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高強鋼是指采用微合金化和熱機械軋制技術生產(chǎn)出的具有高強度(強度等級≥460MPa)、良好延性、韌性以及加工性能的結構鋼材，廣泛應用于橋梁、建筑、長輸管線和汽車等領域。使用強度高的鋼材，能夠減小構件尺寸和結構自重，相應地減少了施工成本，創(chuàng)造更大的凈使用空間。近年來，在中國、美國、歐洲、日本等地的橋梁工程、建筑結構和輸電塔架等鋼結構工程中，高強鋼的應用越來越多。

高強鋼為連續(xù)屈服材料，無法測量屈服強度，需要測量非比例延伸強度作為其屈服強度。在試樣尺寸、溫度已經(jīng)確定的情況下，影響試樣屈服強度Rp0.2測量結果的因素主要包括力值誤差、引伸計誤差、橫截面積測量的準確性、拉伸應變速率實際值以及試樣的夾持情況等。

GB/T 228.1—2010«金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法»規(guī)定，在應力-應變曲線圖上劃一條與曲線彈性直線段(下文稱彈性模量線)部分平行，且在延伸軸上與此直線段的距離等于0.2％延伸率的直線，此平行線與曲線的交點對應的強度為Rp0.2。然而，很多情況下應力-應變曲線的彈性模量線并不完全是直線，這就使得Rp0.2很難準確測量。筆者從不同拉伸試驗室了解到，現(xiàn)在的拉伸試驗機都有試驗機程序，試驗時軟件會自動測算Rp0.2，但是由于不同試驗機軟件對彈性模量線的選擇方式不一，造成彈性模量線和實際應力-應變曲線擬合度稍有差異，從而影響彈性模量線斜率mE的數(shù)值，進而影響了Rp0.2的測量值。

筆者分別選取了拉伸曲線有明顯屈服現(xiàn)象的Q235B碳素結構鋼和連續(xù)屈服的DP780高強鋼來進行室溫拉伸試驗。為了避開其他因素對試驗結果產(chǎn)生影響，該兩種材料都在某型號拉伸試驗機上進行拉伸試驗，等拉伸試驗結束，載荷、變形數(shù)據(jù)確定后，通過選擇不同彈性模量線，重新計算并觀察應力-應變曲線彈性模量線部分的擬合程度，得到不同的mE以及對應的Rp0.2，以此研究彈性模量線的選擇對Rp0.2測量值的影響。

試樣制備與試驗方法

試樣制備

試驗材料為某公司生產(chǎn)的6mm厚的Q235B碳素結構鋼和2mm厚的DP780高強鋼，按GB/T 228.1—2010制備橫向拉伸試樣。

試驗方法

室溫23℃下，使用精度符合要求的千分尺測量試樣橫截面積，制備好的拉伸試樣按GB/T 228.1—2010中的方法A在某型號試驗機上進行試驗。試驗結束后得到彈性模量線斜率mE、屈服強度Rp0.2，將應力-應變曲線的0％~2％拉伸應變部分放大得到彈性模量線擬合圖，觀察擬合程度。

彈性模量線的選擇

試驗機采集頻率50Hz，同時通過測力儀、橫梁位移、引伸計每隔0.02s采集載荷、位移、變形數(shù)據(jù)，后臺通過橫截面積的計算，可實時得到應力-應變拉伸曲線。試驗結束后，系統(tǒng)根據(jù)預設方式得到彈性模量線，從而得到對應的修正原點以及Rp0.2。

筆者從試驗機中分別選擇以下兩種彈性模量線預設方式用于計算。

(1)自動楊氏模量：系統(tǒng)選擇最大載荷的2％至最大載荷(自動判斷上、下屈服，有屈服的選擇上屈服)作為彈性模量選取區(qū)間，按照最小二乘法擬合計算其斜率，得到mE。

(2)楊氏模量：人為選取初始點和終點作為彈性模量選取區(qū)間，按照最小二乘法擬合計算其斜率，得到mE。

此次筆者等載荷、變形數(shù)據(jù)確定后，將用于計算Rp0.2的默認的自動楊氏模量改為3個不同的應力區(qū)間，分別得到4個不同的mE以及對應的Rp0.2，并截取0％~2％拉伸應變曲線觀察彈性模量線和曲線彈性段的擬合情況。為去掉開始階段的非線性階段，初始點選擇拉伸應力30MPa，終點分別按曲線形貌和抗拉強度值大小選取。

