試樣原始橫截面積計算方法對抗拉強度的影響

薛 凱, 歷 妍, 王毅磊

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司 制造管理部, 湛江 524072)

抗拉強度是金屬材料重要的力學性能指標之一，通過拉伸試驗起始拉伸到斷裂過程中的最大拉伸力和試樣原始橫截面積之比來計算[1]。GB /T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分: 室溫試驗方法》中規定“宜在試樣平行長度中心區域以足夠點數測量試樣的相關尺寸”、“原始橫截面積S0是平均橫截面積，應根據測量的尺寸計算”[2]。ISO 6892-1:2019(E)與JIS Z2241:2011相較于GB /T 228.1-2010對于原始橫截面積多出了“建議至少測量3點的相關尺寸”[3-4]。而ASTM E8/E8M-16a中也說到“允許試樣平行段從兩端向中間逐步減小，形成一個錐度”[5]。因此，筆者認為試樣橫截面積只需在試樣標距中心測量計算，即測量試樣標距中心的寬度和厚度。在實際生產中，因試樣的斷裂位置并不一定就是所測得最小橫截面積處[6]，且冷軋薄板在拉伸時需同時檢測鋼板的應變強化指數(r值)等性能，需要試樣的實際寬度的平均值來計算，而拉伸試驗需在試樣標距中間分別測量3組試樣的寬、厚度并計算橫截面積，對于試驗工作量大、自動化程度不高的試驗室，需要記錄的原始數據量很大，在實際執行過程中可操作性不強，有文獻建議在標準中明確使用多個測量位置的寬度平均值與厚度平均值的乘積作為平均橫截面積[7]。筆者通過試驗來分析試樣不同橫截面積的計算方法(即在測量計算原始橫截面積時，在試樣標距兩端及中間分別測量試樣的寬厚度，選取3點橫截面積的平均值、3點橫截面積中的最小值或3點寬度平均值和厚度平均值的乘積)對抗拉強度測試結果的影響。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

試樣加工為拉伸試驗中的P6試樣，具體信息見表1[8]。

表1 試樣信息Tab.1 Sample information

1.2 試驗設備

試驗采用全自動電子拉伸試驗機，力值測量范圍為0～150 kN，測量精度為0.5級，橫截面測量儀精度為±1.0 μm。

1.3 試驗方法

測量表1中拉伸試樣標距兩端及中間的寬厚度，再按GB/T 228.1-2010的方法B在拉伸試驗機上拉伸至斷裂，記錄試驗過程中的最大力值后，再計算不同原始橫截面積的計算方法所對應的抗拉強度值。

1.4 原始橫截面積及對應抗拉強度的計算

原始橫截面積及對應抗拉強度按以下幾種方法計算：

(1) 面積的平均值S01：在標距兩端及中間選取3點測量試樣的寬度和厚度，分別計算3點的橫截面積，再求橫截面積的平均值；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強度Rm1。

(2) 寬厚度平均值的乘積S02：在標距兩端及中間選取3點測量試樣的寬度和厚度，計算3點寬度和厚度的平均值，再計算寬度和厚度平均值的面積；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強度Rm2。

(3) 面積的最小值S03：在標距兩端及中間選取3點測量試樣的寬度和厚度，分別計算3點的橫截面積；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強度Rm3。

(4) 采用試樣名義寬度時面積的平均值S04：名義寬度為20 mm的試樣，在標距兩端及中間選取3點測量試樣的寬度和厚度，尺寸公差和形狀公差分別在±0.10 mm和0.12 mm內，采用試樣的名義寬度分別計算3點的橫截面積，再求橫截面積的平均值；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強度Rm4。

(5) 試樣形狀公差接近極限時面積的平均值S05：名義寬度為20 mm的試樣，在標距兩端及中間選取3點測量試樣的寬度和厚度，假設試樣在標距部分內，形狀公差恰好等于0.12 mm，分別計算3點的橫截面積，再求橫截面積的平均值；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強度Rm5。

(6) 測量試樣標距中間時的原始橫截面積S06：通過測量標距中間的寬度和厚度計算試樣的原始橫截面積；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強度Rm6。

