薛 凱, 歷 妍, 王毅磊

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司 制造管理部, 湛江 524072)

抗拉強(qiáng)度是金屬材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，通過拉伸試驗(yàn)起始拉伸到斷裂過程中的最大拉伸力和試樣原始橫截面積之比來計(jì)算[1]。GB /T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分: 室溫試驗(yàn)方法》中規(guī)定“宜在試樣平行長(zhǎng)度中心區(qū)域以足夠點(diǎn)數(shù)測(cè)量試樣的相關(guān)尺寸”、“原始橫截面積S0是平均橫截面積，應(yīng)根據(jù)測(cè)量的尺寸計(jì)算”[2]。ISO 6892-1:2019(E)與JIS Z2241:2011相較于GB /T 228.1-2010對(duì)于原始橫截面積多出了“建議至少測(cè)量3點(diǎn)的相關(guān)尺寸”[3-4]。而ASTM E8/E8M-16a中也說到“允許試樣平行段從兩端向中間逐步減小，形成一個(gè)錐度”[5]。因此，筆者認(rèn)為試樣橫截面積只需在試樣標(biāo)距中心測(cè)量計(jì)算，即測(cè)量試樣標(biāo)距中心的寬度和厚度。在實(shí)際生產(chǎn)中，因試樣的斷裂位置并不一定就是所測(cè)得最小橫截面積處[6]，且冷軋薄板在拉伸時(shí)需同時(shí)檢測(cè)鋼板的應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)(r值)等性能，需要試樣的實(shí)際寬度的平均值來計(jì)算，而拉伸試驗(yàn)需在試樣標(biāo)距中間分別測(cè)量3組試樣的寬、厚度并計(jì)算橫截面積，對(duì)于試驗(yàn)工作量大、自動(dòng)化程度不高的試驗(yàn)室，需要記錄的原始數(shù)據(jù)量很大，在實(shí)際執(zhí)行過程中可操作性不強(qiáng)，有文獻(xiàn)建議在標(biāo)準(zhǔn)中明確使用多個(gè)測(cè)量位置的寬度平均值與厚度平均值的乘積作為平均橫截面積[7]。筆者通過試驗(yàn)來分析試樣不同橫截面積的計(jì)算方法(即在測(cè)量計(jì)算原始橫截面積時(shí)，在試樣標(biāo)距兩端及中間分別測(cè)量試樣的寬厚度，選取3點(diǎn)橫截面積的平均值、3點(diǎn)橫截面積中的最小值或3點(diǎn)寬度平均值和厚度平均值的乘積)對(duì)抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試樣加工為拉伸試驗(yàn)中的P6試樣，具體信息見表1[8]。

表1 試樣信息Tab.1 Sample information

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用全自動(dòng)電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，力值測(cè)量范圍為0～150 kN，測(cè)量精度為0.5級(jí)，橫截面測(cè)量?jī)x精度為±1.0 μm。

1.3 試驗(yàn)方法

測(cè)量表1中拉伸試樣標(biāo)距兩端及中間的寬厚度，再按GB/T 228.1-2010的方法B在拉伸試驗(yàn)機(jī)上拉伸至斷裂，記錄試驗(yàn)過程中的最大力值后，再計(jì)算不同原始橫截面積的計(jì)算方法所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值。

1.4 原始橫截面積及對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度的計(jì)算

原始橫截面積及對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度按以下幾種方法計(jì)算：

(1) 面積的平均值S01：在標(biāo)距兩端及中間選取3點(diǎn)測(cè)量試樣的寬度和厚度，分別計(jì)算3點(diǎn)的橫截面積，再求橫截面積的平均值；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強(qiáng)度Rm1。

(2) 寬厚度平均值的乘積S02：在標(biāo)距兩端及中間選取3點(diǎn)測(cè)量試樣的寬度和厚度，計(jì)算3點(diǎn)寬度和厚度的平均值，再計(jì)算寬度和厚度平均值的面積；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強(qiáng)度Rm2。

(3) 面積的最小值S03：在標(biāo)距兩端及中間選取3點(diǎn)測(cè)量試樣的寬度和厚度，分別計(jì)算3點(diǎn)的橫截面積；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強(qiáng)度Rm3。

(4) 采用試樣名義寬度時(shí)面積的平均值S04：名義寬度為20 mm的試樣，在標(biāo)距兩端及中間選取3點(diǎn)測(cè)量試樣的寬度和厚度，尺寸公差和形狀公差分別在±0.10 mm和0.12 mm內(nèi)，采用試樣的名義寬度分別計(jì)算3點(diǎn)的橫截面積，再求橫截面積的平均值；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強(qiáng)度Rm4。

(5) 試樣形狀公差接近極限時(shí)面積的平均值S05：名義寬度為20 mm的試樣，在標(biāo)距兩端及中間選取3點(diǎn)測(cè)量試樣的寬度和厚度，假設(shè)試樣在標(biāo)距部分內(nèi)，形狀公差恰好等于0.12 mm，分別計(jì)算3點(diǎn)的橫截面積，再求橫截面積的平均值；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強(qiáng)度Rm5。