試驗結果與討論

試驗結果

圖1 Q235B碳素結構鋼的應力-應變曲線

圖2 DP780高強鋼的應力-應變曲線

由圖1圖2可知，Q235B碳素結構鋼在4種情況下的4個Rp0.2均在拉伸應變0.3％~0.4％之間，DP780高強鋼在4種情況下的4個Rp0.2均在拉伸應變0.4％~0.5％之間，表1為拉伸試驗結果。

表1 拉伸試驗結果

分析與討論

Q235B碳素結構鋼的結果分析

由圖1可知，Q235B碳素結構鋼拉伸曲線有明顯上、下屈服，上屈服強度為2９7.57MPa，抗拉強度為435.25MPa，此次自動楊氏模量的區(qū)間是8.7~2９7.57MPa。

由表1可知，彈性模量線的選擇方式對mE有著直接影響，但對Rp0.2的影響不大。彈性模量選取區(qū)間的終點為80MPa時，mE明顯偏大，達到了240.82GPa；彈性模量選取區(qū)間的終點越靠近抗拉強度，mE數(shù)值越接近自動楊氏模量的mE數(shù)值，當大于抗拉強度時無法得到mE和Rp0.2。

圖3 Q235B碳素結構鋼的應力-應變曲線(選取楊氏模量30~80MPa)

圖4 Q235B碳素結構鋼的應力-應變曲線(選取楊氏模量30~150MPa)

圖5 Q235B碳素結構鋼的應力-應變曲線(選取楊氏模量30~300MPa)

圖6 Q235B碳素結構鋼的應力-應變曲線(自動楊氏模量)

由圖3~圖6可知，彈性模量選取區(qū)間的終點為80MPa時彈性模量線和曲線彈性段的擬合程度較差，導致mE數(shù)值明顯偏大。由于Q235B碳素結構鋼有明顯上、下屈服，在屈服平臺上，0.3％~0.4％應變值對應的應力值相差不大，因此mE數(shù)值偏大并沒有導致Rp0.2數(shù)值的明顯差異。

DP780高強鋼的結果分析

由圖2可知，DP780高強鋼拉伸曲線呈現(xiàn)連續(xù)屈服現(xiàn)象，抗拉強度值為854.38MPa，此次自動楊氏模量的區(qū)間為17~854.38MPa。

由表1可知，彈性模量線的選擇方式對mE有著直接影響，且對Rp0.2的影響明顯。彈性模量選取區(qū)間的終點為150MPa時，mE數(shù)值明顯偏大，達到了246.45GPa；彈性模量選取區(qū)間的終點越靠近抗拉強度，mE數(shù)值越接近自動楊氏模量的mE數(shù)值，當大于抗拉強度時無法得到mE和Rp0.2。

圖7 DP780高強鋼的應力-應變曲線(選取楊氏模量30~150MPa)

圖8 DP780高強鋼的應力-應變曲線(選取楊氏模量30~300MPa)

圖９ DP780高強鋼的應力-應變曲線(選取楊氏模量30~800MPa)

圖10 DP780高強鋼的應力-應變曲線(自動楊氏模量)

由圖7~圖10可知，彈性模量選取區(qū)間的終點為150MPa時彈性模量線和曲線彈性段的擬合程度較差，導致mE數(shù)值明顯偏大。由于DP780高強鋼應力-應變曲線呈現(xiàn)連續(xù)屈服現(xiàn)象，0.4％~0.5％應變值對應的應力值逐漸增大，因此mE數(shù)值偏大導致了Rp0.2數(shù)值偏小。

結論

彈性模量線與應力-應變曲線的擬合程度會影響彈性模量線斜率mE的數(shù)值，從而影響屈服強度Rp0.2的測量值。對于拉伸曲線有明顯屈服平臺的碳素結構鋼，mE數(shù)值對Rp0.2的測量值影響不大，對于拉伸曲線呈現(xiàn)連續(xù)屈服現(xiàn)象的高強鋼，mE數(shù)值直接影響Rp0.2的測量值。

不論彈性模量如何選擇，試驗室在拉伸試驗后都應檢查放大后的應力-應變曲線，觀察彈性模量線與曲線彈性段的擬合程度，遇到擬合不好或引伸計在彈性段打滑的情況，應適當進行調(diào)整，直到擬合程度最佳后重新采值。

作者：高小勇，工程師，首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司