試樣加工對(duì)金屬材料拉伸性能的影響

李開濤

（山鋼集團(tuán)日照有限公司生產(chǎn)部，山東 日照 276800）

對(duì)于較多金屬材料而言，其自身均具備較好的延展性，所以進(jìn)行金屬試樣加工時(shí)，可以對(duì)檢測(cè)金屬材料的拉伸性能，通過具體的拉伸試驗(yàn)，了解金屬材料的延長(zhǎng)性、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量、屈服點(diǎn)以及面積縮減量等，但在金屬材料試驗(yàn)過程中，會(huì)有較多對(duì)其拉伸性能產(chǎn)生影響的因素，本文針對(duì)試樣加工對(duì)金屬材料拉伸性能的影響進(jìn)行分析，找出試樣加工對(duì)其性能影響的關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)而針對(duì)性的加以消除，從而有效提升金屬材料加工質(zhì)量，具體如下。

1 金屬材料性質(zhì)

所謂的金屬材料，其主要表示的是由金屬元素或者以金屬元素為主構(gòu)成的具備金屬性質(zhì)的材料的統(tǒng)稱，其涵蓋的類型較多，包括金屬材料金屬間化合物、純金屬、合金以及特種金屬等[1]。通常情況下，金屬材料加工環(huán)節(jié)，其組織會(huì)受到響應(yīng)影響最終發(fā)生改變，隨意，對(duì)金屬材料性質(zhì)進(jìn)行了解，能夠進(jìn)一步提升加工質(zhì)量，一般來(lái)講，金屬材料性質(zhì)在以下方面有所體現(xiàn)：首先，疲勞。存在許多金屬材料，包括機(jī)械零件以及工程構(gòu)件等，實(shí)際工作環(huán)節(jié)，會(huì)承受相應(yīng)的交變載荷，而交變載荷的存在會(huì)對(duì)金屬材料產(chǎn)生影響，雖然金屬材料自身存在的屈服極限會(huì)遠(yuǎn)在應(yīng)力水平之上，不過在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力作用下，最終也會(huì)使金屬材料發(fā)生斷裂等不良的情況，這種情況則被稱為金屬材料的疲勞，這種斷裂形式較為常見，并且也是最危險(xiǎn)的一種。其次，硬度。對(duì)于硬度而言，其主要表示的是金屬材料在面對(duì)其他物質(zhì)擠壓時(shí)其表面產(chǎn)生的抵抗能力，其是一種較為重要的指標(biāo)，根據(jù)這一指標(biāo)，能夠很好的考量金屬材料的自身性能情況，金屬材料的硬度是起始與繼續(xù)塑性變形抗力的工作作用產(chǎn)生的結(jié)果，通常，金屬材料的耐磨性與硬度息息相關(guān)，可以這樣認(rèn)為，其硬度越高[2]，相應(yīng)的耐磨性也會(huì)越好。最后，塑性?；谳d荷作用下，金屬材料在變形的情況下不被破壞，這一能力就是金屬材料的塑性，通常來(lái)講，其塑性越好，其所承受的塑性變形范圍也就越大，同時(shí)，塑性變形環(huán)節(jié)通過強(qiáng)化金屬材料的強(qiáng)度，能夠有效提升金屬材料的安全性，延長(zhǎng)其使用時(shí)間。

2 試樣加工對(duì)金屬材料拉伸性能的影響

本文為有效研究試樣加工對(duì)金屬材料拉伸性能的影響情況，選擇Q235B以及Q345B兩種鋼板，將其作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)研究，從取樣方向、取樣位置、試樣加工等方向入手，做出詳細(xì)的試驗(yàn)研究，具體如下。

2.1 取樣方向的影響

通常情況下，金屬材料取樣共包括三個(gè)方向：第一為橫向，第二為縱向，第三為45°方向，其中，橫向取樣主要表示的是從與軋制方向相垂直的方向進(jìn)行取樣，縱向取樣是從與軋制方向相平行的方向進(jìn)行取樣，而45°方向取樣，則是在軋制方向的45°方向進(jìn)行取樣，三個(gè)取樣方向取樣后，樣坯均全部在正常室溫下，通過WAW-300B 試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。結(jié)果如表1所示。

表1 取樣方向不同情況下金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)

從表1數(shù)據(jù)中可以看出，不同取樣方向下，兩種鋼板獲得的各拉伸性能值存在一定不同，其中，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度并沒有加大的差異，但斷后伸長(zhǎng)率差異較大，Q235B 的不同方向取樣后的斷后伸長(zhǎng)率分別為24.3%、45%、36%，Q345B的不同方向取樣后的斷后伸長(zhǎng)率分別為20.1%、29.7%、34%，其中，橫向取樣斷后伸長(zhǎng)率未滿足標(biāo)準(zhǔn)值技術(shù)要求，由此得出橫向取樣拉伸性能最差，縱向取樣拉伸性能最好，45°處于中間。一般而言，金屬材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)會(huì)進(jìn)行壓力性加工，從而是加工產(chǎn)品形成一個(gè)橫截面，進(jìn)行壓力加工操作時(shí)，基于主變形方向，金屬材料的夾雜物以及晶粒會(huì)呈現(xiàn)出流動(dòng)性排列狀態(tài)，形成金屬纖維組織，變形環(huán)節(jié)，晶粒會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，此時(shí)，纖維會(huì)具備一定的方向性，進(jìn)而會(huì)使不同方向上的金屬材料存在較大的力學(xué)性能差異。由于金屬材料主要形成橫截面，所以，與軋制方向相平行的方向即縱向取樣，會(huì)存在較好的力學(xué)性能，而橫向取樣時(shí)，往往力學(xué)性能較差，因此，進(jìn)行金屬材料取樣過程中，應(yīng)盡可能選擇縱向取向，避免橫向取樣。

