CN116288059B - 一种高强度拉伸试验机夹具用钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度拉伸试验机夹具用钢及其制备方法，涉及冶金技术领域，其技术要点为：一种高强度拉伸试验机夹具用钢，所述夹具用钢包括以下组分，以质量比计：C：0.35‑0.45％、Si：0.20‑0.40％、Mn：0.50‑0.80％、Cu：0.10‑0.30％、Ni：0.10‑0.35％、Cr：3.00‑3.50％、Mo：1.0‑1.5％、V：0.10‑0.30％、余量为Fe及杂质。本发明克服了现有技术中制作的铝片需根据试样和夹具V型槽规格进行调整、比较繁琐，成功率低，需频繁更换，以及测试后铝片卡在V型槽内，很难取出，取出过程容易造成夹具损坏的缺陷。

Description

一种高强度拉伸试验机夹具用钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种高强度拉伸试验机夹具用钢及其制备方法。
背景技术
弹簧钢55SiCrNb在热处理后强度等级超过2000MPa，92Si钢绞线盘条制成的钢丝强度更高达2300MPa，而这类材料因具有高强度、自重轻、弹性好、工作平稳可靠、承受动载和过载能力强以及在高速工作条件下运行和卷绕无噪声等优点，在建筑、矿产、冶金、交通、旅游等国民经济各主要行业和部门得到广泛应用。但在实际生产过程中，需要对材料的机械性能把控。因此，都需要对材料的拉伸性能进行测试。
现有技术中，拉伸试验都是采用试验机夹具直接夹持试样两端并拉伸，直至试样破裂。对于高性能材料的测试，目前拉伸试验机夹具的硬度(HRC56)与试验钢(HRC50)的硬度相近，导致夹具齿较在拉伸试验过程中夹齿快速磨损，造成样品打滑，断裂在夹具内，导致试验为无效样品。现有的拉伸试验方案存在以下几点明显不足：(1)样品强度高硬度高造成夹具夹齿快速磨损，一付进口夹具费用约5万元，夹齿无法修复，只能更换，试验成本较高；(2)样品易断在夹具内，造成试验结果无效；(3)样品在试验过程中易打滑，试验无法正常进行。
为了解决上述技术问题，专利CN212228567U中公开了在两夹板上分别设置对称的V型槽，所述V型槽内放置用于加持钢绞线的铝片，在铝片朝向钢绞线盘条的一侧表面设置金刚砂层来增加硬度和摩擦力。但是，铝片需要根据试样和V型夹具的规格选择合适的厚度和尺寸并折成一定的角度，才能使用，过程繁琐，成功率低，需频繁更换。另外，在完成试验后，铝片因受力变形卡入V型槽内，很难取出，需靠敲打的方式一节一节的取出，不仅费时费力，并且容易在整个过程中易把夹齿敲坏，造成夹具报废。另一件专利CN114438416A中公开了一种瓶胚模具用Cr-Mo-V-N合金材料，所需原料的元素组成为C：0.15～0.30％；Cr：13.00～15.00％；Mo：0.80～1.30％；Ni：0.20～1.00％；N：0.04～0.15％；V：0.20～0.35％；Mn：0.20～1.00％，余量为Fe及杂质；该方案具备高强度、高耐腐蚀、高抛光性的特点，同时其冲击韧性得到了大幅度提高，但是该方案制备的合金材料的硬度值只有48-52HRC，无法满足需求。
鉴于此，申请本专利。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种高强度拉伸试验机夹具用钢及其制备方法，相较于现有技术，无需在夹具上预制铝片，适用夹具范围较广，可显著提高夹具的使用寿命，大幅度降低了试验成本，提高检测效率，在硬度、拉伸性能上具有明显进步。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种高强度拉伸试验机夹具用钢，以质量比计，所述夹具用钢由以下组分制备而成：C：0.35-0.45％、Si：00.20-0.40％、Mn：0.50-0.80％、Cu：0.10-0.30％、Ni：0.10-0.35％、Cr：3.00-3.50％、Mo：1.0-1.5％、V：0.10-0.30％、余量为Fe及杂质。
