高温环境下材料实验——低碳钢中温条件下的拉伸实验

高温环境下材料实验

——低碳钢中温条件下的拉伸实验

尹君吉磊

北京工业大学建工学院000412

指导教师：王慕

摘要高低温条件下的应变测量，在许多科技及工业部门有着日益广泛的应用和重要意义。特

别是航空、航天、核工程、化工和动力工程中很多机械、设备处于高温或低温下工作，除了

解决材料本身的高低温强度问题外，还迫切需要进行模型或材料在热（冷）态工况下的应力

应变测量，特别是在高温环境中，测量条件较恶劣，因此与常温条件下电阻应变测量比较，

有一定的难度。本文研究了低碳钢Q235在中温400℃条件下的拉伸特性。并与常温下低碳钢

拉伸特性进行了比较。

关键词：高温；低碳钢；应力应变

1、引言

众所周知，应变电测技术应用十分广泛，美国波音767等飞机静力结构实验，秦山核电厂安全壳结构整体试验[1]，均采用电阻应变片测量技术。在工程中有一些特殊条件下的应力应变测量，如高、低温；高低压等。如上海闵行电厂某机组再热蒸汽管道蝶式加强焊制三通，受高温（550°C）及管道热膨胀引起综合应力[1]，为了解热工况下实际应力分布，必须进行高温测量。在高温环境下，非接触式测量技术，如全息干涉法、云纹法等尚处于研究阶段[2]。因此对特殊条件下的应变测量有一些特殊的要求，包括应变片、温度补偿、导线及温度监测等[3]。我们利用德国申克电子万能拉伸实验机、高温炉及温度控制器，对低碳钢进行了中温下的拉伸实验，将其结果与常温下进行对比。

2、实验系统

实验系统主要由电子万能试验机、数据采集单元、低碳钢试件、加热装置组成。实验机采用德国申克公司生产的RM250型（25吨）电子万能试验机，该设备从设计、工艺到装配都具有严格的操作程序，属于高档试验机。2000年对该试验机的电气部分实行了改造，实现了数据自动采集和处理功能，同时配备了高温炉，具有800°C以下进行各种材料的高温拉伸实验能力，并为进行高温实验加装了不影响实验结果的合金钢固定构件（见图1）。试件为Q235号低碳钢拉伸试件，平均直径5.05mm，有效标距60mm，两端采用螺纹结构与试验机连接。加热装置由电热炉和温度控制器组成，见图2。电热炉由电阻丝均匀加热，中间有隔热材料，外层是金属材料。电子温控装置不仅与电热炉连接还与热电传感器（热电偶）相连。本实验采用热电偶单点测量，测取不同的三点温度。控温器由电偶极获得温度信号与所需温度作对比，若低于所需温度，控温器则向电热炉发出信号，控制电阻丝中电流的大小给试件加热。

控制柜

3、实验过程和实验结果

首先测取试件的直径和标距，将其装于试验机上。由于本实验是在一定的温度条件下，为减少试验机的固定装置在非常温下对实验结果的影响，夹头采用特种钢。

所以在连接时是用螺纹传递拉力，安装试件不同于常温。先将试件安装在拉力机下端，将试件拧进钢中一个试件螺纹端长度，然后将拉力机上端放下至接近试件处，松开上面的固定端将试件另一端旋进上端。之后，将试件放置电热炉中，调整电热炉的位置使试件处于炉中间能充分的加热，再调整三个热电偶极的位置使其尖端接近试件的表面。以保证所测温度的准确性。由于实验在400°C 中温条件下进行，故需对铸铁构件接上水冷凝的胶管防止铸铁的变形。

接通电源并打开水冷凝开关，对试件进行加热。在加热过程中，将温度控制器温度设在400℃，试验机的控制微机上将拉力设置为最小，让电热炉开始加热。由温度控制器可以看到起始温度增加很快，当温度接近400℃时其温度上升缓慢，加热30分钟后温度基本上达到400℃左右，通过三个热电偶可以监测到炉内的温度，此时三个热电偶测出来的温度并不相等，温度控制器对电炉中的温度自动进行调整。为了使实验的温度条件更稳定，我们又对试件进行了10分钟的保温。在整个加热过程及保温过程中，由于材料的热膨胀，为了让试件尽可能不产生初应力，我们通过微机人工控制实验机随时的调整固定台高度，让试件的应力保持在0值左右。

