（机械工程专业论文）09cuptire耐候板性能及其尺寸效应的研究.pdf

e 立窑堕厶堂皇：尘亟：至i ! 丝奎空塞i l 璺 中文摘要 本文通过对两家不同企业生产的不同厚度0 9 c u p t i r e 耐镔钢板的强度和冲击 值进行测试和统计分析，得出了t b t1 9 7 9 2 0 0 3 新技术条件下! 产的不同规格 0 9 c u p t i r e 耐侯扳的机械性能实际水平和分布情况，并分析了不同厚度对钢扳性能 的影响规律。分析结果表明不同厂家! e 产的钢板在强度性能上没有明显差异，质 量水平比较稳定，且随着钢板厚度的降低，其强度和塑性均有小幅增加，主要是 钢板厚度减小，冷却速度加快，晶粒有所细化的结果。而不同厂家生产钢板的冲 击值差别明显，但基本能满足铁标技术条件的要求。钢板的冲击值与试样截面尺 寸并不成正比，具有明显的尺i j _ 效应，其产生原因与钢板厚度关系不大，主要是 由于试样截面尺寸不同导致变形时的约束不同，使其裂纹扩展功与试样尺寸不成 正比所致，其影响规律因钢板的韧性不同而异，对完全塑性试洋( 断口大部分为 塑性区域) 其截面尺寸增加，单位面积上的冲击功将增加：而对呈现脆性倾向的 试样( 断口大部分为脆性区域) ，截面尺寸增加使其脆性倾向增加，单位面积上的 冲击功将降低。 测试统计结果表明，通过细化晶粒和减少钢中杂质等手段，0 9 c u p t i r e 板可以 获得良好的低温冲击轫性，完全可以满足新铁标技术条件的要求。考虑到试样的 尺寸效应，其低温冲击合格标准应规定为无论采用何种截面尺寸试样其冲击值不 低于2 7 j 。此外因为所有测试钢板的屈强比均在o 7 8 左右，不满足技术条件中小 于0 7 5 的要求，强制要求低屈强比可能会使晶粒粗化，从而降低冲击韧性，故应 取消对屈强比的限制。 关键词：耐侯钢：强度：低温冲击；尺寸效应 e 斑窑丝厶：羔曼! 尘受：竺芷迨奎旦si 壁! a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h es t r e n g t ha n di m p a c tt o u g h n e s so f0 9 c u p t i r ew e a t h e r p r 0 0 fs t e e l i nv 撕o u st h i c k n e s sp r o d u c e db yt w od i 行e r e ms t e e lc o m p a n yw a st e s t e d b yu s i n g s t a t i s t i c sm e t h o dt oa n a i y z et h et e s t e dd a t a ，i ti ss h o w e dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f0 9 c u p t i r e w e a t h e r p r o o f s t e e lc a i lm e e tt h e r e q u i r e m e n t o ft h et b t 1 9 7 9 2 0 0 3 c h e r ei sn os p e c i a ld i 腩r e n ti ns t e e lp l a t e ss t r e n 昏hp r o p e n i e sb e 研e e nt w o m a n u f a c t o 叫w o r k s w i i ht h ed e c r e a s i n go fi t st h i c k n e s s ，b o t ho ft h es t r e n 昏ha n d p l a s t i c i t yp r o p e n yo f s t e e ip l a t ea r ei n c r e a s e db e c a u s eo f c r y s t a lg r a i ns i z er e 6 n ec a u s e d b yq u i c k e rc 0 0 1 i n gs p e e d b u tc i e a rd i f i 色r e n ti ss h o w e di ni m p a c tt o u g h n e s sp r o p e n i e s b e t w e e nt w om a n u f a c t o r yw o r k se s p e c i a u ya ti o wt e m p e r a t u r e t h ei m p a c tt o u g t l l l e s s d a t ai sn o tp r o p o r t i o n e dw i t ht h es e c t i o na r e a s0 f s a m p l e ，i th a ss i z ee f r e c tn o tc a u s e db y t h ed i 腩r c n to fs t e e lp l a t e st h i c k n e s sb u tt h ed i 腩r e mo fs