C元素起到强化作用，钢板的抗拉强度、屈服强度随碳含量增加而提高，但低温冲击韧性随碳含量的增加而降低，为了保证钢板具有良好的冲击韧性，因此本发明更优的C控制在0.35-0.45％。Si元素起到固溶强化作用，提高钢的强度、韧性和抗回火脆性，由于过高的Si在焊接金属中导致强度提高、抗回火脆性降低，因此更优选的本发明Si控制在0.20-0.40％。Mn元素起到固溶强化作用，可以提高钢的强度，提高钢的冲击韧性，但Mn含量过高会提高钢脆性，因此本发明Mn控制在0.50-0.80％。Cu能提高钢的强度和韧性，但是Cu过多容易产生热脆性，因此本发明中添加少量的Cu在0.10-0.30％，能够有效改善钢的韧性而又不影响回火脆性。Ni能提高钢的强度，又保持良好的塑性和韧性，但Ni高时会影响焊接金属的回火脆性，因此本发明中添加少量的Ni在0.10-0.35％，能够保证焊接金属的低温韧性但不影响回火脆性。Cr能够提升钢的强度和硬度，起到沉淀强化效果，但是含量过高会降低材料的抗回火脆性，因此本发明Cr控制在3.00-3.50％。V与C是强碳化物形成元素，析出强化提高钢的强度，但过多C提高材料强度，韧性降低，因此本发明C控制在0.35-0.45％。Mo与Cr一起在能够提高钢的强度和硬度，起到沉淀强化效果，Mo配合本发明的Mn使用，抗回火脆性提高。但是过多的Mo提高金属材料的淬透性，使材料的韧性降低，因此本发明Mo控制在1.0-1.5％。V在CrMo钢中能够沉淀强化，本发明V控制在0.10-0.30％。
优选的，所述杂质按重量百分比计，包括：
氧(O)：氧是钢中的杂质元素，会降低钢板的塑韧性，影响钢锭质量，过低的氧将增加炼钢成本，因此，氧含量选择为0.002-0.005％。氮(N)：氮是钢中的杂质元素，会降低钢板的塑韧性，过低的氮将增加炼钢成本，因此，氮含量选择为0.002-0.005％。氢(H)：氢是钢中的杂质元素，能使钢的塑性和韧性明显降低，过低的氢将增加炼钢成本，因此，氢含量选择为0.0001-0.0002％。磷(P)：磷是钢中的杂质元素，过高的磷易产生中心偏析，降低钢板低温韧性，过低的磷会增加炼钢成本，因此，磷含量选择为0.008-0.015％。硫(S)：硫是钢中的杂质元素，易形成MnS夹杂，降低钢的韧性，过低的硫会增加炼钢成本，因此，硫含量选择为0.002-0.010％。
一种高强度拉伸试验机夹具用钢的制备方法，包括以下步骤：
S1，铸造：将各组分按照配比投入真空感应炉中进行熔炼，得到钢锭；
优选的，在S1中，熔炼包括初炼和精炼，其中初炼温度高于精炼温度。初炼过程先将组分中不易氧化的合金随炉加入进行初炼，易氧化的合金精炼时加入，由于温度太高合金容易氧化，所以精炼温度要比熔炼温度低一些。
更优选的，在S1中，熔炼温度为1580℃-1600℃，精炼过程中的保护气氛为氩气，气压为10KPa-15KPa。熔炼温度过高合金易氧化，成分产生偏差，且浇筑后不利于脱模，易产生缩孔；但是熔炼温度过低合金未充分熔化，成分不均匀，且浇筑时易堵塞水口，导致凝固后铸坯表面质量差。
S2，轧制：将S1中得到的钢锭去皮后放入炉子升温至1200℃-1250℃保温4h-5h，然后炉冷至200℃-300℃，再次升温至1200℃-1250℃，保温1h-2h后进行轧制，然后冷至室温，得到钢板。轧制之前进行了两次升温，第一次升温保温主要是将钢坯进行退火处理，使钢坯组织均匀化，提高钢坯塑性，使钢坯轧制过程中不开裂，第二次升温则是为了轧制预热。
优选的，在S2轧制过程中，开轧温度为1150℃，终轧温度为960℃。钢板在轧制过程中温度逐渐下降，终轧温度如果低于960℃，钢板容易轧出裂纹。
更优选的，在S2中，轧制分为8次，压下率分别为15％、18％、20％、25％、28％、31％、30％、21％。压下率是指钢板每一次轧制减薄的百分比，每一次减薄都以上一次轧制钢板厚度为参照。本方案中，轧制分多次进行，轧制如果减少次数，需要增大下压率，但下压率过大钢板内应力过大，易轧裂，反之轧制道次增加，下压率减少，钢板钢晶粒粗大会造成组织不均匀。
更优选的，在S2中，轧制最终厚度为15mm。
S3，淬火及回火：将S2中得到的钢板进行淬火及回火，得到夹具用钢。
优选的，在S3中，淬火温度为900℃-950℃，保温时间60min-120min；回火温度为180℃-250℃，回火时间30min-60min。淬火温度影响钢材的硬度，当淬火温度过高或者过低，钢材的硬度都会下降，所以本方案淬火温度为900℃-950℃，保证钢材硬度一致性，回火能够减少钢板的内应力，调整钢板的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求。
