高骥天，李清松，杨功显，张邦强

（东方汽轮机有限公司材料研究中心，四川 德阳 618000）

生产检验中测试材料n值的方法

高骥天，李清松，杨功显，张邦强

（东方汽轮机有限公司材料研究中心，四川 德阳 618000）

针对目前测试材料在高温条件下应变硬化指数n值无相应试验标准，但针对超超临界汽轮机组中所用材料在高温条件下测试n值需求较大的状况，采用CMT 5105万能试验机在常温和高温条件下对汽轮机密封圈材料06Cr25Ni20测试真应力—应变曲线和n值，并采用数理统计的方法对n值进行统计。讨论不同拉伸速率和取点数量对n值统计结果的影响，试验结果表明：当取点数量达到或超过10点时，材料06Cr25Ni20在620℃的n值的离散程度明显降低，其95%的置信区间更加精确。

弹塑性力学；方差分析；拉伸试验；硬化指数n值

0 引 言

随着国家节能减排政策的实施，发电用汽轮机的功率越来越大，这对汽轮机密封部件的密封性能也提出了更高的要求。目前，采用密封环在工作状态（620℃）时紧套和阀壳内壁产生接触实现局部塑性变形以保证汽密性，是汽轮机设计中一个常用方式。材料在塑性过程中的变化情况和本构关系可以通过真应力—应变曲线很好地反映[1]，并能以此确定轧制工艺[2]；真应力—应变曲线已用于包括铁素体不锈钢、汽车仪表盘[3]、TBM刀具钢[4]材料的失效和力学行为的研究。同时，应变硬化指数n值也可作为衡量材料形变强化的定量指标[5]。目前测试高温条件下的应变硬化指数n值的原理参照常温试验进行，结合文献[6]和文献[7]，建立对圆柱体试样在高温拉伸中的真应力真应变的计算模型。但高温条件下，温度控制和应变测量等因素会对试验结果造成影响，所以在保证温度控制精度和应变测量精度的前提下，适当增加取点数量可以有效避免因测量原因而造成的计算结果的误差[8-9]；而当取点数量过多时，则会增加工作量，所以当取点数量为10点最为适宜。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验材料为奥氏体不锈钢06Cr25Ni20，材料金相组织见图1。为了保证计算结果不受炉次、原材料等因素的影响，本次试验取样来源为一批原材料，同一炉次出炉。其制造工艺为锻压、1000～1150℃的固溶处理、850～950℃的去应力退火，保温60min后空冷。

根据实际测试，本次试验材料的化学成分如表1所示。

表1 06Cr25Ni20主要化学成分质量分数 %

图1 06Cr25Ni20的金相组织

1.2 试验参数设定

试验温度分别为室温、620℃；应变速率对奥氏体不锈钢的硬化指数存在敏感性[10-12]，所以设定高温条件下的应变速率为0.004/min，位移速率为0.2mm/min。

拉伸试样均采用GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温 试验方法》中的R4试样，工作直径为10mm。为了保证拉伸试验的精度，在试样上按照标距长度（L0=50 mm）加工凸台，方便安装引伸计导杆；引伸计导杆为对称安装，并用紧固环完全固定，以保证不会因为受力等原因发生偏移，造成测试误差。将上下导杆通过插销连接，在保证了插销活动自如后，安装0.5级引伸计，如图2所示。

高温炉配备了3段热电偶，分别用于测量试样上中下3段温度，均通过了计量认证；当且仅当高温炉温度到达试验温度，且上中下3段温度相差3℃之内时，开始保温。

图2 拉伸试样和应变测试装置

2 结果与数据分析

2.1 常温真应力-应变曲线测试和n值分析结果

图3为06Cr25Ni20在常温条件下的真应力-应变曲线（缩颈以前）。

图3 06Cr25Ni20常温真应力-应变曲线

表2、表3分别为06Cr25Ni20在常温条件下的n值和根据其分布所得到的数理统计结果。

表2 06Cr25Ni20常温应变硬化指数n值

表3 06Cr25Ni20常温应变硬化指数n值数理统计结果

可以看出，分布离散程度很小，说明该材料性能均匀，从而保证高温条件下材料不会因为性能不均匀导致计算结果的较大偏差。

图4 06Cr25Ni20 620℃真应力-应变曲线（位移控制）

图5 06Cr25Ni20 620℃真应力-应变曲线（应变控制）

2.2 高温真应力-应变曲线及常规力学性能

图4和图5为620℃下06Cr25Ni20的真应力-应变曲线（缩颈以前）。其中，图4采用位移控制，图5采用的是应变控制；材料硬化阶段全程采用引伸计跟踪标距段的变形。

