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    技术前沿

    ASTM A370标准在泵类产品中的应用性探讨

         摘要:本文介绍了对泵类产品(或零部件)在设计、生产制造过程中,选用《ASTM A370-12钢产品力学性能试验方法和定义》(以下简称:A370标准),按照该标准的要求,对试件(或具有代表性的试样)进行拉伸试验和冲击试验,主要是测定屈服点、屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功、侧向膨胀量、断口剪切百分率等参数。结果表明:A370标准对试验设备所规定的技术参数、试验设备的检定、试样尺寸、试验方法、数值修约等都有独特的要求,当在泵类产品(或零部件)选用了美国材料要求进行力学性能试验时,尤其是进行拉伸试验和冲击试验,具有一定的可行性和应用性。另外,对于测试的参量或在制定技术文件时,要用英制换算成公制,或用公制换算成英制。但是,经过换算的数据,会有误差。同时,对材料的验收,必须要按照美国材料标准所制定的指标进行评定。

        关键词:A370标准;泵类产品(或零部件);拉伸试验;冲击试验

        中国泵业网随着工业化和大规模生产的发展需要,特别是泵类产品(或零部件)在设计、生产制造过程中选用了大量的美国材料制造各种零部件。由于美国材料具有一定的可靠性和适用性,不仅在美国被广泛采用,而且也受到了世界各国的欢迎。由于美国靠着自恃技术优势,在金属材料和金属材料的力学性能试验方面,均有很多条款内容的要求和规定,不同于国际标准、欧盟标准、日本标准和中国标准。从进出口贸易的角度来看,对金属材料和金属材料的力学试验更具有广泛的适应性。当然,对产品(或零部件)在进行力学性能试验时,必须要求采用《ASTM A370-12钢产品力学性能试验方法和定义》(以下简称:A370标准)[1]的标准,用A370标准规定的方法所测出的力学性能参量来正确评定一个材料或材料所制成的零部件,是否能够满足实际运转的需要。并且,还能够为材料制品的合理设计、正确选材、精心制造、安全使用以及失效分析提供一个可靠的依据。

        需要重点提出的是,凡是美国材料,只要规定做拉伸试验和冲击试验,就必须根据A370标准所规定的要求进行试验。所以,笔者主要从拉伸试验、冲击试验两个方面对泵类产品(或零部件)在试样切取的位置、试样的尺寸、试验设备的检定、技术操作的方法、测试数据的修约、单位的换算等内容作一点点初浅的探讨。

        1拉伸试验

        1.1试样的切取方向和位置与尺寸

        1.1.1轧制钢

        对于选用轧制钢所制作的产品(或零部件),一般应该进行“纵向试验”。“纵向试验”是试样的纵轴与钢在轧制(或锻造)过程中的最大延伸方向相平行。所施加在纵向拉伸试样上的应力是在最大的延伸方向。当然,如果有特殊规定,也可以做“横向试验”。“横向试验”即是试样的纵轴与钢在轧制(或锻造)过程中的最大延伸方向相垂直。所施加在横向拉伸试样上的应力与最大延伸方向相垂直。

        1.1.2锻钢

        对于锻钢的产品(或零部件)如:泵轴、螺栓(即圆杆类锻件)的零部件,当直径≤40mm(1.500in)时,一般在中心位置切取试样。>40mm(1.500in)的零部件要在中心至表面的中间位置切取试样。需要特别提出的是,有些产品标准也规定允许在具有代表性的部位,破坏其产品(或零部件)的一部分进行切取试样。

        另外,对于泵轴、螺栓、双头螺栓、串杠等其它的圆杆类零部件,根据实际情况也可以进行“轴向试验。”“轴向试验”即是试样的轴线平行于零部件的轧制方向。

        对于环状或盘状的锻件,试样在该锻件增加的直径(或厚度)的部位上切取试样,用于“切向试验”。“切向试验”是试样的纵轴垂直于产品(或零部件)的轴线所在的平面?;褂幸恍┒图菀笮枰?ldquo;径向试验”。“径向试验”是试样的纵轴垂直于产品(或零部件)的轴线,并与轴线上的半径相一致。