更优选的，在S3中，淬火介质为水、酒精、淬火油，体积比为1:1:1。
与现有技术相比，本方案的有益效果：
1、根据本发明提供的方案所制备得到的夹具用钢，将其制备成夹具，可显著提高夹具的使用寿命，可对试样直接夹持，进行拉伸测试，可满足材料试验机使用。
2、使用本方案提供的夹具用钢制备的夹具，相较于现有技术，无需在夹具上预制铝片，适用夹具范围较广，试验结束后样品很容易取出，不会对夹齿造成二次损伤。
3、本发明提供的高强度拉伸试验机夹具用钢，相较于传统夹具，夹具的使用寿命显著提高，从5-10个提升至75-120个，大幅度降低了试验成本，提高检测效率，夹具硬度提升16％-17％。
附图说明
图1是本发明实施例1所得钢的金相结构图；
图2是本发明实施例2所得钢的金相结构图；
图3是本发明对比例1所得钢的金相结构图；
图4是本发明对比例2所得钢的金相结构图；
图5是本发明试验钢的拉伸曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的实施例及附图，对本发明的技术方案进行进一步详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种高强度拉伸试验机夹具用钢，由以下方法制备而成：
S1，铸造：将0.35％C，0.2％Cu，0.2％Ni，3.5％Cr，1％Mo，93.55％Fe投入真空感应炉中，真空感应炉抽真空，通电加热到1600℃进行初炼熔化，然后给真空感应炉充氩气，气压为13KPa，继而向真空感应炉中加入0.1％V，0.4％Si，0.7％Mn在1580℃下进行精炼，取样检测，检测合金中各组分含量与原始配方差异，视情况决定是否补加合金，熔炼结束后倒钢自然冷却，得到钢锭。
S2，轧制：将铸造工序中得到的钢锭去皮后放入炉子升温至1250℃保温5h，然后炉冷至300℃，再次升温至1250℃，保温2h后进行轧制，开轧温度为1150℃，轧制最终厚度为15mm，终轧温度为960℃，然后冷至室温，得到钢板；轧制分为8次，压下率分别为15％、18％、20％、25％、28％、31％、30％、21％。
S3，淬火及回火：将S2得到的钢板进行淬火及回火工序，淬火温度为900℃，保温时间60min，回火温度为180℃，时间30min，淬火介质使用水、酒精、淬火油混合溶液，体积比为1:1:1。
所得钢的金相结构如图1所示，表现为马氏体+少量未溶轧态组织。
实施例2
一种高强度拉伸试验机夹具用钢，由以下方法制备而成：
S1，铸造：将0.35％C，0.2％Cu，0.2％Ni，3.5％Cr，1％Mo，93.55％Fe投入真空感应炉中，真空感应炉抽真空，通电加热到1600℃进行初炼熔化，然后给真空感应炉充氩气，气压为13KPa，继而向真空感应炉中加入0.1％V，0.4％Si，0.7％Mn在1580℃下进行精炼，取样检测，检测合金中各组分含量与原始配方差异，视情况决定是否补加合金，熔炼结束后倒钢自然冷却，得到钢锭。
S2，轧制：将铸造工序中得到的钢锭去皮后放入炉子升温至1250℃保温5h，然后炉冷至300℃，再次升温至1250℃，保温2h后进行轧制，开轧温度为1150℃，轧制最终厚度为15mm，终轧温度为960℃，然后冷至室温，得到钢板；轧制分为8次，压下率分别为15％、18％、20％、25％、28％、31％、30％、21％。
S3，淬火及回火：将S2得到的钢板进行淬火及回火工序，淬火温度为950℃，保温时间80min，回火温度为250℃，时间30min，淬火介质使用水、酒精、淬火油混合溶液，体积比为1:1:1。
所得钢的金相结构如图2所示，表现为马氏体结构。
实施例3
一种高强度拉伸试验机夹具用钢，由以下方法制备而成：
S1，铸造：将0.45％C，0.1％Cu，0.35％Ni，3％Cr，1.5％Mo，93.55％Fe投入真空感应炉中，真空感应炉抽真空，通电加热到1600℃进行初炼熔化，然后给真空感应炉充氩气，气压为15KPa，继而向真空感应炉中加入0.1％V，0.2％Si，0.5％Mn在1580℃下进行精炼，取样检测，检测合金中各组分含量与原始配方差异，视情况决定是否补加合金，熔炼结束后倒钢自然冷却，得到钢锭。
