显偏低。

从表中可知对于两面机加工矩形拉伸试样形状公差的规定,ISO6892:1998标准要求太低,这样宽的形状公差对伸长率的测定影响过大,甚至不可接受。

为此G B/T228-2002标准提高了形状公差的要求,减小了应变测定误差,显然是合理而先进的。

(未完待续)
(上接第3页)
[5]　G iilpen J an H,K odentsov Alexander A,Loo Frans J J
van.Growth of silicides in Ni2Si and Ni2SiC bulk diffu2 sion couples[J].Z Metallkd,1995,86(4):530-539.
[6]　Bhanumurthy K,Schmid2Fetzer R.Interface(Ni,Cr,
Pd,Zr)[J].Composites,2001,32PartA(2):569-
574.
[7]　KIM Hong2sung,Y oon2Joong,L EE J an2Y ong,et al.
A study of the growth mechanism of Ni2Si phase
formed at Ni/a2Si interface[J].Journal of Materials Science Letters,1997,16(11):560-562.
[8]　PAN X M,J IN Z P,ZHAO J C.Determination of the
isothermal sections of the Al2Ni2Si ternary system at 750℃and850℃[J].Metallurgical and Materials
Transactions A,2005,36A(7):1757-1767.
[9]　Fujimura T,Tanaka S I.In2situ high temperature X2
ray diff raction study of Ni/SiC interface reactions[J].
Journal of Materials Science,1999,34(23):235-239.
[10]　Sarkar D K,Falke M,G iesler H,et al.Role of bur2
ied ultra thin interlayer silicide on the growth of Ni
film on Si(100)substrate[J].Appl Phys A,2000,70
(6):681-684.
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