拉伸性能是金屬材料主要性能指標(biāo)之一，其中屈服、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)是金屬材料最具代表性的力學(xué)性能指標(biāo)，也是工程設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)力計(jì)算的重要依據(jù)。

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、壓力容器、核電設(shè)備以及熱力管道等高溫環(huán)境下使用的金屬材料，高溫拉伸性能數(shù)據(jù)是最基礎(chǔ)和必不可少的考核數(shù)據(jù)。

影響金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的因素很多，為了最大限度降低這些因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，我國(guó)于1984年發(fā)布了金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)第1版國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。截至目前，先后共經(jīng)歷了1995年、2006年和2015版三次修訂，最新版標(biāo)準(zhǔn)更名為GB/T 228.2-2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分：高溫試驗(yàn)方法》，代替GB/T 4338-2006《金屬材料 高溫拉伸試驗(yàn)方法》。

盡管現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行了統(tǒng)一，然而要準(zhǔn)確測(cè)量材料高溫拉伸性能，除了要有質(zhì)量可靠的試驗(yàn)機(jī)，還必須正確掌握試驗(yàn)方法，盡可能減少各種不利因素，一旦處理不當(dāng)，就可能引入較大誤差。

本文將從試驗(yàn)前準(zhǔn)備、試驗(yàn)安裝過(guò)程、溫度控制及試驗(yàn)過(guò)程中一些易被忽視的細(xì)節(jié)等方面對(duì)金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了分析和討論，旨在有效減小試驗(yàn)誤差，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。

一、試驗(yàn)前準(zhǔn)備：

金屬材料拉伸試驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)試樣是用樣坯經(jīng)機(jī)加工而成的，這一過(guò)程通常包括車、銑、刨、磨等過(guò)程。每一道機(jī)加工工序中均應(yīng)控制好給進(jìn)速度和冷卻速度，以防止因受熱或冷加工硬化而影響材料性能。

對(duì)于加工好的標(biāo)準(zhǔn)試樣，首先要保證試樣尺寸及粗糙度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，這是保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。然后根據(jù)試樣尺寸，確定并標(biāo)記試樣標(biāo)距。

標(biāo)記標(biāo)距時(shí)，要考慮試樣材料的特性：

如果材料是脆性的，需要用記號(hào)筆涂抹試樣表面，然后輕輕劃出標(biāo)距線，選用的記標(biāo)記筆涂料應(yīng)確保所作的標(biāo)記在高溫試驗(yàn)后仍能清晰可見(jiàn)。

對(duì)于韌性材料，則需要在試樣表面打點(diǎn)做標(biāo)記，這樣能夠保證標(biāo)記在高溫受熱后仍清晰可見(jiàn)。

二、試驗(yàn)安裝：

1 試樣裝卡

在裝卡試樣之前，應(yīng)先檢查設(shè)備和夾具是否處于正常狀態(tài)。試樣裝卡時(shí)最重要的是試樣的對(duì)中性，試樣的對(duì)中性直接影響試驗(yàn)結(jié)果。

如果拉伸試驗(yàn)機(jī)上、下夾頭不能對(duì)中或者左右存在較大間隙，應(yīng)借助設(shè)備的對(duì)中片對(duì)夾頭進(jìn)行調(diào)節(jié)或者采用墊片填充間隙。

對(duì)于圓棒試樣，推薦用螺紋連接方式進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)。

對(duì)于不同厚度板材試樣，在沒(méi)有適合的夾具工裝時(shí)，建議采用墊片對(duì)間隙部分進(jìn)行填充，以提高試樣的對(duì)中性，防止出現(xiàn)偏向加載情況。

一旦出現(xiàn)加載力軸線與試樣中心有較大偏離時(shí)，試樣會(huì)承受一定程度的附加彎曲應(yīng)力。同時(shí)，也可能會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中試樣打滑或非正常斷裂.。

2 熱電偶安裝

對(duì)于高溫拉伸試驗(yàn)，溫度傳感器是溫度監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其控制精度會(huì)直接影響試驗(yàn)結(jié)果。

目前，使用最廣泛的K型熱電偶，即由鎳鉻-鎳硅兩種合金通過(guò)焊接形成閉合回路，利用在高溫環(huán)境下，兩種材料之間存在特定的熱電勢(shì)差來(lái)測(cè)量溫度。

K型熱電偶的使用溫度范圍為-200℃—1300℃。依照標(biāo)準(zhǔn)要求，被測(cè)試試樣表面要求安裝熱電偶，主要是用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣表面的溫度變化。熱電偶測(cè)量端溫度應(yīng)保持恒定，偏差不應(yīng)超過(guò)±0.5℃。

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)試樣標(biāo)距小于50mm時(shí)，應(yīng)在試樣平行長(zhǎng)度的兩端各綁一支熱電偶;

當(dāng)標(biāo)距大于或等于50mm時(shí)，應(yīng)在試樣平行長(zhǎng)度的兩端和中間各綁一支熱電偶。

捆綁兩根熱電偶時(shí)，將試樣平行段分成3等份。

捆綁三根熱電偶時(shí)，先在試樣中間捆綁一根，另外兩根分別捆綁在兩側(cè)。熱電偶測(cè)量端應(yīng)垂直于試樣表面捆綁，并與試樣表面有良好的接觸，應(yīng)避免爐壁熱輻射對(duì)熱電偶的影響。

