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1、 1高温环境下材料实验高温环境下材料实验 低碳钢中温条件下的拉伸实验 尹君 吉磊 北京工业大学 建工学院 000412 指导教师：王慕 摘要 高低温条件下的应变测量，在许多科技及工业部门有着日益广泛的应用和重要意义。特别是航空、航天、核工程、化工和动力工程中很多机械、设备处于高温或低温下工作，除了解决材料本身的高低温强度问题外，还迫切需要进行模型或材料在热（冷）态工况下的应力应变测量，特别是在高温环境中，测量条件较恶劣，因此与常温条件下电阻应变测量比较，有一定的难度。本文研究了低碳钢 Q235 在中温 400条件下的拉伸特性。并与常温下低碳钢拉伸特性进行了比较。关键词：高温；低碳钢；应力应变
2、1、引言 众所周知，应变电测技术应用十分广泛，美国波音 767 等飞机静力结构实验，秦山核电厂安全壳结构整体试验1，均采用电阻应变片测量技术。在工程中有一些特殊条件下的应力应变测量，如高、低温；高低压等。如上海闵行电厂某机组再热蒸汽管道蝶式加强焊制三通，受高温（550C）及管道热膨胀引起综合应力1，为了解热工况下实际应力分布，必须进行高温测量。在高温环境下，非接触式测量技术，如全息干涉法、云纹法等尚处于研究阶段2。因此对特殊条件下的应变测量有一些特殊的要求，包括应变片、温度补偿、导线及温度监测等3。我们利用德国申克电子万能拉伸实验机、高温炉及温度控制器，对低碳钢进行了中温下的拉伸实验，将其结果
3、与常温下进行对比。2、实验系统 实验系统主要由电子万能试验机、数据采集单元、低碳钢试件、加热装置组成。实验机采用德国申克公司生产的 RM250 型（25 吨）电子万能试验机，该设备从设计、工艺到装配都具有严格的操作程序，属于高档试验机。2000 年对该试验机的电气部分实行了改造，实现了数据自动采集和处理功能，同时配备了高温炉，具有 800C 以下进行各种材料的高温拉伸实验能力，并为进行高温实验加装了不影响实验结果的合金钢固定构件（见图 1）。试件为 Q235 号低碳钢拉伸试件，平均直径 5.05mm，有效标距 60mm，两端采用螺纹结构与试验机连接。加热装置由电热炉和温度控制器组成，见图 2。
4、电热炉由电阻丝均匀加热，中间有隔热材料，外层是金属材料。电子温控装置不仅与电热炉连接还与热电传感器（热电偶）相连。本实验采用热电偶单点测量，测取不同的三点温度。控温器由电偶极获得温度信号与所需温度作对比，若低于所需温度，控温器则向电热炉发出信号，控制电阻丝中电流的大小给试件加热。2 控制柜 3、实验过程和实验结果 首先测取试件的直径和标距，将其装于试验机上。由于本实验是在一定的温度条件下，为减少试验机的固定装置在非常温下对实验结果的影响，夹头采用特种钢。所以在连接时是用螺纹传递拉力，安装试件不同于常温。先将试件安装在拉力机下端，将试件拧进钢中一个试件螺纹端长度，然后将拉力机上端放下至接近试件处
5、，松开上面的固定端将试件另一端旋进上端。之后，将试件放置电热炉中，调整电热炉的位置使试件处于炉中间能充分的加热，再调整三个热电偶极的位置使其尖端接近试件的表面。以保证所测温度的准确性。由于实验在 400C 中温条件下进行，故需对铸铁构件接上水冷凝的胶管防止铸铁的变形。接通电源并打开水冷凝开关，对试件进行加热。在加热过程中，将温度控制器温度设在400，试验机的控制微机上将拉力设置为最小，让电热炉开始加热。由温度控制器可以看到起始温度增加很快，当温度接近 400时其温度上升缓慢，加热 30 分钟后温度基本上达到 400左右，通过三个热电偶可以监测到炉内的温度，此时三个热电偶测出来的温度并不相等，温
6、度控制器对电炉中的温度自动进行调整。为了使实验的温度条件更稳定，我们又对试件进行了 10 分钟的保温。在整个加热过程及保温过程中，由于材料的热膨胀，为了让试件尽可能不产生初应力，我们通过微机人工控制实验机随时的调整固定台高度，让试件的应力保持在 0 值左右。将应力应变调为零。开始试件拉伸，将试验机拉伸时位移固定（0.2,0.05,0.01），并打开“位移延续变形”项，记录应力应变曲线，至试件最后断裂。实验完成后，因为试件、电炉都处于非常温状态，为了保护电炉的电阻丝及延长实验装置的使用寿命，并不能当时打开电炉测量试件的颈缩和伸长，需要在温度降低到接近室温时才能打开，并对时间进行测量。图 3 是
