矩形截面拉伸試樣尺寸對鋼板力學性能測試結果的影響

田慶榮 王克杰 （天津鋼鐵有限公司技術中心，天津 300301)

矩形截面拉伸試樣尺寸對鋼板力學性能測試結果的影響

田慶榮 王克杰 （天津鋼鐵有限公司技術中心，天津 300301)

通過板材減薄試樣和全截面試樣拉伸實驗力學性能的對比統計分析，探討了兩種試樣對力學性能的影響，結果表明：采用坯材厚度不變的全截面試樣的拉伸實驗結果與減薄試樣相比，屈服強度、抗拉強度無明顯變化，斷后伸長率提高。

矩形 截面 試樣 力學性能 測試 對比

1 引言

對于板材厚度大于30 mm的板材拉伸實驗，按照GB/T2975的規定，可以將樣坯厚度單側減薄到30 mm，制成30 mm×30 mm的矩形截面試樣，設試樣厚度為a，試樣寬度為b，則該種試樣的寬厚比為1（b／a=1)。這種試樣由于不是取板材的全厚度進行試驗，因而不能直接表征板材整體性能。該標準中也指出，在試驗機能力允許的條件下，應當盡可能采用全截面試樣進行試驗（以下簡稱全截面試驗)。因此，我們希望對于30 mm以上的板材（如30 mm～60 mm)，在保持試驗機能力不增加的條件下也能進行全截面試驗。要做到這一點，就需要保持板材厚度不變，將試樣寬度加工到30 mm，即在寬厚比小于1的情況下進行試驗。這樣做對實驗結果有沒有影響，影響有多大，本文通過對比試驗進行對比分析。

2 試樣與試驗

此次試驗采用厚度減薄至30 mm，試樣寬厚比1：1的試樣（以下稱減薄試樣)，和厚度不減薄、寬度取30 mm即寬厚比＜1試樣（以下稱全截面試樣)。減薄試樣和全截面試樣取自同一塊樣坯的相鄰位置，由同一實驗人員在同一時間、使用同一設備進行試驗，確保試驗結果能最大限度地反映兩種試樣對力學性

能測量結果的影響。

2.1 試樣制備

試驗板材厚度：36 mm～60 mm。

減薄試樣：保留一個軋制面，厚度減薄至30 mm，寬度取 30 mm，寬厚比1：1。

全截面試樣：厚度不變，試樣寬度30 mm，寬厚比在0.5～0.83之間，具體見表1。

表1 拉伸試樣的寬厚比值

2.2 試驗內容

本次試驗檢測項目為屈服強度（Rel)、抗拉強度（Rm)和斷后伸長率（A)。對兩種試樣的檢測結果進行對比，通過數理統計進行分析研究。

3 試驗結果與統計分析

3.1 試驗結果

本次試驗共涉及5類鋼種，試樣76組,表2匯總了本次試驗的數據。見表2。

3.2 統計分析

3.2.1 均值分析

均值分析結果見表3。

表3 試驗結果統計

由表3中可以看出，全截面試樣與減薄試樣相比，屈服強度平均增加0.61%，抗拉強度平均增加1.15%，斷后伸長率平均增加8.85%。全截面試樣的斷后伸長率有較大的增加，抗拉強度次之，屈服強度增加最少。

3.2.2 回歸分析

假設一個材質十分均勻且無各向異性的樣坯，全截面試樣的檢測結果與減薄樣的檢測結果應一致，將減薄樣的檢測結果作為全截面的檢測結果的函數，二者之間應當是截距為0，斜率為1的直線（設減薄樣檢測結果為Y，全截面試樣檢測結果為X，則Y=a+bX，a=0 b=1)。事實上，由于板材的各向異性、本身的

缺陷以及試驗的不確定度，實際檢測結果必然存在差異，但二者之間應存在必然的線性關系。下面是對表2的數據進行線性回歸處理分析。結果見表4。

表2 試驗結果

設：減薄試樣檢測結果為y，屈服強度為yRel、抗拉強度為yRm、斷后伸長率為yA;全截面試樣檢測結果為x，屈服強度為xRel、抗拉強度為xRm、斷后伸長率為xAx與y的試驗結果分別為：

表4 屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率線性回歸處理結果

由上述分析可知，屈服強度和抗拉強度直線斜率已接近1，相關系數達到0.835以上，說明減薄試樣和全截面試樣的這兩個力學特征是一致的，也符合這兩個力學特征的本身定義。

