CN116380685A - 一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料在高温拉伸试验中测定其力学性能的方法，尤其涉及一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法。本发明通过建立试样浸入溶液过程中引起的体积增量与试样下降距离或试样匀速下降时间的关系曲线，找到试样在断前横截面面积或试样断口横截面面积与曲线斜率的关系，最终利用曲线在不同位置处的斜率求出试样断后的断面收缩率。该方法不受试样断口形状的限制，在断口极为不规则的情况下，也能准确地测定出试样的断面收缩率。

Description

一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法
技术领域
本发明涉及金属材料在高温拉伸试验中测定其力学性能的方法，尤其涉及一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法。
背景技术
目前，普遍采用热力模拟试验机，根据铸坯的连铸过程，将试样加热到高温区，在高温区保温一段时间，然后降到设定的温度，最后以设定的拉伸速率进行高温拉伸，直至将试样拉断，对拉断后试样的横断面面积进行分析，从而获得断面收缩率，用于研究铸坯在连铸过程中的塑性性能。
连铸坯塑性的好坏与铸坯在连铸至弯曲矫直工艺过程之后是否产生裂纹有着密切的关系，因此，准确计算出断后试样的断面收缩率至关重要。
201110081820.4公开了“柱状拉伸试样断后伸长率和断面收缩率测量的装卡装置”，通过设计一套装置将拉断后的试样进行对中、紧固到一起，然后采用游标卡尺进行相关测量。该专利文献解决的问题是将试样对中、紧固，以便于后续测量，且主要针对材料在断后的横截面是圆面的规则横截面。CN200620045221.1公开了“圆形试样断后伸长率和断面收缩率的快速测量装置”，CN200820020540.6公开了“试样延伸率和断面收缩率测量的辅助装夹装置”，同样所采用的是断面收缩率计算方法，而且只适用于断口为圆形的规则横截面。
对于横断面形状规则的断口，如圆形或椭圆形，可以通过游标卡尺测量直径或长短轴长度，然后根据圆形或椭圆形的面积计算公式计算出其面积；然而，在模拟连铸的实验过程中，试样在较高温度条件下承受拉应力作用发生颈缩现象，在试样产生颈缩直至被拉断的过程中，试样的表面部分要向着颈缩的方向发生流动，对于有些材料，这种流动性是不均匀的，很容易使试样断裂时获得的断口形状不规则，断口的横截面面积无法通过简单的测量，采用面积计算公式进行计算。进而不能准确地计算试样在不同温度下的断面收缩率，难于对连铸坯产生裂纹的倾向性做出准确判断。
因此，针对试样断口横截面形状不规则的情况，亟待提出更好的方法，对高温拉伸试样的断面收缩率进行准确测算，以便于指导连铸工艺过程。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法。该方法不受试样断口形状的限制，在断口极为不规则的情况下，也能准确地测定出试样的断面收缩率。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1)通过模拟实验获得试样，选用模拟试样为棒状的圆柱体。
通过热力模拟试验机，按照预定的实验方案对模拟试样进行加热、保温、降温，然后进行拉伸，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。
步骤2)将两段试样进行对接，使其共轴成为一个整体，通过磁化或粘连将两段试样接合成试样拉伸断开瞬间时的状态。
步骤3)取一盛满足量溶液的容器，置于水平面上，溶液不与试样发生反应。将步骤2)中两段对接好的试样轴线垂直于溶液的液面，沿着垂直于溶液液面的方向，缓慢置于该溶液内。
在置入的过程中，采用两种方式：一是每次下降相同的距离d，mm；二是试样匀速下降，下降速度为v，mm/s。下降时，记录溶液液面的升高高度H，mm，溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml。
步骤4)绘制步骤3)中，溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml和试样下降距离d，mm之间的关系曲线，或溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml和试样下降时间t，s之间的关系曲线。
试样刚浸入溶液时，试样使液面上升，使溶液体积产生增量，增量为圆柱体浸入溶液部分的体积，由于圆柱体截面处处相等，因此，曲线呈现直线上升。
