304奧氏體不銹鋼厚板斷后伸長(zhǎng)率的換算

張 華,陸海兵

(寶山鋼鐵股份有限公司制造管理部,上海 201900)

拉伸試驗(yàn)的斷后伸長(zhǎng)率是判斷金屬材料塑性的重要指標(biāo)?，F(xiàn)行拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(如GB/T 228.1、ASTMA370和ISO 6892.1等)對(duì)不同產(chǎn)品類型及厚度規(guī)格的材料規(guī)定有多種試樣尺寸和形狀類型的拉伸試樣,由于斷后伸長(zhǎng)率與拉伸試樣的形狀、橫截面積和標(biāo)距等因素有較大關(guān)系,容易造成不同試樣的斷后伸長(zhǎng)率無(wú)法直接比較,給實(shí)驗(yàn)室性能判斷和用戶使用材料帶來(lái)諸多不利。為解決此問(wèn)題,Oliver在1928年發(fā)表了一篇論文,提出了用于不同原始標(biāo)距和不同試樣橫截面積試樣的斷后伸長(zhǎng)率的換算公式,稱為Oliver公式,核心是需要擬合出公式中的常數(shù)n,其值近似材料常數(shù)?，F(xiàn)行的伸長(zhǎng)率換算方法標(biāo)準(zhǔn)都以該公式為基礎(chǔ),常用的有:GB/T 17600.1—1998、GB/T 17600.2—1998、ISO 2566—2:1984等。對(duì)于普通低碳鋼,標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17600.1推薦的常數(shù)n為0.4,寶鋼檢化驗(yàn)中心相關(guān)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)多年的數(shù)據(jù)積累,證實(shí)了該值在普通低碳鋼上有很好的適用性。對(duì)于不銹鋼產(chǎn)品,斷后伸長(zhǎng)率換算標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17600.2—1998,其規(guī)定:伸長(zhǎng)率換算適用于寬厚比小于20、比例系數(shù)小于25以及抗拉強(qiáng)度在450～750 MPa之間的固溶態(tài)奧氏體鋼,推薦的擬合常數(shù)n為0.127。文獻(xiàn)[1-5]對(duì)低碳鋼、固溶態(tài)奧氏體不銹鋼的伸長(zhǎng)率換算公式采用理論分析或相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn):不同的試樣寬厚比、比例系數(shù)情況下,擬合得到的Oliver相關(guān)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的推薦值存在不完全吻合的現(xiàn)象。目前針對(duì)不銹鋼的伸長(zhǎng)率換算研究主要集中在薄板產(chǎn)品,對(duì)于奧氏體不銹鋼厚板(特別是厚度大于15 mm)的研究較少,因此有必要開(kāi)展相關(guān)研究,以期得到準(zhǔn)確的斷后伸長(zhǎng)率換算公式。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原理

基于Oliver公式,建立斷后伸長(zhǎng)率的換算關(guān)系,由某一已知標(biāo)距尺寸的實(shí)測(cè)斷后伸長(zhǎng)率A換算到另一標(biāo)距尺寸的斷后伸長(zhǎng)率Ar,基本換算如式(1):

Ar=(K/Kr)nA

(1)

式中:K和Kr分別為A和Ar對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)。

Oliver描述斷后伸長(zhǎng)率的規(guī)律表達(dá)式見(jiàn)式(2):

(2)

式(2)兩邊取對(duì)數(shù)后為式(3):

(3)

式中:n和σ為近似材料常數(shù);S0為試樣原始橫截面積;L0為試樣原始標(biāo)距。

1.2 試驗(yàn)條件

選擇典型的固溶態(tài)304奧氏體不銹鋼作為研究對(duì)象,鋼板厚度規(guī)格分別為18、20、22、28和32 mm。采用全厚度矩形橫截面試樣,平行段寬度為40 mm,平行長(zhǎng)度為230 mm,用標(biāo)點(diǎn)機(jī)在試樣平行長(zhǎng)度范圍打上間隔10 mm的標(biāo)距標(biāo)記。試樣首先按照GB/T228.1—2010進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),保證試樣的斷裂位置位于平行段長(zhǎng)度的中心,依次選擇30、40……190、200 mm作為試樣原始標(biāo)距,分別測(cè)量對(duì)應(yīng)的斷后標(biāo)距,再計(jì)算出相應(yīng)的斷后伸長(zhǎng)率,利用Origin軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 拉伸斷口形貌

上述不銹鋼拉伸斷樣的宏觀斷口照片如圖1所示。觀察宏觀斷口發(fā)現(xiàn):試樣斷裂面的側(cè)面與試樣中軸線的夾角均小于70°,斷面呈現(xiàn)灰黑色纖維狀形貌,屬于典型的剪切斷裂特征。

圖1 拉伸斷樣宏觀斷口Fig.1 Macro fracture of tensile specimen

2.2 試樣尺寸參數(shù)和力學(xué)性能

表1為試樣尺寸參數(shù)和力學(xué)性能。

從表1可知:5種厚度規(guī)格試樣的拉伸屈服強(qiáng)度范圍為222～243 MPa,抗拉強(qiáng)度范圍為622～644 MPa,材料總體力學(xué)性能差異不大。試樣寬厚比的范圍為1.25～2.22,比例系數(shù)均小于8。GB/T 17600.2—1998規(guī)定:寬厚比<20、比例系數(shù)<25、抗拉強(qiáng)度<750 MPa的不銹鋼試樣適用標(biāo)準(zhǔn)推薦的Oliver公式。通過(guò)對(duì)比表1中數(shù)據(jù),以上試樣均滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

