鋼材試樣加工工藝設(shè)計與試驗

陳 杰,楊 柳,羅 軍,趙永鋒

[重慶鋼鐵股份有限公司制造管理部(技術(shù)中心),重慶 401220]

金屬材料在生產(chǎn)出來后,一般都要經(jīng)過物理、化學(xué)性能測試。在這個過程中,對材料進行取樣是必不可少的環(huán)節(jié),為了讓材料的性能具有廣泛的通用性,國際上有很多的取樣和制樣規(guī)范,但一般情況下,由于各行各業(yè)的特殊性,這些取樣和制樣規(guī)范大部分也是推薦性標準,因此企業(yè)在具體取樣過程中,會充分考慮產(chǎn)品的特點以及軟件和硬件的配置,采用雙方認同的取樣協(xié)議或標準。

在鋼鐵企業(yè)中,鋼材成品的性能檢驗用取樣細則是多樣的。筆者單位軋鋼廠板材性能檢測用試樣尺寸(長×寬,不同)為200 mm×400 mm,縱向沖擊試樣的加工工藝為:采用縱向鋸切方式取出1件直條毛坯,然后在刨床上將其減薄到合適尺寸,再分段成3件各55 mm 長的沖擊小毛坯,在縱向上必須保證長度為170 mm,同時保證試樣寬度為200 mm。由于所取試樣都是從外形、質(zhì)量合格的鋼板上切取下來的,在保證鋼板性能的前提下,將縱向沖擊試樣按單件進行切取對于降低企業(yè)的取樣成本有重大意義。

1 材料與試驗

從1件樣板上加工出1套試樣,該套試樣包括1組沖擊樣和2件拉力試樣,或1組沖擊試樣,1件拉力試樣、1件彎曲試樣。

制訂了中厚板取窄樣工作推進方案,主要從設(shè)備、制度、人員技能培訓(xùn)等方面進行梳理和完善,中厚板取窄樣試驗取樣方案如表1所示,從取樣的鋼種、規(guī)格、取樣尺寸等方面進行策劃,取樣量根據(jù)試驗情況而定。

表1 中厚板取窄樣試驗取樣方案

根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》加工拉伸試樣,根據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》加工沖擊試樣。對于大于40 mm 厚度的板材,將拉伸試樣統(tǒng)一加工成?20 mm 的圓棒。

2 試驗過程及結(jié)果

2.1 加工工藝路線

在鋼產(chǎn)品檢測用試樣的加工環(huán)節(jié),沖擊試樣的加工工序最復(fù)雜,其所涉及的加工設(shè)備也最多;另外,在取樣方向上,沖擊試樣分為縱向沖擊試樣(與鋼板的軋制方向一致)與橫向沖擊試樣(與鋼板的軋制方向垂直)。

考慮到現(xiàn)有加工設(shè)備的配置,設(shè)計了4種加工工藝路線,分別是常規(guī)設(shè)備工藝路線、類韶鋼工藝路線、新引進設(shè)備的初始工藝路線和精簡工藝路線等4個方案(見圖1～4)。

圖1 常規(guī)設(shè)備工藝路線

圖2 類韶鋼工藝路線

圖3 新引進設(shè)備初始工藝路線

圖4 新引進設(shè)備精簡工藝路線

為了較準確地對這4個工藝路線進行比較,選取厚度為20 mm、寬度為120 mm 的15件樣板為一批的加工試樣作為研究對象,根據(jù)各加工工藝路線所采用的設(shè)備,以及每類設(shè)備在正常操作情況下所需要的工序時間,得出不同加工工藝沖擊毛坯樣的完成時間(見表2)。經(jīng)比較,精簡加工路線的總時間為93.5 min,與其他加工工藝路線相比,該路線的時間最短。

表2 不同工藝路線下沖擊試樣加工工序時間min

2.2 對比試驗及結(jié)果

根據(jù)表1,對138批厚度為8～50 mm 的Q235鋼系列試樣和209批Q345鋼系列試樣進行拉伸試驗和沖擊試驗。經(jīng)對比分析,Q235鋼系列試樣屈服強度差異為-1.75%～+3.50%,抗拉強度差異為-1.50%～+1.90%,斷后伸長率差異為-5.0%～+8.0%,沖擊吸收能量差異為-6.0%～+17.0%;Q355鋼系列試樣屈服強度差異為+3.40%,抗拉強度差異為2.38%,斷后伸長率差異為+13.9%,沖擊吸收能量差異為+19.60%。結(jié)果均低于GB/T 228.1—2021的要求。

2.3 金相檢驗結(jié)果

鋼板切割方式是多種多樣的,通常分為冷切割處理和熱切割處理兩大類。在冷切割中,一般采用普通剪切法或水流切割法;熱切割處理時,可以使用火焰切割、等離子切割或激光切割等方法。

在冷熱變形加工的過程中,鋼板變形量不均勻,金屬材料內(nèi)部組織和缺陷的分布也不均勻[1]。在樣板切取時,對于厚度不大于40 mm 的產(chǎn)品,采用直接剪切方式進行切取,這會在樣板上留下加工硬化區(qū)域,引起該區(qū)域的組織變化(見圖5～8),從而引起該區(qū)域的力學(xué)性能改變。對于厚度大于40 mm的產(chǎn)品,采用火焰切割方式切取試樣。為了保證試驗的可靠性,采用火焰切割法切取樣坯時,應(yīng)保證從切割線到最終加工成型的試樣之間有足夠的加工余量,以消除熱應(yīng)力對試樣的影響。

圖5 加工硬化區(qū)域表面顯微組織形貌

圖6 加工硬化區(qū)域心部顯微組織形貌

圖7 正常區(qū)域表面顯微組織形貌

圖8 正常區(qū)域心部顯微組織形貌

隨機選取厚度為40～60 mm 的24件樣板制取金相試樣,分別在板厚方向、距鋼板上表面1/4處和距鋼板下表面1/4處,用光學(xué)顯微鏡對取樣鋼板進行觀察,熱影響區(qū)深度分布如圖9所示。所有試驗用樣板的上1/4處和下1/4處的熱影響區(qū)深度不具有規(guī)律性,所有樣板的熱影響區(qū)深度均小于15 mm,加上樣板的切削位置,樣坯的取樣寬度與GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》標準規(guī)定一致。

圖9 火焰切割試樣熱影響區(qū)深度分布

3 結(jié)論

自2022年6月全面推行樣板優(yōu)化項目以來,對于厚度不大于30 mm、大于40 mm 的鋼板,按寬度120 mm 取樣,其取樣寬度減少80 mm,共取樣25 611批;對于厚度為30～40 mm 的鋼板,按寬度150 mm 取樣,其取樣寬度減少50 mm,共取樣4 772批。

火焰切割條件下,不同厚度鋼板熱影響區(qū)的深度小于15 mm,在不影響樣板取樣的前提下,對降低取樣量、提高鋼板制樣效率有重要意義。