鋼板厚度方向性能試驗(yàn)及試樣的取樣與制備

鄧宗梁

1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350108；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108

厚度方向性能鋼板，俗稱Z 向板，是用于防止板材的層狀撕裂，主要連接處的板材或者在板厚方向承受重大拉應(yīng)力的板材，也稱Z 向鋼，又稱抗層狀撕裂鋼，適用于因結(jié)構(gòu)中承受厚度方向拉伸載荷而對(duì)鋼材厚度方向有性能要求的地方，如高層建筑和大跨度鋼結(jié)構(gòu)的厚鋼板結(jié)構(gòu)等，厚度方向性能即平時(shí)所說(shuō)的Z 向性能。

軋制成型的鋼板在長(zhǎng)寬高三個(gè)方向（即沿軋制方向、垂直于軋制方向和厚度方向）的力學(xué)性能是有差異的，并不是完全各向同性的，其中沿軋制方向性能最好，厚度方向最差。普通質(zhì)量的鋼板局部有出現(xiàn)分層現(xiàn)象的可能，厚度越厚的可能性越大，厚度越小的可能性越小甚至不會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)厚度超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，其出現(xiàn)這種現(xiàn)象幾乎是無(wú)法避免的。為解決這個(gè)問(wèn)題，最好采用Z 向鋼，其在厚度方向具有良好的抗層狀撕裂性能，相對(duì)于一般鋼材，它經(jīng)過(guò)了特殊處理和冶煉等工藝，其有較低的硫含量，不到普通鋼材的20%，斷面收縮率也會(huì)超過(guò)15%［1］。

1 Z 向性能試驗(yàn)

鋼結(jié)構(gòu)工程，當(dāng)板厚超過(guò)40 mm 且在厚度方向有承受荷載時(shí)，為了不使層間分層和層狀撕裂的現(xiàn)象在焊接過(guò)程中出現(xiàn)，設(shè)計(jì)可采用Z 向鋼，一種能抵抗層狀撕裂的鋼材，使用前，應(yīng)復(fù)驗(yàn)其Z 向性能。國(guó)標(biāo)GB 50205-2020 中也規(guī)定，如果設(shè)計(jì)采用了Z 向鋼板且厚度≧40mm 的要進(jìn)行抽樣測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果符合相關(guān)要求后方能使用［2］。國(guó)標(biāo)《厚度方向性能鋼板》GB/T 5313-2010 為Z 向鋼的現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，Z 向性能試驗(yàn)是在Z 向鋼的厚度方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，用測(cè)出的斷面收縮率評(píng)定Z向性能，GB/T 5313 標(biāo)準(zhǔn)中Z 向性能級(jí)別分為Z15、Z25、Z35等三個(gè)級(jí)別，其對(duì)應(yīng)的硫含量要求分別為≦0.010%、0.007%、0.005%［1］，表1 中給出了各級(jí)別鋼板斷面收縮率的具體要求。斷面收縮率的試驗(yàn)方法為《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)方法》GB/T 228.1-2010［3］。Z15 級(jí)別的鋼板應(yīng)按批進(jìn)行Z向性能檢驗(yàn)，Z25 和Z35 級(jí)別的鋼板應(yīng)逐軋制張進(jìn)行檢驗(yàn)［1］。

表1 厚度方向性能級(jí)別及斷面收縮率值

2 取樣

2.1 取樣一般要求

（1）取樣前，應(yīng)先檢查鋼板的外觀和尺寸是否滿足要求，且試料應(yīng)足夠，能保證機(jī)加工出符合相關(guān)要求的試樣。

（2） 取樣時(shí)，一定要在試樣上做好標(biāo)識(shí)標(biāo)記，以免混淆，如果混淆則無(wú)法分辨出試樣取樣的位置與方向。

2.2 取樣

在一端鋼板上切取，縱向方向?yàn)檠刂摪宓闹鬈堉品较?，寬度方向?yàn)檎麎K鋼板的中部位置即1/2 的寬度處，切取足夠的試料。如果鋼板是鋼錠成材的，一定要取于對(duì)應(yīng)鋼錠的頭部端處。試料的長(zhǎng)度和大小需能滿足6 個(gè)試樣的制備，其中3 個(gè)試驗(yàn)，另3 個(gè)備用［1］。

3 試樣的制備

3.1 試樣制備一般要求

試樣制備時(shí)應(yīng)注意熱影響和試樣表面的硬化，不能受其影響而改變?cè)嚇拥牧W(xué)性能。最終的機(jī)加工工序應(yīng)保證試件的形狀、表面質(zhì)量以及尺寸能滿足相關(guān)技術(shù)要求［4］。