(6) 測(cè)量試樣標(biāo)距中間時(shí)的原始橫截面積S06：通過測(cè)量標(biāo)距中間的寬度和厚度計(jì)算試樣的原始橫截面積；通過試樣拉斷過程中的最大力，求得其抗拉強(qiáng)度Rm6。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 橫截面積及抗拉強(qiáng)度結(jié)果

橫截面積計(jì)算平均值及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。

表2 拉伸試樣原始橫截面積均值表Tab.2 Average value of original cross section area of tensile samples

表3 拉伸試樣抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Tensile strength test results of tensile samples MPa

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同材料的不同橫截面積計(jì)算方法得到的原始橫截面積如圖1和圖2所示，可見面積的平均值S01與寬厚度平均值的乘積S02結(jié)果重合，S02，S03，S06與S01的差值比S04，S05與S01的差異小。不同材料試樣的不同橫截面積計(jì)算方式得到的抗拉強(qiáng)度如圖3～圖5所示。

圖1 BUFD鋼試樣不同原始橫截面積計(jì)算方法所得的結(jié)果Fig.1 Results obtained by different original cross section area calculation methods of BUFD steel samples

圖2 DC06鋼與590DP鋼試樣不同橫截面積計(jì)算方法所得的結(jié)果Fig.2 Results obtained by different original cross section area calculation methods of DC06 steel and 590DP steel samples

圖3 BUFD鋼試樣不同橫截面積計(jì)算方法所得的抗拉強(qiáng)度Fig.3 The tensile strength obtained by different original cross section area calculation methods of BUFD steel sample

分析圖3和圖4可知，在強(qiáng)度相近時(shí)，不同厚度的材料采用寬厚度平均值的面積計(jì)算的Rm2與面積平均值計(jì)算的Rm1沒有區(qū)別，且Rm2，Rm3，Rm6與Rm1的差值都小于Rm4，Rm5與Rm1的差值。

分析圖4和圖5可知，在厚度相近時(shí)，不同強(qiáng)度的材料采用寬厚度平均值的面積計(jì)算的Rm2與面積平均值計(jì)算的Rm1沒有區(qū)別，且Rm2，Rm3，Rm6與Rm1的差值都小于Rm4，Rm5與Rm1的差值；

分析圖3、圖4和圖5可知，寬厚度平均值的面積計(jì)算的Rm2與面積平均值計(jì)算的Rm1差值幾乎為0，與面積最小值計(jì)算的Rm3，Rm6極差僅僅只有0.8 MPa，但都小于采用試樣名義寬度或達(dá)到試樣極限形狀公差時(shí)所計(jì)算的強(qiáng)度Rm4和Rm5與Rm1的差值。

圖4 DC06鋼試樣不同橫截面積計(jì)算方法所得的抗拉強(qiáng)度Fig.4 The tensile strength obtained by different original cross section area calculation methods of DC06 steel sample

圖5 590DP鋼試樣不同橫截面積計(jì)算方法所得的抗拉強(qiáng)度Fig.5 The tensile strength obtained by different original cross section area calculation methods of 590DP steel sample

為了分析不同橫截面積計(jì)算方法得到的抗拉強(qiáng)度是否存在顯著性差異，將表3中不同原始橫截面積計(jì)算方法所得到的的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)，結(jié)果見表4。采用寬厚度平均值的乘積S02及面積平均值S01計(jì)算的抗拉強(qiáng)度結(jié)果重合，采用寬厚度平均值的乘積S02，面積最小值S03及原始橫截面積S06計(jì)算的抗拉強(qiáng)度與面積平均值S01計(jì)算的抗拉強(qiáng)度無顯著差異。而采用S04及S05計(jì)算的抗拉強(qiáng)度與采用S01計(jì)算的抗拉強(qiáng)度存在顯著性差異。

表4 抗拉強(qiáng)度的F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical table of F test and t test for tensile strength

4 結(jié)論及建議

在形狀公差良好的情況下，對(duì)于不同厚度、不同強(qiáng)度的試樣，采用寬厚度平均值的乘積、面積平均值、面積最小值或在試樣標(biāo)距中間測(cè)量橫截面積所計(jì)算的抗拉強(qiáng)度無顯著差異。試驗(yàn)室可以根據(jù)實(shí)際情況選擇測(cè)量點(diǎn)數(shù)和計(jì)算方法。

通過寬厚度實(shí)測(cè)尺寸平均值的乘積、面積的平均值、面積的最小值計(jì)算得到的抗拉強(qiáng)度與GB/T 228.1-2010中建議采用的通過名義尺寸計(jì)算得到的抗拉強(qiáng)度存在顯著差異。

建議GB/T 228.1—2010修訂過程中，在確定主要技術(shù)指標(biāo)時(shí)，要綜合考慮生產(chǎn)企業(yè)的能力和用戶的利益，尤其是對(duì)試驗(yàn)工作量大、自動(dòng)化程度不高的試驗(yàn)室。建議在GB/T 228.1標(biāo)準(zhǔn)中增加采用寬度平均值和厚度平均值的乘積來計(jì)算試樣原始橫截面積的方法。