伸长率的种类(第2版)

1 伸长率的种类 定义和換算伸长率的种类 定义和換算 东北特钢集团大连特殊钢丝有限公司 徐效谦 牛振伟 内容摘要 内容摘要 对广大冷加工工作者来说 伸长率是一个既熟悉又陌生的概念 本文从分析钢铁材料拉伸 时应力 应变特性着手 揭示了各种伸长率的含义 区别及换算关系 同时根据大量实验数据 努力 探索组织结构和冷加工工艺对伸长率的影响 为深入研究伸长率找到突破口 关键词 关键词 伸长率 延伸率 换算 钢丝伸长率是衡量钢丝塑性的一项参数 其种类 定义和換算执行国标 GB T228 的规定 新国 标 GB T228 1 2010 金属材料 拉伸试验 第 1 部分 室温试验方法 参照国际标准 ISO6892 1 2009 进 行了修订 整体结构 层次划分 编写方法和技术内容与 ISO6892 1 2009 基本一致 代替了原国标 GB T228 2002 金属材料 室温拉伸试验方法 新国标将伸长率分 6 种 断后伸长率 A 残余伸 长率 Ar 最大力塑性延伸率 Ag 最大力总延伸率 Agt 断裂总延伸率 At 和屈服点延伸率 Ae 其中 4 项延伸率均为在应力状态下测定的指标 2 项伸长率为卸除应力后测定的指标 但对于 残余伸长率新国标只给出定义 卸除指定应力后 伸长相对于原始标距 Lo 的百分率 对其测 定方法未作统一规定 1 伸长率种类 定义和用途伸长率种类 定义和用途 GB T228 1 2010 定义伸长时采用了两个近义术语 伸长 elongation 和延伸 extension 拉伸 试验期间任一时刻 试样原始标距 Lo 的增量称为 伸长 延伸可以理解为拉伸试验期间任一给定 时刻 引伸计上标距 Le 的增量 试验中可以用测延伸的方法测定伸长 两者无本质区别 1 1 断后伸断后伸长长率 率 Percentage elongation after fracture 断后标距的永久伸长 Lu Lo 与原始标距 Lo 之比的百分率 断后伸长率是在拉断后的试样 上测取的 计算方法如公式 1 A 100 公式 1 o ou L LL 式中 Lo 试样原始标距 mm Lu 断后试样拼接后的标距 mm 断后伸长率也可以通过引伸计测得 图 2 中 Lr实际上代表塑性伸长 局部缩颈伸长 计算方法 如公式 2 A 100 公式 2 e r L L 2 图 2 用图解法测定断后伸长率和断裂总延伸率 1 2 断裂断裂总总延伸率延伸率 Percentage total extension at fracture 断裂时刻标距的总延伸 Lf 弹性延伸 塑性延伸 缩颈延伸 与引伸计标距 Le之比的百分率 断 裂总延伸率是在应力下测定的伸长率 如图 1 试验时纪录应力 延伸曲线 引伸计的标距为 Le 确定 图中 C 点 OC 为断裂总伸长 Lf 则断裂总延伸率计算方法如公式 3 At 100 公式 3 e f L L 1 3 最大力塑性延伸率 最大力塑性延伸率 Percentage plastic extension at maximum force 最大力原始标距的塑性延伸 Lg与引伸计上标距 Le之比的百分率 见图 1 在用引伸计测得的 应力 应变曲线图上 从最大力总延伸 Lm中扣除弹性延伸部分即为塑性延伸 Lg 将其除以引伸计 标矩 Le 即为最大力塑性延伸率 见公式 4 最大力塑性延伸率实际反映了试样塑性变形伸长率 Ag 公式 4 100 E m m R L L e m 式中 Le 引伸计标距 mE 应力 应变曲线上弹性变形部分的斜率 Rm 抗拉强度 Lm 最大力下总延伸 也可用图解法测定最大力延伸率 见图 3a 当最大力出现平台时 取平台中点的最大力对应的塑 性延伸为 L 见图 3b 此时 最大力塑性延伸率的计算如公式 5 Ag 公式 5 100 e g L L a 最大力明显时 b 最大力出现平台时 3 图 3 用图解法测定最大力延伸率方法 1 4 最大力最大力总总延伸率 延伸率 Percentage total extension at maximum force 最大力时原始标距的总延伸 Lm 弹性延伸 塑性延伸 与引伸计标距 Le之比的百分率 最大力 总伸长率是在应力下测定的延伸率 见图 3 将最大力点的总延伸 Lm除以引伸计标矩 Le 