        “切向试验”和“径向试验”,通常适用于圆形空心锻件、盘行锻件、环形锻件等等。例如:泵体、吐出接管、吸入接管、泵轮、涡轮、法兰等零部件。

        1.1.3铸钢

        纵向、横向、切向、径向试验不适用于铸钢的零部件。对于铸钢零部件的试样切取,一般是经过在浇注的Y形(或双基耳或多基耳)的试块上切取试样。如果有特殊的规定,也可以在零部件上切取试样。然后,将试样按规定进行机械加工。

        1.1.4试样的尺寸与公差

        试样尺寸的要求是根据产品(或零部件)的形状大小、薄厚程度或按产品的相关规定来切取试样。并且,要按其相关标准的规定,选择合适的试样类型进行机械加工。

        矩形试样:

        (1)标准矩形拉伸试样共两种

        ◆标距长度200±0.25mm;宽度40+3mm;圆角半径13mm;厚度是原厚度。

        ◆标距长度50.0±0.10mm;宽度40+3mm;圆角半径13mm;厚度是原厚度。

        (2)小尺寸矩形拉伸试样共两种

        ◆标距长度50.0±0.010mm;宽度12.5±0.25mm;圆角半径13mm;厚度是原厚度。

        ◆标距长度25.0±0.08mm;宽度6.25±0.05mm;圆角半径6mm;厚度是原厚度。

        以上四种矩形拉伸试样的宽度可以由两端向中间逐渐减小1%。试样夹持部分的长度是试验机夹具长度的2/3或者还要更长一些,这样就能够使试样被夹的更紧、更牢,同时也能够防止试样在夹持部位打滑或断裂。

        圆形试样:

        (1)标准圆形拉伸试样共一种

        ◆标距长度50±0.10mm;直径12.5±0.25mm;平行长度60mm;圆角半径10mm。

        (2)小尺寸圆形拉伸试样(与标准圆形拉伸试样成比例)共四种

        ◆标距长度35.0±0.10mm;直径8.75±0.18mm;平行长度45mm;圆角半径6mm。

        ◆标距长度25.0±0.10mm;直径6.25±0.12mm;平行长度32mm;圆角半径5mm。

        ◆标距长度16.0±0.10mm;直径4.00±0.08mm;平行长度20mm;圆角半径4mm。

        ◆标距长度10.0±0.10mm;直径2.50±0.06mm;平行长度16mm;圆角半径2mm。

        以上圆形拉伸试样共五种,当进行机械加工试样时,要求在试样的平行长度内,可以从两端向中间逐渐减?。ㄎ⑿〉淖抖龋?,尺寸控制在原始直径的1%以内。只有这样,才能保证对试样施加载荷时,使试样能够在中间断裂。

        另外,试样标距长度与原始直径尺寸的比值必须是四倍的关系。例如:标距长度50mm/

        原始直径12.5mm=4。

        (3)铸铁标准圆形拉伸试样共三种

        ◆平行长度等于或大于直径;直径12.5±0.2mm(0.500±0.010in);圆角半径≥25?L。

        ◆平行长度等于或大于直径;直径20.0±0.4mm(0.750±0.015mm);圆角半径≥25?L。

        ◆平行长度等于或大于直径;直径30.0±0.60mm(1.25.±0.02mm);圆角半径≥50?L。

        1.2强度和塑性参数的测量方法

        1.2.1试验设备及试验速度的要求

        (1)试验设备:试验机必须要保持良好的使用状态,定期按照ASTM E4-10《试验机负荷检定规程》[2]进行检定,试验机的试验力误差要符合相关标准的规定,且不可以超出规定的误差范围。引伸计要按照ASTM E83-10《引伸计的检定和等级规程》[3]进行定期检定并满足该标准的要求。

        (2)试验速度:测定屈服点或屈服强度的试验速度,当试样的屈服点或屈服强度达到1/2之前,可以采用任何的试验速度。当到达该屈服点或屈服强度时,试验机的横梁分离空载速度不可超过试样的缩减部位或平行段(或两夹头)间的距离为1/16in·min(1.588mm/min),并保持该速度,直到屈服点或屈服强度结束。

