关于普通夹钳做圆管弧形试样造成屈服强度偏差的问题分析

关于普通夹钳做圆管弧形试样造成屈服强度偏差的问题分析

邓立山

江苏隐石检验检测有限公司，江苏南京 211899

摘要：在力学性能检测中，有一类拉伸试样是从钢管上切取的纵向圆管弧形试样，钢管生产企业的实验室会经常采用这类试样，第三方检测机构也经常会遇到这类试样的检测，本文针对普通夹钳的拉伸机做这类试样读屈服强度不准确的问题进行了分析，并提出两种解决方法，有效地保证了这类试样读屈服强度的准确性。

关键词：圆管弧形试样；拉伸；屈服强度

无缝钢管在国民生产建设中的使用是非常多的，广泛运用于锅炉压力容器、桥梁建设、汽车制造、船舶制造、石油化工、核电、军工、航空航天等各个行业。不管哪个行业，在使用无缝钢管前都要进行水压、无损、常规理化等各项性能的检测，确保钢管的各项性能都符合使用要求，其中常规理化检测中的拉伸检测是非常重要的，是判断钢管性能是否符合使用要求的主要指标，因为不管采用哪种生产工艺还是热处理方式，都是为了获得产品标准要求的力学性能。对于小口径的薄壁无缝钢管做拉伸，因为壁厚比较薄，无法加工标准圆棒试样，所以只能加工纵向的圆管弧形试样。

1日常检测中发现问题

在钢管生产企业的实验室和第三方检测机构做力学性能检测的人员应该会经常测试从无缝钢管上加工的纵向圆管弧形试样，国标室温拉伸测试标准GB/T 228.1-2010附录中明确规定了根据外径大小加工的不同宽度的纵向圆管弧形试样（见表E.1）。前段时间笔者在做室温拉伸的一个项目时遇到一个问题，这个项目中有一个规格30×5材质牌号为Q345D的无缝钢管，因为外径是30mm，所以按照表E.1加工成宽度为10mm的纵向圆管弧形试样。总共7根试样做下来，屈服强度都在300-320MPa之间，不合格，GB 6479-2013无缝钢管产品标准中规定Q345D的屈服强度不小于345MPa。后来客户对结果有异议，要求做整管拉伸，结果做下来，7根试样有6根屈服强度都在350-380MPa之间，只有一根屈服强度340MPa，离合格345MPa也仅仅低了5MPa而已。同一台拉伸机，两种不同的试样类型做出的屈服强度相差50MPa确实偏差太大了，笔者在之前专业生产无缝钢管的公司也做过这样的对比实验，像Q345D这种屈服强度400MPa左右的碳钢整管试样与纵向弧形试样做下来的屈服强度相比偏差10-20MPa左右，根本不会达到50MPa这么大的偏差，所以做整管拉伸更能准确测出钢管真实的拉伸性能，纵向圆管弧形试样测出的屈服强度和抗拉强度是偏小的。美标ASTM A370-20和ASTM E8/E8M-21中是这样规定的：只要拉伸试验机能力允许，整管拉伸是标准做法，除非试验机能力不够，才会加工纵向圆管弧形试样，但是国内大部分拉伸试验机的夹具能力范围上限普遍都是30mm，所以美标的管材外径超过30mm基本也是加工纵向圆管弧形试样。

2造成屈服强度出现偏差的问题分析

钢管Q345D两种不同类型的试样做出的屈服强度偏差为什么会这么大，具体分析原因，就是由于手动加载夹钳造成的问题。因为这个夹钳是手动加载，所以夹钳的夹紧力很有限，如果直接用30吨试验机的手动夹钳夹持小口径圆管弧形试样就会造成打滑，所以小口径钢管加工的弧形试样都要先到60吨试验机上做压扁把试样两头夹持部分压平然后再到30吨的试验机上做拉伸试验，这样的操作看似没有问题，实际上问题就出在这里，在把弧形试样两头夹持部分压扁的过程中会造成试样中间平行长度部分变形弯曲，钢管的外径越小，弧度越大，中间的平行长度部分就会变形的越厉害，变得更弯，用试验机拉这种平行长度不竖直的试样就会造成屈服强度读的不准确，标距50mm的引伸计读取Rp0.2和Rt0.5的变形量只有0.1mm和0.25mm，读取这么小的变形量的引伸计装在不竖直的平行长度试样上读屈服强度不准确就很好解释了。下面笔者举2个例子来具体分析。

2.1无缝钢管规格60.3*11.74

这个力值-变形曲线是不正常的，弹性变形的起点都在图形之外，所以读的屈服强度Rp0.2和Rt0.5是不准确的。具体原因分析就是因为压平夹持部分的时候造成平行长度部分不竖直，继而造成引伸计先往负值走然后再往正值走，形成这样不正常的曲线。