即为最大 力总延伸率 见公式 6 如拉伸力 延伸曲线在最大点呈现一个平台 则取平台宽度的中点作为最大力 总伸长率的最大力点 最大力总伸长率实际包含了试样弹性伸长和塑性变形伸长两项伸长率 Agt 100 公式 6 e L Lm 1 5 残余伸残余伸长长率 率 Percentage permanent elongation 残余伸长率是在引伸计上测定的伸长率 指试样施加并卸除指定应力后 引伸计标距的残余伸长 量与引伸计标距 Le 之比的百分率 曾称为永久伸长率 1 6 屈服点延伸率 屈服点延伸率 Percentage yield point extension 屈服点延伸率是在应力下测定的伸长率 对呈现不连续屈服的材料 指从应力 应变曲线图上 均匀加工硬化开始点的延伸减去上屈服强度对应的延伸得到的延伸 Ay 再用 Ay除以引伸计延伸 Le 即得到屈服点延伸率 见图 4 和公式 7 均匀加工硬化开始点的确定方法为 根据经过不连续屈服阶 段的最后的最小值点 图 4a 作一条水平线 或经过均匀加工硬化前屈服范围的回归线 图 4b 与 均匀加工硬化开始处曲线的最高斜率线相交点确定 Ae 100 公式 7 e y L L 式中 Ae 屈服点延伸率 Ay 屈服点延伸 a 水平线法 b 回归线法 图 4 屈服点延伸率Ae的不同评估方法 图中 Ay 屈服点延伸 L 应变 4 R 应力 ReH 上屈服强度 a 经过均匀加工硬化前最后最小值点的水平线 b 经过均匀加工硬化前屈服范围的回归线 c 均匀加工硬化开始处曲线的最高斜率线 1 7 伸伸长长率率应应用用实实例例 上述 6 种伸长率中 断后伸长率 断裂总延伸率 最大力总延伸率 最大力塑性延伸率和残余 伸长率是成品钢丝选用的检测项目 尚无成品钢丝选用屈服点延伸率的实例 2 目前 绝大多数钢丝 标准中要求测定的伸长率均指断后伸长率 选用其他伸长率的实例有 GB T11182 2006 橡胶管增强 用钢丝 中要求钢丝断裂总延伸率不小于 2 0 L0 250mm 预应力应小于 10 Rm YB T123 2005 铝包钢丝 中要求钢丝断裂总延伸率不小于 1 5 L0 250mm GB T5223 2002 预应力混凝 土用钢丝 中要求冷拉钢丝最大力总延伸率不小于 1 5 消除应力光圆及螺旋肋钢丝最大力总延伸 率不小于 3 5 L0 200mm YB T156 2005 中强度预应力混凝土用钢丝 中要求成品钢丝最大力 总延伸率不小于 2 5 YB T125 1997 光缆用镀锌碳素钢丝 中要求 钢丝永久伸长率不得大于 0 1 对永久伸长率的测量方法规定如下 把钢丝试样夹紧在合适的拉力试验机上 施加最小破 断拉力 2 的初负荷 标定好 250mm 以上的距离 L1为标记长度 然后以不大于 50mm min 的拉伸速 度加载到最小破断拉力的 60 保持此力 10 12s 后 再卸载到初负荷 接着测出标记长度 L2 按 公式 计算永久伸长率的值 残余伸长率 永久伸长率 Ar 公式 8 100 1 12 L LL 2 影响伸长率的因素影响伸长率的因素 1 3 2 1 金属材料锭坯内部存在各类冶金缺陷金属材料锭坯内部存在各类冶金缺陷 在压力加工过程中 金属晶粒沿主变形方向拉长 夹杂也沿变形方向排列 形成金属纤维 造 成材料各向异性 即使是同一批产品 取样部位和取样方向不同 伸长率往往有一定的差异 因此产 品标准应对试样的截取部位和方向有明确的规定 2 2 拉伸试验速率拉伸试验速率 拉伸试验时的拉伸速率对金属材料的伸长率有明显的影响 伸长率值一般随拉伸速率增加而降 低 拉伸速率对不锈钢断后伸长率的影响如图 5 5 图 5 不同钢种对速率变化的敏感程度各异 到目前为止尚未找到一个公式或一个固定的数值来表示 拉伸速率对伸长率的影响 因此 GB T228 1 根据钢铁材料的特性 规定测定屈服点延伸率 Ae 时 应变速率 应控制在 0 00025 s 0 0025 s 范围内 测定其他伸长率时 应变速率应控制在 0 008 s 范围内 以此来排除速率的影响 2 3 试样的几何形状 标距 直径试样的几何形状 标距 直径 同一材料 圆形横截面试样比矩形横截面试样具有更高的断后伸长率和断面收缩率 试样标距分 为比例标距和非比例标距两种 凡试样原始标距 