試樣取樣與加工對美標(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，對于產(chǎn)品的設(shè)計和選材、新材料的研制、材料的采購和驗(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)。拉伸試樣的制備對于其材料力學(xué)性能測試結(jié)果的影響至關(guān)重要。

本文通過對比美國標(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于拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響，從而指導(dǎo)原材料的采購驗(yàn)收工作，將試樣加工對拉伸性能測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。對鋼板分別取相對于軋制方向?yàn)榭v向、橫向和45°方向的矩形拉伸試樣，試樣的取樣方向見圖1。對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，試樣尺寸見圖2、圖3。采用山東核電設(shè)備制造有限公司W(wǎng)AW-300B萬能試驗(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，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，軋制時柱狀晶易于在變形過程中轉(zhuǎn)向，使軋制方向的變形纖維具有方向性。另外，夾雜物也會沿主變形方向流動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，對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，斷后伸長率相差約11.5%。可見取樣部位對試驗(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。其中最常見的情況是一端大，另一端小。

以相對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)對試樣多測量幾組數(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量部位吻合。由于多種因素的影響，試樣斷裂部位并非在測量原始尺寸的部位，這時形狀公差就會給拉伸試驗(yàn)結(jié)果帶來影響。假設(shè)試樣的寬度公差為Δ，則以a0和b0±Δ為原始尺寸計算得到的強(qiáng)度指標(biāo)R1為：

因此，對于形狀公差引起的強(qiáng)度測量的相對誤差可按下式計算：

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

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，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)過多種加工方法和工藝。加工圓形試樣要用到車床，加工矩形試樣要用到銑床 (或刨床)和平面磨床。車削、銑削、磨削的深度和進(jìn)給速度以及潤滑冷卻都要適當(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定。

3 結(jié)論

通過以上幾組試驗(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)際檢測工作中應(yīng)正確認(rèn)識和了解這些因素對拉伸試驗(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，同時也要避免樣坯和試樣在取樣和制備過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].