两种H13圆钢材料性能对比实验分析.pdf

凿岩机械气动工具（总第19 4期）两种H13圆钢材料性能对比实验分析张凌1.2，张爱武1-2，杨子龙3（1.凌远科技股份有限公司，吉林吉林市13 2 2 0 0;2.吉林省盾构与掘进刀具技术重点实验室，吉林吉林市13 2 2 0 0；3.吉林大学机械与航空航天工程学院，吉林长春13 0 0 2 2)摘要：对A、B两个不同厂家的H13钢材进行了拉伸、冲击和电镜试验，比较了A、B两个钢材厂家原材料性能方面存在的差异,并分析了产生差异的原因。在同等冲击载荷作用下,韧性好的材料可以吸收更大的能量,更不容易发生断裂，性能更稳定。关键词：拉伸；冲击；电镜结果中图分类号：TP23;TP242.33文献标志码：BComparison and Experimental Analysis of Properties of H13 Round SteelZHANG Ling,ZHANG Ai-wu,YANG Zi-long(1.Lingyuan Technology Co.,Ltd.,Jilin City132200,Jilin;2.Jinlin Provincial Key Laboratory of Shield Machineand Boring Tools Technology,Jilin City 132200,Jilin;3.School of Mechanical and Aerospace Engineering,JilinUniversity,Changchun 130022,Jilin)Abstract:Tensile,impact and electron microscope tests were carried out on H13 steel from two differentmanufacturers A and B,and the differences in raw material properties of A and B steel manufacturers were compared,and the reasons for the differences were analyzed.The material with better toughness absorbs more energy,is less proneto fracture and has more stable performance under the same impact load.Key words:stretching;impact;electron microscope result15000km，规划隧道总里程超过3 50 0 0 km。全断1引言面硬岩隧道掘进机(Tunnel BoringMachine)作为近年来，随着我国经济发展和综合国力的不断提高,高新技术不断应用，“一带一路 计划的逐步推进，我国隧道与地下工程建设也得到了前所未有的发展。目前，我国隧道工程每年正以超3 0 0 0 km的速度增长，在建隧道总里程超过一种集机、电、液、信息化、智能化于一体的大型隧道工程掘进装备，被称为“地下蛟龙”，它能够适应复杂的地质条件，实现高效支撑推进、自动连续排渣、精准定位导向等施工作业，并能为施工人员提供更为安全、环保的施工环境。TBM依收稿日期：2 0 2 3-11-2 028安雅机械幼琪2024年第1期两种H13圆钢材料性能对比实验分析靠安装在刀盘上的刀具挤压破碎岩石，从而实现寸见图1。隧道全断面开挖。刀具直接与岩石接触,是TBM实验设备：标准拉伸试验在电子万能试验机掘进过程中最关键的部件。极端工况下，刀具极YQ-0046上开展，拉伸加载速度为1mm/min。常易发生磨损、断裂，刀具系统的可靠性是制约我温拉伸试验结果见表1,拉伸后试件的形貌见图国隧道高效安全施工的重要因素。刀圈是刀具2,各个试件在拉伸时的位移-力曲线如图3 所的核心部件，一般情况下采用的原材料为H13示。依据试验结果，白漆标记的B材料的抗拉强(4Cr5MoSiV1),是一种热作模具钢，材料性能比度m（曲线峰值）的均值为6 7 4.3 3 MPa,A料的抗较优异，能够适应极其恶劣的工作环境。本文介拉强度.（曲线峰值)的均值为6 2 0.0 0 MPa,B料绍了A、B两个厂家的H13材料的性能,对于不同的抗拉强度略高于A材料。同种材料拉伸试验的地质条件可选择不同厂家的H13材料，既可以曲线十分接近。节约施工成本，又可以满足不同项目对刀具的性材料断裂韧性指的是材料从塑性变形直至能要求。破坏时吸收能量的能力，可以用应力应变曲线所包络的面积U,表示H13钢的断裂过程为韧性断2材料拉伸试验裂，裂纹开始扩展的启裂点与断裂点之间，塑性试件分为B厂家生产的钢材（编号为1、2、3）变形量比较大，裂纹有稳定缓慢的扩展阶段，断和A厂家生产的钢材料（编号为4、5、6)两种，下裂过程持续一定的时间,断裂前吸收的能量比较面称为A料和B料,每种材料各3 个试件,截面尺多2 。表2 对A、B两个厂家的H13钢材断裂时吸R630试样序号Fm.N一81402810038040474605742067440注：F为拉伸最大载荷；0 m为拉伸强度；E为拉伸弹性模量；F,为拉伸断裂负载；8 为拉伸强度应变;&为拉伸断裂应变;,为拉伸断裂应力;U,为达到断裂力点的能量3032625100图1拉伸试件截面尺寸表1H13钢试件常温拉伸试验结果Om,MPaE,MPa6783540067533600670330006223730061836700620356002F,N8m,%6880216660226660215880265900275780268,%262727353536O,MPa573555555490492482U,mJ46793.648369.147595.557563.758314.158829.82024年第1期安装机械艺幼琪29凿岩机械气动工具（总第19 4期）收的能量差进行比较，可以看出，两者相差22.40%。