        测定抗拉强度的试验速度,试验机夹头分离的空载速度不应超过试样缩减部位或平行(或两夹头)间的距离为1/2in·min(12.7mm/min)。

        需要说明的是,在任何情况下,测定屈服点或屈服强度和抗拉强度的最低试验速度都不应该低于规定最高速度的1/10。

        另外,还可以选择另一种方法来控制拉伸试验速度。当试验机具有显示载荷速率的装置时(例如:电脑显示器、数值刻度表、数值显示屏、电子仪表等),试验机的控制速度,适当对试样加载,并且在达到了规定屈服点或屈服强度的1/2之后,至屈服点或屈服强度之间时,可以进行调节。施加载荷速度的要求,应在10000psi(70MPa)/min至100000psi(690MPa)/min范围以内。

        1.2.2屈服点的测量方法

        (1)杠杆降落法或指针停止法:对于机械式的试验机来说,要采用均匀速度对试样施加载荷。当试样出现屈服现象时,载荷不再增加,此时刻度盘中的“指针”停止运转或暂时停止运转,应当立即记下“指针”停止时所对应的刻度(或显示)数值(KN),该数值即是屈服力(KN)。将屈服力(KN)/试样原始截面积(mm²)=屈服点(MPa)。“杠杆降落法”或“指针停止法”适用于低碳钢、中碳钢,经过退火、正火处理或经过调质处理和低合金钢经过调质处理的材料。因为这些材料会出现明显的屈服“平台”或“锯齿”状的上、下屈服点。即是出现“不连续屈服”的现象。

        (2)自动绘图法:在试验机的自动绘图记录装置上所绘出的“应力-应变曲线图”中,可以明显的看出,试样的弹性阶段过后,会出现一个“拐点”(平行)现象,该“拐点”(平行)部位所对应的力,就可以确认为是屈服力(KN)。将屈服力(KN)/试样原始截面积(mm²)=屈服点(MPa)。

        1.2.3屈服强度的测量方法

        (1)残余变形法:在试验机自动绘出的“应力-应变曲线图”中,要在平行于试样所出现弹性阶段的残余变形0.2%位置上所对应的力(KN),将该力(KN)/试样原始截面积(mm²)=屈服强度(MPa)。“残余变形法”适用于马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢、合金钢等的材料。因为这些材料的屈服现象不明显,呈现了“连续屈服”的现象。所以,必须采用“残余变形法”来测量屈服强度(0.2%)。

        (2)承载时伸长法:该方法适用于确定试样屈服强度(MPa)指标合格与否的试验。即是试样的应力达到了试样所承载时,伸长(0.2%)所规定的屈服强度(MPa)指标,认为试样合格,否则不合格。“承载时伸长法”主要是适用于具有“连续屈服”现象的材料。

        1.2.4抗拉强度的测量方法

        测量抗拉强度是以试样所承受最大力(KN)/试样原始截面积(mm²)=抗拉强度(MPa)。

        1.2.5断后伸长率的测量

        断后伸长率:是以标距长度(mm)的断后伸长量(mm)与原始标距(mm)比值的百分率。关于断后伸长量,就是断后标距的伸长与原始标距之差。测量方法,将拉断的试样仔细地对接在一起之后,即可以测量断后的伸长量(mm)。当标距长度≤2in的试样,测量精度为0.01in(0.25mm),标距长度>2in的试样,测量精度为标距长度的0.5%。

        报告断后伸长率时,必须要注明原始标距的长度(mm)。

        另外,还可以采用“自动化的仪器”来测量伸长量(mm)。但是,选用两种方法测量试样断后伸长率得出的结果不仅会有所不同,而且这两种方法所测出的结果还不能互换。

        1.2.6断面收缩率的测量

        断面收缩率:是试样断后横截面积的最大缩减量(mm²)与原始截面积(mm²)比值的百分率。关于断后最大缩减量,就是试样的原始截面积与试样断后截面积之差。那么,测量试样断后截面积的方法,将拉断的试样仔细地对接在一起之后,才可以测量最小截面尺寸(mm)。测量圆形拉伸试样时,一般拉断后的试样截面是椭圆形的,所以,要测量最大直径d1(mm)和最小直径d2(mm)的尺寸。并且,用公式:S=π·d1·d2/4进行计算试样断后的截面积(mm²)。值得注意的是,在测量矩形拉伸试样截面时,由于受到了矩形试样截面棱角变形的影响,所以,要测量断后试样截面长度(mm)用公式:T=(t1+4t2+t3)/6进行计算;测量断后试样截面宽度(mm)用公式:W=(w1+4w2+w3)/6进行计算。然后,计算试样断后截面积(mm²)用公式:S=T·W[4]进行计算。

