矩形截面拉伸试样尺寸对钢板力学性能测试结果的影响

田庆荣 王克杰 （天津钢铁有限公司技术中心，天津 300301)

矩形截面拉伸试样尺寸对钢板力学性能测试结果的影响

田庆荣 王克杰 （天津钢铁有限公司技术中心，天津 300301)

通过板材减薄试样和全截面试样拉伸实验力学性能的对比统计分析，探讨了两种试样对力学性能的影响，结果表明：采用坯材厚度不变的全截面试样的拉伸实验结果与减薄试样相比，屈服强度、抗拉强度无明显变化，断后伸长率提高。

矩形 截面 试样 力学性能 测试 对比

1 引言

对于板材厚度大于30 mm的板材拉伸实验，按照GB/T2975的规定，可以将样坯厚度单侧减薄到30 mm，制成30 mm×30 mm的矩形截面试样，设试样厚度为a，试样宽度为b，则该种试样的宽厚比为1（b／a=1)。这种试样由于不是取板材的全厚度进行试验，因而不能直接表征板材整体性能。该标准中也指出，在试验机能力允许的条件下，应当尽可能采用全截面试样进行试验（以下简称全截面试验)。因此，我们希望对于30 mm以上的板材（如30 mm～60 mm)，在保持试验机能力不增加的条件下也能进行全截面试验。要做到这一点，就需要保持板材厚度不变，将试样宽度加工到30 mm，即在宽厚比小于1的情况下进行试验。这样做对实验结果有没有影响，影响有多大，本文通过对比试验进行对比分析。

2 试样与试验

此次试验采用厚度减薄至30 mm，试样宽厚比1：1的试样（以下称减薄试样)，和厚度不减薄、宽度取30 mm即宽厚比＜1试样（以下称全截面试样)。减薄试样和全截面试样取自同一块样坯的相邻位置，由同一实验人员在同一时间、使用同一设备进行试验，确保试验结果能最大限度地反映两种试样对力学性

能测量结果的影响。

2.1 试样制备

试验板材厚度：36 mm～60 mm。

减薄试样：保留一个轧制面，厚度减薄至30 mm，宽度取 30 mm，宽厚比1：1。

全截面试样：厚度不变，试样宽度30 mm，宽厚比在0.5～0.83之间，具体见表1。

表1 拉伸试样的宽厚比值

2.2 试验内容

本次试验检测项目为屈服强度（Rel)、抗拉强度（Rm)和断后伸长率（A)。对两种试样的检测结果进行对比，通过数理统计进行分析研究。

3 试验结果与统计分析

3.1 试验结果

本次试验共涉及5类钢种，试样76组,表2汇总了本次试验的数据。见表2。

3.2 统计分析

3.2.1 均值分析

均值分析结果见表3。

表3 试验结果统计

由表3中可以看出，全截面试样与减薄试样相比，屈服强度平均增加0.61%，抗拉强度平均增加1.15%，断后伸长率平均增加8.85%。全截面试样的断后伸长率有较大的增加，抗拉强度次之，屈服强度增加最少。

3.2.2 回归分析

假设一个材质十分均匀且无各向异性的样坯，全截面试样的检测结果与减薄样的检测结果应一致，将减薄样的检测结果作为全截面的检测结果的函数，二者之间应当是截距为0，斜率为1的直线（设减薄样检测结果为Y，全截面试样检测结果为X，则Y=a+bX，a=0 b=1)。事实上，由于板材的各向异性、本身的

缺陷以及试验的不确定度，实际检测结果必然存在差异，但二者之间应存在必然的线性关系。下面是对表2的数据进行线性回归处理分析。结果见表4。

表2 试验结果

设：减薄试样检测结果为y，屈服强度为yRel、抗拉强度为yRm、断后伸长率为yA;全截面试样检测结果为x，屈服强度为xRel、抗拉强度为xRm、断后伸长率为xAx与y的试验结果分别为：

表4 屈服强度、抗拉强度和断后伸长率线性回归处理结果

由上述分析可知，屈服强度和抗拉强度直线斜率已接近1，相关系数达到0.835以上，说明减薄试样和全截面试样的这两个力学特征是一致的，也符合这两个力学特征的本身定义。