a r n p l es i z e t h ee 肫c ti s ， d i n e r e ma c c o r d i n gt ot h ei m p a c tt o u g h n e s so fs t e e lp l a t e t h ei m p a c tt o u g h n e s s i n c r e a s e dw i mi t ss e c t i o na r e ag e t t i n gi a r g ew h e ni t sm o s to ff h c t u r es u r f a c ei sd u c t i l e ， b u ti m p a c tt o u g l l i l e s sd e c r e a s e dw i t hi t ss e c t i o na r e ai n c r e a s i n gw h e ni t sm o s to f f h c t u r es u r f h c ei sb r i t t l e a st h er e s u l t ，t h ew e a t h e r p r o o fs t e e l0 9 c u p t i r ec a no b t a i n e dg o o di m p a c t t o u g h n e s sa tl o wt e m p e m t u r eb yc r y s t a lg m i ns i z er e 丘n e da n ds t e e ll i q u i d sp u r i 巧e d c o n s i d e r e do f t h es i z ee f r e c t ，i ts h o u l db es l i p u l a t e dt h a tt h ei m p a c ta b s o r b i n ge n e 瑁yo f 0 9 c u p t i r es h o u l dn o tl e s st h a n2 7 jw h a t e v e rs i z eo fs a m p l ei su s e d m o r ee v e r ，t h e t e s t i n gr e s u i t ss h o w sm a tt h er a t i oo fy i e l ds t r e n g t ha j l dt e n s i l es t r e n 舒hi sa b o u t0 7 8n o t l e s st h a no 7 5a st b t 1 9 7 9 2 0 0 3s t i p u l a t e d t h i ss t i p u l a t i o ns h o u l db ec a n c e l l e d b e c a u s er e q u i r e dl o w e rr a t i oo fy i e l ds t r e n 殍ha n dt e n s i i es t r e n g mm e a n sl a 玛ec r y s t a l 笋a i ns i z e ，a n dm a yb ec a u s e db a di m p a c ta b s o r b i n ge n e 昭ya tl o wt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：w e a t h e r p r o o f s t e e l ；s t r e n g t h ；s i z ee f r c c t ： i n l p a c tt o u g i l l l e s sa t1 0 wt e m p e m c u r e 致谢 本论文足在我的导师何庆复教授的悉心指导下完成的，何教授对我的论文提 出了许多的宝贵意见和建议，其严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的 帮助和影响，在此表示衷心的感谢。 在本论文的实验和数据收集阶段，北京二七车辆厂理化实验室的同事们对我 论文中的试验工作给予了热情帮助，特别是物理组的郭旭等同志直接参与了大部 分试验工作，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢单位的领导和我的家人，足他们的理解和支持使我最终能够完成 我的学业。 e瘟奎地基堂皇：坠亟：生i !迨塞缝迨 1 绪论 1 1 引言 耐侯钢又称耐大气腐蚀钢，因其在空气中的腐蚀速度比普通钢板大大降低， 在铁路货车中得到了广泛应用，发迭目家铁道车辆广泛采用耐侯钢制造。我国从 8 5 年开始将耐候钢应用于铁路车辆的制造，其中以0 9 c u p t i r e 用量最大。 0 9 c u p t i r e 足我国自主开发的耐侯钢材，并于1 9 8 7 年列入铁道行业标准。但 t b l 9 7 9 8 7 中对其机械性能仅做了强度、延伸率和冷弯的要求，没有冲击韧性的 要求。随着铁路运输的发展，对板材的性能要求也越来越高，特别是车辆的主要 受力梁件，如中梁、枕梁等应有足够的低温冲击韧性，以防低温脆断事故。