中厚板產品可以應用在橋梁、管線、容器、風電、造船和機械等各個領域,其性能均勻性是衡量產品好壞的重要指標之一[1-2]。很多學者對鋼板性能均勻性的影響因素進行了研究,包括連鑄坯偏析、軋制節奏、水冷制度等[3-6],但是對力學性能測試的試樣類型及其試驗數據的對比研究則較少。

在機械加工和試驗能力允許時,應使用全截面鋼板試樣,鋼板厚度不小于30 mm時也可以選擇單面減薄至不小于30 mm的矩形拉伸試樣,鋼板厚度不小于25 mm時,也可以選擇厚度1/4位置處的圓形拉伸試樣。因此,檢測厚度不小于30 mm鋼板的拉伸性能時,根據GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》,拉伸試樣類型可以有多種選擇,僅擁有不大于600 kN拉伸試驗機的實驗室可采用圓形拉伸試樣,也可以采用減薄試樣,而擁有大于600 kN拉伸試驗機的實驗室可使用全厚度矩形拉伸試樣[7-8]。筆者通過矩形拉伸試樣和圓形拉伸試樣的對比試驗,研究了拉伸試樣類型的選擇對中厚板拉伸性能的影響,并采用金相檢驗方法研究了影響的根本原因。

1. 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

選擇生產工藝穩定的厚度為90 mm的Q460C熱軋鋼板,其化學成分符合GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》的要求,按照GB/T 2975—2018標準要求,在鋼板寬度1/4處切取規格為400 mm×1 400 mm（長度×寬度,下同）的材料,采用軋向鋸切法去除加工余量30 mm后,加工出12個規格為40 mm×300 mm的鋼板。按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》 附錄D將奇數編號（1,3,5,7,9,11號）鋼板加工成寬度為30 mm的矩形試樣,分別編號為1#,3#,5#,7#,9#,11#,按GB/T 228.1—2021附錄G將偶數編號（2,4,6,8,10,12號）鋼板加工成直徑為20 mm的圓形試樣,分別編號為2#,4#,6#,8#,10#,12#。由同一人員集中完成試樣加工。

1.2 試驗方法

影響室溫抗拉強度測量結果的因素主要有載荷、橫截面積和拉伸速率等,故對比試驗由同一試驗員在同一時間、同一試驗機上依據GB/T 228.1—2021標準完成,測量試樣橫截面尺寸時,使用分辨率為0.01 mm的同一測量工具；測試矩形試樣和圓形試樣的強度時,采用相同的拉伸速率。

2. 試驗結果與討論

2.1 力學性能

不同試樣的室溫拉伸試驗結果如表1所示,矩形試樣的上屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率的相對標準偏差分別為1.047%,0.280%,9.518%,圓形試樣的上屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率的相對標準偏差分別為0.729%,0.664%,3.167%。由表1可知：從平均值上看,與矩形拉伸試樣相比,圓形拉伸試樣的上屈服強度測量值低于22.2 MPa,相對低4.7%,圓形拉伸試樣的抗拉強度測量值低于23.2 MPa,相對低3.9%,而斷后伸長率平均值變化不大；使用Minitab軟件對矩形試樣和圓形試樣檢測值進行雙樣本T分析,上屈服強度、抗拉強度均存在明顯差異；矩形試樣斷后伸長率的相對標準偏差明顯大于圓形試樣,其原因是厚板矩形試樣的斷口位置存在不同程度的復雜變形,增大了斷后標距的檢測波動。

2.2 顯微組織

鋼板厚度方向不同位置處的顯微組織形貌如圖1所示,其中圖1a）為表面位置,圖1b）為1/4厚度位置,圖1c）為1/2厚度位置,T為鋼板厚度。由圖1可知：鋼板厚度方向不同位置的顯微組織有顯著差異。從鐵素體晶粒尺寸看,圖1中的鐵素體晶粒尺寸有差異,對應照片的平均晶粒度從11級向10級逐漸轉變。

圖 1鋼板厚度方向不同位置處的顯微組織形貌

2.3 討論

在鋼板控軋控冷階段的層流水冷卻時,一開始鋼板表面溫度急劇下降,中心溫度下降得比較緩慢,隨著冷卻時間的延長,表面和內部溫差越來越大；停止水冷后（空冷階段）,心部溫度緩慢下降,表面溫度逐漸回升；隨著時間的延長,表面和內部溫度逐漸趨于一致[9-11]。鋼板厚度方向不同位置冷卻速率不同,導致顯微組織存在一些差異,進而影響了宏觀拉伸性能。數據統計顯示,圓形拉伸試樣抗拉強度測量值普遍低于矩形拉伸試樣。

3. 結論

（1）鋼板冷卻時,厚度方向的顯微組織存在差異,影響了其拉伸性能。

（2）鋼材出廠檢驗和驗收時,應盡可能采取相同的拉伸試樣類型,以縮小檢測結果的差異。

（3）實驗室應配置更大測量范圍的拉伸試驗機,盡可能測量全厚度試樣。

文章來源——材料與測試網