2.3 高温应变硬化指数n值及其分布

对不同控制方式条件下的曲线，采用不同的取点数量计算n值，结果如表4和表5所示。

表4 06Cr25Ni20 620℃应变硬化指数n值（位移控制）

表5 06Cr25Ni20 620℃应变硬化指数n值（应变控制）

表6 06Cr25Ni20 620℃应变硬化指数数理统计特征值（位移控制）

表7 06Cr25Ni20 620℃应变硬化指数数理统计特征值（应变控制）

图6 620℃下应变硬化指数n值的标准差随取点数目的分布

不同控制模式下，n值的标准差随着取点数量的变化如图6所示。相应的数理统计特征值如表6和表7所示。

从图6可以看出，采用位移控制得到的结果样本离散程度相对较大，这是因为采用位移控制时，拉伸试样标距段内的变形并不是均匀变形，标距段在缩颈之前变形程度的不一致，造成硬化程度的不同[8]；而采用应变控制时，在缩颈前，试样标距段内各处均匀变形，不会受到因试样变形不均匀而导致硬化程度不同的影响。

通过表6、表7可以看出，7点法得到的样本中结果偏差较大，且置信区间较宽，精度较低。随着取点数量的增加，样本的离散程度在不断减小，置信区间也在不断缩小，准确度增加。这是因为高温条件下的拉伸试验影响因素较多，且取点数量较小时，偶然性因素的影响会增加，增加取点数量会减小这种偶然性因素的影响。

3 结束语

1）常温条件下的试验证明材料的性能均匀，排除了因材料性能不均匀而造成高温条件下n值的偏离。

2）高温条件下计算材料的应变硬化指数n值，须采用应变控制模式，减少因位移控制带来的标距段内的变形程度不均匀，排除不均匀变形对结果产生的影响。

3）在高温条件下，增加取点数量会使样本的分散性明显减小，降低测量误差和温度均匀性等因素对结果的影响。而当取点数量高于10点时，测量误差和温度均匀性等影响因素对结果的影响明显减小，所以生产上所需要的高温条件下的应变硬化指数n值，可采用10点法计算。

[1]刘树敏.铁素体不锈钢连铸坯板的高温力学行为研究[D].兰州：兰州理工大学，2010.

[2]周圣丰，方园，于艳，等.薄带连铸304不锈钢高温热变形时真应力真应变计算模型的研究[J].宝钢技术，2005（4）：47-50.

[3]何业磊.汽车仪表板材料与头部碰撞模拟分析[D].大连：大连理工大学，2013.

[4]赵金华.高韧性TBM刀圈用钢高温变形行为及热处理工艺研究[D].太原：太原科技大学，2013.

[5]罗海文，赵沛.高温拉伸试验中真应力真应变的计算及试验研究[J].钢铁研究学报，1998，10（3）：61-64.

[6]苏红英，隋晓红，李文斌，等.拉伸应变硬化指数的测试及方法比较[J].理化检验：物理分册，2011（11）：682-685.

[7]李玉兰.真应力-应变的定义及其力学特征 [J].重庆大学学报：自然科学版，2001（5）：58-60.

[8]谭洪峰，王萍，杨雷，等.应变硬化指数n值与拉伸控制模式及拉伸速率关系的探讨[J].理化检验物理分册，2010（11）：13-16.

[9]GB/T 10623—2008力学性能试验[S].北京：中国计量出版社，2008.

[10]常东华，周晓，魏佰友.应变硬化指数n值的测定与研究[J].理化检验：物理分册，2006（5）：242-244.

[11]李成编.不锈钢实用手册[M].北京：中国科学技术出版社，2003：39-54.

[12]汪志福，孔韦海.应变速率对304奥氏体不锈钢应变硬化行为的影响[J].压力容器，2013，30（7）：6-11.

A test method in inspection for the tensile strain-hardening exponents（n-values）of metallic sheet materials

GAO Ji-tian，LI Qing-song，YANG Gong-xian，ZHANG Bang-qiang
（Materials Research Center，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang 618000，China）

The test method for n-value of metallic materials under the condition of high temperature without corresponding testing standards，while the value is used largely at the latest generation steam turbine.The material 06Cr25Ni20 is used to machine the sealing part of the steam turbine and the n-Value of the material at room temperature and 620℃ need to be tested with the CMT 5105 testing machine.The result shows when number of points for calculating is more than 10，the n-Value and confidence interval is more accurate.

elastic and plastic mechanics；variance；tensile test；n-Value

TH873；TM311；TG115.5+2；TM930.2

：A

：1674-5124（2014）05-0036-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.009

2014-02-17；

：2014-05-05

高骥天（1990-），男，四川德阳市人，助理工程师，主要从事材料力学性能研究工作。