金属材料高温拉伸试验方法 ASTM E21-09

金属材料高温拉伸试验方法：ASTM E21-09 解析一、标准背景与适用范围

ASTM E21-09 是美国材料与试验协会（ASTM）制定的标准，规定了金属材料在高温条件下的拉伸试验方法。该标准适用于：

高温合金（如镍基、钴基合金）的力学性能评估。

航空航天、能源（如燃气轮机、核电）领域材料的高温强度、延性测试。

研发与质量控制：评估材料在高温环境下的服役性能。

适用温度范围：通常为室温以上至材料熔点的80%（如600℃~1200℃）。

二、高温拉伸试验的核心目的

评估高温力学性能

屈服强度（σ₀.₂）：材料在高温下产生0.2%塑性变形时的应力。

抗拉强度（σᵤ）：材料断裂前的Zui大应力。

断后伸长率（δ）：高温下材料的塑性变形能力。

断面收缩率（ψ）：材料断裂后的颈缩程度。

模拟实际工况

例如：燃气轮机叶片在1000℃下的蠕变-疲劳交互作用，需通过高温拉伸试验验证材料性能。

三、试验设备与关键要求

高温拉伸试验机

加热系统：电阻炉、感应炉或辐射加热炉，温度均匀性±5℃。

测力系统：精度优于±1%，可实时记录应力-应变曲线。

引伸计：接触式或非接触式（如激光引伸计），量程覆盖预期变形量（如0%~20%）。

试样制备

圆形试样：直径6 mm~12.5 mm，标距长度5倍直径（如d=10 mm，L₀=50 mm）。

矩形试样：厚度≤10 mm，宽度≥12.5 mm，标距长度5.65√S₀（S₀为横截面积）。

标准试样尺寸：

表面处理：试样表面需打磨、抛光，避免划痕或氧化皮影响结果。

温度控制

升温速率：通常≤5℃/min，避免热应力导致试样变形。

保温时间：达到目标温度后保温10~30分钟，确保试样温度均匀。

四、试验步骤与操作要点

试样安装

使用高温夹具（如陶瓷、石墨夹具）固定试样，避免夹持区过热或滑移。

安装引伸计，校准初始标距。

试验过程

加载速率：根据材料类型选择应变速率（如0.0001/s~0.005/s），或采用恒定位移速率（如0.5 mm/min）。

数据采集：记录力-位移曲线，同步监测温度波动。

试验终止

试样断裂后，立即停止加热，记录断裂位置与形态。

冷却试样至室温，测量断后标距与Zui小直径。

五、结果计算与数据处理

力学性能计算

屈服强度（σ₀.₂）：通过应力-应变曲线0.2%偏移法确定。

抗拉强度（σᵤ）：Zui大力（Fᵤ）除以原始横截面积（S₀）。

断后伸长率（δ）：

δ=L0Lf−L0×

其中L₀为原始标距，Lf为断后标距。

断面收缩率（ψ）：

ψ=S0S0−Sf×

其中Sf为断后Zui小横截面积。

2. 数据修正

温度修正：若试验温度偏离目标值，需根据材料热膨胀系数调整结果。

应变速率敏感性：高应变速率可能导致强度偏高，需在报告中注明加载条件。

六、高温拉伸试验的典型应用案例

航空发动机涡轮盘材料

材料：Inconel 718镍基合金。

试验条件：650℃、应变速率0.001/s。

结果：屈服强度950 MPa，断后伸长率18%，满足设计要求。

核电蒸汽发生器管材

材料：Incoloy 800H合金。

试验条件：550℃、应变速率0.0005/s。

结果：抗拉强度520 MPa，断面收缩率45%，验证材料在高温高压下的可靠性。

汽车排气歧管材料

材料：409L铁素体不锈钢。

试验条件：800℃、应变速率0.002/s。

结果：屈服强度220 MPa，断后伸长率25%，评估材料在热循环下的寿命。

七、与常温拉伸试验的对比

项目	高温拉伸试验	常温拉伸试验
温度	600℃~1200℃	室温（20℃~25℃）
强度变化	强度通常降低，延性可能提高	强度较高，延性较低
失效模式	颈缩后断裂，可能伴随氧化	颈缩明显，断裂面较平整
应用场景	高温服役部件	结构件常规性能评估

分析：

高温下材料的力学性能受热激活过程（如位错攀移、晶界滑动）影响，强度与延性关系与常温显著不同。

八、注意事项与常见问题

试样氧化

高温下试样表面易氧化，导致有效截面积减小，结果偏高。

解决方案：采用惰性气体保护（如氩气）或真空环境。

温度梯度

试样长度方向温度不均匀可能导致局部颈缩。

解决方案：优化加热炉设计，使用多点测温仪监控。

夹具打滑

高温下夹具与试样间摩擦系数降低，可能导致打滑。

解决方案：使用螺纹夹持或增加夹持力。

九、

ASTM E21-09标准为金属材料高温拉伸试验提供了科学、规范的方法，通过控制温度、应变速率等参数，可准确评估材料在高温下的力学性能。该标准在航空航天、能源、汽车等领域具有重要应用价值，能够：

保障材料可靠性：确保高温部件满足设计强度与延性要求。

指导材料研发：通过对比不同合金的高温性能，优化成分与工艺。

支持标准认证：为产品符合（如ASME、ISO）提供试验依据。

通过遵循该标准，可实现高温拉伸试验的准确性、可重复性和可比性，为高温工程应用提供可靠的技术支持。