Lo 与原始横截面积 So 存在 Lo k关系的 o S 称为比例试样 不存在上述关系的称为非比例试样 常用比例系数有 k 5 65 和 k 11 3 两种 分别 称为短 标距 试样和长 标距 试样 国际标准 ISO 和 GB T228 1 均优先推荐 k 5 65 的短试样 同时规定原始标距不得小于 15mm 当试样原始横截面积太小 短试样标距不足 15mm 时 可选用长 试样 优先考虑 或非比例试样 实际上短试样和长试样最初是按照圆形截面试样设定的 相当于 Lo 5d 和 Lo 10d 因为圆截面积 S0 则 d 短试样 Lo 5d 5 5 65 2 4 d o S 4 o S 4 o S 这就是比例系数 k 5 65 和 k 11 3 的来源 对于同一材料 选用不同标距测得的伸长 率数值不一样 用短试样和长试样测得的伸长率分别用 A5 65和 A11 3表示 仅当标距 引伸计标距 横截面形状和面积相同 或比例系数相同时 断后伸长率才具有可比性 对于直径或厚度小于 4mm 的钢丝 GB T228 1 推荐采用 Lo 100mm R9 试样 或 200mm 的非比例试样 R10 试样 此时测 得的伸长率用 A 表示 但必须注明原始标准长度 LO 100mm 或 LO 200mm 也可以用 A100mm或 A200mm来表示 2 4 试样表面光洁度 拉力试验机的夹具 引伸计精度 试样对中状况和热耗等 试样表面光洁度 拉力试验机的夹具 引伸计精度 试样对中状况和热耗等 GB T228 1 在试样加工 试验设备的准确度 试验速率 夹持方法等相关条款中均有明确的规定 检测时必须严格按规定操作 3 伸长率的换算伸长率的换算 3 1 奥氏 奥氏 Oliver 公式 公式 一般认为奥氏公式比包氏关系式更准确 更适用 现行国际标准 ISO 2566 1984 和国家标准 GB T17600 1998 钢的伸长率換算 均是以奥氏公式为基础演算出来的 奥氏公式的基本表达式为 A 公式 9 n o o L S R 式中 R 和 n 是与材料特性相关的常数 对于某种材料 取不同标距和不同截面积的试样测定断 6 后伸长率 然后对测得数据进行数理分析 求出常教 R 和 n 即可得到该材料断后伸长率的计算公式 奥氏公式准确地给出了断后伸长率和试样尺寸的关系 只要对基本表达式进行适当变换 就可 以用于断后伸长率的换算 对于比例标距基本表达式可变換为 A R 公式 10 n k 1 对于同一材料 R 和 n 相同 若在 Lo k 时断后伸长率为 A 而 Lor kr时断后伸长率 o S or S 为 Ar 则 Ar 公式 11A k k n r 或 Ar 公式 12 A L S S L n or or n o o 3 2 包氏 包氏 Bauschinger 关系式 关系式 3 包氏在分析断后伸长时提出 塑性均匀变形伸长是整个试样的均匀伸长 可表示为 L塑 Lo 局部缩颈伸长是局部伸长 可表示为 L缩颈 则断后伸长率 A 塑性均匀变形伸 o S 长率 局部缩颈伸长率 A 公式 13 o o L S 上式又称为包氏关系式 式中和是与材料特性相关的常数 从关系式中可以看出 随原始标距增加 断后伸长率减小 同一材料 试样截面积不同 即使采用同一标距测得的断后伸长 率也不同 只有采用同一比例系数的试样 检测结果才有可比性 国内外许多人研究过包氏关系式 认为该公式反映的断后伸长率与试样尺寸的关系不那么准确 需要修正 其中典型的修正公式为 A 公式 14 o o L S oo o S S L S 式中 S 为缩颈处最小截面积 说明断后伸长率与断面收缩率之间存在一定的正关联 4 同牌号 不同标距钢材断后伸长率換算同牌号 不同标距钢材断后伸长率換算 4 1 GB T17600 1998 等效于 等效于 ISO2566 1984 钢的伸长率換算钢的伸长率換算 第第 1 部分规定了适用范围 部分规定了适用范围 抗拉强度在 300 700MPa 范围内的热轧 热轧和正火或退火 回火或无回火的碳素钢和低合金钢 7 不适用于冷轧 拔 状态钢 淬火回火钢和奥氏体钢 不适用于试样的原始标距长度超过 25或宽厚比超过 20 的试样 o S 标准以奥氏公式为基础 确定指数 n 0 4 横截面积相等的试样 