試樣取樣與加工對(duì)美標(biāo)金屬材料拉伸性能的影響

耿富強(qiáng) 劉兵華 李美琳

（山東核電設(shè)備制造有限公司)

0 前言

金屬材料的拉伸試驗(yàn)作為應(yīng)用最為廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)方法，對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和選材、新材料的研制、材料的采購(gòu)和驗(yàn)收、產(chǎn)品質(zhì)量的控制等，都具有很重要的意義。通過(guò)拉伸試驗(yàn)，可以得到材料的基本力學(xué)性能參數(shù)。目前在材料復(fù)驗(yàn)中較為常用的指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和彈性模量等，它們是反映金屬材料力學(xué)性能的重要參數(shù)。拉伸試樣的制備對(duì)于其材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果的影響至關(guān)重要。

本文通過(guò)對(duì)比美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM材料A36和A572 Gr.50鋼板的不同取樣方向、取樣位置、試樣的加工和尺寸偏差，研究其拉伸試樣的制備對(duì)于拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響，從而指導(dǎo)原材料的采購(gòu)驗(yàn)收工作，將試樣加工對(duì)拉伸性能測(cè)試的影響降到較低的水平。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試樣材料選用ASTM中的A36鋼板 (厚度為12.7 mm)、A572 Gr.50鋼板 (厚度為 12.7 mm)、A36圓鋼和A572 Gr.50 H型鋼。對(duì)鋼板分別取相對(duì)于軋制方向?yàn)榭v向、橫向和45°方向的矩形拉伸試樣，試樣的取樣方向見(jiàn)圖1。對(duì)A572 Gr.50 H型鋼矩形拉伸試樣分別取在翼緣和腹板1/3處。對(duì)A36圓鋼在其中心及1/4直徑位置取圓形試樣。矩形和圓形拉伸試樣均加工成ASTM A370中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，試樣尺寸見(jiàn)圖2、圖3。采用山東核電設(shè)備制造有限公司W(wǎng)AW-300B萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。

圖1 拉伸試樣取樣方向

圖2 矩形拉伸試樣

圖3 圓形拉伸試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 取樣方向?qū)煨阅艿挠绊?/h3>

A36與A572 Gr.50鋼板的三組試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同取樣方向的力學(xué)性能指標(biāo)

由表1可見(jiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，A36鋼板和A572 Gr.50鋼板滿足ASTM A36/A36M-2008《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和ASTM A572/A572M-2007《高強(qiáng)度低合金鈮-釩結(jié)構(gòu)鋼》的技術(shù)要求。但是不同的取樣方向A36與A572 Gr.50材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率的值存在明顯差異，垂直于軋制方向力學(xué)性能最差，45°方向次之，沿軋制方向拉伸性能最好。這是因?yàn)殇撳V結(jié)晶特點(diǎn)的限制，軋制時(shí)柱狀晶易于在變形過(guò)程中轉(zhuǎn)向，使軋制方向的變形纖維具有方向性。另外，夾雜物也會(huì)沿主變形方向流動(dòng)排列形成金屬纖維組織，從而造成金屬材料性能的各向異性。一般在平行于軋制方向上材料的拉伸性能較好，而在垂直于軋制方向上拉伸性能較差。

2.2 取樣位置對(duì)拉伸性能的影響

A36圓鋼與A572 H型鋼不同取樣部位的力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 不同取樣部位的力學(xué)性能指標(biāo)

由表2可見(jiàn)，對(duì)于圓鋼其中心處的抗拉強(qiáng)度要明顯低于1/4直徑處的抗拉強(qiáng)度，與1/4直徑處相差35 MPa，屈服強(qiáng)度相差40 MPa，斷后伸長(zhǎng)率相差6%，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于H型鋼在翼緣和腹板的不同部位取樣其拉伸性能也存在差異，在翼緣和腹板位置取樣，抗拉強(qiáng)度相差16 MPa，屈服強(qiáng)度相差26 MPa，斷后伸長(zhǎng)率相差約11.5%?？梢?jiàn)取樣部位對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有著不可忽視的影響，究其原因是金屬材料加工成形過(guò)程中其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷以及加工變形等的不均勻性，使得同一批次、甚至同一產(chǎn)品的不同部位力學(xué)性能出現(xiàn)差異。按照ASTM A370/A370M-2007、ASTM A6/A6M-2008中規(guī)定，直徑大于25.4 mm圓鋼拉伸試樣取在直徑的1/4位置，H型鋼翼緣寬度大于200 mm時(shí)拉伸試樣應(yīng)從翼緣1/3位置處切取。