为此 在2 0 0 0 年1 月铁道部运输局在武汉开会对钢材生产厂家提出了新的耐侯钢技术条 件( 运装货车 2 0 0 0 1 3 7 号文) ，增加了对一4 0 低温冲击韧性的要求，并在2 0 0 1 年3 月在成都开会对技术条件做了进一步补充修改，作为定货条件让钢厂组织生 产，在此基础上形成了新的耐侯钢标准t b t 1 9 7 9 2 3 铁道车辆用耐大气腐蚀钢 定货技术条件，于2 0 0 3 年颁布实施。 自2 0 0 0 年新技术条件颁布后，各生产厂家按新标准组织了生产，钢材生产厂 家为了满足冲击韧性的要求，除对冶炼及轧制工艺进行改进之外，对化学成分也 在技术条件允许范围内进行了调整，如含碳量取下限，磷含量也尽可能取下限， 这样在一定程度上影响了钢材的其他机械性能，与原技术条件下生产的钢板性能 有所不同，有必要对其性能重新进行评估。本文通过对不同钢厂生产钢材的性能 进行对比分析，以期了解其质量特点及产生原因，对钢材质量的提高起到指导作 用，为铁标技术条件的进一步修订提供科学依据。 1 2 0 9 e u p t i r e 国内生产和研究现状 0 9 c u p t i r e 是我国自主歼发的不含铬镍等贵重合金元索的耐侯钢，主要应用于 铁道货车车辆的制造，1 9 8 7 年列入铁道行业标准，其性能和化学成分指标见表1 1 。 由于设计及生产车型等方面原因，耐侯钢开始在铁道车辆上的应用并不广泛，生 产厂家也不多，其性能和质量问题并不突出。随着铁路运输的发展，特别是c 6 4 等新型重载货车大量采用耐候钢制造，对o g c u p t i r e 耐侯钢的需求量大增，生产 耐侯钢的厂家也增加许多。由于各生产厂家的技术水平参差不齐，其产品质量差 别较大。为规范耐侯钢的生产，同时也为了适应新的铁路运输条件，铁道部运输 局2 0 0 0 年1 月在武汉组织部分钢材生产厂家和车辆生产厂对原有的耐侯钢技术标 准进行了讨论修改，提出了新的铁道车辆用耐大气腐蚀钢供货技术条件( 运装货 立窑遁厶堂主! 咝亟：差i ! 迨之垡迨 表1 10 9 c u p t i r e 机械性能和化学成分指标( t b l 9 7 9 8 7 ) 0 9 c u p t i r e 化学成分 c 0 6s i 钙n p s 药c u t i r e 0 1 20 2 0 0 1 00 2 j 、0 5 j 0 0 7 0 0 1 20 0 4 0o 2 j 0 3 50 0 3 0加入瞳0 1 5 0 9 c u p t i r e 机械性能( 热轧扳) ob ( p a ) o 。“p a )6 ；( ) o 。ob 3 9 2 2 9 42 4o 7 2 车 2 0 0 0 1 3 7 号文) ，其中关于0 9 c u p t i r e 性能和化学成分指标见表1 2 。 原铁标肘耐侯板的冲击韧性没有要求，实际上其冲击值足很低的，特别是一4 0 低温冲击c v n 值只有十焦耳以下，这主要是钢中含有较多的磷，众所周知磷使 钢产生冷脆现象，尽管原标准要求在钢中加入稀土以净化钢水以提高韧性，但是 只规定了稀土加入量，由于冶炼工艺和加入方法的不同导致吸收水平的不同，其 效果很不理想且不稳定。新技术条件与原铁标主要的不同之处，一是规定了稀土 的残留量，二是增加了对低温冲击的要求，规定耐侯钢一4 0 低温c v n 冲击值不低 于2 l j 。这一要求虽然不高，但由于钢材磷含量高，实现起来有一定难度，部分技 术力量较差的钢厂因此退出了耐侯钢的生产。部分技术力量较强的钢材生产厂家 通过对冶炼及轧制工艺进行改进，大大提高了板材的韧性，基本上可以达到甚至 远远超过了技术条件的要求，但在仍存在一些问题，主要有稀土残留量不够、低 温冲击值偏低和屈强比超标等三个方面。 表1 20 9 c i l p t i r e 性能和化学成分指标( 运装货乍【2 0 0 0 】1 3 7 号) 0 9 c u p t i r e _ a 化学成分 c 6 s i n p 9 6s 筠c u t i r e 蔼 0 1 20 2 0 、o 4 0o 2 5 0 5 5o 0 7 0 、0 ，1 2 0 0 3 0 0 2 5 0 5 00 0 3 00 0 l o o 0 4 0 0 9 c u p t i r e a 机械性能( 热轧扳) o 。( m p a )o ；“p a ) 6s ( ) o 。ob常温a k v ( j )- 4 0 低温a k v ( j ) 3 9 02 9 52 40 7 24 7 2 1 e立窑迫厶：l ：生! 坐堕望位迨奎笪迨 稀土残留量不够主要发生在某钢生产的板材中，数量不足很多，不合格板材 稀土残留量在o 0 0 4 左右，其它化学成分均符合要求，值得一提的足钢材的硫含 量较低仅为o 0 0 2 左右。对稀土残留量不合格的钢板进行性能检测，机械性能全 部符合技术条件要求，其中低温冲击值仍可达到1 0 0 j 左右，低稀土残留量并未影 响钢材的机械性能。 低温冲击不合格主要发生在另外两家钢厂生产的2 槽钢和个别炉号的板材 中。其中2 4 4 槽钢的情况较为严重，仞检不合格率在j o 以上。