从一个定标距伸长率换算到另一个定标距伸长率的简化公式为 Ar 公式 15A L L or o 4 0 由比例标距伸长率换算到定标距伸长率的简化公式为 Ar k 0 4A 公式 16 4 0 or or L S 4 2 GB T17600 1998 第第 2 部分适用范围部分适用范围 固溶处理状态下的奥氏体不锈钢 抗拉强度在 450 750MPa 范围内 试样的原始标距长度不超过 25或宽厚比不超过 20 时 断后伸长率換算方法 标准以奥氏公 o S 式为基础 确定指数 n 0 127 換算公式同碳素钢和低合金钢 5 不同牌号 不同标距钢丝的实测数据不同牌号 不同标距钢丝的实测数据 国家标准给出了热轧碳素钢和低合金钢 以及固溶处理状态奥氏体不锈钢的断后伸长率換算方 法 但不同牌号 不同状态 不同标距冷拉钢丝断后伸长率換算时指数 n 应该取什么数值 笔者通过 实际测量 并对测得数据进行回归分析 求得部分牌号 不同状态的 R 和 n 数值 如表 1 仅供参考 以以横截面积相等的试样 从一个定标距伸长率换算到另一个定标距伸长率的公式为基础 两边 取对数可以导出 n 和 R 的计算公式 n 则 n 公式 17 A Ar lg or o L L lg A Ar lg or o L L lg 由 A R 导出 R A 公式 18 n o o L S n o o L S 为了使伸长测量更准确 试验用钢丝全部先矫直 然后打上间隔 10mm 的标距 分别测出 A5 65 A11 3 按 5d 10d 计算标距 不足 10mm 的一律进到 10mm 和 Lo 100mm 时的伸长率 表 1 不同牌号 不同状态钢丝断后伸长率换算系数 序钢丝牌号状态工艺参数及组织结构RmZRn 8 号MPa 11Cr18Ni9Ti固溶处理周期炉固溶65071 775 20 195 20Cr17Ni12Mo2固溶处理连续炉固溶74671 655 00 20 30Cr17Ni12Mo2固溶处理连续炉固溶78369 863 20 23 400Cr19Ni13Mo3固溶处理周期炉固溶64071 268 80 21 51Cr18Mn9Ni5N固溶处理周期炉固溶79571 374 50 18 63J9固溶处理周期炉固溶 2Cr19Ni9Mo 88965 651 30 17 7GH2132固溶处理周期炉固溶70833 855 20 26 80Cr25Al5退火罩式炉 850 退火71461 852 70 48 92Cr13轻拉退火 轻拉 减面率 22 磨光丝30569 559 00 50 103Cr13退火氮气保护井式炉退火58873 771 50 40 114Cr13退火氮气保护井式炉退火61263 955 00 30 12MlCr17Ni2退火氮气保护井式炉退火70272 853 40 39 139Cr18Mo退火氮气保护井式炉退火79024 825 30 23 14921A 07Mn2Ni2Mo 退火氮气保护井式炉 660 退火64582 955 20 29 15ML15球化退火氮气保护井式炉球化退火44075 273 40 42 16ML15冷拉球化退火 轻拉 减面率 42 58063 344 50 49 1725冷拉盘条直接冷拉 减面率 60 81642 240 40 57 1870铅浴处理索氏体组织114033 122 60 34 1970球化退火3 级粒状珠光体组织58758 150 20 28 20T9A退火氮气保护井式炉退火71847 851 60 36 21ML16CrSiNi冷拉球化退火 冷拉 减面率 7 5 54982 263 50 41 2250B油淬火回火 840 15 油淬 630 15 油 冷 77764 255 60 40 2350B油淬火回火 840 15 油淬 600 8 油冷 97962 947 10 43 2430CrMnSi油淬火回火 880 20 油淬 540 30 油 冷 115460 538 50 50 2535CrMo油淬火回火 850 20 油淬 550 10 油 冷 123861 037 50 54 2640Cr油淬火回火 850 15 油淬 520 20 油 冷 114355 836 50 51 2740CrNiMo油淬火回火 850 20 油淬 