2.2无缝钢管规格41.8*1.4

因为这个钢管的壁厚比较薄，手动加载的夹钳多用点力可以夹紧，所以笔者做了对比试验，下面2个图形，第一个是直接做试验，第二个是夹持部分先压平然后做试验。

（1）

（2）

对比2个图，第一个图完全正常，Rp0.2为引伸计变形量达到0.1mm与弹性变形起点和终点线平行，与力值相交的点，Rt0.5为引伸计变形量达到0.25mm竖直向上与力值相交的点，所以屈服强度Rp0.2和Rt0.5读得很准确。而第二个图不正常，斜度太大，屈服强度Rp0.2和Rt0.5读得不准确。

实际拉伸机读出来的数据表明第二个图的屈服强度确实不准确，尤其是Rt0.5，只有501MPa，而第一个图读得568MPa，差了67MPa。

3屈服强度出现偏差的解决方法

针对这个问题，笔者经过大量实践和仔细分析，提出两种解决方法。

3.1部分改善

在条件不允许，无法更换拉伸机的现实情况下采用这种方法。在做小口径圆管弧形试样的时候，能直接用手动加载夹钳夹紧的就直接做，如果壁厚大，弧度大，那只能先压平试样两端夹持端，然后观察中间平行段是否竖直，如果太弯，就用榔头敲击过渡弧位置使其校直，注意不能敲到平行长度部分。国标的拉伸测试标准GB/T 228.1-2010里面规定，只允许压平试样夹持端，但是试样的平行长度部分是不允许任何操作的。在压平夹持端的过程中，有2个非常重要的注意点：1）当力值开始直线上升时，说明夹持端基本已经压平了，就要立即停机，如果继续压，只会导致平行长度部分弯曲度增加，绝对不可取！2）要用一块大一点的、硬度高的钢铁平板做底板，将弧形试样全部放在底板上，然后只压平夹持端，平行长度部分因为放在大的底板上有抵消力，所以可以使平行长度部分的弯曲度降到最低，如果只是用机器自带的圆形小压板做底板，压平夹持端，让平行长度部分悬空，那就会使平行长度部分的弯曲度大幅增加，绝对不可取！（如下图，图一是正确做法，图二是错误做法）但是这样做只能最大程度保证平行长度部分的竖直度，尽量使做出来的屈服强度更接近准确值，但是达不到完全准确，因为压平夹持端或者用榔头敲击过渡弧使试样平行长度部分校直的过程已经在一定程度上影响了材料的性能。

图一 正确做法             图二 错误做法

3.2完美解决

如果条件允许，直接更换一台液压夹钳（夹紧力可调）的电子拉伸试验机就能完美解决这个问题。电动液压的夹钳可以直接一次性夹紧这种小口径圆管弧形试样，不用先压平夹持端，因为上下夹钳的夹紧力可以调节夹扁夹持端，而且完全一致，所以能最大程度保证弧形试样的平行长度部分竖直，这样读出的屈服强度更准确，这种电动液压的夹钳可以根据试样的强度大小、厚度大小、弧度大小来调整夹紧力的大小。如果遇到强度比较大或者夹持端比较短的试样都可以通过调大夹紧力来保证不打滑，之前遇到过一个测试，国标直径10mm的标准圆棒试样，抗拉强度达到1800MPa，手动加载的夹钳老是打滑，如果是电动液压的夹钳夹紧力调到最大，应该就不会出现打滑了。电动液压的夹钳系统操作非常方便，还能大幅度提高工作效率。

下图为某品牌的液压夹钳和夹紧力控制柜：

4本章小结

本文针对普通夹钳的拉伸机做小口径圆管弧形试样读屈服强度不准确的问题进行了分析论证并给出了解决方法，对于在钢管生产企业或者第三方检测机构从事力学性能检测的人员有一定的帮助指导作用，使这类拉伸试样的屈服强度测的更加准确。另外值得注意的一点是国标GB/T 228.1-2010中对于纵向圆管弧形试样夹持端的宽度和长度是没有规定的，这点可以参考美标ASTM E8/E8M-21中的纵向圆管弧形试样的要求，夹持端的长度均为75mm，夹持端的宽度根据平行长度部分的宽度来适当增加确定：平行宽度10mm和15mm，夹持端宽度可以确定为15mm和20mm；平行宽度20mm、25mm和38mm，可以直接借鉴ASTM E8/E8M-21中的要求，夹持端宽度分别为25mm、40mm和50mm。

参考文献：

[1]高怡斐,梁新帮,董莉等.GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法[S].北京:中国标准出版社,2010.

[2]郭秀莉,朴志民,李奇等.GB 6479-2013高压化肥设备用无缝钢管[S].北京:中国标准出版社,2013.

[3]ASTM A370-20 钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义[S].美国:ASTM标准委员会,2020.

[4]ASTM E8/E8M-21 金属材料拉伸标准测试方法[S].美国:ASTM标准委员会,2021.