金屬材料力學性能檢測試樣的取樣與制備

鄧宗梁

1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 福州 350002；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建 福州 350108

金屬材料的力學性能即機械性能，是在各種形式外力作用下抵抗變形或破壞的能力，是其設(shè)計、選型時的主要依據(jù)，其中常用的機械性能有強度、塑性、硬度以及沖擊韌性等。一般，金屬材料力學性能包括拉伸、彎曲及沖擊試驗等，其檢測試樣是在檢測對象中切取足夠量的試料，再經(jīng)機加工或未經(jīng)機加工且具有合格尺寸且滿足試驗要求狀態(tài)的樣坯，通常是從金屬材料的產(chǎn)品、壓制坯中切取樣坯經(jīng)機加工制成試樣［1］。

1 取樣

1.1 一般要求

應(yīng)在外觀和尺寸合格的金屬材料上進行取樣，試料的大小應(yīng)能確保機械加工出符合要求的試樣；注意要在試樣上做好標識標記，避免混淆，如果混淆則無法分辨出試樣取樣的位置與方向；取樣的方向和數(shù)量應(yīng)由產(chǎn)品標準或供需雙方協(xié)議規(guī)定［2］。

1.2 取樣位置

1.2.1 鋼板

（1）鋼板的取樣位置與方向應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范或合同規(guī)定，當無規(guī)定時，應(yīng)在w/4 處橫向切取樣坯。當規(guī)定取橫向拉伸試樣時，鋼板寬度不足以在w/4 處取樣，試樣中心可以內(nèi)移但應(yīng)可能接近w/4 處［3］，w為鋼板寬度。

（2）拉伸試樣的取樣位置有以下三種，分別是全截面試樣、鋼板厚度t ≧30mm 的矩形試樣以及鋼板厚度t≧25mm 的圓形試樣。在試驗機量程和機械加工允許的情況下可以采用截面試樣；對于t≧30mm 的矩形試樣，可將試驗厚度減薄至30mm，并保留一個軋制表面；對于TMCP 鋼板，試樣厚度為全厚度或厚度之半，當為厚度之半時，t≧30mm 的矩形試樣不適用；對于t≧25mm 的圓形截面試樣，可在w/4 和t/4 處取圓形截面試樣；對于鋼板厚度t在≧20mm 而＜25mm 范圍內(nèi)的鋼板，可協(xié)商采用圓形試樣，且試樣的中心最好與產(chǎn)品厚度的中心重合［3］。

（3）在寬度方向取彎曲試樣，取樣位置與拉伸試樣相同，試樣應(yīng)至少保留一個原表面。

1.2.2 其他材料型鋼、棒材、管材等金屬材料的力學性能試驗取樣位置應(yīng)符合GB/T 2975 現(xiàn)行標準的規(guī)定。

2 試樣的制備

2.1 啞鈴型拉伸試樣制備

2.1.1 試樣的形狀

通常，應(yīng)將試樣機加工成啞鈴形狀。平行段部分與夾持部分以圓弧過渡，夾持部分的形狀和長度應(yīng)適合于試驗機的夾持［1］。

2.1.2 試樣加工尺寸

（1）Y1 型。對于t≧3mm 的板材和扁材以及t≧4mm 的型材等金屬產(chǎn)品，試樣加工成寬度b0=20mm±1mm，b=35mm，厚度等于原產(chǎn)品厚度，r取15mm，Lc取200mm，Lt為450mm的啞鈴型樣品，簡稱Y1 型。其中，b為試樣夾持端的寬度，r為平行段與夾持端之間的過渡弧半徑，Lc為平行段的長度，Lt為試樣的總長。

（2）Y2 型與Y3 型。對于t＞30mm 的板材金屬產(chǎn)品，試樣加工成b0=20mm±1mm，b=35mm，試樣厚度t0為30mm±1mm 保留軋制表面，r取15mm，Lc取200mm，Lt為450mm 的啞鈴型樣品，簡稱Y2 型；或加工成直徑d0=20mm±1mm，夾持端試樣直徑d=25mm，r取2.5mm，Lc取200mm，Lt為450mm 的啞鈴型樣品，簡稱Y3 型。

（3）Y4 型。對于t＞50mm 的型材金屬產(chǎn)品，試樣加工成d0=20mm±1mm，d=25mm，r取2.5mm，Lc取200mm，Lt為450mm 的啞鈴型樣品，簡稱Y4 型。

（4）Y5 型。對于直徑≦25mm 的棒材、線材金屬產(chǎn)品，按照GB/T 228.1 現(xiàn)行標準的相關(guān)規(guī)定加工成Lt為450mm 的啞鈴型樣品，尺寸加工允許偏差為±1mm，簡稱Y5 型。

（5）Y6 型。對于直徑＞25mm 的棒材金屬產(chǎn)品，試樣加工成d0=20mm±1mm，d=25mm，r取2.5mm，Lc取200mm，Lt為450mm 的啞鈴型樣品，簡稱Y6 型。

（6）Y7 型。對于金屬管材試樣的加工尺寸按照GB/T 228.1 現(xiàn)行標準的相關(guān)規(guī)定加工成Lt為450mm 的啞鈴型樣品，尺寸加工允許偏差為±1mm，簡稱Y7 型。

