分享：拉伸试样类型的选择对中厚钢板拉伸性能的影响

中厚板产品可以应用在桥梁、管线、容器、风电、造船和机械等各个领域,其性能均匀性是衡量产品好坏的重要指标之一[1-2]。很多学者对钢板性能均匀性的影响因素进行了研究,包括连铸坯偏析、轧制节奏、水冷制度等[3-6],但是对力学性能测试的试样类型及其试验数据的对比研究则较少。 

在机械加工和试验能力允许时,应使用全截面钢板试样,钢板厚度不小于30 mm时也可以选择单面减薄至不小于30 mm的矩形拉伸试样,钢板厚度不小于25 mm时,也可以选择厚度1/4位置处的圆形拉伸试样。因此,检测厚度不小于30 mm钢板的拉伸性能时,根据GB/T 2975—2018《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试样制备》,拉伸试样类型可以有多种选择,仅拥有不大于600 kN拉伸试验机的实验室可采用圆形拉伸试样,也可以采用减薄试样,而拥有大于600 kN拉伸试验机的实验室可使用全厚度矩形拉伸试样[7-8]。笔者通过矩形拉伸试样和圆形拉伸试样的对比试验,研究了拉伸试样类型的选择对中厚板拉伸性能的影响,并采用金相检验方法研究了影响的根本原因。 

1.   试样制备与试验方法

1.1   试样制备

选择生产工艺稳定的厚度为90 mm的Q460C热轧钢板,其化学成分符合GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》的要求,按照GB/T 2975—2018标准要求,在钢板宽度1/4处切取规格为400 mm×1 400 mm（长度×宽度,下同）的材料,采用轧向锯切法去除加工余量30 mm后,加工出12个规格为40 mm×300 mm的钢板。按GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》 附录D将奇数编号（1,3,5,7,9,11号）钢板加工成宽度为30 mm的矩形试样,分别编号为1#,3#,5#,7#,9#,11#,按GB/T 228.1—2021附录G将偶数编号（2,4,6,8,10,12号）钢板加工成直径为20 mm的圆形试样,分别编号为2#,4#,6#,8#,10#,12#。由同一人员集中完成试样加工。 

1.2   试验方法

影响室温抗拉强度测量结果的因素主要有载荷、横截面积和拉伸速率等,故对比试验由同一试验员在同一时间、同一试验机上依据GB/T 228.1—2021标准完成,测量试样横截面尺寸时,使用分辨率为0.01 mm的同一测量工具；测试矩形试样和圆形试样的强度时,采用相同的拉伸速率。 

2.   试验结果与讨论

2.1   力学性能

不同试样的室温拉伸试验结果如表1所示,矩形试样的上屈服强度、抗拉强度、断后伸长率的相对标准偏差分别为1.047%,0.280%,9.518%,圆形试样的上屈服强度、抗拉强度、断后伸长率的相对标准偏差分别为0.729%,0.664%,3.167%。由表1可知：从平均值上看,与矩形拉伸试样相比,圆形拉伸试样的上屈服强度测量值低于22.2 MPa,相对低4.7%,圆形拉伸试样的抗拉强度测量值低于23.2 MPa,相对低3.9%,而断后伸长率平均值变化不大；使用Minitab软件对矩形试样和圆形试样检测值进行双样本T分析,上屈服强度、抗拉强度均存在明显差异；矩形试样断后伸长率的相对标准偏差明显大于圆形试样,其原因是厚板矩形试样的断口位置存在不同程度的复杂变形,增大了断后标距的检测波动。 

2.2   显微组织

钢板厚度方向不同位置处的显微组织形貌如图1所示,其中图1a）为表面位置,图1b）为1/4厚度位置,图1c）为1/2厚度位置,T为钢板厚度。由图1可知：钢板厚度方向不同位置的显微组织有显著差异。从铁素体晶粒尺寸看,图1中的铁素体晶粒尺寸有差异,对应照片的平均晶粒度从11级向10级逐渐转变。 

图  1  钢板厚度方向不同位置处的显微组织形貌

2.3   讨论

在钢板控轧控冷阶段的层流水冷却时,一开始钢板表面温度急剧下降,中心温度下降得比较缓慢,随着冷却时间的延长,表面和内部温差越来越大；停止水冷后（空冷阶段）,心部温度缓慢下降,表面温度逐渐回升；随着时间的延长,表面和内部温度逐渐趋于一致[9-11]。钢板厚度方向不同位置冷却速率不同,导致显微组织存在一些差异,进而影响了宏观拉伸性能。数据统计显示,圆形拉伸试样抗拉强度测量值普遍低于矩形拉伸试样。 

3.   结论

（1）钢板冷却时,厚度方向的显微组织存在差异,影响了其拉伸性能。 

（2）钢材出厂检验和验收时,应尽可能采取相同的拉伸试样类型,以缩小检测结果的差异。 

（3）实验室应配置更大测量范围的拉伸试验机,尽可能测量全厚度试样。

文章来源——材料与测试网