3 引伸計(jì)安裝

高溫拉伸試驗(yàn)通常使用機(jī)械式陶瓷桿高溫引伸計(jì)。引伸計(jì)應(yīng)安裝在試樣的中間，刀口必須垂直于試樣表面，引伸計(jì)的兩根支桿要平行于試樣且在同一條線上，最后再調(diào)節(jié)引伸計(jì)的標(biāo)距，保證引伸計(jì)的標(biāo)距準(zhǔn)確。

由于引伸計(jì)支桿比較長(zhǎng)，卡持在試樣表面后容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。為了避免打滑，試樣安裝好之后，先給試樣一個(gè)小的預(yù)加載，然后再安裝引伸計(jì)。實(shí)際操作中，由于陶瓷引伸計(jì)本身重量較大，安裝引伸計(jì)時(shí)應(yīng)調(diào)整引伸計(jì)的固定裝置，使得引伸計(jì)上端支桿的夾持力大于下端的，這樣才能使引伸計(jì)達(dá)到受力平衡。

4 高溫爐安裝

大多數(shù)用于金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)的高溫爐是豎式對(duì)開(kāi)結(jié)構(gòu)，為了保證爐內(nèi)垂直方向的爐溫均勻，往往采用三區(qū)域控制，即對(duì)爐體上、中、下電熱絲分別進(jìn)行控溫，這樣可以在爐膛內(nèi)獲得更長(zhǎng)的均熱帶。

所謂均熱帶，是指爐溫達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定溫度并穩(wěn)定后，在爐膛內(nèi)某一特定區(qū)域溫度波動(dòng)不超過(guò)規(guī)定范圍，即均熱帶是溫度較為穩(wěn)定的區(qū)域。然而，由于存在“熱煙氣向上”效應(yīng)，均熱帶并不在爐體幾何中心區(qū)域，而是爐體上端較下端更熱，即均熱帶處于爐體中心偏上一點(diǎn)的區(qū)域。因此，在試驗(yàn)之前有必要對(duì)使用的高溫爐進(jìn)行均熱帶的測(cè)量，以確定均熱帶的具體區(qū)域，并做好位置標(biāo)記。一旦確定了均熱帶區(qū)域，就可以調(diào)節(jié)試樣上下位置，確保試樣的工作段處于高溫爐的均熱帶區(qū)域中。

三、溫度控制：

高溫爐升溫過(guò)程通常具有熱慣性，其溫度控制有一定的滯后性，其原因是電熱絲等加熱元件的溫度變化速度要遠(yuǎn)落后于熱電偶測(cè)溫的速度，致使高溫爐的實(shí)際溫度總是滯后于設(shè)定溫度，通常會(huì)有幾度到十幾度的偏差。

為了更好地克服這一問(wèn)題，推薦使用比例-積分-微分(PID)溫度控制方法。同時(shí)，隨著控溫技術(shù)的發(fā)展，新的控制方法如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及模糊PID控制等都為高溫爐的精確控溫帶來(lái)了可能。

值得注意的是，由于爐體上、中、下三個(gè)區(qū)域散熱速率不同，要想實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需溫度的精確控制，該三個(gè)區(qū)域的加熱功率需要不同的設(shè)置。一般來(lái)說(shuō)，上區(qū)域和下區(qū)域所需的加熱功率要比中間區(qū)域的稍大一些，原因是高溫爐上、下兩端與冷空氣之間的熱交換要大于中間區(qū)域的。

四、拉伸過(guò)程

試樣加載過(guò)程中溫度是最難控制的環(huán)節(jié)。試樣從受力開(kāi)始直至屈服，由于處于彈性變形階段，試樣本身基本不發(fā)熱，在這個(gè)階段溫度容易控制。

然而從屈服變形階段開(kāi)始，試樣發(fā)生塑性變形，造成試樣本身產(chǎn)生熱量，該現(xiàn)象可能導(dǎo)致試樣溫度上升幾十?dāng)z氏度(例如奧氏體不銹鋼)，試樣本身溫度的升高，導(dǎo)致試驗(yàn)溫度難以控制甚至超出規(guī)定的試驗(yàn)溫度。

因此，在拉伸初始加載階段，需要將試驗(yàn)溫度控制在規(guī)定溫度范圍的負(fù)偏差，以防止后期溫度高出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定;同時(shí)，在加載過(guò)程中要時(shí)刻注意溫度變化情況，及時(shí)對(duì)加熱控制器進(jìn)行必要的人工調(diào)節(jié)。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，在金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，除了要注意室溫拉伸試驗(yàn)的影響因素，也應(yīng)正確認(rèn)識(shí)高溫拉伸試驗(yàn)的特殊操作細(xì)節(jié)。在日常檢驗(yàn)工作中，應(yīng)善于積累和總結(jié)長(zhǎng)期試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和規(guī)律，不斷提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為科學(xué)研究和企業(yè)生產(chǎn)提供可靠有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。