当试样的台状部分浸入溶液时，此时的截面随着试样的下降，逐渐减小，因此，曲线的斜率也随之减小。
试样继续下降到另一段时，此时的截面随着试样的下降，又逐渐增大，因此，曲线的斜率也随之增大，最后，试样的台状部分全部浸入溶液中，溶液体积产生增量又只受圆柱体浸入溶液部分的体积影响，曲线又呈直线上升状态。
步骤5)基于步骤4)绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率K随着试样下降距离d，mm或曲线的斜率随着试样下降时间t，s，的变化关系曲线，曲线斜率K对应体积增量ΔV，ml。
曲线最大斜率K1对应试样最大横截面面积S1，曲线最小斜率K2对应试样最小横截面面积S2，试样断口处的横截面面积最小即为S2。根据斜率与横截面面积成正比，得出如下公式：
K1/S1＝K2/S2 (1)
式中：K1为曲线最大斜率；
S1为试样最大横截面面积，mm2；
K2为曲线最小斜率；
S2为试样断口处的最小横截面面积，mm2；
步骤6)计算断面收缩率。
试样原始横截面圆的面积为S1，亦为断后试样横截面面积中最大值，为已知量，试样被拉断后，断口处的横截面面积为最小横截面面积，为S2，通过步骤5中的公式(1)可以获得S2。设断面收缩率为
Figure BDA0004142418290000031
％，则得：
Figure BDA0004142418290000032
将公式(1)求出的S2代入公式(2)中，得到如下公式：
Figure BDA0004142418290000033
由公式(3)即可以获得试样经高温拉伸后的断面收缩率。
与现有方法相比，本发明的有益效果是：
对于横断面形状规则的断口，如圆形或椭圆形，可以通过游标卡尺测量直径或长短轴长度，然后根据圆形或椭圆形的面积计算公式计算出其面积。然而，在模拟连铸的实验过程中，流动性是不均匀的，很容易使试样断裂时获得的断口形状不规则，断口的横截面面积无法通过简单的测量，采用面积计算公式进行计算。
本发明通过建立试样浸入溶液过程中引起的体积增量与试样下降距离或试样匀速下降时间的关系曲线，找到试样在断前横截面面积或试样断口横截面面积与曲线斜率的关系，最终利用曲线在不同位置处的斜率求出试样断后的断面收缩率。
该方法避免了传统断面收缩率计算过程中对横截面面积测量、计算的人为误差，以及对不规则横截面面积无法测量、计算的不足，该方法不受试样断口形状的限制，在断口截面形状极为不规则的情况下，也能准确地测定出试样的断面收缩率。
附图说明
图1是本发明溶液与浸入其中的试样的总体积V和试样下降距离d之间的关系曲线示意图；
图2是本发明溶液与浸入其中的试样的总体积V和试样下降时间t之间的关系曲线示意图；
图3是本发明溶液与浸入其中的试样的总体积增量ΔV与试样下降距离d之间的关系曲线示意图；
图4是本发明溶液与浸入其中的试样的总体积增量ΔV与试样下降时间t之间的关系曲线示意图；
图5是本发明实施例1、3、5测定的溶液与浸入其中的试样的总体积V和试样下降距离d之间的关系曲线图；
图6是本发明实施例1、3、5测定的溶液与浸入其中的试样的总体积增量ΔV和试样下降距离d之间的关系曲线图；
图7是本发明实施例2、4、6测定的溶液与浸入其中的试样的总体积V和试样下降时间t之间的关系曲线图；
图8是本发明实施例2、4、6测定的溶液与浸入其中的试样的总体积增量ΔV和试样下降时间t之间的关系曲线。
具体实施方式
本发明公开了一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1)通过模拟实验获得试样。选用模拟试样为棒状的圆柱体，通过热力模拟试验机，按照预定的实验方案对模拟试样进行加热、保温、降温，然后在600～1400℃下进行拉伸，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。
基于试样在高温下变形行为特点，试样断成两段，每一段近断口处的一端呈台状，其余部分呈圆柱状。将两段试样进行对接共轴成为一个整体，通过磁化或粘连将两段试样接合成试样拉伸断开瞬间时的状态。
步骤2)取一盛满足量溶液的容器，置于水平面上，溶液不与试样发生反应。将步骤2)中两段对接好的试样轴线垂直于溶液的液面，沿着垂直于溶液液面的方向，缓慢置于该溶液内。
在置入的过程中，可以采用两种方式：一是每次下降相同的距离d，mm；二是试样匀速下降，下降速度为v，mm/s。下降时，记录溶液液面的升高高度H，mm，溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml。