2 試驗結果與討論

2.1 橫截面積及抗拉強度結果

橫截面積計算平均值及抗拉強度試驗結果見表2和表3。

表2 拉伸試樣原始橫截面積均值表Tab.2 Average value of original cross section area of tensile samples

表3 拉伸試樣抗拉強度測試結果Tab.3 Tensile strength test results of tensile samples MPa

2.2 試驗結果分析

不同材料的不同橫截面積計算方法得到的原始橫截面積如圖1和圖2所示，可見面積的平均值S01與寬厚度平均值的乘積S02結果重合，S02，S03，S06與S01的差值比S04，S05與S01的差異小。不同材料試樣的不同橫截面積計算方式得到的抗拉強度如圖3～圖5所示。

圖1 BUFD鋼試樣不同原始橫截面積計算方法所得的結果Fig.1 Results obtained by different original cross section area calculation methods of BUFD steel samples

圖2 DC06鋼與590DP鋼試樣不同橫截面積計算方法所得的結果Fig.2 Results obtained by different original cross section area calculation methods of DC06 steel and 590DP steel samples

圖3 BUFD鋼試樣不同橫截面積計算方法所得的抗拉強度Fig.3 The tensile strength obtained by different original cross section area calculation methods of BUFD steel sample

分析圖3和圖4可知，在強度相近時，不同厚度的材料采用寬厚度平均值的面積計算的Rm2與面積平均值計算的Rm1沒有區別，且Rm2，Rm3，Rm6與Rm1的差值都小于Rm4，Rm5與Rm1的差值。

分析圖4和圖5可知，在厚度相近時，不同強度的材料采用寬厚度平均值的面積計算的Rm2與面積平均值計算的Rm1沒有區別，且Rm2，Rm3，Rm6與Rm1的差值都小于Rm4，Rm5與Rm1的差值；

分析圖3、圖4和圖5可知，寬厚度平均值的面積計算的Rm2與面積平均值計算的Rm1差值幾乎為0，與面積最小值計算的Rm3，Rm6極差僅僅只有0.8 MPa，但都小于采用試樣名義寬度或達到試樣極限形狀公差時所計算的強度Rm4和Rm5與Rm1的差值。

圖4 DC06鋼試樣不同橫截面積計算方法所得的抗拉強度Fig.4 The tensile strength obtained by different original cross section area calculation methods of DC06 steel sample

圖5 590DP鋼試樣不同橫截面積計算方法所得的抗拉強度Fig.5 The tensile strength obtained by different original cross section area calculation methods of 590DP steel sample

為了分析不同橫截面積計算方法得到的抗拉強度是否存在顯著性差異，將表3中不同原始橫截面積計算方法所得到的的抗拉強度進行F檢驗和t檢驗，結果見表4。采用寬厚度平均值的乘積S02及面積平均值S01計算的抗拉強度結果重合，采用寬厚度平均值的乘積S02，面積最小值S03及原始橫截面積S06計算的抗拉強度與面積平均值S01計算的抗拉強度無顯著差異。而采用S04及S05計算的抗拉強度與采用S01計算的抗拉強度存在顯著性差異。

表4 抗拉強度的F檢驗和t檢驗統計表Tab.4 Statistical table of F test and t test for tensile strength

4 結論及建議

在形狀公差良好的情況下，對于不同厚度、不同強度的試樣，采用寬厚度平均值的乘積、面積平均值、面積最小值或在試樣標距中間測量橫截面積所計算的抗拉強度無顯著差異。試驗室可以根據實際情況選擇測量點數和計算方法。

通過寬厚度實測尺寸平均值的乘積、面積的平均值、面積的最小值計算得到的抗拉強度與GB/T 228.1-2010中建議采用的通過名義尺寸計算得到的抗拉強度存在顯著差異。

建議GB/T 228.1—2010修訂過程中，在確定主要技術指標時，要綜合考慮生產企業的能力和用戶的利益，尤其是對試驗工作量大、自動化程度不高的試驗室。建議在GB/T 228.1標準中增加采用寬度平均值和厚度平均值的乘積來計算試樣原始橫截面積的方法。