2.3 試樣的尺寸偏差對(duì)拉伸性能的影響

在標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370/A370M中，規(guī)定了兩種不同的拉伸試樣形式，分別為矩形試樣和圓形試樣。其中矩形試樣又分為1.5 in（38.1 mm）寬板型試樣、1/2 in(12.7 mm)寬薄片型試樣和小尺寸試樣，圓形試樣分為?12.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣和非標(biāo)準(zhǔn)試樣。

理想狀態(tài)是試樣標(biāo)距范圍內(nèi)其橫截面尺寸處處都均勻一致，測(cè)量標(biāo)距范圍內(nèi)的變形 （在發(fā)生縮頸變形前）也處處都均勻一致。但在試樣的實(shí)際加工過(guò)程中，由于機(jī)床或刀具的原因不可能保證在標(biāo)距范圍內(nèi)試樣寬度或直徑處處均勻一致，形狀的偏差不可避免。一般試樣在加工過(guò)程中造成的形狀公差有以下三種情況：（1）一端大，另一端小;（2）兩端大，中間小;（3）中間大，兩端小。其中最常見(jiàn)的情況是一端大，另一端小。

以相對(duì)兩面加工矩形試樣為例，其拉伸強(qiáng)度指標(biāo)R0為：

式中F——拉力;

a0——試樣原始厚度;

b0——試樣加工后的實(shí)際寬度。

在試驗(yàn)進(jìn)行前應(yīng)對(duì)試樣多測(cè)量幾組數(shù)值，在試樣標(biāo)距范圍內(nèi)選擇最小值進(jìn)行記錄，盡可能使試樣斷裂面與測(cè)量部位吻合。由于多種因素的影響，試樣斷裂部位并非在測(cè)量原始尺寸的部位，這時(shí)形狀公差就會(huì)給拉伸試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)影響。假設(shè)試樣的寬度公差為Δ，則以a0和b0±Δ為原始尺寸計(jì)算得到的強(qiáng)度指標(biāo)R1為：

因此，對(duì)于形狀公差引起的強(qiáng)度測(cè)量的相對(duì)誤差可按下式計(jì)算：

由上式可見(jiàn)，拉伸試樣的形狀公差對(duì)材料的拉伸性能有影響，且b0越小對(duì)δ1影響越大，也就是說(shuō)形狀公差對(duì)小尺寸試樣的影響更明顯。因此在拉伸試樣的制備過(guò)程中，應(yīng)提高對(duì)試樣形狀公差的控制要求，尤其是對(duì)小尺寸試樣。

2.4 樣坯的切取和制備方法

拉伸試樣樣坯的切取方法有很多種，如冷剪法、火焰切割法、砂輪片切割法和機(jī)械加工法等。不管采取哪種方法，都必須防止材料受熱、加工硬化和變形，以免影響其力學(xué)性能。切取樣坯時(shí)應(yīng)留有足夠的機(jī)加工余量，以把受熱或冷加工硬化的部分完全去掉。

用熱切割或冷切割法切取試樣時(shí)，從樣坯切割線至試樣邊緣必須留有足夠的加工余量。加工余量的選取可以參考表3。另外加工余量也可根據(jù)供需雙方的要求確定。

表3 加工樣坯所留的加工余量

從樣坯加工成合格的拉伸試樣，需要經(jīng)過(guò)多種加工方法和工藝。加工圓形試樣要用到車(chē)床，加工矩形試樣要用到銑床 (或刨床)和平面磨床。車(chē)削、銑削、磨削的深度和進(jìn)給速度以及潤(rùn)滑冷卻都要適當(dāng)，以防止材料因受熱或加工硬化而影響其拉伸性能。要嚴(yán)格按規(guī)范機(jī)加工試樣，以免影響材料性能的測(cè)定。

3 結(jié)論

通過(guò)以上幾組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，拉伸試樣的取樣方向、取樣位置、試樣加工的尺寸偏差等都不同程度地影響著金屬材料的拉伸性能。因此，在實(shí)際檢測(cè)工作中應(yīng)正確認(rèn)識(shí)和了解這些因素對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響。拉伸試驗(yàn)前應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)確定的取樣部位和取樣方向取樣，將樣坯加工成規(guī)定橫截面和形狀的試樣，應(yīng)盡可能提高試樣的加工精度并滿足標(biāo)準(zhǔn)的尺寸要求，同時(shí)也要避免樣坯和試樣在取樣和制備過(guò)程中受到熱影響和加工硬化影響。

[1] ASTM A36/A36M-2008.碳素結(jié)構(gòu)鋼 [S].

[2] ASTMA572/A572M-2007.高強(qiáng)度低合金鈮-釩結(jié)構(gòu)鋼 [S].

[3] ASMT A370/A370M-2007.鋼制品力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義 [S].

[4] ASTM A6/A6M-2008.結(jié)構(gòu)鋼軋制棒材、鋼板、型鋼和鋼板樁的一般要求 [S].