步骤3)如图1、图2所示，绘制步骤2)中，溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml和试样下降距离d，mm之间的关系曲线，或溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml和试样下降时间t，s之间的关系曲线。
试样刚浸入溶液时，试样使液面上升，使溶液体积产生增量，增量为圆柱体浸入溶液部分的体积，由于圆柱体截面处处相等，因此，曲线呈现直线上升。
当试样的台状部分浸入溶液时，此时的截面随着试样的下降，逐渐减小，因此，曲线的斜率也随之减小。
试样继续下降到另一段时，此时的截面随着试样的下降，又逐渐增大，因此，曲线的斜率也随之增大，最后，试样的台状部分全部浸入溶液中，溶液体积产生增量又只受圆柱体浸入溶液部分的体积影响，曲线又呈直线上升状态。
步骤4)如图3、图4所示，基于步骤3)绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率K随着试样下降距离d，mm或曲线的斜率K随着试样下降时间t，s的变化关系曲线，曲线斜率K对应体积增量ΔV，ml。
曲线最大斜率K1对应试样最大横截面面积S1，曲线最小斜率K2对应试样最小横截面面积S2，试样断口处的横截面面积最小即为S2。根据斜率与横截面面积成正比，得出如下公式：
K1/S1＝K2/S2 (1)
式中：K1为曲线最大斜率；
S1为试样最大横截面面积，mm2；
K2为曲线最小斜率；
S2为试样断口处的最小横截面面积，mm2；
步骤5)计算断面收缩率。
试样原始横截面圆的面积为S1，亦为断后试样横截面面积中最大值，为已知量，试样被拉断后，断口处的横截面面积为最小横截面面积，为S2，通过步骤4中的公式(1)可以获得S2。设断面收缩率为
Figure BDA0004142418290000061
％，则得：
Figure BDA0004142418290000062
将公式(1)求出的S2代入公式(2)中，得到如下公式：
Figure BDA0004142418290000063
由公式(3)即可以获得试样经高温拉伸后的断面收缩率。
本发明通过试样排液体法测定高温拉伸试样断后断面收缩率，不仅适用于规则形状的断口，更突破了不规则形状断口断面收缩率的测定，利用试样浸入溶液过程中引起的体积增量与试样下降距离或试样匀速下降时间的关系曲线，找到试样在断前横截面面积或试样断口横截面面积与曲线斜率的关系，最终利用曲线在不同位置处的斜率求出试样断后的断面收缩率。该方法不受试样断口形状的限制，在断口极为不规则的情况下，也能准确地测定出试样的断面收缩率。
【实施例】
实施例1：
1.通过模拟实验获得试样。选用材料为一种低碳钢，并加工成模拟试样，尺寸为Φ10×125mm的圆柱体，通过热力模拟试验机，将其加热至1300℃，保温5分钟，之后以3℃/s的速度降温至1000℃，之后保温1分钟进行拉伸，拉伸速率设为1×10-3s-1，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。
基于试样在高温下变形行为特点，试样断成两段，每一段近断口处的一端呈台状，其余部分呈圆柱状。将两段试样进行磁化，对接共轴成为一个整体。
2.取一盛满足量水的容器，置于水平面上。将步骤1中两段对接好的试样轴线垂直于水的液面，缓慢置于该溶液内。在置入的过程中，每次下降相同的距离0.5毫米。
3.绘制步骤2中，水与浸入水中部分试样的总体积和试样下降距离之间的关系曲线，如图5所示。
4.基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降距离d的变化关系曲线，如图6所示。
曲线最大斜率K1对应试样最大横截面面积S1，曲线最小斜率K2对应试样最小横截面面积S2，试样断口处的横截面面积最小即为S2。根据斜率与横截面面积成正比。采用公式(1)、(2)和(3)可以测定试样的断面收缩率为72.35％。
实施例2：
1.通过模拟实验获得试样。选用材料为一种低碳钢，并加工成模拟试样，尺寸为Φ10×125mm的圆柱体，通过热力模拟试验机，将其加热至1300℃，保温5分钟，之后以3℃/s的速度降温至1000℃，之后保温1分钟进行拉伸，拉伸速率设为1×10-3s-1，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。
基于试样在高温下变形行为特点，试样断成两段，每一段近断口处的一端呈台状，其余部分呈圆柱状。将两段试样进行磁化，对接共轴成为一个整体。
2.取一盛满足量水的容器，置于水平面上。将步骤1中两段对接好的试样轴线垂直于水的液面，缓慢置于该溶液内。在置入的过程中，试样匀速下降，下降速度为v＝1mm/s；
3.绘制步骤2中，水与浸入水中部分试样的总体积和试样下降时间之间的关系曲线，如图7所示；