600 10 空 冷 114361 539 00 56 2840CrNiMo油淬火回火 850 20 油淬 630 15 空 冷 92467 952 20 51 9 2950CrV油淬火回火 860 15 油淬 500 20 油 冷 126840 830 20 52 3025Cr2Ni4WA油淬火回火 850 20 油淬 550 15 油 冷 116760 342 3053 3138CrMoAl油淬火回火 940 15 油淬 640 8 油冷 107366 852 50 56 3220CrMnMo油淬火回火 850 20 油淬 200 30 空 冷 147555 636 50 54 3330CrMnMoTiA油淬火回火 870 20 油淬 200 30 空 冷 174252 435 20 57 从表 1 可以看出 n 的数值大小可反映出标距变化对钢材伸长率的影响程度 n 数值小 标距变化时伸长率变化也小 说明该牌号钢具有良好的冷加工塑性 n 数值大 检测标距加长时伸长率明显减小 钢的冷加工塑性 相对较低 钢丝的 n 值与热处理后的抗拉强度有一定的关联 但与组织结构的关联似乎更密切 热轧堆冷的 70 钢盘条 组织为片状珠光体 抗拉强度 775N mm2 n 0 40 铅浴处理的 70 钢丝 组织为索氏体 抗 拉强度 1140N mm2 n 0 34 球化退火的 70 钢丝 组织为粒状珠光体 3 级 抗拉强度 587N mm2 n 0 28 不同组织结构的 70 钢 n 值最大差达 0 12 对珠光体型钢而言 粒状珠光体组 织的 n 值最小 塑性最好 索氏体 细片状珠光体 组织的 n 值居中 塑性较好 片状珠光体组织的 n 值最大 塑性不如其他两类组织 再看表 1 中的 T9A 20 号 和 ML16CrSiNi 21 号 退火后组 织接近片状珠光体 其 n 值分别为 0 36 和 0 41 据此推论 片状珠光体的钢 可以按 GB T17600 1998 第 l 部分的规定 換算系数 n 取 0 40 第 1 7 号钢为奥氏体钢 其 n 值在 0 17 0 23 范围内 是各类组织中 n 值最小 塑性最好的钢 其中第 7 号高温合金 GH2132 固溶处理后的组织尽管也是奥氏体 因为合金元素种类多 含量大 n 值高达 0 26 从上述实验数据中可以推论 奥氏体不锈钢丝在固溶状态下进行伸长率換算时 n 取 0 20 是比较合适的 铁素体钢 0Cr25Al5 第 8 号 退火后的 n 值为 0 48 高于 GB T17600 1998 第 l 部分 n 0 40 的规定 第 9 13 号钢为马氏体钢 2Cr13 和 1Cr17Ni2 再结晶退火后的组织为片状珠光体 其换算系数 n 0 40 4Cr13 和 9Cr18Mo 为拉拔顺利 采用球化退火 组织为粒状珠光体 其 n 值分别为 0 30 和 0 23 低于 0 40 第 22 31 号钢淬火 回火后的组织为回火索氏体 第 32 33 号钢淬火 回火后的组织为回火马氏体 这两类钢的 n 值与最终热处理抗拉强度有一定关联 以 40CrNiMo 为例 在同一淬火工艺条件下 回 火温度从 600 10 提高到 630 15 时 抗拉强度从 1143 N mm2降到 924 N mm2 n 值从 0 56 降 到 0 51 综合分析 中低碳合金结构钢淬火 回火获得回火索氏体时 其 n 值约为 0 50 0 56 其换算 系数 n 可取为 0 53 淬火 回火获得回火马氏体时 其换算系数 n 可取为 0 55 钢丝的 n 值随着冷加工减面率增大而增大 以 ML15 为例 球化退火后钢丝抗拉强度 10 440N mm2 n 0 42 经 45 减面率冷拉后 钢丝抗拉强度上升到 580N mm2 n 上升到 0 492 对冷拉 钢丝 n 值的变化规律有待于进一步验证 2014 年 4 月 9 日 参考文献 1 梁新邦 李久林编著 GB T228 2002 金属材料 室温拉伸试验方法实施指南 中国标准出版社 2002 年 12 月第一版 2 钢丝 钢丝绳 钢绞线及相关标准汇编 第 2 畈 中国标准出版社 2006 年 11 月第二版 3 钢铁分析检验第二分册合金钢的物理性能 大连钢厂内部资料 4 那顺桑 姚青芳编著 金