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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(guò)拉伸試驗(yàn)起始拉伸到斷裂過(guò)程中的最大拉伸力和試樣原始橫截面積之比來(lái)計(jì)算。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”。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”。而ASTM E8/E8M—16a中也說(shuō)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”。因此，來(lái)自寶鋼湛江鋼鐵有限公司制造管理部的薛凱、歷妍和王毅磊三位研究人員認(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，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(lái)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(guò)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。研究人員通過(guò)試驗(yàn)來(lái)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(jiàn)表1。

 

表1.  試樣信息

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0~150kN，測(cè)量精度為0.5級(jí)，橫截面測(cè)量?jī)x精度為±1.0μm。

 

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(guò)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(guò)試樣拉斷過(guò)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(guò)試樣拉斷過(guò)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(guò)試樣拉斷過(guò)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20mm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±0.10mm和0.12mm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(guò)試樣拉斷過(guò)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20mm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0.12mm，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(guò)試樣拉斷過(guò)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(guò)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(guò)試樣拉斷過(guò)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(jiàn)表2和表3。

 

表2.  拉伸試樣原始橫截面積均值表

 

表3.  拉伸試樣抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

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(jiàn)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

 

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

 

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(méi)有區(qū)別，且Rm2，Rm3，Rm6與Rm1的差值都小于Rm4，Rm5與Rm1的差值。

 

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

 

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

 

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

 

     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(méi)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0.8MPa，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。

 

     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(jiàn)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(wú)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

 

3.  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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)計(jì)算試樣原始橫截面積的方法。

 

作者：薛凱，歷妍，王毅磊

作者簡(jiǎn)介：薛凱（1994-），男，助理工程師，主要從事金屬材料的力學(xué)性能檢測(cè)工作。

單位：寶鋼湛江鋼鐵有限公司 制造管理部