板状拉伸试样宽度对钢板力学性能的影响探究

王勇,宋鸿印,贾海伟,李健，项美辉

（新疆八一钢铁股份有限公司制造管理部）

0 前言

拉伸试验是材料力学性能测试中最常用和最经典的试验方法之一，试验过程中的弹性变形、塑性变形、断裂等检测阶段真实地反映了材料抵抗外力作用的全过程。通过拉伸试验能够得到材料的基本力学性能指标，如弹性模量、泊松比、屈服强度、规定非比例延伸强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、应变硬化指数和塑性应变比等[1]。试验所获得材料的强度和变形性指标，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、使用的安全性都有很高的参考和应用价值，因此在产品标准中一般将拉伸试验检测作为 必 测 项[2-3]。

影响金属材料的拉伸试验结果的因素较多，在钢板的产品标准中对钢板板状试样的宽度没有具体要求但对钢板的力学性能指标要求基本相同。而在实际的检测过程中，有些检测机构会根据拉伸试验机的能力会加工成不同宽度的板状拉伸试样。文章重点探讨板状试样宽度的变化对力学性能结果的影响，以找出能够反映或接近钢板真实力学性能的规律。

1 材料与试验

试验材料为八钢公司中厚板厂生产的Q355D钢板,其化学成分和力学性能均符合GB/T 1591-2018标准要求，钢板厚度分别为H 14mm、H 18mm、H 23mm，按照GB/T 2975-2018中要求，拉伸试样在钢板宽度1/4处截取样坯。将试样加工成6组宽度（平行长度部分宽度分别为1 5 m m、18mm、20mm、22mm、25mm、30mm）的板状试样，试样形状如图1所示。为了使试验结果具有可对比性，在同一规格厚度、相同炉号的钢板上取不同宽度的所有板状试样，在相同的加工条件下制作制样。拉伸试验在600kN微机控制电液伺服万能材料试验机上进行，按照GB/T 228.1—2010标准中给出的试验方法采用短比例试样进行试验。

利用DMI5000M倒置式光学显微镜对取样钢板进行金相组织和夹杂物含量的观察与分析，采用光谱分析方法进行化学成分检测。

图1 板状试样形状图

2 结果与分析

对选用的材料Q355D钢板H 14mm、H 18mm、H 23mm的试样分别编号为1、2、3，试样1、试样2和试样3分别有6组试样（宽度分别为1 5 m m、18mm、20mm、22mm、25mm、30mm），对试样的化学成分、金相组织及夹杂物、力学性能进行检测。

2.1 化学成分检测结果

取样钢板（Q355D）的化学成分见表1，其化

表1 试验用钢的化学成分（质量分数） %

2.2 金相组织及夹杂物检测结果

试样1和试样2的晶粒度、夹杂物评级和金相组织见表2。 图2分别为试样1、试样2和试样3的金相组织。

图2 Q355D钢板三个不同厚度试样的金相组织

表2 取样钢板的金相分析

2.3 力学性能检测结果

在拉伸试验中，拉伸速率按照GB/T 228.1-2010的要求采用方法B（应力速率控制的试验速率）进行控制，其应力速率为20MPa/s。拉伸试验主要检测抗拉强度 （Rm） 、上屈服强度（Reh）和断后伸长率（A）这三个指标。在试验期间，测试了6种不同宽度的板状试样，并对同一试样同宽度的6个试样拉伸结果取其平均值，力学性能检测结果见表3，钢板力学性能符合GB/T 1591-2018标准的相关要求。

表3 拉伸试验结果

依据表3三个试样的6个不同宽度试样拉伸结果的平均值绘制板状试样的力学性能（抗拉强度、上屈服强度、断后伸长率）随着试样宽度变化的趋势图见图3。

图3 Q355D钢板拉伸试验主要指标变化

2.4 结果分析

表3及图3试验结果表明，板状拉伸试样的宽度尺寸对拉伸试验结果有一些影响：随着试样宽度的减小其抗拉强度没有明显的变化；断后伸长率随着板状试样宽度的减小有逐渐增大的趋势；上屈服强度（ReH）随着试样宽度的减小有着降低的趋势，但降低趋势规律性较弱，且其中板状试样宽度为20mm相对于其余宽度试样要低。之所以出现这种现象，由力学原理可知：在横截面积发生变化的地方，必然要在其局部引起应力集中现象,而且还要影响附近区域的应力分布规律[4]，并且随着试样宽度的增加，派生应力增加，试样由单向拉伸逐渐转向平面应力状态，从而使参加流变的材料逐渐增多，会导致屈服有所变化[5]。分析表明试样宽度的变化对上屈服强度受有一定影响。

3 结论

影响拉伸试验结果的因素较多，采用化学成分和力学性能合格的Q355D钢板材料为研究对象，研究在不同宽度的板状试样对钢板的拉伸性能的影响趋势。

（1）结果表明：随着试样宽度的减小其抗拉强度没有明显的变化；断后伸长率随着板状试样宽度的减小有逐渐增大的趋势；屈服强度（ReH）随着试样宽度的减小有着降低的趋势，其中板状试样宽度为20mm的屈服强度相对于其余宽度试样的变化要小。

（2）在标准中对钢板加工成板状试样的宽度尺寸一般未明确规定，建议选择板状试样宽度时，可根据拉伸试验机能力以及钢板要求选取合适的宽度。当钢板力学性能中屈服强度要求为上屈服强度时，可优先选择试样宽度为20mm。