4.基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降时间t的变化关系曲线，如图8所示。
曲线最大斜率K1对应试样最大横截面面积S1，曲线最小斜率K2对应试样最小横截面面积S2，试样断口处的横截面面积最小即为S2。根据斜率与横截面面积成正比。采用公式(1)、(2)和(3)可以测定试样的断面收缩率为71.34％。
实施例3：
1.通过模拟实验获得试样。选用材料为一种低碳钢，并加工成模拟试样，尺寸为Φ10×125mm的圆柱体，通过热力模拟试验机，将其加热至1300℃，保温5分钟，之后以3℃/s的速度降温至700℃，之后保温1分钟进行拉伸，拉伸速率设为1×10-3s-1，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。
基于试样在高温下变形行为特点，试样断成两段，每一段近断口处的一端呈台状，其余部分呈圆柱状。将两段试样进行磁化，对接共轴成为一个整体。
2.取一盛满足量水的容器，置于水平面上。将步骤1中两段对接好的试样轴线垂直于水的液面，缓慢置于该溶液内。在置入的过程中，每次下降相同的距离0.5毫米。
3.绘制步骤2中，水与浸入水中部分试样的总体积和试样下降距离之间的关系曲线，如图5所示。
4.基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降距离d的变化关系曲线，如图6示。
曲线最大斜率K1对应试样最大横截面面积S1，曲线最小斜率K2对应试样最小横截面面积S2，试样断口处的横截面面积最小即为S2。根据斜率与横截面面积成正比。采用公式(1)、(2)和(3)可以测定试样的断面收缩率为35.27％。
实施例4：
1.通过模拟实验获得试样。选用材料为一种低碳钢，并加工成模拟试样，尺寸为Φ10×125mm的圆柱体，通过热力模拟试验机，将其加热至1300℃，保温5分钟，之后以3℃/s的速度降温至700℃，之后保温1分钟进行拉伸，拉伸速率设为1×10-3s-1，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。
基于试样在高温下变形行为特点，试样断成两段，每一段近断口处的一端呈台状，其余部分呈圆柱状。将两段试样进行磁化，对接共轴成为一个整体。
2.取一盛满足量水的容器，置于水平面上。将步骤1中两段对接好的试样轴线垂直于水的液面，缓慢置于该溶液内。在置入的过程中，试样匀速下降，下降速度为v＝1mm/s；
3.绘制步骤2中，水与浸入水中部分试样的总体积和试样下降时间之间的关系曲线，如图7所示。
3.基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降时间t的变化关系曲线，如图8所示。
4.曲线最大斜率K1对应试样最大横截面面积S1，曲线最小斜率K2对应试样最小横截面面积S2，试样断口处的横截面面积最小即为S2。根据斜率与横截面面积成正比。采用公式(1)、(2)和(3)可以测定试样的断面收缩率为35.69％。
实施例5：
1.通过模拟实验获得试样。选用材料为一种低碳钢，并加工成模拟试样，尺寸为Φ10×125mm的圆柱体，通过热力模拟试验机，将其加热至1300℃，保温5分钟，之后以3℃/s的速度降温至1200℃，之后保温1分钟进行拉伸，拉伸速率设为1×10-3s-1，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。基于试样在高温下变形行为特点，试样断成两段，每一段近断口处的一端呈台状，其余部分呈圆柱状。将两段试样进行磁化，对接共轴成为一个整体。
2.取一盛满足量水的容器，置于水平面上。将步骤1中两段对接好的试样轴线垂直于水的液面，缓慢置于该溶液内。在置入的过程中，每次下降相同的距离0.5毫米。
3.绘制步骤2中，水与浸入水中部分试样的总体积和试样下降距离之间的关系曲线，如图5所示。
4.基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降距离d的变化关系曲线，如图7所示。
曲线最大斜率K1对应试样最大横截面面积S1，曲线最小斜率K2对应试样最小横截面面积S2，试样断口处的横截面面积最小即为S2。根据斜率与横截面面积成正比。采用公式(1)、(2)和(3)可以测定试样的断面收缩率为61.97％。
实施例6：
1.通过模拟实验获得试样。选用材料为一种低碳钢，并加工成模拟试样，尺寸为Φ10×125mm的圆柱体，通过热力模拟试验机，将其加热至1300℃，保温5分钟，之后以3℃/s的速度降温至1200℃，之后保温1分钟进行拉伸，拉伸速率设为1×10-3s-1，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。基于试样在高温下变形行为特点，试样断成两段，每一段近断口处的一端呈台状，其余部分呈圆柱状。将两段试样进行磁化，对接共轴成为一个整体。
