GB/T 228.1《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》是金属材料力学性能测试的核心标准,屈服强度作为反映材料抗塑性变形能力的关键指标,其测试结果的准确性高度依赖实验环境的严格控制。环境中的温度、湿度、试样状态、加载稳定性等因素,均可能通过影响材料内部结构或试验设备精度,导致屈服强度数据偏差。因此,明确并执行标准中的环境控制要求,是确保测试结果可靠、可比的基础。
温度控制:室温试验的范围与均匀性要求
GB/T 228.1规定,室温拉伸试验的环境温度需控制在10~35℃。温度对金属屈服强度的影响直接且显著——温度升高会加速原子热运动,降低位错滑移阻力,导致屈服强度下降;温度过低则会使原子排列更紧密,屈服强度偏高。例如,若环境温度降至8℃,低碳钢的屈服强度可能比20℃时高5%~8%,偏离该范围的测试结果将失去可比性。
除温度范围外,试验区域的温度均匀性同样重要。标准要求环境内温度波动不超过±2℃,即试样、试验机传感器及引伸计的温度差需控制在2℃以内。若实验室某区域因空调直吹导致局部温度低于10℃,该区域的试样测试值将明显偏高,需调整空调风向或移动试样至温度均匀区。
温度测量需靠近试样但不干扰试验。通常用数字温度计或热电偶,将探头固定在试样附近5~10cm处,试验前预启动30分钟确保测量稳定。若温度超出范围,需暂停试验,待环境恢复至标准范围并保持30分钟后重新开始。
湿度控制:避免试样腐蚀与摩擦异常
GB/T 228.1虽未对湿度设绝对限值,但要求“环境不应导致试样明显腐蚀或氧化”。相对湿度超过80%时,钢铁、铝合金等易氧化材料的表面易形成薄氧化膜,这层膜会增加试样与夹头间的摩擦,导致夹头夹持力异常,或干扰引伸计的变形测量,使屈服强度值偏高。
实验室需用湿度计实时监测,若湿度超80%,应开启除湿机或空调除湿功能,将湿度降至70%以下;对于镁合金等易吸湿材料,试验前需置于50~60℃干燥箱预处理2小时,去除表面吸附水。过度干燥(湿度<30%)虽对金属影响小,但可能导致带漆试样开裂,因此优先保持湿度在40%~70%。
试样状态调节:消除温度梯度的必要步骤
标准要求试样测试前需在试验环境中“状态调节”,目的是消除试样与环境的温度梯度。若试样刚从冷藏柜取出(温度5℃),直接测试会因温度低导致屈服强度偏高;若试样经打磨(表面温度40℃),则会因温度高导致屈服强度偏低。
调节时间根据试样厚度和导热性调整:厚度≤4mm的薄板(如冷轧钢板)导热快,需1小时以上;厚度>4mm的厚板(如热轧圆钢)导热慢,需2小时以上;铜、铝等导热系数高的材料,可缩短至30分钟,但需验证试样中心与环境温度差≤1℃。
调节期间试样需远离热源或冷源(如阳光直射、空调风口)。若试样因阳光照射局部温度升高5℃,即使环境温度合规,仍会因温度梯度导致结果偏差,需移至阴凉处重新调节。
加载环境稳定性:避免外力干扰
加载环境的稳定性影响试验机精度。标准要求试验机安装在“无振动、无冲击、无腐蚀性气体”环境中——振动会使力传感器误读应力值,冲击会导致加载波动,腐蚀性气体(如二氧化硫)会腐蚀夹头、丝杠,影响力传递。
试验区域需远离振动源(如机床、水泵),若无法避免,需安装隔振垫(橡胶或弹簧式),将振动加速度控制在0.1g以下。例如,某实验室试验机因车间振动导致屈服强度波动超5%,安装隔振垫后波动降至1%以内。
此外,需避免强风干扰。风速超0.5m/s时,会对棒材试样产生侧向力,导致拉伸力偏离轴向,使屈服强度偏低。此时需关闭门窗或设置防风罩,确保试样处于无风环境。
环境清洁度:防止污染影响测试
灰尘、油污等污染物会干扰测试:灰尘增加试样与夹头的摩擦,导致屈服强度偏高;油污使试样打滑,夹头无法有效传递拉力,甚至出现“打滑”现象(试样在夹头内滑动,无法测出真实屈服点)。
标准要求试验前用丙酮或乙醇擦拭试样表面,去除油污、灰尘;热轧钢材表面的氧化皮需用钢丝刷轻轻去除(避免改变尺寸)。试验机夹头的齿面需每周清理,防止油污堆积——若夹头齿面积累油污,即使试样清洁,仍可能打滑。
电源稳定性:确保加载速度准确
加载速度是影响屈服强度的关键参数——加载越快,屈服强度越高(位错滑移时间不足);越慢则越低。而加载速度的准确性依赖电源稳定:试验机电机对电压波动敏感,电压降10%会使电机转速降10%,加载速度随之降低。
标准要求电源电压波动≤±10%,频率波动≤±2%(50Hz电源需在49~51Hz之间)。若电源不稳定,需安装稳压电源(容量超试验机功率50%,如10kW试验机配15kW稳压电源)。试验前需验证加载速度:设定2mm/min,用秒表测1分钟变形量,若差超10%,需检查电源或电机。