        1.2.7试验数据的修约

        试验数据应该按照产品(或零部件)的规定进行修约。如果没有规定具体的修约方法,应该按照《ASTM E29-08用标准方法确定性能试验数据有效位数的推荐方法》[5]的规定进行修约。对于强度(MPa)参数:当<500MPa时,修约到1MPa;500-<1000MPa时,修约到5MPa;>1000MPa时,修约到10MPa。对于断后伸长率%和断面收缩率%参数:当0-10%时,修约到0.5%;>10%时,修约到1%[1]。

        1.2.8试验数据的换算

        对于试验数据,A370标准规定了用英制作为标准单位。但是,可以将英制换算成公制,也可以将公制换算成英制。需要说明的是,在制定技术文件和进行拉伸试验时,公制和英制必须要单独使用,决不可混淆在一起使用。

        2冲击试验

        2.1冲击试验设备技术参数的规定

        冲击试验机的最大冲击能量,要求在300J-400J范围,摆锤的下落速率应在4.9-5.8m/s以内,摆锤刀刃R8mm,测量范围的上限等于冲击试验机最大量程的80%[1]。对于冲击试验机要求每年检验一次。并且,采用两种方法进行检验。一种是“直接检验”,另一种是“间接检验”。

        需要指出的是,“间接检验”必须选用美国国家标准技术研究院(NIST)的标准试样,进行校准冲击试验机三个级别的能量值,○1低值(13-20J),○2中值(88-136J),○3高值(176-244J),以对每个级别的校准试样平均值应与标准试样值相比较,精确度达到1.0ft·1bf(1.4J)或5.0%[6]。另外,采用标准试样进行“间接检验”的结果,必须由美国国家标准技术研究院(NIST)进行评定。经过确认后,如果“间接检验”结果的数值,已经达到了在1.0ft·1bf(1.4J)或5.0%范围以内,说明该冲击试验机已经符合标准[6]的规定。由美国国家标准技术研究院(NIST)颁发《检定合格证书》,方可有效。

        2.2试样规格及试样数量

        2.2.1试样的切取位置

        试样的切取位置、方向应该由材料标准提出。如果没有提出,对于轧材、锻材取样部位应与拉伸试样相同。并且,冲击试样方向为纵向,V形缺口应该垂直于产品(或零部件)的主表面。

        试样尺寸应该为:10×10×55mm V形缺口。如果,对于直径(或厚度)小于11mm的零部件,以及试样的冲击吸收功超过冲击试验机最大能量的80%时,就要用标准小尺寸试样。标准小尺寸试样的尺寸为:○110×7.5×55mm;○210×6.7×55mm;○310×5×55mm;○410×3.3×55mm;○510×2.5×55mm共五种V形缺口试样。

        2.2.2试样尺寸的误差

        试样中,V形缺口的尺寸超差会严重影响到测试的结果。试样宽度和厚度的尺寸增加或减小,必定会导致冲击吸收功的增加或减小[1]。所以,一定要确保试样尺寸在误差范围内,才能保证测试结果真实、准确。因此,A370标准规定了试样长度55mm(2.165in)+0,-2.5mm(0.100in);截面尺寸宽度10mm(0.394in)±0.075mm(0.003in);截面尺寸厚度10?L(0.394in)±0.075mm(0.003in);缺口角度45°±1°;缺口根部半径0.25?L(0.010in)±0.025mm(±0.001in);缺口深度2mm(0.079in)±0.025mm(±0.001in)。

        2.2.3试样的数量

        当要求测定冲击吸收功(J)的最低平均值时,每一组应该取3支试样。

        当要求测定温度转变( FATTn)时,每一组应该取8-12支试样。

        2.3制冷温度(低温)的控制

        试验温度对试样冲击性能的各项指标影响很大。因此,试验温度要根据规定进行选择。那么,对于试验的温度来说,必须将试样保持在所要求的试验温度范围内,温度误差要达到±1℃。如果用液体进行制冷,当试样达了到试验的温度后,保温时间必须要≥5min;用气体进行制冷,当试样达到试验的温度后,保温时间必须要≥30min。试样应该在制冷箱(或制冷容器)里达到了以及超过了保温时间后,立即取出,要在5s以内击断试样。如果超过了5s未能击断试样,就要将试样重新放回制冷箱(或制冷容器)里进行制冷。待达到原设定的温度并经过保温,并且达到了保温时间以后,仍然需要再在5s以内击断试样。

