圓棒拉伸試樣直徑對(duì)厚板力學(xué)性能影響的探究

宋鴻印，賈海偉，王勇，項(xiàng)美輝，曾遠(yuǎn)新

（新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部）

1 前言

拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)性能檢測(cè)中最基本、最經(jīng)典和常用試驗(yàn)方法。通過(guò)拉伸試驗(yàn)獲得金屬材料的塑性和強(qiáng)度數(shù)據(jù)，如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、斷后延伸率、彈性模量等。試驗(yàn)得到的金屬材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)，無(wú)論對(duì)于新材料的研發(fā)、選材和設(shè)計(jì)、材料的采購(gòu)和驗(yàn)收、產(chǎn)品質(zhì)量的控制、以及使用的安全性都有很好的參考和應(yīng)用價(jià)值，有些研發(fā)工作直接采用拉伸試驗(yàn)的結(jié)果作為依據(jù)。在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中一般將金屬材料力學(xué)性能作為必測(cè)項(xiàng)。

金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果影響的因素較多，而產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)拉伸試驗(yàn)無(wú)論圓棒試樣直徑是多少，對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)的要求基本都相同。有的實(shí)驗(yàn)室受到拉力試驗(yàn)機(jī)能力的限制，會(huì)加工出不同直徑的圓棒拉伸試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。文章探討了將鋼板的拉伸試樣加工成不同直徑的圓棒試樣，重點(diǎn)研究圓棒試樣直徑變化對(duì)力學(xué)性能的影響，以找出能夠代表鋼板力學(xué)性能真實(shí)情況的規(guī)律。

2 材料與試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為八鋼公司中厚板廠生產(chǎn)的Q345板在 H50mm、H32mm厚度的鋼板上加工φ10mm、φ12mm、φ15mm、φ18mm、φ20mm、φ22mm、φ25mm的圓棒試樣。按照GB/T1975-1998中要求，拉伸試樣在鋼板寬度1/4處截取中樣坯，為了保證不同取樣部位不對(duì)拉伸試驗(yàn)的影響，每個(gè)規(guī)格厚度鋼板圓棒拉伸試樣在同一中樣坯上按照GB/T1975-1998[1]和GB/T228.1-2010[2]中的要求加工。拉伸試樣在600kN微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)方法按照GB/T 228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)中給出的方法進(jìn)行。

用DMI5000M倒置式光學(xué)顯微鏡對(duì)取樣鋼板的金相組織和夾雜物含量進(jìn)行觀察和分析，利用光譜分析方法檢測(cè)了取樣鋼板的化學(xué)成分。

3 結(jié)果與分析

對(duì)選用的材料Q345板H50mm、H32mm的試樣分別編號(hào)為試樣1、試樣2。將試樣1、試樣2加工成7種直徑的圓棒試樣，分別做6組檢測(cè)，對(duì)試樣的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織及夾雜物進(jìn)行試驗(yàn)分析。

3.1 化學(xué)成分分析

取樣鋼板（Q345低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼）化學(xué)成分見表1，符合GB/T1591-2008[3]標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.2 力學(xué)性能測(cè)試分析

在拉伸試驗(yàn)中，拉伸速率根據(jù)GB/228.1-2010的要求進(jìn)行控制?？梢栽诶煸囼?yàn)中測(cè)試各種機(jī)械性能，主要檢測(cè)抗拉強(qiáng)度（m）、屈服強(qiáng)度（el）和斷后伸長(zhǎng)率（）。在試驗(yàn)期間，測(cè)試了7種不同直徑的圓棒樣品，并對(duì)同一樣品同直徑的6個(gè)試樣拉伸結(jié)果取其平均值，試驗(yàn)后的拉伸結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

試樣尺寸 Rm MPa試樣1 試樣2 Rel MPa A，% Rm MPa Rel MPa A．%528 374 28 547 410 28 φ18mm 525 395 27 557 409 27 542 362 28 537 396 27.5 525 360 26.5 559 416 26.5 540 380 28.5 539 397 25.5 533 371 28.5 571 413 25.5均值 532 374 27.8 552 407 26.7 536 379 28 569 408 26 φ20mm 529 372 29.5 573 407 29.5 534 374 29.5 573 418 26 527 372 25.5 567 393 26 536 367 26.5 540 403 25.5 543 357 26 538 378 25均值 534 370 27.5 560 401 26.3 535 372 26 563 412 25.5 φ22mm 543 383 27.5 561 401 27.5 520 355 27 547 403 25 556 383 27.5 559 405 27.5 547 397 26.5 571 410 26 526 382 27 536 395 25均值 538 379 26.9 556 404 26 537 385 27 573 416 25 φ25mm 542 390 26 574 418 25.5 531 387 28.5 572 416 24.5 532 373 26 528 408 25.5 553 376 24 549 417 25 523 402 25 532 410 24.5均值 536 386 26 555 414 25