对低温冲击不合格 的样品进行化学成分检验，各项指标均符合技术条件要求，其中硫含量虽然低于 技术条件规定的o 0 3 0 的要求，但有点偏高达0 0 2 0 左右。检测结果表明，稀土 溅留量合格的板材，其低温冲击值不一定合格。 屈强比超标足一个普遍现象，各家钢厂的产品均大量出现，屈强比大于规定 0 7 2 的钢材占总量的8 0 以上，平均屈强比在0 8 0 左右。由于大部分产品部达 不到要求，技术条件规定的限制是否合理值得商榷。 0 9 c u p t i r e 耐侯钢中磷含量较高，众所周知磷会产生冷脆现象，磷含量偏高会 馒钢的低温冲击韧性变差。钢中加入稀土可起到净化钢水，改善韧性的作用，因 此保持钢中有一定的稀土残留量是合适的。稀土加入钢中之后，首先会与氧结合 生成氧化稀土，其次才与硫结合生成硫化稀土，使硫化物夹杂呈球状并失去塑性， 这样在随后的轧制中不产生变形，从而改善钢的横向冲击韧性。由此可见稀土改 善钢材韧性的作用主要有两个方面，即一方面使夹杂物球化而提高总体韧性，另 一方面使硫化物夹杂失去塑性而改善轧制后的横向冲击韧性，消除不同轧制方向 上的韧性差异”l 。尽管如此，这些稀土化物若不能从钢水中排出而作为夹杂物残留 在钢中，夹杂物的含量过多仍会使钢的整体韧性水平下降。因此提高钢韧性的根 本方法在于提高钢水的纯净度，降低钢中氧硫等杂质含量，稀土残留量不宜太高。 有研究资料表明，钢中硫与稀土的比例达到l 比3 时稀土改善韧性的作用才达到 最高”1 ，对技术条件规定稀土残留量不大于o 0 4 0 而言，合适的硫含量应该以不 大于o 0 1 5 为宜。实测结果表明，部分低温冲击不合格的产品，其化学成分虽然 符合要求，但其硫含量较高达到0 0 2 0 左右，高于残留稀土的含量，稀土改善韧 性的作用没能充分发挥。而部分稀土残留量不合格的产品，其稀土残留量虽在 o 0 0 4 左右，但其硫含量更低在o 0 0 2 左右，硫与稀土比仍达到1 比2 左右，稀 土改善韧性的作用仍得到了发挥，而且钢的纯净度较高，故其低温冲击韧性仍非 常高。 屈强比是材料屈服强度和断裂强度的比值，反映了材料的利用效率，屈强比 越高，表明材料的屈服强度越接近断裂强度，材料的利用效率越好。现代材料观 点提倡高的屈强比来提高材料的利用率。但高屈强比会使钢材冷冲压成型的变形 塑奎迫左鲎主：坠 亟堂i 兰迨塞垡迨 力增大，回弹量增加，因材料从屈服到断裂的过渡期较短而使裂纹可能陛增大， 同时获得高的屈强比一般会使材料的塑性变差。但肘0 9 c u p t i r e 而言，由于含磷 量较高，而磷又易在晶界偏聚产! l 三冷脆现象，为保证韧性钢厂一般采用细化晶粒 的方法，同时提高了材料的强度和韧性，因此材料在具有高屈服强度的同时也有 较好的塑性，延伸率仍能达到3 0 左右。若过分限制了屈强比，必定要降低钢材细 品强化的作用，从而使材牛 的韧性有可能下降而达不到要求，因此放宽对屈强比 的限制是合理的。 由于以上原因，2 0 0 1 年3 月铁道部运输局又在成都组织部分钢材生产厂家和 车辆生产厂家对新的耐大气腐蚀钢供货技术条件( 运装货车 2 0 0 0 1 3 7 弓文) 部分 条款进行了讨论修改，修改内容包括允许稀土的含量有0 0 0 4 的下偏差、只要求 用于冲压成型的板材屈强比不大于o 7 j 、钢中硫含量应不大于o 0 2 0 等。改进后 的技术条件解决了一部分不合格问题，同时经过一年多的时间各钢厂在生产上也 积累了一定的经验，使0 9 c u p t i r e 的质量逐步提高，生产逐渐步入正轨。在此基 础上铁道部推出了新的耐侯钢标准t b t 1 9 7 9 2 0 0 3 铁道车辆用耐大气腐蚀钢定货 技术条件，于2 0 0 3 年颁布实施，其中关于0 9 c u p t i r e 性能和化学成分指标见表 】3 。 表1 30 9 c u p t i r e 性能和化学成分指标( t b 厂r 1 9 7 9 2 0 0 3 ) 1 h b 1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp m p e r t i e so f 0 9 c u p ，r i r e ( t b l 9 7 9 2 0 0 3 ) 0 9 c u p t i r e a 化学成分 c s i m n p s 筠c u t i r e 0 1 20 2 0 0 4 00 2 5 0 5 50 0 6 0 0 1 2 0 0 2 00 2 5 0 5 00 0 3 00 0 1 0 00 4 0 0 9 c u p t i r e 矗机械性能 ob ( i p a ) a 。( p a ) 65 ( ) a 。oh常温a k v ( j )一4 0 低温a k v ( j ) 3 9 02 9 52 4o 7 j4 72 1 新铁标对0 9 c u p t i r e 耐侯钢的各项技术指标的规定基本上与修改后的耐大气 腐蚀钢供货技术条件相同，其中稀土含量允许有o 0 0 4 的下偏差，对低温冲击的 要求为三个试样的平均值不小于2 l j ，允许其中一个试样单值低于规定值，但不应 低于规定值的7 0 。