摘 要:通過對鋼索的產(chǎn)品技術(shù)要求、鋼索組成結(jié)構(gòu)、試樣夾持方式、試驗參數(shù)等方面進(jìn)行分析, 提出了一種鋼索鋼絲繩斷后伸長率測試的新方法。試驗結(jié)果表明:采用新試驗工藝、專用工裝及大 量程引伸計進(jìn)行斷后伸長率測試,不僅能夠鎖緊試樣,而且又不損傷試樣,拉伸過程符合 GB/T 228.1—2010的要求。該方法填補了實驗室的檢測空白,獲得了可靠的試驗數(shù)據(jù),滿足了產(chǎn)品使用 部門的測試需求。

關(guān)鍵詞:鋼索鋼絲繩;拉伸試驗;工裝夾具;斷后伸長率;比對試驗

中圖分類號:TG115.5+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)09-0023-04

依據(jù) GB/T228.1—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(jié)構(gòu)的特殊 性,在測試鋼索的拉伸性能時,應(yīng)在測試其破斷拉力 的拉伸過程中,實時動態(tài)地測試鋼索的斷后伸長率, 并配置專用試驗機(jī)、專用工裝和檢測軟件進(jìn)行測試。 實驗室現(xiàn)有試驗條件可以開展破斷拉力測試,但不 具備實時動態(tài)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(chǎn)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(xiàn)有設(shè)備和測試條件實現(xiàn)了鋼索斷 后伸長率的測試,獲得了準(zhǔn)確可靠的鋼索力學(xué)性能 數(shù)據(jù)。

1 試驗材料及設(shè)備

1.1 試驗材料

采用入廠復(fù)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(jìn)行試 驗,鋼索鋼絲繩的力學(xué)性能應(yīng)符合企業(yè)要求,其破斷 拉力應(yīng)大于9000N,斷后伸長率應(yīng)小于1.0%,鋼 索結(jié)構(gòu)及軸心橫截面如圖1所示。

1.2 試驗設(shè)備

試驗選用能夠自動采集測試數(shù)據(jù)的電子拉力試驗 機(jī),其負(fù)荷精度為±0.5%,應(yīng)變測試精度為±0.5%,采 集間隔為0.5ms,設(shè)備能夠自動繪制試驗曲線和記錄 試驗數(shù)據(jù),其夾具能使試樣正確地承受負(fù)荷,并保證其 同心度滿足 GB/T228.1—2010的要求,且試樣上產(chǎn)生 的最大彎曲應(yīng)變不超過軸向應(yīng)變的15%,引伸計選用 大量程全自動測試,量程為1000mm。

2 新測試方法

依據(jù) GB/T228.1—2010,利用設(shè)備自帶軟件提 前編寫試驗程序,使試驗機(jī)按要求進(jìn)行加載、保載、 卸載等一系列連續(xù)動作,以實現(xiàn)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(xù)不間斷地以恒定的試驗速率持 續(xù)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(xì)絲組成,因此試驗時無法采用螺紋連接方 式對其進(jìn)行裝夾。采用液壓式楔形夾持方式進(jìn)行拉 伸試驗的結(jié)果顯示:當(dāng)液壓壓力過大時,試樣端部易 被夾扁而產(chǎn)生應(yīng)力集中,并且夾持端單股細(xì)絲出現(xiàn) 了連續(xù)的過早斷裂,使試樣不斷振動,無法實施斷后 伸長率測試;當(dāng)液壓壓力過小時,試樣因夾持不牢而 出現(xiàn)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(xiàn)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(jù)鋼索結(jié)構(gòu)特點設(shè)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(xiàn)打滑現(xiàn)象,為避免夾持時因應(yīng)力集中而使試樣 在非平行段位置斷裂,故將其設(shè)計成上、下夾具經(jīng)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1000mm 以下短試樣的斷后伸長率測試。

第二種工裝采用組合式的鎖緊方式,即將工裝 設(shè)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(jìn)行試驗時,試樣不 易出現(xiàn)打滑,避免了應(yīng)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(yōu)點,因此,此次試驗 采用第二種工裝夾具。

2.2 應(yīng)變速率

試驗時的應(yīng)變速率對拉伸試驗結(jié)果有一定的影 響,即抗拉強度隨著應(yīng)變速率的增大而減小,靜態(tài)斷 后伸長率隨著應(yīng)變速率的增大而增大。因為之前沒 有開展過鋼索動態(tài)斷后伸長率的測試,所以有必要 分析應(yīng)變速率對試樣破斷拉力和動態(tài)斷后伸長率的 影響,才能制定合理的試驗應(yīng)變速率。依據(jù) GB/T228.1—2010,塑性范圍內(nèi)試樣平行長度的應(yīng)變速率 不應(yīng)超過0.008s -1。不同應(yīng)變速率下斷后伸長率 和破斷拉力的測試結(jié)果如圖4,5所示。

從圖4可以看出:選用不同的應(yīng)變速率對試樣 斷后伸長率測試結(jié)果影響不大,斷后伸長率平均值 基本在0.9047%上下波動,且隨著應(yīng)變速率增大略 有降低,當(dāng)應(yīng)變速率不小于0.008s -1 時,試樣的斷 后伸長率趨于平穩(wěn),采用0.010s -1 應(yīng)變速率時,試 樣出現(xiàn)過一次打滑現(xiàn)象,重新夾持后完成試驗。