斷后伸長率的相關系數為0.670。查表可知，當n-2＝74、置信度 α＝0.01 時，只要相關系數 lxy≥0.291,所擬合的x、y直線方程就有意義。由于0.670遠大于0.291，因此可以認為減薄試樣和全截面試樣仍然存在明顯的線性關系。表3的統計結果表明，全截面試樣的斷后伸長率高于減薄試樣8.8%。

應當指出，對同一試樣來說，斷后伸長率與試樣的截面大小有顯著的關系[3]。有資料表明斷后伸長率與試樣的橫截面積和抗拉強度有如下的對應關系[4]：

式中：εm——斷后最小伸長率

Am0.4——試樣的橫截面積

Um0.9——抗拉強度

K——系數

由式（7)可知，同一試樣在抗拉強度相同時，斷后伸長率與試樣的橫截面積成正比。試驗表明，全截面試樣與減薄試樣的抗拉強度沒有顯著變化，可認為相同;全截面試樣的橫截面積大于減薄試樣，所以試驗中全截面試樣比減薄試樣斷后伸長率提高8.8%的主要原因是全截面試樣的面積增加。

國家標準GB/T17600.1《鋼的斷后伸長率換算 第1部分：碳鋼和低合金鋼》中也給出了當試樣橫截面積不同時，斷后伸長率的換算方法，換算的基本公式[3]如下：

本次試驗中，考慮兩種尺寸的試樣斷后伸長率的可比性，規定 L0=LOR，（8)式簡化成：

用式(9)將全截面試樣斷后伸長率轉換成減薄試樣斷后伸長率后，斷后伸長率平均減少6.4%，也就是說，由于全截面試樣橫截面積大于減薄試樣的橫截面積，導致斷后伸長率增加了6.4%，即試驗中斷后伸長率的增加主要原因是試樣截面增加所導致。

3.2.3 μ檢驗

綜上所述，減薄試樣改為全截面試樣后，抗拉強度無明顯變化，斷后伸長率增加較大。這一結果是否合理可以通過統計檢驗驗證。本實驗中已知總體方差，且試驗樣本足夠大(n=76)，因此可以通過μ檢驗來分析減薄試樣改為全截面試樣后，對抗拉強度和斷后伸長率有無明顯影響。

設：減薄試樣總體均值=μ0;全截面試樣總體均值=xˉ;全截面試樣標準差=s;

假設1：H0：μ=μ0（μ是減薄樣改為全截面試樣后的總體均值)

分別計算屈服強度Rel、抗拉強度Rm以及斷后伸長率的統計量μi（i＝Rel、Rm、A)如表5所示。

表5 Rel、Rm以及A的統計值（α=0.05)

由于|μRel|=0.40＜1.96,所以相信 H0,認為用全截面試樣和用標準試樣測量的屈服強度沒有區別。

由于|μRm|=1.15＜1.96,所以相信 H0,認為用全截面試樣和用標準試樣測量的抗拉強度沒有區別。

由于|μA|=3.49＞1.96,所以不能相信 H0,認為用全截面試樣和用標準試樣測量的斷后伸長率是有區別。如上面所述，試樣的斷后伸長率與試樣的橫截面積呈正比，當試樣的尺寸增加，斷后伸長率相應的增大。從金屬材料本身的特性來看,|μA|所對應全截面試樣的斷后伸長率更真實地反映了材料整體情況，而μ0對應減薄試樣，由于只取了樣坯的一部分，從而導致了斷后伸長率H0的不相信。

4 結論

4.1 減薄試樣改為全截面試樣后，屈服強度和抗拉強度沒有明顯區別。

4.2 斷后伸長率增加的主要原因是全截面試樣的面積增加，由此導致本次試驗斷后伸長率平均增量在6.4%左右。

[1]袁蔭棠.概率論與數理統計[M].北京：中國人民大學出版社,1990.

[2]數學手冊編寫組.數學手冊[M].北京：人民教育出版社，1977.

[3]GB/T17600.1-1998，鋼的斷后伸長率換算[S].

[4]API Spec 5CT/ISO 11960,石油天然氣工業-油氣井套管或油管用鋼管[S].

Influence of Size of Rectangular Section Tensile Sample on Plate Mechanical Property Measurement Result

Tian Qingrong,Wang Kejie

The mechanical properties of thinned sample and full section sample of steel plate at tensile test are compared,collected and analyzed and the affect of these two samples on mechanical properties is discussed.Test results show that compared with thinned sample,the full section sample with thickness same as blank sample gives yield strength and tensile strength without noticeable change but higher elongation after fracture.

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（收稿 2010－09－07 責編 趙實鳴)

田慶榮,天津鋼鐵集團有限公司技術中心軋鋼實驗室副主任,高級工程師。