当采用5 x l o x 5 j m m 或7 5 x l o x 5 j m m 小尺寸试样做冲击试验时， 其试验结果应不小于规定值的5 0 或7 5 ，当钢材厚度小于6 m m 时不做冲击试验。 在冲击韧性的实际测试中我们发现钢板的冲击值出现两极分化，即高的可达 到l o o j ( 低温) 左右，而个别低的不到l o j 。其根源主要是因为钢材生产厂家的 4 e立窒遁盘至 生! 坠堕：王i !迨塞垡迨 生产工艺控制水平不同，控制好的其冲击值兢较高，控制不好的其冲击值就低。 另外在实测中我们还发现不同钢厂生产的钢材性能有一定差异，而且不同厚度钢 板的性能值也有所不同，即存在尺寸效应，特别是低温冲击值更加明显，某钢厂 生产的薄板采用j m m 试样的冲击值与中板采用l o 试样的冲击值敛掘相差不大， 但根据验收条件，由于二者试样尺、r 相差一信，冲击值也应该相差一倍才对。这 一差异到底足由于板材厚度不同导致内部组织差异引起的，还是由试样尺寸差异 引起的，有待进一步分析研究。 过去我国的老标准基本是用冲击韧性作为材料的韧性指标，而在新修订的标 准中则多用冲击功作韧性指标，但一般是采用标准试样，只有部分标准中允许采 用小试样进行验收，对冲击试样尺寸对冲击功的影响研究很少。比如低台金高强 度钢标准中就规定当冲击采用5 硼试样时要达到规定值的5 0 ，并未考虑试样的尺 寸效应。有研究资料表明，采用小试样测定钢的韧脆转变温度结果要比标准试样 的测定结果低，而且当试样处于韧脆混合断裂时，试样冲击功与试样截面尺寸不 成正比“”。当冲击功与试样截面尺i j 不成正比，不同厚度试样的冲击值比较接近 时，若仍用试样截面尺寸与冲击功成正比的条件去判定，将导致不同厚度钢材具 有不同验收标准，也就足说允许不同厚度钢材有不同的质量。另外用2 l j 这一低 指标不能反映0 9 c u p t i r e 钢材的真正质量水平，不利于促进钢厂产品质量的提高， 也给使用方验收带来不便，限制了进一步对钢材潜能的开发利用。因此有必要对 其产生原因进行进一步探讨，以搞清耐侯钢不同尺寸试样冲击值间的关系，方便 生产和验收。 1 3 本课题研究的意义 0 9 c u p t 氓e 耐侯板具有良好的耐大气腐蚀性，以前由于其冲击韧性较差多 用于货车车体端梁立柱等非重要场合，还未应用到中侧梁等重要受力结构。新技 术条件要求耐侯钢具有良好的常温和低温冲击切性，完全可以满足中侧粱的生产 要求，如能推广利用，将大大提高车辆的报废寿命。经过几年的生产，各耐侯钢 生产厂的生产工艺和产品质量都已基本稳定，此时对新技术条件下生产的耐侯板 的机械性能进行统计分析，以明确其性能值的实际分布情况，可以为设计提供可 靠数据，对进一步推广利用耐侯钢有着积极的意义。同时通过对不同钢厂生产钢 材性能的对比分析，了解其质量特点及产生原因，为钢材质量的提高也会起到积 极作用，为铁标技术条件的进一步修订提供科学依据。 e 立窑i i 厶竺生! 壁亟：至芷迨童翌! 选圣缝 2 测试条件 试验选取了固内0 9 c u p t i r e 产量较大的两家生产企业( 以下简称a 厂和b 厂) 两年问的产品遴行测试和统计。之所以选取返两家企业的产品是因为a 厂是我联 最早生产耐侯钢的老企业之一，而b 厂是我国生产技术最先进的新钢铁企业之一。 二企业由于生产原料来源和工艺的不同，有资料表明b 厂钢材的纯净度最好，而a 厂产品的纯净度较差。】，选这两家企业的产品具有一定的代表性。 试样的测试条件以生产实际检验条件为基础，取样按g b t 2 9 7 j 1 9 9 8 规定， 在每批进厂钢材中按炉号随祝抽取一张钢板，在其端部规定位置取横向试样，进 行化学成分和机械性能的测试。样品的化学成分均符合技术条件的规定，见表2 1 。 值得一提的足，两厂产品的硫含量略有差异，其中a 厂产品的的硫含量在o 0 0 7 左右，而b 厂产品的硫含量在o 0 0 2 左右。 表2 10 9 c u p t l r e 化学成分表 t a b 2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f 0 9 c u p t i r e 牌号 c ? 6s i m n p s c u 蔼t i r e 芳 0 2 0 、o 2 5 o 0 6 0 0 2 5 o 0 1 0 0 9 c u p t i r e a o 1 2o 4 00 5 50 1 2o 0 2 00 5 0o 0 3 00 0 4 0 钢扳拉伸试样按g b t 2 2 8 2 0 0 2 图1 1 和附录b 的规定加工成宽3 0 m m 的p l l 号 试样，在w b 一3 0 液压万能材料试验机上进行试验，一次完成抗拉强度、屈服强度 和断后伸长率的测试，并计算屈强比。冲击试样按g b t 2 2 9 一1 9 9 4 中图i 的规定加 工成夏比v 型缺口冲击试样，在j b 3 0 型冲击试验机上分别进行常温和低温冲击 功的测试，每组测试三个试样取其平均值。接技术条件规定要求，对j 2 m m 厚钢板 采用1 0 x l o x 5 i 舢标准试样，1 0 咖厚钢板采用7 5 x l o x 5 5 咖试样，8 m m 和6 舢厚 钢板采用5 x i o x j 5 m m 试样，试样v 型缺口用专用拉床加工，并经j 0 倍投影放大检 查合格。