δ0.05mm薄钢带力学性能测试方法研究

徐秋发 李东东 杨庆功 李阿妮 刘宗杰 展晓艳

(中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

1 引 言

δ0.05mm 1Cr18Ni9Ti不锈钢带为航天多个型号用关键原材料，依据GB/T 4239-1991技术条件要求[1]，不进行力学性能测试，标准中也无此规格对应的力学性能指标与检测方法，但在航天领域中，使用该规格材料时一直按标准中最小规格δ0.3mm对应的数据进行合格与否的判定。由于0.05mm厚的 1Cr18Ni9Ti在进行力学性能测试时，难度大，影响因素多而且还不明确，测试结果往往并不是材料本身性能的真实反映。目前，已有多批δ0.05mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢带的力学性能测试结果达不到标准的要求，致使无法继续生产使用，已严重影响了各型号的科研生产任务的顺利进行。

众所周知，影响金属材料力学性能测试结果有很多因素，如拉伸速率、试样形状、表面加工状态等[2～9]。有文献研究表明[2]，不同材料对拉伸速度的敏感程度不同，拉伸速率对不同的材料的影响大小不一样。对于试样形状的研究结果，不同材料也有不同结果[3～5]。在GB/T 4239-1991技术条件中[1]，对试样形状也没有唯一规定，试样形状可选择带头(哑铃型)和不带头(直条型)的试样。因此，本文研究了拉伸速率、试样形状和表面状态对0.05mm厚的 1Cr18Ni9Ti不锈钢带力学性能测试的影响，并且制定出合理的检测方法，以提高产品一次检验合格率。

2 试验方案

随机选取一批次1Cr18Ni9Ti不锈钢带为试验材料，钢带厚度为0.05mm，宽度为200mm。沿钢带轧制方向并排取样，试样形状按GB/T 4239-1991要求加工成直条型和哑铃型两种形式，试样实物如图1所示。

图1 哑铃型和直条型拉伸试样Fig.1 Dumbbell-shaped samples and straight strip samples

在室温条件下，用GMT 6203微机控制电子万能试验机进行力学性能测试，分别采用4种不同的拉伸速率进行拉伸试验，4种不同拉伸速率分别为0.5mm/min、3mm/min、5mm/min、20mm/min，测量不同拉伸速率下钢带的抗拉强度(σb)和屈服强度(σ0.2)和断后延伸率(δ5)。拉伸试验方法、数据处理及试验结果的判定依据GB/T 228.1-2010进行[10]。

为了研究试样表面状态对力学性能测试结果的影响，本文还选取了表面有压痕的钢带试样进行了拉伸试验。

3 试验结果

3.1 拉伸速率对直条型试样力学性能测试结果的影响

表1是直条型试样在4种不同拉伸速率下进行拉伸试验的结果。从表1中可以看出，直条型试样在不同拉伸速率下的抗拉强度(σb)和屈服强度(σ0.2)均达到标准要求，但是延伸率(δ5)有一半达不到标准要求。延伸率达不到标准的原因是直条型试样拉断部位在夹头处，而不是在有效标距内，属于不合格数据。

表1 在不同拉伸速率下直条型试样力学性能测试结果Tab.1 Results of mechanical properties of straight strip samples at different tensile rates

3.2 拉伸速率对哑铃型试样力学性能测试结果的影响

表2是哑铃型试样在4种不同拉伸速率下进行拉伸试验的结果。从表2中可以看出，哑铃型试样在不同拉伸速率下的抗拉强度、屈服强度和延伸率均达到标准要求，并且断裂位置也都在有效标距内，属于合格数据。

抗拉强度、屈服强度和延伸率与拉伸速率之间的变化关系如图2、图3和图4所示。从图2～4中可以看出，在不同拉伸速率下，不同编号的哑铃型试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率差别不大，均在误差范围内。可见，拉伸速率的大小对哑铃型试样力学性能测试结果影响很小。

图2 拉伸速率对抗拉强度的影响Fig.2 Influence of tensile rate on tensile strength

图3 拉伸速率对屈服强度的影响Fig.3 Influence of tensile rate on yield strength

图4 拉伸速率对延伸率的影响Fig.4 Influence of the tensile rate on the elongation

3.3 拉伸试样类型对力学性能测试结果的影响

对比表1和表2可知，直条型试样在不同拉伸速率下几乎都有一半的试样断裂位置在夹头内，属于无效测试结果，而哑铃型试样在不同拉伸速率下的试样均在有效标距内断裂，属于有效测试结果。可见，拉伸试样的类型对厚度为0.05mm的薄钢带力学性能测试结果具有很大的影响，使用哑铃型拉伸试样可以提高薄钢带的一次检验合格率。

3.4 表面加工状态对力学性能测试结果的影响

在GB/T 4239-1991中对于试样表面状态的规定是允许钢带试样表面有划痕、压痕等缺陷[1]。图5和图6分别是正常钢带试样和表面有压痕钢带试样的SEM图片，表面有压痕哑铃型钢带试样的拉伸试验结果如表3所示。从表3中可以看出，表面有压痕钢带试样拉伸断裂后的部位均在有效标距内，所以测出来的数据都是有效数据，抗拉强度和屈服强度符合标准要求，但是延伸率都比标准值小，不符合要求。可见，试样表面质量对测试结果影响很大。

表3 在不同拉伸速率下表面有压痕哑铃型 钢带试样力学性能测试结果Tab.3 Results of mechanical properties of dumbbell-shaped samples with indentation on the surface at different tensile rates

图5 正常钢带试样Fig.5 Normal steel strip sample

图6 表面有压痕的钢带试样Fig.6 Steel strip with indentation on the surface

4 结束语

本文从以上数据分析中可以得出以下结论：

(1)拉伸速率对厚度为0.05mm薄钢带的力学性能测试结果影响并不大；

(2)直条型试样在拉伸过程中，约有一半的试样断裂在夹头位置，为无效测试结果；哑铃型试样均断裂在标距内，属于有效测试结果；

(3)薄钢带的表面质量对拉伸试验结果影响很大；

(4)建议对厚度为0.05mm薄钢带的力学性能测试时采用表面没有缺陷的哑铃型试样，能提高检验一次合格率。