S2，轧制：将铸造工序中得到的钢锭去皮后放入炉子升温至1200℃保温4h，然后炉冷至200℃，再次升温至1200℃，保温1h后进行轧制，开轧温度为1150℃，轧制最终厚度为15mm，终轧温度为960℃，然后冷至室温，得到钢板；轧制分为8次，压下率分别为15％、18％、20％、25％、28％、31％、30％、21％。
S3，淬火及回火：将S2得到的钢板进行淬火及回火工序，淬火温度为950℃，保温时间80min，回火温度为250℃，时间30min，淬火介质使用水、酒精、淬火油混合溶液，体积比为1:1:1。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于：在S3中，淬火温度为850℃，回火温度为180℃，时间30min。
所得钢的金相结构如图3所示。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于：在S3中，淬火温度为1000℃，回火温度为180℃，时间30min。
所得钢的金相结构如图4所示。
对比例3
对比例3与实施例2的区别在于：在S3中，淬火介质为水。
对比例4
对比例4与实施例2的区别在于：在S3中，淬火介质为淬火油。
对比例5
对比例5与实施例1的区别在于：在S1中，4.5％Cr，3.0％Mo。
对比例6
对比例6与实施例1的区别在于：在S1中，0.6％C，0.6％V。
对比例7
对比例7与实施例1的区别在于：在S2中，轧制分为10次，压下率分别为11％、14％、16％、21％、24％、27％、26％、17％、17％、15％。
试验1使用寿命测试
将相同的试验样品分别装入本专利所得钢材制得夹具、常规夹具(市售夹具，厂家INSTRON，规格10-25mm)、预制铝片夹具(CN212228567U)当中，调节夹具压力至150bar，夹紧拉伸试验机夹具，依据GB/T228.1-2021编制试验方法，设定试验应变速率为0.0025/s，进行拉伸性能测试，持续使用夹具，记录夹具的使用寿命。试验结果见表1所示。
表1不同夹具的使用寿命
由表1可知，实施例所得钢板的使用寿命高于对比例与市售夹具寿命，相较于对比例，实施例使用寿命提升90％-161％，说明本方案在淬火、回火，淬火介质选择，组分选择上是具有显著的进步的，尤其在Cr元素与Mo元素的选择上，主要是因为适当的元素及比例选择能够强化晶粒，提高钢的强度和硬度，所带来的效果差异也较为明显；相较于市售夹具，实施例使用寿命从5-10个提升至75-120个，相较于预制铝片夹具，实施例使用寿命从10-20个提升至75-120个，可见实施例夹具寿命显著提升，具备意料不到的技术效果。
试验2硬度测试
将实施例、对比例所得钢和市售夹具，通过标准：GB/T230.1-2018，进行洛氏硬度测试，结果见表2。
表2实施例、对比列和市售夹具所得钢硬度数据
由表2可知，实施例所得钢板的硬度值高于对比例与市售夹具硬度，与对比例相比，对比例硬度提升17％，与市售夹具相比，提升了16％，具备意料不到的技术效果。
试验3拉伸性能测试
将实施例与对比例所得钢板通过线切割加工成拉伸试样，依据GB/T228.1-2021编制试验方法，设定试验应变速率为0.0005/s，进行拉伸性能测试，试验结果见表3所示，实施例2拉伸曲线图见图5所示。
表3拉伸性能测试
RP0.2强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 断后伸长率A8mm％ 断面收缩率(％)
实施例1 1940 2300 6.0 5
实施例2 1993 2324 6.5 6
实施例3 1940 2342 5.0 4
对比例1 1821 2133 6.0 5
对比例2 未测出 2030 1.0 0.3
对比例3 未测出 2131 2.0 0.4
对比例4 1752 1953 6.0 4
对比例5 1880 2251 2.0 0.5
对比例6 未测出 2070 1.0 0.3
对比例7 1803 2051 5.0 2
市售夹具 未测出 1650 0.5 未测出
