液壓夾具夾持力對(duì)金屬材料室溫拉伸曲線的影響及處理

2026-04-15

摘要： 針對(duì)日常檢測(cè)中金屬材料室溫拉伸曲線出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，分析材料試驗(yàn)機(jī)液壓夾具夾持力大小對(duì)金屬材料室溫拉伸曲線的影響情況。結(jié)果表明：液壓夾具夾持力對(duì)拉伸曲線的影響不可忽視，應(yīng)注意觀察試樣最大拉力并適時(shí)調(diào)整夾具夾持力；在判明曲線異常為液壓夾具夾持力所致時(shí)，應(yīng)人為處理曲線得出正確測(cè)試結(jié)果。

通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以測(cè)得金屬材料的彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)變硬化指數(shù)等基本力學(xué)性能指標(biāo)。拉伸試驗(yàn)通常用材料拉伸試驗(yàn)機(jī)來(lái)完成，目前試驗(yàn)機(jī)的夾具主要有手動(dòng)、氣動(dòng)、液壓夾具等，液壓夾具因其具有操作方便、夾持力可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛選用。在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，影響拉伸曲線的因素很多，如試樣的粗糙度、試驗(yàn)機(jī)精度、拉伸速度等，這些影響因素的控制要求在GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[1]中都有明確規(guī)定，但在工作中發(fā)現(xiàn)，液壓夾具夾持力(由油壓控制)對(duì)拉伸曲線的影響較大，選擇的夾持力偏大或偏小都會(huì)使拉伸曲線變形失真，此時(shí)對(duì)拉伸曲線的適當(dāng)處理顯得至關(guān)重要，而這方面的研究報(bào)道較少，為此本文分析液壓夾具夾持力影響拉伸曲線的幾種情況及處理方法。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用材料為油管用調(diào)質(zhì)態(tài)4140、13Cr，根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]中的相關(guān)規(guī)定，制備同規(guī)格的夾持式標(biāo)準(zhǔn)圓形拉伸試樣。試驗(yàn)方法嚴(yán)格執(zhí)行GB/T 228.1A224。試驗(yàn)設(shè)備為深圳新三思的CMT5305型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(液壓夾具)，試驗(yàn)機(jī)油箱上油壓和試驗(yàn)力之間合適的比例標(biāo)識(shí)可供試驗(yàn)者參考(如表1)，但試驗(yàn)力的不可預(yù)知使油壓的選擇只能憑經(jīng)驗(yàn)而定，偏差不可避免。

表1 根據(jù)試驗(yàn)力選擇油壓

2 試樣的制備

用調(diào)質(zhì)態(tài)4140或13Cr的試塊制備成直徑為12.5mm、平行長(zhǎng)度為65mm的縱向標(biāo)準(zhǔn)圓形室溫拉伸夾持試樣，試樣的加工精度相同且符合相關(guān)要求[3-4]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與處理

3.1 夾持力偏小對(duì)拉伸曲線的影響及處理

3.1.1 拉伸曲線彈性段中部出現(xiàn)抖動(dòng)室溫拉伸試驗(yàn)最常見(jiàn)的異常是試樣與夾具間打滑導(dǎo)致拉伸曲線彈性段中部出現(xiàn)抖動(dòng)。圖1是夾具油壓為4MPa時(shí)調(diào)質(zhì)態(tài)4140的室溫拉伸曲線，最大拉力98.84kN相對(duì)應(yīng)的油壓應(yīng)不小于6MPa，所選4MPa的油壓顯然過(guò)小，油壓偏小使得夾持力不足，造成曲線彈性段中部出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，但在抖動(dòng)點(diǎn)前后都遵從虎克定律(呈直線)，曲線完整，且在屈服階段存在明顯的拐點(diǎn)，所以只需將彈性段起點(diǎn)移到抖動(dòng)點(diǎn)以上位置，彈性段終點(diǎn)取在拐點(diǎn)附近，即能得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

圖1 彈性段中部抖動(dòng)的曲線及處理

3.1.2 接近屈服點(diǎn)的位置出現(xiàn)雙拐點(diǎn)