为消除冲击时缺口对中偏差对试验结果的影响，我们对冲击试验机加装 了专门的端面定位装置，确保了缺口对中良好并提高了试验速度。低温冲击用c d c 型冲击试验低温槽制冷，所有试验设备均经计量裣定合格并在有效期内使用。 为消除生产环境变化引起的结果差异，测试数据涵盖两家企业年度内整个生 产周期中生产的不同规格的板材。其中b 厂产品测试数据是两个生产年度中部分 产品的测试结果，两a 厂产品测试数据因供货关系是一个生产年度部分产品测试 数据。在两年内我们共测试了1 8 5 炉不同炉号和舰格钢板的性能数据进行统计分 e 堕奎迫厶望生! 坠亟：芏位坌奎 型i 点垂! ! 析，测试数量，种类见表2 2 ，测试结果见附录。 表2 2 顶j 试数诞辰 生产厂家产品名称样品艇格掰淡效餐 b 厂 热轧扳 1 2 m1 4 b 厂热轧板1 0 m m4 0 b 厂热轧钣8 m m2 5 b 厂热轧扳 6 m m 2 6 a 厂 热轧皈 1 2 m m1 3 a 厂热轧扳l o m 吼1 1 a 厂热轧板8 m m3 9 a 厂 热轧板 6 m n 2 1 7 e 塑奎遁叁堂生! 坐亟望垃造塞塑 达结星丝i 丛坌近 3 测试结果统计及分析 3 1 强度指标统计及分析 采用统计数掘进行分析研究，可以避免单次试验偶然因素带来的误差，能够 更准确地反映内在规律。统计数据是否可靠，可检验其分布状态是否正常。 一般来讲，材料的强度和冲击功等机械性能指标均服从正态分布，即同一厂 家生产的特定规格的钢材强度和冲击功服从正态分布，对不同厂家生产的产品足 否存在差异也可通过正态分布检验来确定。为检验两厂产品强度指标的分布情况 是否正常，选取不同规格板材的屈服强度测试数据进行统计分析，做出其分布柱 型图如图3 1 、图3 2 、图3 3 和图3 4 ： e 基至遁盔翌主! z 亟至垡迨塞! i 盔结盈丝进丛盆监 从测试结果分布图中可以看出，两厂生产的钢材强度指标基本符合正态分布， 除6 m m 饭的分布略有偏峰外，没有出现双峰或分离情况，这说明两企业生产的钢 材在强度上没有明显差异。对抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和屈强比的平均 值、标准偏差的统计结果如表3 1 。 从测试结果的统计分析看，钢板强度指标均达到了标准要求，而且质量控制 比较稳定。尽管不同厚度钢板的屈服强度平均值都超过3 5 0 m p a ，但由于测试结果 的分散性，有很大一部分钢扳的屈服强度小于3 4 删p a ，也就是说钢板性能从整体 e 塑奎翌厶：兰皇! 生亟：望i 兰迨皇趔述丛墨丝过壁坌近 上说还达不到q 3 4 5 水平。恨据统计结果计算，扳材屈服强度合格率为9 8 时的合 格下限为3 2 0 至3 3 0 p a 之| h j ，从留一定富裕量考虑，扳材屈服强度定为大于等于 2 9 5 p a 足合适的。 表3 1 长度指标统计衷 t a b 3 1s t a t i s t i c a lr e s u l to f s t r e n g t hd a t a 钢扳厚度 6 m m8 m m1 0 m 1 2 m m 抗拉 a 厂 平均值 4 9 54 7 74 6 74 7 0 强度 标准偏差 1 91 28 36 6 ( p a ) b 厂平均值4 8 7 4 6 94 6 6 4 6 2 标准偏差 1 5l l1 3 9 7 屈服 a 厂 平均值 3 8 63 6 63 5 43 6 3 强度标准偏差 2 4l l9 2 1 2 ( m p a ) b 厂平均值3 8 93 6 53 5 93 5 5 标准偏差1 61 4 1 4 1 0 断后 a 厂 平均值 3 4 43 2 73 0 33 ll 仲长标准偏差 2 71 61 41 o 率( )b 厂 平均值 3 3 53 4 23 3 03 2 5 标准偏差1 71 81 71 3 屈强 a 厂 3 f 均值 0 7 80 7 70 7 50 7 7 比 标准偏差 0 0 2o 0 2o 0 2o 0 2 b 厂 平均值0 8 0 o 7 80 7 7 o 7 7 标准偏差 0 0 2o 0 20 0 20 0 l 3 2 冲击韧性指标统计及分析 材料的常温冲击值和低温冲击值反映了材料抵抗小能量冲击疲劳和低温脆断 的能力。材料具有较高的冲击韧性，标志着其裂纹生成和扩展将吸收更多的能量， 因此具有良好的疲劳性能，特别是良好的低温冲击韧性可以有效地防止低温脆断， 故新的铁道车辆用耐大气腐蚀钢标准增加了对冲击性能的要求。因为影响材料冲 击韧性的因素很多，其影响机理目前还不十分清楚，因此对冲击值的控制目前还 未完全做到。各钢厂为达到标准规定的冲击值要求，在生产工艺上采取了一些措 施，但从测试结果看，冲击值的数据离散性较大，即使同一炉三个试样的测试值 也有一定差别。为检验其数值分布情况，选取6 m m 扳的测试数据进行分布状态检 查，其柱型分布图如图3 5 和图3 6 ： o 立窒遵厶望皇些亟：t 芷逾塞叫达结星丝进丛坌近 从柱状图中可以看出，板材的冲击值并不呈典型正态分布，特别是常温冲击值具 有明显的双峰特性，即两个厂家生产钢板的冲击性能存在明显差异，应分别进行 统计分析。