圆棒拉伸试样直径对厚板力学性能影响的探究

宋鸿印，贾海伟，王勇，项美辉，曾远新

（新疆八一钢铁股份有限公司制造管理部）

1 前言

拉伸试验是材料力学性能检测中最基本、最经典和常用试验方法。通过拉伸试验获得金属材料的塑性和强度数据，如抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、断后延伸率、弹性模量等。试验得到的金属材料力学性能数据，无论对于新材料的研发、选材和设计、材料的采购和验收、产品质量的控制、以及使用的安全性都有很好的参考和应用价值，有些研发工作直接采用拉伸试验的结果作为依据。在产品标准中一般将金属材料力学性能作为必测项。

金属材料力学性能试验结果影响的因素较多，而产品标准中对拉伸试验无论圆棒试样直径是多少，对力学性能指标的要求基本都相同。有的实验室受到拉力试验机能力的限制，会加工出不同直径的圆棒拉伸试样进行力学性能检测。文章探讨了将钢板的拉伸试样加工成不同直径的圆棒试样，重点研究圆棒试样直径变化对力学性能的影响，以找出能够代表钢板力学性能真实情况的规律。

2 材料与试验

试验材料为八钢公司中厚板厂生产的Q345板在 H50mm、H32mm厚度的钢板上加工φ10mm、φ12mm、φ15mm、φ18mm、φ20mm、φ22mm、φ25mm的圆棒试样。按照GB/T1975-1998中要求，拉伸试样在钢板宽度1/4处截取中样坯，为了保证不同取样部位不对拉伸试验的影响，每个规格厚度钢板圆棒拉伸试样在同一中样坯上按照GB/T1975-1998[1]和GB/T228.1-2010[2]中的要求加工。拉伸试样在600kN微机控制电液伺服万能材料试验机上进行拉伸试验，试验方法按照GB/T 228.1-2010标准中给出的方法进行。

用DMI5000M倒置式光学显微镜对取样钢板的金相组织和夹杂物含量进行观察和分析，利用光谱分析方法检测了取样钢板的化学成分。

3 结果与分析

对选用的材料Q345板H50mm、H32mm的试样分别编号为试样1、试样2。将试样1、试样2加工成7种直径的圆棒试样，分别做6组检测，对试样的化学成分、力学性能、金相组织及夹杂物进行试验分析。

3.1 化学成分分析

取样钢板（Q345低合金高强度结构钢）化学成分见表1，符合GB/T1591-2008[3]标准的相关要求。

表1 试验用钢的化学成分（质量分数） %

3.2 力学性能测试分析

在拉伸试验中，拉伸速率根据GB/228.1-2010的要求进行控制。可以在拉伸试验中测试各种机械性能，主要检测抗拉强度（m）、屈服强度（el）和断后伸长率（）。在试验期间，测试了7种不同直径的圆棒样品，并对同一样品同直径的6个试样拉伸结果取其平均值，试验后的拉伸结果见表2。

表2 试验材料力学性能

试样尺寸 Rm MPa试样1 试样2 Rel MPa A，% Rm MPa Rel MPa A．%528 374 28 547 410 28 φ18mm 525 395 27 557 409 27 542 362 28 537 396 27.5 525 360 26.5 559 416 26.5 540 380 28.5 539 397 25.5 533 371 28.5 571 413 25.5均值 532 374 27.8 552 407 26.7 536 379 28 569 408 26 φ20mm 529 372 29.5 573 407 29.5 534 374 29.5 573 418 26 527 372 25.5 567 393 26 536 367 26.5 540 403 25.5 543 357 26 538 378 25均值 534 370 27.5 560 401 26.3 535 372 26 563 412 25.5 φ22mm 543 383 27.5 561 401 27.5 520 355 27 547 403 25 556 383 27.5 559 405 27.5 547 397 26.5 571 410 26 526 382 27 536 395 25均值 538 379 26.9 556 404 26 537 385 27 573 416 25 φ25mm 542 390 26 574 418 25.5 531 387 28.5 572 416 24.5 532 373 26 528 408 25.5 553 376 24 549 417 25 523 402 25 532 410 24.5均值 536 386 26 555 414 25

根据表2中同一试样同直径的6个试样拉伸结果的平均值绘制出圆棒试样的力学性能（抗拉强度、屈服强度、断后伸长率）随着试样直径变化见趋势图1、2、3。

图1 抗拉强度随试样直径变化图

图2 屈服强度随试样直径变化图

图3 断后伸长率随试样直径变化图

从表2中的数据及图1、2、3可以看出随着圆棒试样直径的减小其抗拉强度没有明显的变化；屈服强度（eL）随着试样直径的减小有着缓慢降低的趋势，其中圆棒试样直径为φ 10mm和φ20mm相对于其余直径试样屈服强度要低；断后伸长率随着圆棒试样直径的减小逐渐增大的趋势。其试验所得数据变化趋势与日前研究者研究分析得出的随着试样直径的变大塑性有稍微下降趋势的结论基本一致。

3.3 夹杂物及金相组织分析

试样1和试样2的夹杂物评级和金相组织见表3。图4、5分别为试样1、2的1/4、1/2处的金相组织。

表3 取样钢板的金相分析

图4 试样1和试样2的1/4处金相组织图

图5 试样1和试样2的1/2处金相组织图

由于钢板在冷热变形加工的过程中，变形量处处不会均匀，金属材料内部金属组织和各种缺陷的分布也不均匀[4]。钢板在轧制的过程中，一般要经过控冷处理，用冷却水作用于钢板表面，使其上下表面同时冷却处理，表面降温速度大于中部，所以钢板表层组织要比芯部更细小，即钢板表层到芯部晶粒逐渐变细小，故表层强度比芯部要高[5]。在加工圆棒试样的过程中去除钢板表层加工成所需直径的拉伸试样，必然会去除一部分表层金属，会影响拉伸试验的结果。因此，同一位置加工的圆棒拉伸试样拉伸结果随着试样直径的减小，其强度有降低的趋势。

在钢板轧制的过程中，其中心温度一直高于表层温度，在轧制与冷却的过程中由于表层温度的减小阻止了晶粒长大，而钢板中心温度大于表层，晶粒长大的速度要大于表层，所以钢板的中心晶粒大于表层晶粒。钢板从表层到中心部位的晶粒度结果如表4所示。

表4 钢板表层到中心部位晶粒度的大小

通过金相分析发现，试验所得强度变化与晶粒度相关度不大，其趋势变化与所查文献中所得理论结果有所不同，其原因主要是不同直径圆棒试样加工位置选择都在钢板厚度1/4处，并且八钢生产的钢板在同一位置的晶粒较均匀，笔者认为所选试样的晶粒度对拉伸试验结果没有大的影响。

4 结论

（1）金属材料拉伸试验结果的影响因素较多，通过将Q345厚板材料加工成不同直径圆棒试样，对力学性能的影响趋势进行试验检测分析。结果表明，圆棒试样直径的减小，圆棒试样的抗拉强度值变换基本不大，而屈服强度（e）l有着缓慢降低的趋势，其断后伸长率随着圆棒试样直径的减小有逐渐增大的趋势。

（2）目前对钢板加工成圆棒试样的尺寸一般在标准中未明确规定，当受制拉力试验机能力不足及减少用户质量异议的情况时，建议将钢板拉伸试样加工成圆棒试样时优先加工的顺序为φ20mm、φ10mm。