分享：钢索钢丝绳断后伸长率测试新方法

摘 要:通过对钢索的产品技术要求、钢索组成结构、试样夹持方式、试验参数等方面进行分析, 提出了一种钢索钢丝绳断后伸长率测试的新方法。试验结果表明:采用新试验工艺、专用工装及大 量程引伸计进行断后伸长率测试,不仅能够锁紧试样,而且又不损伤试样,拉伸过程符合 GB/T 228.1—2010的要求。该方法填补了实验室的检测空白,获得了可靠的试验数据,满足了产品使用 部门的测试需求。

关键词:钢索钢丝绳;拉伸试验;工装夹具;断后伸长率;比对试验 

中图分类号:TG115.5+2                                           文献标志码:A                                       文章编号:1001-4012(2022)09-0023-04

依据 GB/T228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》的要求及钢索结构的特殊 性,在测试钢索的拉伸性能时,应在测试其破断拉力 的拉伸过程中,实时动态地测试钢索的断后伸长率, 并配置专用试验机、专用工装和检测软件进行测试。 实验室现有试验条件可以开展破断拉力测试,但不 具备实时动态断后伸长率的测试能力,因此一直未 开展该项测试。为满足生产部门的测试需求,笔者 研究了带接头钢索钢丝绳断后伸长率测试的新方 法,利用实验室现有设备和测试条件实现了钢索断 后伸长率的测试,获得了准确可靠的钢索力学性能 数据。 

1 试验材料及设备 

1.1 试验材料

采用入厂复验0Cr18Ni9钢带接头的钢索钢丝 绳,将钢索外部的铠装铜丝脱去,取轴心部分进行试 验,钢索钢丝绳的力学性能应符合企业要求,其破断 拉力应大于9000N,断后伸长率应小于1.0%,钢 索结构及轴心横截面如图1所示。

1.2 试验设备

试验选用能够自动采集测试数据的电子拉力试验 机,其负荷精度为±0.5%,应变测试精度为±0.5%,采 集间隔为0.5ms,设备能够自动绘制试验曲线和记录 试验数据,其夹具能使试样正确地承受负荷,并保证其 同心度满足 GB/T228.1—2010的要求,且试样上产生 的最大弯曲应变不超过轴向应变的15%,引伸计选用 大量程全自动测试,量程为1000mm。

2 新测试方法

依据 GB/T228.1—2010,利用设备自带软件提 前编写试验程序,使试验机按要求进行加载、保载、 卸载等一系列连续动作,以实现自动控制,也可以切 换到手动控制完成断后伸长率的测试。完成断后伸 长率测试之后,继续不间断地以恒定的试验速率持 续加载,直到试样断裂,以得到试样的破断拉力。

2.1 专用工装

钢索由外面的铠装不锈钢丝和铜丝包裹,里面 由多股细丝组成,因此试验时无法采用螺纹连接方 式对其进行装夹。采用液压式楔形夹持方式进行拉 伸试验的结果显示:当液压压力过大时,试样端部易 被夹扁而产生应力集中,并且夹持端单股细丝出现 了连续的过早断裂,使试样不断振动,无法实施断后 伸长率测试;当液压压力过小时,试样因夹持不牢而 出现打滑或拉脱,无法判断试样的断裂位置。采用 小载荷平板夹持方式,则无法夹紧试样,因此现有的 试验装夹方式均不适合钢索断后伸长率的测试,必 须研制出专用工装,才能做到既将试样夹持牢固,又 不损伤试样,从而保证试验有效。 

根据钢索结构特点设计出两种工装,第一种工 装采用圆盘缠绕+凸轮锁紧方式,其连接拉伸过程 如图2所示。由图2可知,这种工装夹持牢固,不易 出现打滑现象,为避免夹持时因应力集中而使试样 在非平行段位置断裂,故将其设计成上、下夹具经圆 盘缠绕和凸轮锁紧,但夹持部分需要一定的长度,因 此该工装夹具仅适合长试样的拉伸试验,无法完成 长度在1000mm 以下短试样的断后伸长率测试。 

第二种工装采用组合式的锁紧方式,即将工装 设计成带2块有 V 型槽口的组合夹块,采用螺栓和 螺帽连接的方式使试样夹持部分均匀受力并牢固锁 紧(见图3)。采用该工装夹具进行试验时,试样不 易出现打滑,避免了应力集中,试样在有效位置断 裂,因其平行段之外的夹持部分相对较短,故该工装夹具适合不同长度试样的测试。此外,该工装夹具 还具备加工简单、方便操作的优点,因此,此次试验 采用第二种工装夹具。

2.2 应变速率 

试验时的应变速率对拉伸试验结果有一定的影 响,即抗拉强度随着应变速率的增大而减小,静态断 后伸长率随着应变速率的增大而增大。因为之前没 有开展过钢索动态断后伸长率的测试,所以有必要 分析应变速率对试样破断拉力和动态断后伸长率的 影响,才能制定合理的试验应变速率。依据 GB/T228.1—2010,塑性范围内试样平行长度的应变速率 不应超过0.008s -1。不同应变速率下断后伸长率 和破断拉力的测试结果如图4,5所示。