7、400C 时低碳钢的实验曲线。实验过程中，由于试件经加热膨胀和机械中存在一些间隙，所以在拉伸曲线上的第一部分，只有变形位移的增加，而没有应力的增加。水冷凝进水 出水 热电偶图 1 实验系统示意图 图 2 加热炉 3 从图 3 可看出以下特点：（1）试件进入弹性变形阶段，曲线基本成直线变化，比例极限接近 500MPa，变形较小；（2）拉伸曲线中的屈服和强化阶段并不明显，特别是在中温 400时曲线上已经没有明显的屈服阶段的水平锯齿状态，而且强化阶段也只是很快的达到曲线的最高点；（3）曲线的局部变形阶段，曲线在第四阶段开始较平滑，应力随变形逐渐变小，随后在变形的均匀增加下迅速减小直至试件断裂。常温下
8、的低碳钢一般曲线如图 4，与图 3 比较发现：400时的曲线与一般温度曲线比较，在弹性阶段，常温下的曲线的直线段比 400时的要陡即斜率要大，也就是说常温下试件比 400时的弹性模量要大，但 400时曲线的弹性阶段和伸长量比常温时长，比例极限要大，400时的非比例极限伸长率为 0.2、0.05、0.01时，P0.2=489.2MPa,P 0.05=469.1MPa,P 0.01=456.8MPa。在屈服和强化阶段，400时的曲线无明显屈服水平锯齿曲线出现，且只有很少的一段强化阶段就达到强度极限了，而在常温这是一段很长的变化曲线。在颈缩局部变形阶段，400时的变化曲线开始较缓和，逐渐的应力慢慢减
9、小到最后时曲线略有些变陡。常温颈缩时应力则迅速下降。总的来说，从 400时曲线可以得到 E=112GPa弹性模量比常温下的要小，强度极限b=526.6MPa，断面收缩率=59.85,延伸率=14.29。值得注意的几个问题是，实验中的试件标距并非是国标的标距与直径之比 L/d=10 或L/d=5，这使得在比较 400曲线与常温的时会有一些误差。实验所得的结果中，材料的性质与书中 Q235 钢的描述有区别，400时的强度极限和延伸率与常温的关系更接近优质碳素钢。4、结束语 通过试验可得到如下结论：1.低碳钢在短时（几分钟内被拉断）高于室温的静载荷作用下，s 和 E 将随温度的升高而降低。2.在 2
10、50300之前，随温度升高和降低而b增高，即材料变“脆”，呈“蓝脆”现象。在 250300之后，随着温度的升高，、值增高，而b却降低。3.400时 E、s、b比常温时要小，较常温时要大，则略大于常温时的。本次材料力学综合实验，我们所做的是高（中）温测拉伸实验。通过这次实验不仅对我们所学的有关材料力学的知识作了有益补充，还提高了我们的动手能力。由于此次实验使用了实验室内较先进的仪器设备。因此，在实验室老师的指导下，顺利完成了实验中对各项数值的测量，绘制出了低碳钢在 400高温下的拉伸曲线图。根据书上图 3 400时低碳钢拉伸实验 图 4 常温下低碳钢拉伸曲线 4所学的知识，我们可知低碳钢在 30
11、0左右情况下有一条特殊变化曲线，但由于种种原因，很遗憾没能进行这项实验。综上所述，我们在本次实验中，运用了大量上学期所学到的知识，开拓了我们在材料力学领域的思维空间，但我们在创新方面还做的很不够。就本次来说，我们进行十分顺利，让我们收益非浅。参 考 文 献 1 张如一等，应变电测与传感器，清华大学出版社，1999.P121-131 2 冯仁贤等，应变电测与传感技术，中国计量出版社，1993.P73-82 3 郑秀媛等，应力应变电测技术，国防工业出版社，1985.P159-161 教 师 评 语 本组实验研究题目有新意，通过了解设备，试验方热电偶技术等，初步掌握了非常温试验技术；在实验技术、结果
12、分析研究方面有独特见解。所得到结论具有一定的实际意义。通过这一训练改组同学在科学研究和试验动手能力上得到一定提高，初步掌握了科学论文的写作方法和要求。学 生 体 会 本次材料力学综合试验，我们做的是高（中）问拉伸试验。通过这次试验不仅对我们所学的材料力学知识是一个有益的补充，还提高了我们的动手能力。此次试验使用了试验室内先进的大型试验机。试验之前，我们在图书馆进行了大量查阅文献工作，初步了解了有关实验技术的原理和相关知识，特别对热电偶的工作原理特别感兴趣。有了一定了解后，再进实验室，经老师讲解，试验就顺利多了。我们完成了低碳钢 400度下的拉伸曲线和各项数据的采集。在材力课上我们已经掌握了材料常温的特性，通过认真细致的分析，得到材料在特定温度下的性能特征。总之，我们在实验中，运用大量上学期知识，开拓了材料力学领域的思维空间，我们深知，在创新方面还很不够。我们所用的设备虽先进，但加热时间长，物体受热不均匀。原打算在加热和测温方面作些创新，主要是关于对被测物体直接通电加温，这样可以提高工作效率，时时间受热更均匀。由于时间和条件限制，未得以实现。不过，就试验而言，我们收获很大，受益匪浅。