CN105510131A - 一种测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法，包括下列步骤：1）.制备金属材料的拉伸试验样品，并加热至用该材料制成的工件的工作温度；2）.对试验样品进行拉伸试验，记录试验数据；3）.计算应变硬化指数n值。本发明针对汽轮机密封圈金属材料的特殊性，以快速、准确、容易的特点实现对镍铬合金材料在高温条件下塑性变形阶段的真实应力和应变值、以及对应应变硬化指数n值的测试，进而准确、定量地判断出汽轮机密封圈的密封性能，确保汽轮机组的密封效果。

Description

一种测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法

技术领域

本发明涉及金属材料力学性能测试方法，具体是一种测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法。

背景技术

汽轮机密封圈是保障汽轮机各部件间衔接密封性和可靠性的重要零件，其材料力学性能在一定程度上决定了汽轮机组的正常、安全运行。

近年来，随着汽轮机组的功率不断增大，蒸汽参数不断提升，其密封性能面临严峻考验。为了使汽轮机组的密封性能能够满足技术要求，行业内不得不依靠金属密封圈的永久塑性变形来增强密封效果，这就需要选择塑性变形力学性能良好的镍铬合金材料来匹配汽轮机组的运行参数，这种选择需要测试预定镍铬合金材料在工作温度条件下塑性变形阶段的真实应力和应变值、以及相应的应变硬化指数n值，只要掌握镍铬合金材料的这些数据，才能根据高参数、大功率汽轮机组的技术要求，针对性的选择出精准的、具体的镍铬合金材料，以此材料制作出满足技术要求的密封圈，以确保汽轮机组的密封效果。

在材料行业，有对金属材料进行应变硬化指数n值判断确定的方法，例如中国专利文献公开的“一种根据钢铁材料强度确定最大应变硬化指数的方法”(公开号：CN102628775，公开日：2012年8月8日)、“一种精确确定材料硬化指数的方法”(公开号：CN102607949，公开日：2012年7月25日)、“一种快速确定金属材料应变硬化指数的方法”(公开号：CN102507326，公开日：2012年6月20日)等。然而，这些技术均没有披露高温条件下金属材料应变硬化指数n值的测试方法；另外，行业内对于高温条件下金属材料应变硬化指数n值的测试技术，尚无可供执行的相关测试标准。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述现有技术的不足，自主研发一种对特定金属材料-镍铬合金、在特定条件-工作温度下实现对应变硬化指数n值快速、准确、容易的进行测试的测试方法。

本发明所采用的技术方案是，一种测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法，包括下列步骤：

1).制备金属材料的拉伸试验样品，并加热至用该材料制成的工件的工作温度；

2).对试验样品进行拉伸试验，记录试验数据；

3).计算应变硬化指数n值，具体步骤是：

①.将拉伸试验数据按照Hollomon公式转化，得到真实应力和应变值的变化曲线；所述Hollomon公式如下：

s＝keⁿ；

式中，s为试验样品在拉伸过程中受到的真实应力，单位为MPa；k为强度系数，单位为Mpa；e为试验样品的真实应变；n为应变硬化指数，无单位；

②.在变化曲线上找出材料的屈服点和最大载荷点，以屈服点作为起点、以最大载荷点作为终点，在起点和终点之间选择多个取值点，依据这些取值点的应变力值计算应变硬化指数n值；算式如下：

$n=\frac{N\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln e_i\right)\left(\ln s_i\right)-\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln e_i\right)\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln s_i\right)}{N\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln e_i\right)-{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\right(\ln e_i\left)\right)}^2};$

式中，n为应变硬化指数，无单位；N为取值点个数；e为真实应变；s为真实应力，单位为MPa。

作为优选方案，所述拉伸试验的拉伸速率最好为0.4mm/min。所述取值点最好为10个。

作为优选方案，所述拉伸试验样品至少为五根，分别进行拉伸试验，获得相应的应变硬化指数n值；再进行数理统计运算，取其平均值。

所述金属材料为镍铬合金材料06Cr25Ni20、06Cr19Ni10或06Cr18Ni11Ti。进一步的，所述金属材料所制成的工件的工作温度为≤620℃。

本发明的有益效果是：本发明针对汽轮机密封圈金属材料的特殊性，以快速、准确、容易的特点实现对镍铬合金材料在高温条件下塑性变形阶段的真实应力和应变值、以及对应应变硬化指数n值的测试，进而准确、定量地判断出汽轮机密封圈的密封性能，确保汽轮机组的密封效果；本发明可作为企业标准执行，以规范企业行为，进而保证产品质量。

附图说明

图1是镍铬合金06Cr25Ni20的n值与试验样品温度、拉伸速度的对应关系示意图。

图2是镍铬合金06Cr19Ni10的n值与试验样品温度、拉伸速度的对应关系示意图。

图3是镍铬合金06Cr18Ni11Ti的n值与试验样品温度、拉伸速度的对应关系示意图。

图4是计算n值时取点数量与n值标准差的对应关系示意图。

具体实施方式

本发明为测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法，尤其是测试汽轮机密封圈成型材料在高温条件下应变硬化指数n值的测试方法。其中，金属材料为镍铬合金材料，优选的镍铬合金材料为06Cr25Ni20、06Cr19Ni10或06Cr18Ni11Ti；所述高温为前述金属材料所制成的工件的工作温度，要求的工作温度≤620℃，例如620℃、600℃等(具体视汽轮机运行工况要求而定)；本发明的具体测试方法包括下列步骤：