将应力应变调为零。开始试件拉伸，将试验机拉伸时位移固定（0.2,0.05,0.01），并打开“位移延续变形”项，记录应力应变曲线，至试件最后断裂。

实验完成后，因为试件、电炉都处于非常温状态，为了保护电炉的电阻丝及延长实验装置的使用寿命，并不能当时打开电炉测量试件的颈缩和伸长，需要在温度降低到接近室温时才能打开，并对时间进行测量。

图3是400°C 时低碳钢的实验曲线。实验过程中，由于试件经加热膨胀和机械中存在一些间隙，所以在拉伸曲线上的第一部分，只有变形位移的增加，而没有应力的增加。 水冷凝进水 出水 热电偶图1 实验系统示意图 图2 加热炉

从图3可看出以下特点：（1）试件进入弹性变形阶段，曲线基本成直线变化，比例极限接近500MPa ，变形较小；（2）拉伸曲线中的屈服和强化阶段并不明显，特别是在中温400℃时曲线上已经没有明显的屈服阶段的水平锯齿状态，而且强化阶段也只是很快的达到曲线的最高点；（3）曲线的局部变形阶段 ，曲线在第四阶段开始较平滑，应力随变形逐渐变小，随后在变形的均匀增加下迅速减小直至试件断裂。

常温下的低碳钢一般曲线如图4，与图3比较发现：400℃时的曲线与一般温度曲线比较，在弹性阶段，常温下的曲线的直线段比400℃时的要陡即斜率要大，也就是说常温下试件比400℃时的弹性模量要大，但400℃时曲线的弹性阶段和伸长量比常温时长，比例极限要大，400℃时的非比例极限伸长率为0.2℅、0.05℅、0.01℅时，σP0.2 =489.2MPa, σP 0.05=469.1MPa, σP 0.01=456.8MPa 。在屈服和强化阶段，400℃时的曲线无明显屈服水平锯齿曲线出现，且只有很少的一段强化阶段就达到强度极限了，而在常温这是一段很长的变化曲线。在颈缩局部变形阶段，400℃时的变化曲线开始较缓和，逐渐的应力慢慢减小到最后时曲线略有些变陡。常温颈缩时应力则迅速下降。总的来说，从400℃时曲线可以得到E=112GPa 弹性模量比常温下的要小，强度极限σb =526.6MPa ，断面收缩率ψ=59.85℅,延伸率δ=14.29℅。

值得注意的几个问题是，实验中的试件标距并非是国标的标距与直径之比L/d=10或L/d=5，这使得在比较400℃曲线与常温的时会有一些误差。实验所得的结果中，材料的性质与书中Q235钢的描述有区别，400℃时的强度极限和延伸率与常温的关系更接近优质碳素钢。

4、结束语

通过试验可得到如下结论：

1. 低碳钢在短时（几分钟内被拉断）高于室温的静载荷作用下，σs 和E 将随温度的升高

而降低。

2. 在250～300℃之前，随温度升高δ和ψ降低而σb 增高，即材料变“脆”，呈“蓝脆”现

象。在250～300℃之后，随着温度的升高，δ、ψ值增高，而σb 却降低。

3. 400℃时E 、σs 、σb 比常温时要小，Ψ较常温时要大，δ则略大于常温时的。

本次材料力学综合实验，我们所做的是高（中）温测拉伸实验。通过这次实验不仅对我们所学的有关材料力学的知识作了有益补充，还提高了我们的动手能力。

由于此次实验使用了实验室内较先进的仪器设备。因此，在实验室老师的指导下，顺利完成了实验中对各项数值的测量，绘制出了低碳钢在400

℃高温下的拉伸曲线图。根据书上图3 400℃时低碳钢拉伸实验 图4 常温下低碳钢拉伸曲线