根據(jù)表2中同一試樣同直徑的6個(gè)試樣拉伸結(jié)果的平均值繪制出圓棒試樣的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率）隨著試樣直徑變化見趨勢(shì)圖1、2、3。

圖1 抗拉強(qiáng)度隨試樣直徑變化圖

圖2 屈服強(qiáng)度隨試樣直徑變化圖

圖3 斷后伸長(zhǎng)率隨試樣直徑變化圖

從表2中的數(shù)據(jù)及圖1、2、3可以看出隨著圓棒試樣直徑的減小其抗拉強(qiáng)度沒(méi)有明顯的變化；屈服強(qiáng)度（eL）隨著試樣直徑的減小有著緩慢降低的趨勢(shì)，其中圓棒試樣直徑為φ 10mm和φ20mm相對(duì)于其余直徑試樣屈服強(qiáng)度要低；斷后伸長(zhǎng)率隨著圓棒試樣直徑的減小逐漸增大的趨勢(shì)。其試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與日前研究者研究分析得出的隨著試樣直徑的變大塑性有稍微下降趨勢(shì)的結(jié)論基本一致。

3.3 夾雜物及金相組織分析

試樣1和試樣2的夾雜物評(píng)級(jí)和金相組織見表3。圖4、5分別為試樣1、2的1/4、1/2處的金相組織。

表3 取樣鋼板的金相分析

圖4 試樣1和試樣2的1/4處金相組織圖

圖5 試樣1和試樣2的1/2處金相組織圖

由于鋼板在冷熱變形加工的過(guò)程中，變形量處處不會(huì)均勻，金屬材料內(nèi)部金屬組織和各種缺陷的分布也不均勻[4]。鋼板在軋制的過(guò)程中，一般要經(jīng)過(guò)控冷處理，用冷卻水作用于鋼板表面，使其上下表面同時(shí)冷卻處理，表面降溫速度大于中部，所以鋼板表層組織要比芯部更細(xì)小，即鋼板表層到芯部晶粒逐漸變細(xì)小，故表層強(qiáng)度比芯部要高[5]。在加工圓棒試樣的過(guò)程中去除鋼板表層加工成所需直徑的拉伸試樣，必然會(huì)去除一部分表層金屬，會(huì)影響拉伸試驗(yàn)的結(jié)果。因此，同一位置加工的圓棒拉伸試樣拉伸結(jié)果隨著試樣直徑的減小，其強(qiáng)度有降低的趨勢(shì)。

在鋼板軋制的過(guò)程中，其中心溫度一直高于表層溫度，在軋制與冷卻的過(guò)程中由于表層溫度的減小阻止了晶粒長(zhǎng)大，而鋼板中心溫度大于表層，晶粒長(zhǎng)大的速度要大于表層，所以鋼板的中心晶粒大于表層晶粒。鋼板從表層到中心部位的晶粒度結(jié)果如表4所示。

表4 鋼板表層到中心部位晶粒度的大小

通過(guò)金相分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)所得強(qiáng)度變化與晶粒度相關(guān)度不大，其趨勢(shì)變化與所查文獻(xiàn)中所得理論結(jié)果有所不同，其原因主要是不同直徑圓棒試樣加工位置選擇都在鋼板厚度1/4處，并且八鋼生產(chǎn)的鋼板在同一位置的晶粒較均勻，筆者認(rèn)為所選試樣的晶粒度對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有大的影響。

4 結(jié)論

（1）金屬材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響因素較多，通過(guò)將Q345厚板材料加工成不同直徑圓棒試樣，對(duì)力學(xué)性能的影響趨勢(shì)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)分析。結(jié)果表明，圓棒試樣直徑的減小，圓棒試樣的抗拉強(qiáng)度值變換基本不大，而屈服強(qiáng)度（e）l有著緩慢降低的趨勢(shì)，其斷后伸長(zhǎng)率隨著圓棒試樣直徑的減小有逐漸增大的趨勢(shì)。

（2）目前對(duì)鋼板加工成圓棒試樣的尺寸一般在標(biāo)準(zhǔn)中未明確規(guī)定，當(dāng)受制拉力試驗(yàn)機(jī)能力不足及減少用戶質(zhì)量異議的情況時(shí)，建議將鋼板拉伸試樣加工成圓棒試樣時(shí)優(yōu)先加工的順序?yàn)棣?0mm、φ10mm。