断后伸长率的相关系数为0.670。查表可知，当n-2＝74、置信度 α＝0.01 时，只要相关系数 lxy≥0.291,所拟合的x、y直线方程就有意义。由于0.670远大于0.291，因此可以认为减薄试样和全截面试样仍然存在明显的线性关系。表3的统计结果表明，全截面试样的断后伸长率高于减薄试样8.8%。

应当指出，对同一试样来说，断后伸长率与试样的截面大小有显著的关系[3]。有资料表明断后伸长率与试样的横截面积和抗拉强度有如下的对应关系[4]：

式中：εm——断后最小伸长率

Am0.4——试样的横截面积

Um0.9——抗拉强度

K——系数

由式（7)可知，同一试样在抗拉强度相同时，断后伸长率与试样的横截面积成正比。试验表明，全截面试样与减薄试样的抗拉强度没有显著变化，可认为相同;全截面试样的横截面积大于减薄试样，所以试验中全截面试样比减薄试样断后伸长率提高8.8%的主要原因是全截面试样的面积增加。

国家标准GB/T17600.1《钢的断后伸长率换算 第1部分：碳钢和低合金钢》中也给出了当试样横截面积不同时，断后伸长率的换算方法，换算的基本公式[3]如下：

本次试验中，考虑两种尺寸的试样断后伸长率的可比性，规定 L0=LOR，（8)式简化成：

用式(9)将全截面试样断后伸长率转换成减薄试样断后伸长率后，断后伸长率平均减少6.4%，也就是说，由于全截面试样横截面积大于减薄试样的横截面积，导致断后伸长率增加了6.4%，即试验中断后伸长率的增加主要原因是试样截面增加所导致。

3.2.3 μ检验

综上所述，减薄试样改为全截面试样后，抗拉强度无明显变化，断后伸长率增加较大。这一结果是否合理可以通过统计检验验证。本实验中已知总体方差，且试验样本足够大(n=76)，因此可以通过μ检验来分析减薄试样改为全截面试样后，对抗拉强度和断后伸长率有无明显影响。

设：减薄试样总体均值=μ0;全截面试样总体均值=x¯;全截面试样标准差=s;

假设1：H0：μ=μ0（μ是减薄样改为全截面试样后的总体均值)

分别计算屈服强度Rel、抗拉强度Rm以及断后伸长率的统计量μi（i＝Rel、Rm、A)如表5所示。

表5 Rel、Rm以及A的统计值（α=0.05)

由于|μRel|=0.40＜1.96,所以相信 H0,认为用全截面试样和用标准试样测量的屈服强度没有区别。

由于|μRm|=1.15＜1.96,所以相信 H0,认为用全截面试样和用标准试样测量的抗拉强度没有区别。

由于|μA|=3.49＞1.96,所以不能相信 H0,认为用全截面试样和用标准试样测量的断后伸长率是有区别。如上面所述，试样的断后伸长率与试样的横截面积呈正比，当试样的尺寸增加，断后伸长率相应的增大。从金属材料本身的特性来看,|μA|所对应全截面试样的断后伸长率更真实地反映了材料整体情况，而μ0对应减薄试样，由于只取了样坯的一部分，从而导致了断后伸长率H0的不相信。

4 结论

4.1 减薄试样改为全截面试样后，屈服强度和抗拉强度没有明显区别。

4.2 断后伸长率增加的主要原因是全截面试样的面积增加，由此导致本次试验断后伸长率平均增量在6.4%左右。

[1]袁荫棠.概率论与数理统计[M].北京：中国人民大学出版社,1990.

[2]数学手册编写组.数学手册[M].北京：人民教育出版社，1977.

[3]GB/T17600.1-1998，钢的断后伸长率换算[S].

[4]API Spec 5CT/ISO 11960,石油天然气工业-油气井套管或油管用钢管[S].

Influence of Size of Rectangular Section Tensile Sample on Plate Mechanical Property Measurement Result

Tian Qingrong,Wang Kejie

The mechanical properties of thinned sample and full section sample of steel plate at tensile test are compared,collected and analyzed and the affect of these two samples on mechanical properties is discussed.Test results show that compared with thinned sample,the full section sample with thickness same as blank sample gives yield strength and tensile strength without noticeable change but higher elongation after fracture.

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（收稿 2010－09－07 责编 赵实鸣)

田庆荣,天津钢铁集团有限公司技术中心轧钢实验室副主任,高级工程师。