2.取一盛满足量水的容器，置于水平面上。将步骤1中两段对接好的试样轴线垂直于水的液面，缓慢置于该溶液内。在置入的过程中，试样匀速下降，下降速度为v＝1mm/s；
3.绘制步骤2中，水与浸入水中部分试样的总体积和试样下降时间之间的关系曲线，如图7所示。
4.基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降时间t的变化关系曲线，如图8所示。
曲线最大斜率K1对应试样最大横截面面积S1，曲线最小斜率K2对应试样最小横截面面积S2，试样断口处的横截面面积最小即为S2。根据斜率与横截面面积成正比。采用公式(1)、(2)和(3)可以测定试样的断面收缩率为62.05％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法，其特征在于，该方法具体包含以下步骤：
步骤1)选用棒状试样；对试样进行加热、保温、降温，然后进行拉伸，直至将试样拉断，得到断成两段的试样；
步骤2)将两段试样进行对接，使其共轴成为一个整体，将两段试样接合成试样拉伸断开瞬间时的状态；
步骤3)将容器置于水平面上，采用不与试样发生反应的溶液，将溶液注入容器内；
将步骤2)中对接后的试样轴线垂直于溶液的液面，沿着垂直于溶液液面的方向，置于该溶液内；
在置入的过程中，采用两种方式：一是每次下降相同的距离d，mm；二是试样匀速下降，下降速度为v，mm/s；
下降时，记录溶液液面的升高高度H，mm，溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml；
步骤4)绘制步骤3)中，溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml和试样下降距离d，mm之间的关系曲线，或溶液与浸入溶液部分试样的总积V，ml和试样下降时间t，s之间的关系曲线；
步骤5)对步骤4)曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率K随着试样下降距离d，mm或曲线的斜率K随着试样下降时间t，s的变化关系曲线，曲线斜率K对应体积增量ΔV，ml；
曲线最大斜率K1对应试样最大横截面面积S1，曲线最小斜率K2对应试样最小横截面面积S2，试样断口处的横截面面积最小即为S2；根据斜率与横截面面积成正比，得出如下公式：
K1S1＝K2S2 (1)
式中：K1为曲线最大斜率；
S1为试样最大横截面面积，mm2；
K2为曲线最小斜率；
S2为试样断口处的最小横截面面积，mm2；
步骤6)计算断面收缩率；
试样原始横截面圆的面积为S1，亦为断后试样横截面面积中最大值，为已知量，试样被拉断后，断口处的横截面面积为最小横截面面积，为S2，通过步骤5中的公式(1)获得S2，设断面收缩率为
Figure FDA0004142418280000021
％，则得：
Figure FDA0004142418280000022
将公式(1)求出的S2代入公式(2)中，得到如下公式：
Figure FDA0004142418280000023
由公式(3)获得试样经高温拉伸后的断面收缩率。
2.根据权利要求1所述的一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法，其特征在于，所述步骤1)选用棒状的圆柱体试样。
3.根据权利要求1所述的一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法，其特征在于，所述步骤1)通过热力模拟试验机，按照预定的实验方案对模拟试样进行加热、保温、降温，然后进行拉伸，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。
4.根据权利要求1所述的一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法，其特征在于，所述步骤2)通过磁化或粘连将两段试样接合成试样拉伸断开瞬间时的状态。
5.根据权利要求1所述的一种高温拉伸试样断面收缩率测定方法，其特征在于，所述步骤4)试样刚浸入溶液时，曲线呈现直线上升；当试样的台状部分浸入溶液时，曲线的斜率随之减小；试样继续下降到另一段时，曲线的斜率随之增大；最后，试样的台状部分全部浸入溶液中，曲线又呈直线上升状态。
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