拉伸曲線在彈性段靠近屈服點(diǎn)的位置提前出現(xiàn)拐點(diǎn)，然后繼續(xù)遵從虎克定律前行，到達(dá)屈服點(diǎn)時(shí)再次出現(xiàn)屈服拐點(diǎn)，貌似兩次屈服，此時(shí)較難確定真正的屈服點(diǎn)，需要試驗(yàn)人員通過(guò)對(duì)材料特性的了解，結(jié)合最大拉力和油壓的選擇關(guān)系做出正確判斷。圖2是夾具油壓為7MPa時(shí)調(diào)質(zhì)態(tài)4140的室溫拉伸曲線，試樣硬度為335HBW10/3000，從合金鋼材料的抗拉強(qiáng)度Rm≈3HBW[5-6]看，所測(cè)強(qiáng)度與硬度相符，如此高強(qiáng)度的材料不應(yīng)出現(xiàn)如此寬度的屈服平臺(tái)，且在第1拐點(diǎn)后曲線仍遵從虎克定律，所以第1拐點(diǎn)并非真屈服，是夾具油壓偏小造成夾持力小于拉力引起的試樣打滑所致；第2拐點(diǎn)才是真正的屈服點(diǎn)，應(yīng)按圖2所示處理曲線，將平臺(tái)以上的部分平行左移，使彈性階段、屈服階段與加工硬化階段光滑對(duì)接[7]，然后用兩點(diǎn)法存取彈性段起點(diǎn)和終點(diǎn)，平移切線獲取規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度FP0.2，處理結(jié)果見(jiàn)表2。

3.1.3 屈服階段向應(yīng)變硬化的過(guò)渡段缺失

調(diào)質(zhì)態(tài)13Cr取兩個(gè)平行試樣，分別選用夾具油壓為4MPa和7MPa，其它拉伸條件相同的狀態(tài)下進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。7MPa的拉伸曲線正常，而4MPa的拉伸曲線在屈服階段向應(yīng)變硬化(加工硬化)階段過(guò)度時(shí)出現(xiàn)異常，其原因是下鉗口夾板與下鉗口座接觸面內(nèi)可能有氧化皮等較硬雜物形成了機(jī)械間隙；隨著拉力的增大，夾持力不足和機(jī)械間隙在屈服階段向應(yīng)變硬化階段過(guò)渡時(shí)影響了試驗(yàn)機(jī)的響應(yīng)速率和實(shí)時(shí)性[8]，此時(shí)應(yīng)按光滑對(duì)接原則將曲線對(duì)接完整后人為處理，從而得到正確的處理結(jié)果(見(jiàn)圖3、表3)。

圖2 雙拐點(diǎn)的曲線及處理

表2 平行試樣的正常檢測(cè)值與異常曲線處理后的檢測(cè)結(jié)果

圖3 4MPa油壓時(shí)的異常拉伸曲線及處理

3.2 夾持力偏大對(duì)拉伸曲線的影響及處理

對(duì)于材質(zhì)較軟或試樣較小的金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)，往往會(huì)出現(xiàn)夾具油壓(夾持力)選擇偏大的現(xiàn)象，試驗(yàn)初始階段夾持力偏大使夾持端產(chǎn)生塑性變形，彈性段起始部分呈弧線狀，到彈性中段才開(kāi)始遵循虎克定律。圖4是夾具油壓為8MPa時(shí)調(diào)質(zhì)態(tài)13Cr的室溫拉伸曲線。試驗(yàn)初期因油壓較大，使拉伸試樣所受夾持力偏大而產(chǎn)生夾持端的塑性變形，影響了彈性段初期的線性，軸向拉力與夾持力平衡后才回歸正常狀態(tài)。對(duì)這種特征明顯的變形曲線，不難做出正確判斷，只要在遵循虎克定理的彈性段部分正常存取特征點(diǎn)即可。

表3 平行試樣的正常值與異常曲線處理前后的檢測(cè)結(jié)果