由GB/T1299-2014工模具钢中可知，H13钢交货状态为550 6 回火两次，每次2 h,属于中温回火，由图3 试件拉伸位移-力曲线可见，试样拉伸过程无明显的屈服阶段，试样产生均匀塑性变形并缩颈后断裂。B料弹性变形阶段较A料好些，但其塑性变形阶段应力-应变曲线较短。均匀塑性变形阶段应力-应变曲线是一根平滑上升的抛物线。在应变量增加的同时，变形应力也不断上升,表现为强度显著提高,这种现象称为应变硬化3。从表1中可见,B料的拉伸强度略大于A料的拉伸强度。当拉伸试验到达f点时，应变硬化与几何软化达到平衡，力不再增加，同时伴随发生拉伸失稳，进入局部塑性变形阶段，即缩颈变形阶段，力达到最高点时(f点）试样最弱。横截面中心附近开始形成微小空洞，它们相连接萌生成小裂纹，表2 两个厂家材料断裂点能量差试样序号Up/UbA,mJ146793.6248369.1347595.5457563.7558314.1658829.8图2 拉伸后的试件形貌试件1试件28000-一试件3一试件4-试件56000-试件64000-1111112000-001图3 试件拉伸位移-力曲线一旦形成裂纹，试样不再是单向受力，而是形成三向受力状态。反过来又促使裂纹迅速扩展，突然形成中心裂纹，与此同时发生缩颈变形，当试验达到g点，试样发生完全断裂4。3两种材料的断裂韧度对比韧度是指材料在断裂前弹性变形、塑性变形中吸收能量的能力，是能量的概念。强度高U,平均值,mJ(UbA-UbB)/UB47586.0722.40%582356.8723456夹头位移，mm并且塑性好的材料在断裂前吸收的能量多，韧度高。只是强度高、或只是塑性好的材料韧度并不一定好。传统的韧性指标是用冲击试验来测量的，冲击功也是能量的概念，也是一种韧度指标,反映了材料在一次冲击载荷下断裂前吸收的能量，但它没有考虑材料内部存在尖锐裂纹的情况。由表3 可见，A材料韧性优于B材料。也就是说在同等冲击载荷作用下，A材料更不容易发生脆性断裂，性能更好，A原料韧度比B原料韧度高出43.2 4%。表3 A材料和B材料冲击功试验对比试样序号厂家1#1AB89102#3#平均值53J51J55J53J39J37J34J37J(下转第3 9 页）30安花机械汽协琪2024年第1期一种在役船用燃料罐的检验方法研究全技术监察规按程（下面简称固容归)7.1.5.2，3周亦低温容器的研制。低温工程，19 9 8,(4)：152 4使用单位每年对使用的压力容器至少进行1次4何应华，影响绝热低温液体贮槽真空度的因素年度检查；检定后的压力表未划出工作压力红：石油和化工设备，2 0 18,2 1(12)：55-56.5赵波,高小琦，李跌心LNG汽车罐车夹层真空度影线，通知使用单位按照固容归要求标出工作压响因素讨论J西部特种设备,2 0 18(0 3):6 5-6 7.力红线；安全阀校验整定压力不符合固容归的6胡军低温液体罐车检验的几个问题探讨J。特种要求，通知使用单位重新校验；使用单位日常检设备安全技术,2 0 10(1)：3 5-3 7.查记录及应急演练记录未按时记录，告知使用单7陆永章，浅谈低温液体贮罐构造及定期检验要点位做好日常维护。贵州化工,2 0 11,(8):3 7-3 8,41参考文献：8TSG21-2016固定式压力容器安全技术监察规程S1陈丽艳，王小军，等高真空多层绝热容器抽真空工9刘英.LNG低温液体储罐真空失效事故分析及维修艺探讨J。中国化工装备，2 0 13,15(1):2 4-2 7,3 6.特种设备安全技术,2 0 19(2):16-18。2罗世唯压力容器定期检验方法探讨 中国质量与标准导报,2 0 2 2,(3):58-6 1.(上接第3 0 页）物,能降低钢的塑性,影响钢的强度,由表4可见，4两种材料的扫描电镜结果在A料中氧含量约为B料的一半;磷含量显著增材料处理过程，砂纸（16 0-40 0-8 0 0-16 0 0-200040 0 0 目），抛光机抛光（10 0 0 0-150 0 0-20000目），后用酒精清洗表面，在扫描电镜下观察,两种材料都非常均匀。两个厂家的材料中各种元素的比例见表4。表4两个厂家材料中各种元素的比例，%A材料B材料00.38P0S0.32有害元素总量0.70Mn0.475结论众所周知，氧元素在金属中主要形成氧化加钢材的冷淬性，A材料中几乎没有磷；硫含量的增加，使钢材具有热淬性，热加工时，分布于晶界的共晶体先行熔化而导致开裂；而锰元素能提高钢的强度，削弱和消除硫的不良影响，提高钢的淬透性,A材料中锰元素含量约为B材料的3倍；B钢料有害元素总量为A钢料的2 5.7 1%，这也是其性能达不到A钢料的主要原因。参考文献：0.721王旭,赵羽,张宝刚,等TBM滚刀刀圈磨损机理研0.03究J。现代隧道技术,2 0 10,47(5):15-19.0.132陈林成形工艺对H13钢组织和力学性能的影响.热处理,2 0 11,2 6(6):49-52.0.883中国兵器工业集团公司质量安全部.力学性能检测0.15M.北京：兵器工业理化检测人员培训教材编委会，2009.4GB/T228.1-2021,金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法S.2024年第1期安装机械汽幼具39