由表3可知，实施例所得钢板的RP0.2强度、抗拉强度、断后伸长率A8mm、面积收缩值，明显高于对比例与市售夹具，与对比例相比，本方案RP0.2强度提升9％-10％，抗拉强度提升8％-16％，断后伸长率提升8％-20％，断面收缩率由0.3-4％提升至4-6％，具备意料不到的技术效果。
试验4冲击性能测试
将实施例与对比例所得钢板通过线切割加工成冲击试样，长度55mm×宽度10mm×厚度10mm，U型缺口，深度2mm，依据GB/T229-2020，进行冲击测试，结果见表4。
表4冲击性能测试
由表4可知，实施例所得钢板的冲击值高于对比例与市售夹具冲击值，实施例相对于对比例冲击值显著提升，与对比例相比，冲击吸收能量由6.5-26.2KU2提升至30.3-33.7KU2，提升了22-28％，可以看出本方案提供夹具用钢与对比例和市售夹具相比，具备意料不到的技术效果。
以上具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种高强度拉伸试验机夹具用钢，其特征在于，以质量比计，所述夹具用钢由以下组分制备而成，C：0.35-0.45%、Si：0.20-0.40%、Mn：0.50-0.80%、Cu：0.10-0.30%、Ni：0.10-0.35%、Cr：3.00-3.50%、Mo：1.0-1.5%、V：0.10-0.30%、余量为Fe及杂质；
所述杂质包括，O：0.002-0.005%、N：0.002-0.005%、H：0.0001-0.0002%、P：0.008-0.015%、S：0.002-0.010%；
所述高强度拉伸试验机夹具用钢的制备方法包括以下步骤：
S1，铸造：将各组分按照配比投入真空感应炉中进行熔炼，得到钢锭；
S2，轧制：将S1中得到的钢锭去皮后放入炉子升温至1200℃-1250℃保温4h-5h，然后炉冷至200℃-300℃，再次升温至1200℃-1250℃，保温1h-2h后进行轧制，然后冷至室温，得到钢板；
其中：轧制分为8次，压下率分别为15%、18%、20%、25%、28%、31%、30%、21%；
S3，淬火及回火：将S2中得到的钢板进行淬火及回火，得到夹具用钢；
其中：淬火温度为900℃-950℃，保温时间60min-120min；回火温度为180℃-250℃，回火时间30min-60min；
淬火介质为水、酒精、淬火油，三者体积比为1:1:1。
2.如权利要求1所述的一种高强度拉伸试验机夹具用钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，铸造：将各组分按照配比投入真空感应炉中进行熔炼，得到钢锭；
S2，轧制：将S1中得到的钢锭去皮后放入炉子升温至1200℃-1250℃保温4h-5h，然后炉冷至200℃-300℃，再次升温至1200℃-1250℃，保温1h-2h后进行轧制，然后冷至室温，得到钢板；
S3，淬火及回火：将S2中得到的钢板进行淬火及回火，得到夹具用钢。
3.如权利要求2所述的一种高强度拉伸试验机夹具用钢的制备方法，其特征在于，在S1中，熔炼包括初炼和精炼，其中初炼温度高于精炼温度。
4.如权利要求3所述的一种高强度拉伸试验机夹具用钢的制备方法，其特征在于，在S1中，熔炼温度为1580℃-1600℃，精炼过程中的保护气氛为氩气，气压为10KPa-15KPa。
5.如权利要求2所述的一种高强度拉伸试验机夹具用钢的制备方法，其特征在于，在S2中，开轧温度为1150℃-1200℃，终轧温度为960℃-1000℃。
6.如权利要求5所述的一种高强度拉伸试验机夹具用钢的制备方法，其特征在于，在S2中，钢板厚度为15mm。
7.如权利要求5所述的一种高强度拉伸试验机夹具用钢的制备方法，其特征在于，在S2中，轧制分为8次，压下率分别为15%、18%、20%、25%、28%、31%、30%、21%。
8.如权利要求2所述的一种高强度拉伸试验机夹具用钢的制备方法，其特征在于，在S3中，淬火温度为900℃-950℃，保温时间60min-120min；回火温度为180℃-250℃，回火时间30min-60min。
9.如权利要求8所述的一种高强度拉伸试验机夹具用钢的制备方法，其特征在于，在S3中，淬火介质为水、酒精、淬火油，三者体积比为1:1:1。
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