从图4可以看出:选用不同的应变速率对试样 断后伸长率测试结果影响不大,断后伸长率平均值 基本在0.9047%上下波动,且随着应变速率增大略 有降低,当应变速率不小于0.008s -1 时,试样的断 后伸长率趋于平稳,采用0.010s -1 应变速率时,试 样出现过一次打滑现象,重新夹持后完成试验。 

从图5可以看出:随着应变速率的增大,试样的 破 断 拉 力 呈 逐 步 下 降 趋 势,当 应 变 速 率 为 0.006s -1 时,曲线趋于平稳,表明应变速率增加到一 定值时,对试验结果影响作用不大[1] ;应变速率过慢 会使测试效率变低,应变速率过快试样会出现打滑现 象,即应变速率过慢或过快都会影响测试的一次成功 率,因此比较合理的试验应变速率为0.006s -1。

2.3 标距标记方法

钢索试样在拉伸时没有明显的集中变形,而是 整体均匀伸长,因此必须保证足够长的标距,才能真 实反映出试样的塑性指标。试样的总长度应不小于 460mm,除去钢索两端夹持所需的余量外,应保持 试样 平 行 段 长 度 不 小 于 200 mm,以 便 于 安 装 引 伸计。 

钢索由多股细丝组成,横截面呈不规则的几何 形状,因此常规试样标距的标记方法不适用,应探索 其他方法进行标记。采用大量程引伸计法可直接将 引伸计的标距作为试样标距,无需在试样上进行原 始标距的标定。因钢索表面存在油渍,在试样延伸 过程中,引伸计夹持端不易夹紧,在引伸计跟踪钢索 的变形位移过程中,试样会间断出现打滑现象,故可 以用丙酮或酒精擦洗试样被夹持的部分来避免试样打滑。 因 此,试 样 平 行 段 内 的 标 距 长 度 选 定 为 100mm,与生产厂家的要求相一致。 

3 结果验证 

3.1 结果可靠性分析

采用新测试方法在不同型号的试验机 A,B 上 分别对试样进行拉伸试验,试验速率在屈服前均为 0.1mm/min,屈服后均为2 mm/min,测试结果如 表1所示。由表1可知,采用新测试方法在不同型 号试验机上获得的试样抗拉强度、屈服强度和断后 伸长率结果的平均值和标准方差均一致,表明新测 试方法得到的数据可靠。 

3.2 结果有效性分析

选用3个钢索试样进行断后伸长率测试,随后 以恒定速率持续加载试样,直至试样被拉断,从而得 出试样的破断拉力测试结果,结果显示:3个试样的 断后伸长率均小于1.0%,破断拉力均满足最小破 断拉力,属于有效试验,试验结果合格。拉断后试样 的宏观形貌如图6所示。 

3.3 结果准确性分析

为考察一次试验成功率及试验结果的准确性, 将试验数据与厂家数据进行对比。取20个同炉批 次入厂的复验余料进行断后伸长率测试,试验数据 与厂家数据的对比结果如图7所示。从图7可知: 试验的一次成功率可达100%,试验数据与厂家数 据曲线的变化趋势一致,大部分数据相等(曲线上的 点重合);其中,厂家数据的标准方差为6.266,试验 数据的标准方差为5.989。采用 F检验法检验试验 数据和厂 家 数 据 的 标 准 方 差 是 否 相 同,取 显 著 度 α=5%时,两组数据的自由度均为19,其中 Fα (接受区间的上限为)1.81,F(厂家数据方差与试验数据方差的比值)为1.05,由于F<Fα,表明两组数据标准方差无显著差异,即两组数据结果具有一致性。说明新测试方法得到的试验数据能够真实地反映出钢索的力学性能指标。

4 综合分析 

由上述分析结果可知,试验过程使用的工装夹 具、应变速率和标距方法是影响测试结果的关键因 素。采用新测试方法在不同型号试验机上得到的试 样力学性能测试结果一致,说明新测试方法采用的 工装夹具、应变速率与标距方法符合要求。试验数据与厂家数据的对比结果显示,两组数据的平均值 和标准方差均一致,说明二者测试水平相当,试验结 果互为认证。此外,依据JJF1059—1999 《测量不 确定度评定与表示》,对试验数据进行不确定度评 估,发现试验数据(除个别异常数据)均落在置信度 区间95%内,说明试验结果精确可靠。

5 结语及建议 

采用钢索钢丝绳断后伸长率的新测试方法,一 次试验成功率达到90%以上,数据稳定可靠,填补 了检测空白,达到攻关目标。此方法不仅获得了更 加全面的力学性能指标,而且为设计和使用部门提 供了试验支持。该方法可直接应用于产品的日常科 研生产性能测试中。

建议开展标距为200mm 和300mm 的断后伸 长率测试,以适应各种尺寸钢索钢丝绳的性能测试。

参考文献: 

[1] 《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册 第2卷 变形高温合金 铸造高温合金[M].北京:中国 标准出版社,1989. 

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 9期 (pp:23-26)>