低压流体输送用焊接钢管力学性能试验影响因素及建议

黄泉开

(福建省建筑工程质量检测中心有限公司龙岩分公司，福建 龙岩 64000)

1 引言

低压流体输送用焊接钢管也称一般焊管,俗称黑管。是用于输送水、煤气、空气、油和取暖蒸汽等一般较低压力流体和其他用途的焊接钢管。与圆钢等实心钢材相比,在抗弯抗扭强度相同时,重量较轻,是一种经济截面钢材,广泛用于制造结构件和机械零件。其中φ48普通钢管在建筑施工中常用于脚手架、支架等部位。这决定着钢管质量好坏将直接影响工程质量和施工人员作业安全,因而钢管质量的检验显得尤为重要。拉伸试验是材料力学性能试验中最常用的、也是最重要的一种试验方法,同时也是工业领域中最基本的试验方法。钢管的主要力学性能指标有屈服强度、抗拉强度、伸长率等。拉伸试验所获得的强度和塑性数据,对生产工艺、产品研发、工程设计、工程质量等具有非常重要的价值。影响拉伸试验力学性能指标的因素主要来自于生产工艺。然而,对于同一生产条件下的成品管材,采用不同的拉伸速率、设备等,拉伸试验所获得的力学性能指标也有所不同。在力学性能试验过程中,还存在很多不稳定因素会影响试验结果的有效性。

2 拉伸试验的试验原理

在室温条件下(10℃-35℃),将试样放置于夹具内,以一定的速率给试样施加拉力荷载,一般拉至试样断裂结束,测出所需的力学性能指标,通常测量的力学性能指标主要有：

(1)抗拉强度(Rm)：拉伸时,试样在拉断前所承受的最大载荷与试样原始截面积之比。

(2)屈服强度(Re)：试样在拉伸的过程中,当载荷到达某一数值时,载荷不变但试样仍继续伸长的现象,称之为屈服。当试样发生屈服时所对应的力与试样原始截面积之比就叫做屈服强度。

(3)断后伸长率(A)：试样被拉断后,测量其断后标距的伸长总量与原始标距之间比值的百分率

3 试验方法3.1 试样的选择

参照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》附录E,选择并截取标准管段试样加工成纵向弧形试样(如图1所示)。

图1 拉伸试样示意图

3.2 拉伸过程

拉伸试验在SHT4106微机控制电液伺服万能试验机上进行,最大负荷100kN,加载速度V=10mm/min,恒加载,选用φ48×3.6mm、φ89×6mm、φ108×8mm,牌号Q235普通钢管进行拉伸,通过试验测得应力-应变曲线如图2所示。

图2 应力-应变曲线

3.3 试验结果

试验结束后,计算出力学指标数据见表1。

表1 拉伸试验结果

4 影响因素及建议

通过上述力学性能试验发现,钢管在试验过程中存在很多影响试验结果的不稳定因素,具体影响因素有：

(1)试验机的准确度。试验机是对试验试样施加载荷以测定性能指标的设备,它的准确度会直接影响试验结果。因此,试验机必须经过有资质的部门检定合格并在有效期内方可进行使用。

(2)试样的加工制备。金属材料的力学性能指标是通过对试样进行试验获得的。因钢管公称直径较大、规格多,一般夹具无法用于钢管的全管段试样拉伸,且全管段试样拉伸试验需要配有专用塞头,这在尺寸上带来一定的局限性。这时往往需要在钢管上截取纵向弧形试样。试样的加工,包括样管段的切取和试样的制备,会直接影响力学性能试验结果。拉伸试验前应选择正确的取样部位和取样方向以及加工方式,加工成规定横截面和形状的试样,并避免试样在加工过程中受到热影响和加工硬化影响,同时还应尽可能提高试样的加工精度。

(3)拉伸速率影响。表2是在不同拉伸速率下材料的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率参数的变化情况。从表中可以看出,在一定速率范围内,同一规格试样,采用不同速率测得的屈服强度、抗拉强度数值相差非常小,无明显变化,但是伸长率随速率的增大而有所降低。从试验角度讲,如果试验速率过快,会对传感器造成损坏,过慢又会影响试验效率,因此,最好还是按照标准规定,选择适中的加载速率进行试验。

表2 不同速率下力学性能

(4)夹持方法。拉伸试验中夹持方法非常重要,如果试样夹不住,试验则无法进行；如果夹持方法不合理,则会实验结果出现较大误差。在进行拉伸试验时,常出现试样因应力集中而断在夹持部分或标距外的过渡区,导致实验失败的现象。其次试验机的加载轴线应与试样的几何中心一致,如果不一致,会造成偏心加载而产生弯曲。一般不允许对试样施加偏心力,因为力的偏心容易使试验力与试样轴线产生明显偏移；拉伸夹具选用不当会使试样产生附加弯曲应力,从而使结果产生误差,同时拉伸夹具选用不当也极易引起拉伸试样打滑或断在钳口内,导致实验数据不准确或实验数据偏低。总之,试样装夹过程尽量保持中心线与力的方向一致。

(5)试样尺寸的测量。在拉伸试验中试样的横截面积计算非常关键,横截面积往往是通过试样尺寸测量后计算得到,钢管纵向弧形试样的横截面积计算参照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》附录E,计算公式如下：

a0——管的壁厚；

b0——纵向弧形试样的平均宽度，b0<(D0-2a0);

D0——管的外径。

在产品的标准当中如果没有特殊的规定,就必须要遵循国家标准要求,对其实际尺寸进行测量。钢管表面锈蚀、试样加工精度都会影响试样的尺寸测量,应多次测量求取平均值。

5 结束语

通过试验发现,钢管因其壁厚较小、规格较多且中空截面,在拉伸试验的过程会出现上述所提到的影响因素,其中试样的加工制备、速率的选择以及试样横截面积的计算是决定试验成败的关键因素,处理不好就会使试样报废试验无效。因此,在拉伸试验的过程中,应正确认识这些因素,尽量避免这些影响因素的产生,并严格按照相关标准来进行试验操作,这样才能够提高拉伸试验的有效性和准确性,降低试验成本。

[1]GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》.

[2]GB/T 3091-2015《低压流体输送用焊接钢管》.