表1 試樣尺寸參數(shù)和力學(xué)性能Table 1 Dimensions and mechanical properties

2.3 擬合Oliver常數(shù)n

根據(jù)文獻(xiàn)[1],當(dāng)拉伸原始標(biāo)距處于斷裂位置的頸縮區(qū)時(shí),測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率波動(dòng)較大,對(duì)于Oliver公式中的常數(shù)n的準(zhǔn)確性影響很大。本次試驗(yàn)中拉伸斷口的頸縮區(qū)的范圍約為30 mm,因此選擇從30 mm作為原始標(biāo)距的起點(diǎn),標(biāo)距范圍為30～200 mm,測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率與原始標(biāo)距的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 斷后伸長(zhǎng)率與原始標(biāo)距的關(guān)系圖Fig.2 The relationship between A and L0

表2 n和R2的擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of n and R2

圖3 不同厚度試樣的擬合曲線Fig.3 Fitting curves of different thickness specimens

2.4 影響n值的因素分析

從表1的試樣力學(xué)性能可知:上述不同厚度規(guī)格試樣的抗拉強(qiáng)度性能不存在明顯差異,抗拉強(qiáng)度性能均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17600.2規(guī)定的Oliver公式適用范圍,所以本次試驗(yàn)中試樣強(qiáng)度性能對(duì)n值的影響可忽略。表2的結(jié)果顯示:試樣厚度規(guī)格與n的擬合結(jié)果存在明顯的正相關(guān),隨著試樣厚度從18 mm增加到32 mm,n值從0.216增加到0.287,該趨勢(shì)也與圖2顯示的斷后伸長(zhǎng)率隨著試樣厚度增加而降幅加快的趨勢(shì)一致。擬合結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)GB/T17600.2和ISO 2500—2的推薦值(n=0.127)存在一定的差異,與文獻(xiàn)[5]的擬合結(jié)果相近(n=0.199)。

此外試樣斷裂位置對(duì)n值也有較大影響,通過(guò)試驗(yàn)3根厚度18mm的平行試樣,試樣斷裂位置分別位于平行段標(biāo)距的1/2、1/3和1/4,按前文2.3所述的方法得到各自的擬合常數(shù)n,結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果顯示,當(dāng)斷裂位置位于平行段標(biāo)距1/2時(shí),n值最小,約為0.216;隨著斷裂位置偏移至1/3和1/4,n值也逐漸變?yōu)?.222和0.256。因此,試樣斷裂位置越接近平行段標(biāo)距的中心時(shí),擬合的n值越小。

表3 厚度18 mm的平行試樣不同斷裂位置的n值Table 3 n values of different fracture positions of 18 mm thick specimens

2.5 Oliver公式效果驗(yàn)證

挑選18、22和28 mm三種厚度規(guī)格試樣,采用上述擬合的n值和標(biāo)準(zhǔn)推薦的n值分別換算出不同原始標(biāo)距時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率(表4),換算時(shí)參照180 mm原始標(biāo)距的斷后伸長(zhǎng)率A180 mm,原始標(biāo)距分別為50、80、100 mm和短比例標(biāo)距。通過(guò)與實(shí)測(cè)斷后伸長(zhǎng)率的比較可知:不同n值的換算結(jié)果差異較大,按標(biāo)準(zhǔn)推薦值(n=0.127)進(jìn)行換算時(shí),斷后伸長(zhǎng)率換算值與實(shí)測(cè)值相差較大,標(biāo)距越小誤差越大,厚度規(guī)格越大誤差也越大,其中厚度28 mm試樣換算50 mm標(biāo)距時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率與實(shí)測(cè)值相差達(dá)到15.9%,平均差值也達(dá)到6.2%;采用擬合的n值時(shí),換算值與實(shí)測(cè)值的誤差明顯減小,最大差值僅為3%。因此,采用本次試驗(yàn)得到的n值換算斷后伸長(zhǎng)率效果較好。

表4 不同n值時(shí)實(shí)測(cè)值與換算值的比較Table 4 Comparison of measured value and converted value with different n value %

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)研究得到了適用于304不銹鋼厚板產(chǎn)品的拉伸斷后伸長(zhǎng)率換算Oliver公式,其常數(shù)n的取值范圍在0.21～0.29之間,采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17600.2推薦的n值(0.127)換算的斷后伸長(zhǎng)率與實(shí)測(cè)值的相差較大。對(duì)于此類厚度規(guī)格較大的304不銹鋼產(chǎn)品宜采用更高的n值。

(2) 本試驗(yàn)中擬合常數(shù)n值大小與以下因素相關(guān):n值隨試樣厚度的增加而增大;n值與試樣的斷裂位置有關(guān),試樣斷裂位置越偏離試樣平行段中心位置,擬合的n值越大,越靠近平行段中心n值越小。因此,在使用Oliver公式進(jìn)行不銹鋼斷后伸長(zhǎng)率換算時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮試樣形狀、規(guī)格、斷裂位置等因素,根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品特性和試驗(yàn)條件尋找更適用的擬合常數(shù)n。