2.2 直條型拉伸試樣制備

如相關(guān)產(chǎn)品標準有規(guī)定或供需雙方協(xié)議商定，板材、型材、棒材、線材、管材等可以采用直條型的試樣進行拉伸試驗，但要確保斷裂發(fā)生在樣品中部。

2.2.1 試樣的形狀

試樣的形狀可按照產(chǎn)品形狀的多樣而多樣，一般為圓形、矩形以及多邊形等。

2.2.2 試樣加工尺寸

（1）Z1 型。對于t＜4mm 的板材、型材、管材等金屬產(chǎn)品，試樣加工成寬度b0=30mm±1mm，厚度為產(chǎn)品原始厚度或原始壁厚，長度Lt為450mm 的直條型樣品，簡稱Z1 型。

（2）Z2 型。對于t≧4mm 的板材、型材、管材等金屬產(chǎn)品，試樣加工成b0=20mm±1mm，厚度為產(chǎn)品原始厚度或原始壁厚，Lt為450mm 的直條型樣品，簡稱Z2 型。

（3）Z3 型與Z4 型。對于t＞30mm 的板材金屬產(chǎn)品，試樣加工成b0=20mm±1mm，t0為30mm±1mm 保留軋制表面，Lt為450mm 的直條型樣品，簡稱Z3 型；或加工成直徑d0為20±1mm mm，Lt為450mm 的圓形直條樣品，簡稱Z4 型。

（4）Z5 型。對于t＞50mm 的型材金屬產(chǎn)品，試樣加工成d0 為20mm±1mm，Lt為450mm 的圓形直條樣品，簡稱Z5 型。

（5）Z6 型。對于直徑≯25mm 的棒材、線材金屬產(chǎn)品，d0 為產(chǎn)品原始直徑，取Lt為450mm 的直條型樣品，簡稱Z6 型。

（6）Z7 型。對于直徑＞25mm 的棒材金屬產(chǎn)品，試樣加工成d0 為20mm±1mm，Lt 為450mm 的圓形直條樣品，簡稱Z7 型。

2.3 彎曲試樣制備

2.3.1 試樣的寬度

應(yīng)按相關(guān)產(chǎn)品規(guī)范的要求加工試樣寬度，若產(chǎn)品規(guī)范未規(guī)定時，試樣寬度應(yīng)滿足以下要求［4］：當產(chǎn)品寬度w ≯20mm時，試樣寬度b0為原產(chǎn)品寬度；當w＞20mm 時：b0等于20mm±1mm。

2.3.2 試樣的厚度或直徑

彎曲試樣的厚度或者直徑的確定，首先應(yīng)查閱相關(guān)的產(chǎn)品規(guī)范，如有規(guī)定則應(yīng)按其規(guī)定來確定，若無規(guī)定時，則應(yīng)按下列要求進行機械加工：板狀材料、帶狀材料還有型材，試樣厚度等于產(chǎn)品原始厚度；產(chǎn)品厚度t 超過25mm 的，應(yīng)進行機械加工，使其減薄至試樣厚度t0等于25mm±1mm，注意一定要保留一側(cè)試樣的原始表面；產(chǎn)品直徑不大于30mm 的材料，試樣的橫截面不變，為原始的產(chǎn)品橫截面；產(chǎn)品直徑超過30mm 的材料，應(yīng)進行機械加工，加工成橫截面為圓形的試樣，其內(nèi)切圓直徑等于25mm±1mm。

2.3.3 試樣的長度

彎曲試樣的總長度Lt要根據(jù)所使用的儀器設(shè)備型號以及試樣的厚度或者直徑大小來確定。一般，Lt可取250mm。

3 試樣制備注意事項

要確保試樣在取、制樣及儲存過程中，表面層及其內(nèi)部性能不被損壞，并應(yīng)符合以下規(guī)定：

（1）取、制樣時，要注意熱影響及加工硬化對金屬材料力學性能的影響，所采用的任何加工方法不能影響試樣的有關(guān)性能。

（2）加工試樣過程中伴隨的熱影響和加工硬化區(qū)應(yīng)去除。

（3）應(yīng)去除由于取樣造成的變形。

（4）應(yīng)確保制備好的試樣在轉(zhuǎn)移、運輸及儲存過程中的完好、完整，避免出現(xiàn)影響檢測結(jié)果的損壞，如表面劃傷、磕碰、磨損、彎折、缺損、缺失等。

4 結(jié)語

金屬材料的力學性能（即機械性能）檢測是建設(shè)工程類檢測實驗室的常規(guī)試驗項目，試驗員應(yīng)熟練掌握其試樣的取樣與制備要求。文中介紹了金屬材料（包括鋼板、型鋼、棒材、管材等）拉伸、彎曲試驗試樣的取樣位置、取樣方向、取樣量、取樣方法以及試樣的制備方法，并對其取制樣進行了梳理與歸納，對啞鈴型和直條型拉伸試樣的制備均分成了7 個類型，分別為Y1 型～Y7 型和Z1 型～Z7 型，方便了拉伸試樣的加工制備，還梳理了彎曲試樣的制備，為金屬材料力學性能檢測試樣的取制樣起到規(guī)范和指導(dǎo)作用。