高温环境下材料实验——低碳钢中温条件下的拉伸实验.pdf

1 高温环境下材料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 2 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 3 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 P0 2 489 2MPa P 0 05 469 1MPa P 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 b 526 6MPa 断面收缩率 59 85 延伸率 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 s 和 E 将随温度的升高 而降低 2 在 250 300 之前 随温度升高 和 降低而 b增高 即材料变 脆 呈 蓝脆 现 象 在 250 300 之后 随着温度的升高 值增高 而 b却降低 3 400 时 E s b比常温时要小 较常温时要大 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 4 所学的知识 我们可知低碳钢在 300 左右情况下有一条特殊变化曲线 但由于种种原因 很遗憾没能进行这项实验 综上所述 我们在本次实验中 运用了大量上学期所学到的知识 开拓了我们在材料 力学领域的思维空间 但我们在创新方面还做的很不够 就本次来说 我们进行十分顺利 让我们收益非浅 参 考 文 献 1 张如一等 应变电测与传感器 清华大学出版社 1999 P121 131 2 冯仁贤等 应变电测与传感技术 中国计量出版社 1993 P73 82 3 郑秀媛等 应力应变电测技术 国防工业出版社 1985 P159 161 教 师 评 语 本组实验研究题目有新意 通过了解设备 试验方热电偶技术等 初步掌握了非常温试 验技术 在实验技术 结果分析研究方面有独特见解 所得到结论具有一定的实际意义 通过这一训练改组同学在科学研究和试验动手能力上得到一定提高 初步掌握了科学论 文的写作方法和要求 学 生 体 会 本次材料力学综合试验 我们做的是高 中 问拉伸试验 通过这次试验不仅对我们所 学的材料力学知识是一个有益的补充 还提高了我们的动手能力 此次试验使用了试验室内先进的大型试验机 试验之前 我们在图书馆进行了大量查阅 文献工作 初步了解了有关实验技术的原理和相关知识 特别对热电偶的工作原理特别感兴 趣 有了一定了解后 再进实验室 经老师讲解 试验就顺利多了 我们完成了低碳钢 400 度下的拉伸曲线和各项数据的采集 在材力课上我们已经掌握了材料常温的特性 通