1).分别制备5根镍铬合金材料的拉伸试验样品，并将各根试验样品分别加热至用对应材料制成的工件的工作温度；

2).用拉伸试验机对各根试验样品分别进行拉伸，并记录各根试验样品的拉伸试验数据；各根试验样品的拉伸速率均为0.4mm/min，本发明所选择的拉伸速率是根据反复实验的经验优选得出的，即0.4mm/min的拉伸速率是本发明最适宜的；

3).分别计算各根试验样品的应变硬化指数n值，具体步骤是：

①.将每根试验样品的拉伸试验数据按照Hollomon公式转化，得到真实应力和应变值的变化曲线；Hollomon公式如下：

s＝keⁿ；

式中，s为试验样品在拉伸过程中受到的真实应力，单位为MPa；k为强度系数，单位为MPa；e为试验样品的真实应变；n为应变硬化指数，无单位；

②.在步骤①的变化曲线上找出材料的屈服点和最大载荷点，以屈服点作为起点、以最大载荷点作为终点，在起点和终点之间随机选择10个点，依据该10个点的应变力值计算应变硬化指数n值；本发明n值计算的取点数量是根据反复实验的经验，优选得出的，当取点为10个时是最合理，取点少于10个，n值分布较为离散，偶然性高，取点多余10个，工作量会增大，且分散度并未明显减小；应变硬化指数n值的计算式如下：

$n=\frac{N\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln e_i\right)\left(\ln s_i\right)-\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln e_i\right)\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln s_i\right)}{N\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln e_i\right)-{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\right(\ln e_i\left)\right)}^2};$

式中，n为应变硬化指数，无单位；N为取值点个数，优选10；e为真实应变；s为真实应力，单位为MPa。

4).将通过步骤3)所获得的各根试验样品的应变硬化指数n值进行数理统计运算，取其统计平均值，以此获得测试该材料在工作温度条件下的塑性变形阶段的应变硬化指数n值，避免偶然性，确保测试结果真实、可靠。

本发明的试验样品至少为五根，例如五根、六根或七根等，当然越多会增大工作量。这样才能避免偶然性，确保测试结果真实、可靠。

本发明在镍铬合金06Cr25Ni20、06Cr19Ni10和06Cr18Ni11Ti上分别进行了测试应用。对镍铬合金06Cr25Ni20的测试中，n值与试验样品温度、拉伸速度的对应关系见图1所示；对镍铬合金06Cr19Ni10的测试中，n值与试验样品温度、拉伸速度的对应关系见图2所示；对镍铬合金06Cr18Ni11Ti的测试中，n值与试验样品温度、拉伸速度的对应关系见图3所示。通过对06Cr25Ni20、06Cr19Ni10和06Cr18Ni11Ti的测试，可以清楚的得出，本发明是合理性的、科学性的，其中计算n值时的取点数量与n值标准差的对应关系见图4所示。

以上具体技术方案仅用以说明本发明，而非对其限制。尽管参照上述具体技术方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法，包括下列步骤：

1).制备金属材料的拉伸试验样品，并加热至用该材料制成的工件的工作温度；

2).对试验样品进行拉伸试验，记录试验数据；

3).计算应变硬化指数n值，具体步骤是：

①.将拉伸试验数据按照Hollomon公式转化，得到真实应力和应变值的变化曲线；所述Hollomon公式如下：

s＝keⁿ；

式中，s为试验样品在拉伸过程中受到的真实应力，单位为MPa；k为强度系数，单位为Mpa；e为试验样品的真实应变；n为应变硬化指数，无单位；

②.在变化曲线上找出材料的屈服点和最大载荷点，以屈服点作为起点、以最大载荷点作为终点，在起点和终点之间选择多个取值点，依据这些取值点的应变力值计算应变硬化指数n值；算式如下：

$n=\frac{N\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln e_i\right)\left(\ln s_i\right)-\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln e_i\right)\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln s_i\right)}{N\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln e_i\right)-{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\ln e_i\right)\right)}^2};$

式中，n为应变硬化指数，无单位；N为取值点个数；e为真实应变；s为真实应力，单位为MPa。

2.根据权利要求1所述测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法，其特征在于：所述拉伸试验的拉伸速率最好为0.4mm/min。

3.根据权利要求1所述测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法，其特征在于：所述取值点最好为10个。

4.根据权利要求1所述测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法，其特征在于：所述拉伸试验样品至少为五根，分别进行拉伸试验，获得相应的应变硬化指数n值；再进行数理统计运算，取其平均值。

5.根据权利要求1所述测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法，其特征在于：所述金属材料为镍铬合金材料06Cr25Ni20、06Cr19Ni10或06Cr18Ni11Ti。

6.根据权利要求1或5所述测试金属材料在高温条件下应变硬化指数n值的方法，其特征在于：所述金属材料所制成的工件的工作温度为≤620℃。