为检验每一生产企业产品的数据分布情况，分别选取实验效量较多的b 厂l o m m 板和a 厂8 m m 板的常温和低温冲击值进行统计分所，其分布直方图如图3 ，7 、 图3 8 、图3 9 和图3 1 0 。 e 奎窒壅盘堂皇些亟：至业迨塞生达签里丝i 丛坌近 2 e 塑塞堕左堂生业受：竺垃迨塞l 这盆墨丝生丛筮i 豆 从直方图中可以看出，两个钢厂生产钢材的常温冲击值和低温冲击值基本符 合正态分布，但都不足典型正态分布形状，说明在产品冲击性能控制上还没达到 理想状态，有待进一步改进。对两厂钢材的冲击值分别统计，其结果如袁3 ，2 ： 表3 2 常温和低温冲击值测试结果统计震 t a b 3 2s t a c i s 矗c a lr e s u i to f n o 期a la n d 】o w 锄】p e f 8 t u r ei m p a c t 幻u g h n e s sd a l a 项目6 n l m8 i i l i n1 0 n u n1 2 m m b 厂 平均值( j ) 6 46 41 2 0 1 7 8 常温冲击 标准偏差 7 65 41 62 8 a k v a 厂平均值( j )5 2 5 58 5 1 1 7 标准偏差7 69 01 91 5 b 厂 平均值( j ) 4 64 97 89 8 4 0 低温冲击标准偏差6 ，59 42 02 5 煳 a 厂 平均值( j ) 3 53 53 53 7 标准偏差5 05 o1 51 1 比较两厂产品的测试结果可以看出，b 厂生产钢板的冲击值高于a 厂产品，随 着钢板厚度的增大数值差异也越来越大，而从数值离散性上看，不同产品的标准 偏差虽有差异，但两厂间相比差异不大，即在质量控制上两厂属同水平，都有 待于提高。因为钢板厚度关系，测试时6 m m 和8 i t 】f n 扳采用5 x l o x 5 5 试样，l o m m 板 采用7 5 x 1 0 x 5 5 试样，1 2 姗扳采用l o x l o x 5 5 试样，但无论采用何种尺i r 试样，板 材的低温冲击值平均都在3 0 j 以上。由于不同尺寸试样的测试结果没有可比性， 为了方便比较，将测试结果换算成冲击韧度值，其结果如表3 3 所示。 t 立童丝厶竺皇! 堂亟：差坐迨塞划达结墨丝过壁坌近 表3 3 常温和低灌冲击韧度对比表( 单位；j c 1 2 ) 规格6 ，n 扳8 1 m 扳il o ? m 扳i1 2 m m 扳 常沿：申击韧度a 。b 厂 1 6 01 6 02 0 02 2 2 a 厂j1 3 0 1 3 6 j 1 4 2 1 4 6 4 0 低温；申击韧度a 。 b 厂1 1 5 1 2 2 1 3 01 2 2 a 厂8 88 7 i 5 84 6 从表中可以看出，a 厂钢板的常温冲击韧性与b 厂钢板的低温冲击韧性随着板 材尺寸的增加基本没什么变化，而b 厂钢板的常温冲击韧性随着扳材尺寸的增加 而增加，a 厂钢板的低温冲击韧性却随着扳材尺寸的增加而大大降低，这说明钢板 的冲击值有着明显的尺寸效应，其原因有待于进一步分析。 3 3钢板厚度对强度指标的影响 钢板抗拉强度和屈服强度随板材厚度变化如图3 1 l 和图3 1 2 所示。 从图中可以看出，随着厚度的增加，钢板抗拉强度和屈服强度均有所下降。两企 业产品的性能指标值非常接近，影响规律一致，曲线几乎重合。图3 1 3 足钢板延 伸率随厚度的变化图，虽然两企业问数值有一定差异，但可以看出随厚度的增大， 钢板的延伸率均呈下降趋势。 1 4 e 立窒丝厶堂皇：坐亟：望芷i ! 羔型这结墨丝迁丛坌巨 3 4 不同厚度钢板的冲击性能 不同厚度钢板的常温和一4 0 低温冲击值如图3 1 4 和图3 1 5 所示。图中6 砌 和8 咖板采用5 x l o x 5 j m m 的试样，尽管两者厚度相差2 j ，强度和塑性有差异，但 两企业的产品无论常温还是低温冲击值两种厚度的测试结果部比较接近，可见钢 板的厚度对冲击值的影响不大，其冲击值的差异主要来源于试样尺寸的影响。而 8 m 、1 0 册、1 2 砌钢板分别采用的是5 x1 0 x 5 5 m m 、7 5 x l o x 5 5 m m 和l o x l o x 5 5 m m 的 试样，其冲击值虽然近似呈线性但和试样尺寸不成正比。特别是a 厂产品的低温 冲击值，虽然试样尺寸增加了一倍，但其冲击值几乎没有变化。可见试样尺寸肘 壅窒适厶堂生! 坠亟：差伫迨主丑骛结墨丝i 丝坌监 。 趔 蚂 殳 嘎 扯 扳材厚度加m ) 图3 1 4 板材常温冲击值和板厚关系图 f le 3 1 4 矗e l a t i o n s h i pb e t 啦e nr o o m te i n e r a t u r ea x va n dt h ic 】c n es s 冲击值的影响规律不同。为了便于比较，将试样冲击值按试样尺i r 换算成冲击韧 度，作冲击韧度和钢板厚度的关系图如图3 1 6 和3 1 7 所示， e 盛窒塑厶望童! 