        值得注意的是,试样要用“夹钳”夹持,“夹钳”必须与试样的温度相一致。当用“夹钳”夹紧试样后,就要从制冷箱(或制冷容器)里夹出试样,立即放在砧座上。同时,用“夹钳”将试样在砧座上对正中心位置,然后释放摆锤,击断试样,读取冲击吸收功(J)。

        另外,如果当冲击吸收功(J)在0-240ft·1bf(0-325J)范围时,就要将其冲击吸收功,需要进行修约到1ft·1bf(或1J)。对于冲击吸收功比较高的试样,可能未有击断为两半,经过用双手也未能将其试样掰开。那么,报告结果时应该注明试样“未断开”。

        2.4侧向膨胀量的测量与精度

        侧向膨胀量:即是试样断后宽度的增加量mm,也就是试样断裂后两个侧面膨胀(凸出)的量mm。试样断裂后两个侧面(凸出)部位,可用“测量仪”或用“千分尺”进行测量,精确度要求达到1密耳(0.025mm)。侧向膨胀量(mm)=试样断后宽度mm)-试样原宽度(mm)。

        2.5断口剪切百分率的测量与精度

        冲击试样断口剪切百分率的测量共有四种方法:○1测量断裂试样断口脆断面的长度和宽度,然后用韧、脆面积之差,即可确定断口剪切百分率?!?将断裂试样的断口形貌与《断口形貌标准图》进行比较,以确定断口剪切百分率?!?将断裂试样的断口放大,并与预先计算好的“网格卡”进行比较,或用“求积仪”测量断口,以确定断口剪切百分率?!?将断裂试样的断口拍成放大照片用“求积仪”测量断口,以确定断口剪切百分率。

        确定试样断口剪切百分率,精确度要求达到5%。

        3结语

        (1)根据A370标准独特的规定和测试方法,对于在拉伸试验中所规定的强度指标、塑性指标以及冲击试验中的冲击吸收功和侧向膨胀量、断口剪切百分率进行测量,为了正确评价美国材料(或按美国标准进行冶炼、铸造、轧制、锻造的材料)所制成的产品(或零部件)合格与否,只能选用A370标准对材料进行试验,测出的数据才能够作为唯一可靠的判定依据。因此,A370标准在泵类产品中,具有可行性和应用性。

        (2) A370标准明确的提出了是以“英制”作为标准单位,当在设计产品(或零部件)制定技术文件以及在拉伸试验和冲击试验中,对于拉伸试验可用英寸-英磅单位确定屈服点、屈服强度、抗拉强度,然后换算SI(MPa)公制单位,即是1千磅力/平方英寸(Ksi)=6.895兆帕(MPa)。试样的直径和标距长度用英制单位in,可换成SI(mm)公制单位,即是1英寸(in)=25.4毫米(?L)。对于侧向膨胀量的精度用英制单位mil,可换成公制单位(?L),即是1密耳(mil)=0.0254毫米(mm)。对于冲击试验的冲击吸收功1英尺-磅力(1ft·1bf)=1.356焦耳(J)。当然,也可以用公制单位换算成英制单位,即是1兆帕(MPa)=0.1450千磅力/平方英寸(Ksi),1毫米(mm)=0.0394英寸(in),1焦耳(J)=0.7376英尺·磅力(1f t·1bf),1毫米(mm)=39.37密耳(mil)。但是,经过换算后的数据,会有一些误差。同时,每一种单位制必须要独立使用。

        (3)冲击试验机的“间接检验”必须要用美国国家标准技术研究院(NIST)提供的标准试样进行检验,并由美国国家标准技术研究院(NIST),根据“间接检验”的结果进行评定,如果符合要求,颁发《检定合格证书》。

        参考文献:

        [1] ASTM A370-12钢产品力学性能试验方法和定义[S].

        [2] ASTM E4-10试验机的负荷检定实用规程[S].

        [3] ASTM E83-10引伸计的检定和等级实用规程[S].

        [4] ASTM E8/E8M-11金属材料拉伸试验方法[S].

        [5] ASTM E29-08用标准方法确定性能试验数据的有效位数的推荐方法[S].

        [6] ASTM E23-07金属材料缺口试样冲击试验方法[S].



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