2.2 試樣尺寸的影響

在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)圓形試樣與矩形試樣做出了規(guī)定，其中，圓形試樣共分為兩種，一種為12.5mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，另一種為非標(biāo)準(zhǔn)試樣，矩形試樣可以分為小尺寸試樣、12.7mm的寬薄片型試樣以及38.1mm寬板型試樣。試樣的理想狀態(tài)是其橫截面尺寸均勻一致，標(biāo)距范圍內(nèi)變形均勻一致。不過試樣實(shí)際加工環(huán)節(jié)，因?yàn)榇缶只蛘邫C(jī)床等方面的原因，會(huì)影響到標(biāo)距范圍內(nèi)的試樣直徑與寬度的均勻性以及一致性，會(huì)出現(xiàn)形狀偏差。通常產(chǎn)生以下幾種形狀偏差情況：第一，兩端大小不一致，一端大，一端??；第二，兩端小，中間大；第三，中間小，兩端大。其中，第一種偏差問題較為常見。拉伸強(qiáng)度指標(biāo)公式如下所示。

開展實(shí)驗(yàn)前，需要測(cè)量出多組數(shù)值，基于試驗(yàn)標(biāo)距范圍內(nèi)，記錄最小值，使試樣斷裂面與測(cè)量部位盡量吻合。因?yàn)闀?huì)存在較多影響因素，會(huì)使試樣斷裂部位與原始測(cè)量部位存在一定偏差，這種形狀公差會(huì)對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不良影響，將設(shè)置為試樣的寬度公差，得出原始尺寸的強(qiáng)度指標(biāo)如公式2所示。

公式3表示，形狀公差造成的強(qiáng)度測(cè)量的相對(duì)誤差，從中可以看出，形狀公差的存在會(huì)影響到材料的拉伸性能，同時(shí)越小對(duì)產(chǎn)生的影響則會(huì)越大，從而可以看出，形狀公差對(duì)小尺寸試樣會(huì)存在更為明顯的影響，因此需要注重小尺寸試樣的形狀公差控制。

2.3 試樣形狀的影響

將同一金屬材料相同取樣部位的樣坯加工成尺寸相同的直條試樣以及開肩試樣各一組，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

表2 開肩試樣與直條試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表2中可以看出，開肩試驗(yàn)的屈服強(qiáng)度為376MPa，而直條試驗(yàn)的屈服強(qiáng)度為370MPa，兩者相差6MPa，在抗拉強(qiáng)度上，開肩試驗(yàn)為540 MPa，直條試驗(yàn)為535 MPa ，兩者相差5MPa，在斷后伸長(zhǎng)率方面，兩者差異較小，金屬產(chǎn)品檢驗(yàn)過程中，通常以直條狀為主進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，不過按照標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)規(guī)定，最好選擇開肩試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

3 改進(jìn)試樣加工對(duì)金屬材料性能影響的策略

3.1 做好加工技術(shù)控制工作

若想降低試樣加工對(duì)金屬材料性能產(chǎn)生的不良影響，需要加大對(duì)于加工技術(shù)的控制工作，并選擇適合的加工技術(shù)，例如，打磨金屬時(shí)，需要科學(xué)選擇磨削工具，以免金屬材料表面受到嚴(yán)重的劃痕磨損，并且，也不會(huì)存在較多的殘留物，通過這種方式，確保金屬材料表面光滑。加工技術(shù)上需要科學(xué)選擇，確保選擇的切割工藝能夠良好與材料相匹配，從而保證加工準(zhǔn)確性，減少損耗，提升效益。

3.2 合理選材

材料不同的情況下，其耐力與質(zhì)量也會(huì)存在較大的差異，因此應(yīng)做好材料選擇工作，進(jìn)行合理選材，在刀具的選擇上，應(yīng)保證刀具具備較快的速度，從而減小切割環(huán)節(jié)的摩擦力，使金屬材料具備較高的光滑度，并且盡可能的選擇硬度較大的材料，減少切割損耗的同時(shí)，提升切割質(zhì)量。

3.3 樣坯切取應(yīng)合理

拉伸試樣樣坯的切取方法有很多種，例如，冷剪法、機(jī)械加工法、砂輪片切割法以及火焰切割法等，不管應(yīng)用何種方式，均需要防止材料受熱、變形及加工硬化，從而避免其力學(xué)性能受到影響，對(duì)樣坯進(jìn)行切取時(shí)，需要留出足夠的機(jī)加工余量，從而將冷加工硬化或受熱部分完全去掉。

3.4 減少工件表面殘余應(yīng)力

導(dǎo)致工件表面存在殘余應(yīng)力的原因有較多，切削溫度是較為常見的原因。在溫度的不斷改變下[3]，金屬材料其中存在的殘余應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。所以，如果想減少或消除其表面存在的殘余應(yīng)力，需要盡可能的降低溫度，將切削冷卻液應(yīng)用其中，需要根據(jù)材料情況加以選擇，一般而言鑄鋼材料選擇的是豆油或者硫化油，而鑄鐵選擇的是煤油。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，金屬材料加工過程中，取樣的方向、試樣尺寸以及試樣的形狀等均會(huì)對(duì)其拉伸性能產(chǎn)生較大的影響，因此需要格外注意，選擇科學(xué)、合理的方式進(jìn)行金屬材料加工，減少試樣加工對(duì)金屬材料性能的不良影響，做好加工技術(shù)控制工作、合理選材、樣坯切取應(yīng)合理、減少工件表面殘余應(yīng)力，從而保證實(shí)際的加工效果,獲得更高的加工質(zhì)量。