坠亟：差芷迨主型达结星丝i 丛坌圭丘 从图中可以看出，6 m m 和8 唧板由于采用了帽同尺寸的试样冲击韧性变化不大，采 用不同尺寸试样的8 m m 、1 0 m m 、1 2 哪板中，a 厂产品的常温冲击韧性和b 厂产品的 低温冲击韧性随试样尺寸的增大珞有升高但变化不大，而b 厂产品的常温冲击韧 性随试样尺寸的增大而大幅增大，a 厂产品的低温冲击韧性随试样尺寸的增大而大 幅减小，具有明显的尺、r 效应，而且影响规律二者相反，这说明试样尺寸对冲击 值的影响还与钢板本身的冲击值大小有关，其规律留待后面讨论。 e 立奎适厶至量些亟：t 位迨羔口丛结墨盆煎塑! i ：f 迨 4 测试结果分析和讨论 4 1 板材厚度对强度指标的影响 强度是材料的主要性能指标之一，特别是屈服强度一般作为选材和设计的主 要依据。对成批生产的成品钢材来讲，其强度的高低与数据的分布对用其制造的 产品质量的高低和稳定性有很大影响。一般要求钢材的强度应比规定值高一些， 而且数值要相对比较稳定，不能忽高忽低相差太大，否则会给生产工艺特别是冲 压工艺带来不良影响，直接影响制成品的质量。 统计结果表明，随着钢板厚度的增加，其抗拉强度、屈服强度、断后伸长率 均呈下降趋势，而屈强比除6 m m 扳略高外，都在0 7 7 左右，高于新铁标不大于0 7 5 的要求。0 9 c u 町i r e 属于低合金高强度钢，其强化机理主要是p 的固溶强化和t i 的碳化物弥敞强化。新铁标增加了对低温冲击的要求之后，为提高冲击韧性采取 了细化品粒手段，使细晶强化的作用大大增加。细品强化不仅可以提高材料的屈 服强度，而且可以提高材料的塑性和韧性。从强度测试的统计结果中可以看出， 随着钢板厚度的减小，其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均有所提高，很明显 是晶粒细化的结果。因为晶粒细化与冷却速度有关，在同等冷却条件下，钢板厚 度越小，冷却速度越快，越易获得较细的品柱，因此薄板比厚板具有更高的强度 和塑性。 尽管测试统计结果显示钢板强度随着厚度的增加而降低，但其降低量不是很 大，除6 m m 板外，其它钢板强度相差不大，基本上属于同等强度水平。可以说钢 板的强度指标比较稳定。能够满足现代货车的生产要求。 屈强比是反映材料利用率的又一性能指标，届强比越高，材料的屈服强度和 抗拉强度越接近，材料的潜能就发挥的越好。高强度材料一般都使用高屈强比来 提高材料的利用率。但高的屈强比一般会使材料的延伸率降低，塑性变差，给材 料的冲压成型带来困难，使成型所需冲压力增大，回弹量增加，不仅在工艺上难 以控制，而且材料变形能力变差，容易产生裂纹“。因此原铁标和新铁标中都规 定了0 9 c u p t i r e 的屈强比不大于0 7 2 。从实际检测结果看，两厂生产的钢板的屈 强比均在o 7 7 左右，高于标准规定值，因此新标准将用于冲压成形的板材屈强比 规定为小于等于0 7 j 足不合适的。从充分开发利用材料的潜能考虑，应该取消这 一限制，况且0 9 c u p t i r e 的高屈服强度不足用牺牲塑性换来的，材料的延伸率平 均值仍达到3 0 以上，冲压成形时不会因延伸率不够而产生裂纹，至于冲压力增大、 回弹量增加等困难可以通过改进设备和模具的方法解决。由于材料高屈服强度是 l 立銮丝筮至：篁1 2 筻：至生迨童 a l ! 耋f ! 墨坌近盈! i ：f 迨 由晶粒细化得到的，若坚持要求低屈强比就要降低屈服强度，有可能使品粒租化 从而降低材料的纫性，使；中击值达不到规定要求。 4 2 冲击值的尺寸效应 增加了对冲击值、特别是低温冲击值的要求是新标准对0 9 c u p t i r e 性能要求 最重要的改进。提高材科的韧性，可以大大提高材料的抗冲击疲劳性能，防止车 辆在使用中发生突然脆断，肘行车安全尤其重要。现代冶金技术的发展，使 0 9 c u p t i r e 这样的含磷高的钢材具有良好的低温冲击韧性成为可能，两个钢厂生产 的板材冲击值基本达到甚至大大超过了标准要求。从测试结果看，钢板厚度的变 化对= 冲击值影响不大，冲击值的尺寸效应主要源于试样尺寸的不同，而且影响规 律与钢板本身的冲击值大小有关。 影响钢材冲击韧性的因素很多，对含碳量较低、基体组织为铁索体和少量珠 光体的0 9 c u p t i r e 而言，影响其冲击值的主要因素有晶植度和钢中杂质两方面。 细化晶粒可以在提高强度的同时提高材料的塑性，一般认为在强度和塑性同 时增大的情况下，金属在断裂前要发生较大塑性变形，消耗较多的功，所以韧性 比较好“。对0 9 c u 河i r e 丽言，细化品粒有着更为重要的意义。在一般钢材中，磷 是有害元素要严格限制其含量，这是因为磷会在晶界偏聚，使钢材产生冷脆性。 但在耐候钢中磷能提高钢的耐大气腐蚀性能，足作为提高耐蚀性的合金元素加入 的，而且含量高达o 0 6 “o 1 2 ( 质量分数) ，使钢的低温脆性增加。要消除磷的冷 脆现象，就要降低磷在晶界的偏聚，唯一的办法就是细化晶粒，增加晶界面积， 从而降低晶界上磷的偏聚浓度。 钢材生产厂家一般采用控轧控冷，即控制轧制温度和轧后冷却速度的方法达 到细化晶粒的目的。晶粒细化可以大大增加晶界面积，从而减小杂质在晶界的偏 聚浓度。根据金属平均品粒度测定法规定“，其截点法测定计算公式为： g = 3 2 8 7 7 + 6 6 4 3 9 l g ( 丰n l ) 其中：g 为晶粒度级别 m