從圖5可以看出:隨著應(yīng)變速率的增大,試樣的 破 斷 拉 力 呈 逐 步 下 降 趨 勢,當(dāng) 應(yīng) 變 速 率 為 0.006s -1 時,曲線趨于平穩(wěn),表明應(yīng)變速率增加到一 定值時,對試驗結(jié)果影響作用不大[1] ;應(yīng)變速率過慢 會使測試效率變低,應(yīng)變速率過快試樣會出現(xiàn)打滑現(xiàn) 象,即應(yīng)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(yīng)變速率為0.006s -1。

2.3 標(biāo)距標(biāo)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(biāo)距,才能真 實反映出試樣的塑性指標(biāo)。試樣的總長度應(yīng)不小于 460mm,除去鋼索兩端夾持所需的余量外,應(yīng)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(xì)絲組成,橫截面呈不規(guī)則的幾何 形狀,因此常規(guī)試樣標(biāo)距的標(biāo)記方法不適用,應(yīng)探索 其他方法進(jìn)行標(biāo)記。采用大量程引伸計法可直接將 引伸計的標(biāo)距作為試樣標(biāo)距,無需在試樣上進(jìn)行原 始標(biāo)距的標(biāo)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(xiàn)打滑現(xiàn)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(nèi) 的 標(biāo) 距 長 度 選 定 為 100mm,與生產(chǎn)廠家的要求相一致。

3 結(jié)果驗證

3.1 結(jié)果可靠性分析

采用新測試方法在不同型號的試驗機(jī) A,B 上 分別對試樣進(jìn)行拉伸試驗,試驗速率在屈服前均為 0.1mm/min,屈服后均為2 mm/min,測試結(jié)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(jī)上獲得的試樣抗拉強度、屈服強度和斷后 伸長率結(jié)果的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差均一致,表明新測 試方法得到的數(shù)據(jù)可靠。

3.2 結(jié)果有效性分析

選用3個鋼索試樣進(jìn)行斷后伸長率測試,隨后 以恒定速率持續(xù)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(jié)果,結(jié)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(jié)果合格。拉斷后試樣 的宏觀形貌如圖6所示。

3.3 結(jié)果準(zhǔn)確性分析

為考察一次試驗成功率及試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性, 將試驗數(shù)據(jù)與廠家數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。取20個同爐批 次入廠的復(fù)驗余料進(jìn)行斷后伸長率測試,試驗數(shù)據(jù) 與廠家數(shù)據(jù)的對比結(jié)果如圖7所示。從圖7可知: 試驗的一次成功率可達(dá)100%,試驗數(shù)據(jù)與廠家數(shù) 據(jù)曲線的變化趨勢一致,大部分?jǐn)?shù)據(jù)相等(曲線上的 點重合);其中,廠家數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差為6.266,試驗 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差為5.989。采用 F檢驗法檢驗試驗 數(shù)據(jù)和廠 家 數(shù) 據(jù) 的 標(biāo) 準(zhǔn) 方 差 是 否 相 同,取 顯 著 度 α=5%時,兩組數(shù)據(jù)的自由度均為19,其中 Fα (接受區(qū)間的上限為)1.81,F(廠家數(shù)據(jù)方差與試驗數(shù)據(jù)方差的比值)為1.05,由于F<Fα,表明兩組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方差無顯著差異,即兩組數(shù)據(jù)結(jié)果具有一致性。說明新測試方法得到的試驗數(shù)據(jù)能夠真實地反映出鋼索的力學(xué)性能指標(biāo)。

4 綜合分析

由上述分析結(jié)果可知,試驗過程使用的工裝夾 具、應(yīng)變速率和標(biāo)距方法是影響測試結(jié)果的關(guān)鍵因 素。采用新測試方法在不同型號試驗機(jī)上得到的試 樣力學(xué)性能測試結(jié)果一致,說明新測試方法采用的 工裝夾具、應(yīng)變速率與標(biāo)距方法符合要求。試驗數(shù)據(jù)與廠家數(shù)據(jù)的對比結(jié)果顯示,兩組數(shù)據(jù)的平均值 和標(biāo)準(zhǔn)方差均一致,說明二者測試水平相當(dāng),試驗結(jié) 果互為認(rèn)證。此外,依據(jù)JJF1059—1999 《測量不 確定度評定與表示》,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度評 估,發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)(除個別異常數(shù)據(jù))均落在置信度 區(qū)間95%內(nèi),說明試驗結(jié)果精確可靠。

5 結(jié)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(dá)到90%以上,數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,填補 了檢測空白,達(dá)到攻關(guān)目標(biāo)。此方法不僅獲得了更 加全面的力學(xué)性能指標(biāo),而且為設(shè)計和使用部門提 供了試驗支持。該方法可直接應(yīng)用于產(chǎn)品的日?？? 研生產(chǎn)性能測試中。

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

參考文獻(xiàn):

[1] 《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊 第2卷 變形高溫合金 鑄造高溫合金[M].北京:中國 標(biāo)準(zhǔn)出版社,1989.

<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>58卷>9期(pp:23-26)>