拉伸試樣加工方法對厚規格延伸性能的影響*

于愛民 林夢橋 王 景

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

拉伸試樣加工方法對厚規格延伸性能的影響*

于愛民 林夢橋 王 景

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

通過對拉伸試樣采用全厚度和減薄方法的對比分析，試樣在同等條件下忽略外在影響因素，各項性能應在規定的誤差范圍內。因受生產加工和檢驗加工等因素影響，不同的試樣加工方法對鋼板延伸性能有一些影響，其影響程度與鑄坯的內部質量和中心偏析有關。實際生產中由于鑄坯中心偏析的不可避免性等因素影響，采用全厚度拉伸試樣更能反映材料的實際特性，延伸性能更為穩定。建議在試驗設備能力允許條件下采用全厚度拉伸試樣。

標準 延伸性能 中心偏析 全厚度

0 前言

國家標準GB/T2975規定了制備鋼板拉伸試樣應在加工和試驗機能力允許的情況下優先采用全厚度試樣，其他檢驗方法可以作為這種方法的代表或補充，如試樣厚度＞30 mm的可減薄到30 mm;＞50 mm的可采用1/4圓棒型試樣等。從國家標準的角度看拉伸試樣的加工更傾向于全厚度，其更能反應材料的真實特性。同時標準還規定了試樣的一般要求、試樣的狀態、試樣的制備。在產品不同位置取樣時，力學性能會有差異;GB/T228《金屬材料室溫拉伸試驗方法》規定了試驗方法和測量計算方法。因此，按標準規定進行規范取樣與加工，除試樣的加工誤差和試驗設備及人工操作、測量誤差外，試樣的各項性能應在規定的誤差范圍內。

1 實驗目的及內容

目前很多企業鑒于拉伸試驗機的能力，對拉伸試樣的加工采用減薄的方法，這樣對拉伸試樣的性能勢必帶來一些影響，特別是延伸性能，所以有必要對拉伸試樣的加工方法進行對比分析。筆者比照GB/T2975與GB/T228的要求，對比分析了全厚度試樣與減薄試樣對材料延伸性能的影響，找出拉伸試樣加工方法對延伸性能帶來的影響和厚規格延伸偏低的原因，確定適合本企業的拉伸試樣加工方法。

2 實驗方法與結果

2.1 拉伸試樣始裂位置的確認

隨機選取Q345低合金板進行拉伸實驗，在試樣產生頸縮但未發生斷裂時將試樣取下，由頸縮處沿試樣軸線方向剖開，對垂直于截面的側面進行高倍組織觀察，如圖1、圖2所示。

圖1 拉伸前組織

圖2 拉伸后縱剖不同位置組織

由圖1拉伸前中心組織可以看出，正常部位為F+P，中心有過冷組織，未發現裂紋;由圖2拉伸后縱剖不同位置組織可以看出，距頸縮20 mm截面位置中心及距中心1 mm處觀察到有裂紋，裂紋沿晶界處開裂(如圖2(a)、(b))。距頸縮40 mm截面處可見中心及近中心組織有裂紋，裂紋沿晶界開裂(如圖2(c)、(d))。根據對未斷拉伸試樣分析，距頸縮不同距離、在中心異常組織處均發現有不同程度沿晶開裂現象，這些裂紋沒有明顯相關性，可認為幾乎同時產生，這說明中心偏析異常組織是始裂源，偏析程度大導致在距離斷裂位置遠處，即試樣在變形較小時即產生裂紋，也就是說試樣受拉過程中受外力作用產生變形，即使未發生斷裂，但內部異常組織處已經萌生裂紋。可以想象這種組織若暴露在表面將對延伸產生不同程度影響。

從中厚板的實物質量看，由于鋼中含有易造成偏析的元素，使得鑄坯產生中心偏析很難避免，這樣有可能導致鋼板中心產生粒狀貝氏體和馬氏體異常組織。根據對未斷拉伸斷口的分析，裂紋的始裂位置產生于鑄坯偏析處的異常組織，而鑄坯的中心位置偏析最為嚴重，試樣減薄后，兩表面到中心的距離不一樣，一面更接近于中心，受到外力作用，中心偏析帶處在拉伸過程中會產生微裂紋，形成裂紋源，減薄面更接近于裂紋源，塑韌性較差，拉伸過程中兩面的受力狀態失衡，從而影響鋼板整體的均勻性延伸，進而影響延伸性能，影響程度與鑄坯中心偏析程度有關。因此延伸性能是取決于微裂紋產生(最薄弱部位)及其擴展至表面導致斷裂的速度，而拉伸試樣的制備即全厚度與減薄的差別在于兩個表面到中心的距離不同，而不在于裂紋的產生。

2.2 不同加工方法對延伸性能的影響

根據延伸性能的取決因素和試樣減薄后對延伸性能的影響，對普碳和低合金系列厚度30 mm～40 mm的鋼板及特殊規格60 mm鋼板進行批量試驗，分別采用減薄試樣和全厚度試樣兩種制樣方式，減薄試樣為鋼板厚度方向截取試樣后進行加工，保留一個軋制面，對試樣另一面進行減薄加工至試樣厚度為30 mm，全厚度試樣為鋼板厚度方向截取試樣后不進行減薄加工，保留兩個軋制面，對比其延伸性能差異。

2.2.1 30 mm～40 mm試樣不同加工方法對比

對30 mm～40 mm鋼板所有拉伸殘樣進行低倍酸洗檢驗和金相檢驗分析，然后對試驗結果按拉伸斷口的形貌進行歸類統計分析，結果見表1。

表1 按鋼種分全厚度與減薄試樣對比

由表1看出采用全厚度制樣方式和減薄的制樣方法，其強度性能差異很小，在標準誤差范圍內，斷口差的延伸性能差值略大，全厚度提高2個百分點，斷口好的延伸性能差值較小。金相組織均為珠光體+鐵素體組織，試驗組一和試驗組二心部均存在不同程度中心偏析，有粒貝組織，試驗組一中心偏析程度明顯較試驗組二嚴重，如圖3所示。