若實(shí)驗(yàn)室金屬材料試驗(yàn)樣品的機(jī)械加工（取樣和制樣）采取委托外部單位進(jìn)行加工的方式，必要時(shí)，應(yīng)派專人（檢測(cè)員資格及以上人員）前往加工單位進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)督，確保機(jī)加工工作的順暢進(jìn)行和加工的準(zhǔn)確性。

3.2 Z 向性能試樣制備

對(duì)于板厚≮40mm 的Z 向鋼，可選擇加工成帶延伸部分的試樣，將延伸部分焊接到試樣的兩個(gè)表面上，如圖1 所示。焊接前，應(yīng)先清除試樣表面的所有鐵銹、氧化鐵皮、油脂等雜物。采用摩擦焊或其他合適方法以保證熱影響區(qū)最小的方式進(jìn)行焊接［1］。

從截取的試料中切取一段50mm 長(zhǎng)的樣坯進(jìn)行機(jī)械加工，機(jī)加工成圖1 所示的試件，其中中間部分為試樣，上下部分均為用于試驗(yàn)夾具夾持的延伸部分，t為試樣厚度，Lc為平行段長(zhǎng)度，試件的縱向即拉伸方向?yàn)樵嚇雍穸确较?。加工的試件相關(guān)尺寸取值為，平行段部分的直徑d0取10mm，夾持端延伸部分的直徑d取16mm，平行段部分與夾持部分以圓弧過(guò)渡，過(guò)渡弧半徑R 應(yīng)滿足≥2mm 的要求，可取3mm，平行段長(zhǎng)度Lc應(yīng)≧1.5倍d0且不超過(guò)80mm，取制樣造成的熱影響區(qū)應(yīng)在Lc之外，試樣總長(zhǎng)Lt應(yīng)根據(jù)試樣厚度和所使用的試驗(yàn)設(shè)備來(lái)確定，一般可取400～450mm。

圖1 帶兩個(gè)延伸部分的Z 向性能試樣

4 取制樣注意事項(xiàng)

（1）截取樣時(shí)，要注意熱影響及加工硬化對(duì)鋼板力學(xué)性能的影響，所采用的任何切割方法不能影響試樣的有關(guān)性能。在保證切割面距離試樣表面超過(guò)8mm 的情況下，可以使用熱切割等方法從試件上截取試樣［5］。

（2）機(jī)加工試樣時(shí)，應(yīng)去除由于取樣造成的變形和加工過(guò)程中伴隨的熱影響及加工硬化區(qū)。

（3）為確保加工精度，粗、精加工應(yīng)分開進(jìn)行。因?yàn)榇旨庸r(shí)，切削量大，試件所受切削力、夾緊力大，發(fā)熱量多，試件內(nèi)部存在著較大的內(nèi)應(yīng)力，如果粗、精加工連續(xù)進(jìn)行，則精加工后的試件精度會(huì)因?yàn)閼?yīng)力的重新分布而很快喪失。必要時(shí)，在粗加工之后和精加工之前，應(yīng)進(jìn)行低溫退火或時(shí)效處理工序來(lái)消除內(nèi)應(yīng)力。

（4）應(yīng)確保制備好的試樣在轉(zhuǎn)移、運(yùn)輸及儲(chǔ)存過(guò)程中的完好、完整，避免出現(xiàn)影響檢測(cè)結(jié)果的損壞，如表面劃傷、磕碰、磨損、彎折、缺損、缺失等。

（5）取制樣時(shí)務(wù)必注意安全，既不能傷害自己也不能危害他人，牢固樹立安全意識(shí)。開工前應(yīng)做好安全交底，排除安全隱患，操作時(shí)需按規(guī)定程序作業(yè)，不可違規(guī)操作。安全無(wú)小事，防患于未然，無(wú)危則安，無(wú)損則全。

5 結(jié)語(yǔ)

Z 向鋼常見于鋼結(jié)構(gòu)高層建筑和大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程的厚鋼板中，其力學(xué)性能的好壞關(guān)乎鋼構(gòu)件是否可靠，其重要性可見一斑。厚度方向性能試驗(yàn)是Z 向鋼材料的重要試驗(yàn)參數(shù)，其試驗(yàn)結(jié)果的大小反映了該材料抗層狀撕裂能力的強(qiáng)弱，試驗(yàn)員需熟練掌握其試驗(yàn)方法和試樣的取樣與制備要求。文中介紹了板厚不小于40mm 且設(shè)計(jì)有厚度方向性能要求的Z 向鋼的厚度方向性能試驗(yàn)及檢測(cè)試樣的取樣部位、方向、數(shù)量、方法以及試樣的制備方法等，并歸納出幾點(diǎn)試樣取制樣時(shí)需注意的重要事項(xiàng)，為相關(guān)試驗(yàn)室進(jìn)行厚鋼板Z 向性能試驗(yàn)及試樣的取制樣提供便利和借鑒。