2.2.2 60 mm特殊規格試樣不同加工方法對比

圖3 中心偏析程度對比

對60mm特殊規格進行全厚度和減薄延伸性能的統計，結果如圖4、圖5所示。全厚度試樣延伸性能值較為集中且性能穩定，而減薄試樣延伸性能值離散程度很大，不穩定。說明60 mm厚試樣經減薄后為30 mm，其中一表面為心部，這樣兩表面到心部的距離非常懸殊，導致心部的中心偏析直接暴露于表面，更加促進裂紋的擴展，加快斷裂的速度，進而影響延伸性能。

圖4 60 mm Q345減薄樣延伸率分布

圖5 60 mm Q345全厚度延伸率分布

通過30 mm～40 mm和特殊規格60 mm鋼板的全厚度與減薄拉伸試樣加工方法的對比驗證，減薄方法總體不如全厚度。

3 分析與討論

3.1 中心粒貝對鋼板性能的影響

鋼板基體組織為珠光體+鐵素體，但由于心部凝固偏析易形成貝氏體等硬相組織，該組織強度高、塑性差，造成鋼板內部性能不均，同時與貝氏體組織同時存在的長條狀MnS夾雜物，基體組織的延伸性能存在差異以及基體結構不同，破壞了其連續性，導致它們之間的應力傳遞方式不同，這樣它們之間的交界面處就形成應力集中區，在試樣拉伸過程中，試樣在拉伸方向和垂直拉伸方向上同時受力，首先從應力集中區萌生，隨后沿拉伸方向和垂直拉伸方向上擴展直到基體中，隨塑性變形而改變擴展方向，嚴重降低了延伸率。

3.2 軋制對鋼板性能的影響

軋機能力對厚規格鋼板性能有一定的影響。厚規格鋼板由于變形滲透至板厚中心程度的影響，與薄規格相比，中心鑄態組織結構不能被充分破碎，使其強度和韌性甚至延伸率等綜合機械性能變差，尤其是鋼板中心的偏析帶往往是拉伸檢驗的起裂源［1］。

3.3 試樣加工方法對性能的影響

對于厚規格產品的減薄試樣在拉伸檢驗中，試樣兩面的組織形態不同，導致受力狀態失衡，鋼板原始厚度中心偏析帶處在拉伸過程中形成微裂紋，由于塑韌性較差，從而影響鋼板整體均勻性延伸，縮頸部分也明顯比軋制面小，更易沿與拉伸方向成45°角向塑韌性較差的減薄加工面擴展，拉伸斷口嚴重不對稱［2］。而全厚度試樣斷口為典型的“V”型斷口，兩側表層延伸性能相近。這也是厚度為35 mm～40 mm產品采用減薄試樣的延伸率顯著偏低的原因。

由此可見，鑄坯質量仍是影響厚規格鋼板延伸性能的主要因素。由于鑄坯中心偏析的不可避免性減薄后兩表面到中心的距離不一樣，拉伸時的受力狀態失衡，使得拉伸試樣的加工方法在一定情況下對延伸性能有影響，減薄試樣在相同條件下比全厚度試樣的延伸性能略低，尤其是某些特殊厚度延伸性能差異較大，如60 mm規格減薄至30 mm，因此在試驗設備能力許可的條件下盡量采用全厚度拉伸試樣，這樣更能真實的反映材料特性。

4 結論

1)在鋼板同等特性條件下，忽略內外在影響因素，鋼板全厚度拉伸試樣和減薄試樣的性能值誤差不大。

2)由于鋼板延伸性能是取決于微裂紋產生及其擴展至表面導致斷裂的速度，因此鑄坯內部質量及中心偏析是導致延伸性能差的主要原因。

3)由于鑄坯中心偏析的不可避免性，從而導致減薄試樣兩表面到中心的距離不一樣，進而影響延伸性能。

4)通過在大生產中采用全厚度和減薄試樣兩種加工方式的性能對比，全厚度試樣總體好于減薄試樣的延伸性能。

5)鑄坯質量仍是影響厚規格鋼板延伸性能的主要因素，因此若要解決厚規格鋼板延伸性能不合仍應首要解決鑄坯質量問題。

6)在試驗設備能力許可的條件下建議盡量采用全厚度拉伸試樣。

［1］衛曉霞.中厚鋼板延伸率不合格原因分析.山西冶金，2005，98(2):33－34.

［2］田慶，榮劉瑩，王雅英.Q345鋼板拉伸斷口分層原因分析.天津冶金，2009，4(3):33 －35.

THE EFFECT OF MACHINING METHOD OF TENSILE SPECIMEN ON ELONGATION PERFORMANCE OF HEAVY PLATE

Yu Aimin Lin Mengqiao Wang Jing
(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

Through comparably analyzing the tensile specimen by full thickness and thinning thickness method，it is found that various properties of specimen are within specified error ranges under the same conditions when omitting external factors.The different machining methods have different effect on plate elongation because of the influences of process and inspection，and influences degree also depends on internal quality and centerline segregation of slab.Full thickness specimen prefer to show actual characteristics because slab centerline segregationis inevitable and its elongation performance more stable.It is suggested that it had better to use full thickness tensile specimen within testing equipments range.

standard elongation performance centerline segregation full thickness

*聯系人:于愛民，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵集團有限責任公司技術中心;

2012—2—2