縱向變厚度鋼板力學性能試驗研究

王元清1 劉曉玲1 劉 明2 冷松洋2 韓 旭2

(1. 清華大學土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，北京 100084； 2. 鞍鋼股份產品發展部，遼寧鞍山 114009)

摘 要：由于軋制工藝不同，縱向變厚度鋼板力學性能與等厚度鋼板存在較大差異，且性能變化范圍較大。針對該問題進行研究，對12～120 mm厚的縱向變厚度鋼板進行拉伸、沖擊及Z向性能試驗，得到鋼板不同厚度處力學性能變化規律并評價其均質性。結果表明：縱向變厚度鋼板性能基本滿足相關規范要求，強度指標隨厚度增加而降低；Z向性能穩定，但沖擊韌性隨厚度變化波動較大，板厚較大時需要特別注意。變厚度鋼板的力學性能不同于等厚度鋼板，采用等厚度鋼板性能評價指標并不合理，需要進行深入研究。

關鍵詞：縱向變厚度鋼板； 拉伸試驗； 沖擊試驗；Z向性能試驗

隨著大型結構和橋梁建設的發展，工程建設對厚鋼板的需求越來越多，并且通常在同一構件中使用傳統等厚度鋼板。但是，由于在實際中結構或者構件不同位置處的內力往往不同，根據最大受力截面設計時鋼板強度并不能充分發揮。即使大跨度橋梁結構中采用的多塊等厚度鋼板分段焊接方法，也不能最大程度地接近實際的內力分布。縱向變厚度鋼板的應用正是實現這一目的的有效途徑[1]，優化結構設計，節約鋼材用量，即是開發和研究縱向變厚度鋼板的初衷[2-4]。

縱向變厚度鋼板[4](Longitudinally Profiled Steel Plate，簡稱LP鋼板)是通過特殊的變厚度軋制工藝軋制的厚度沿軋制方向變化的鋼板，由于可以根據結構服役時的承載狀況來定制鋼板形狀及厚度尺寸，從而具有節省鋼材、減輕結構重量等優點，被稱為節約型綠色鋼板，得到國內外鋼鐵生產廠家和建筑工程行業的青睞[4]，在國外橋梁結構中已有很多應用[4-6]，在國內有廣闊的應用前景。

由于軋制工藝特殊，不僅鋼板厚度沿軋制方向連續變化，力學性能隨板厚變化也產生較大改變，不可以簡單按照單一厚度板件性能進行設計，尤其設計強度值的取定需要進行深入研究。但是，縱向變厚度鋼板在國內尚處于研發推廣階段，自2009年10月邯鋼中板廠軋制成功首塊LP鋼板后[4]，并未獲得批量化生產，且未進行相關材性試驗。

基于上述情況，縱向變厚度鋼板的力學性能研究很有意義。本文對厚度12～120 mm的3塊鋼板進行材性試驗，鋼材等級為Q345GJC，考察LP鋼板是否可以滿足現行GB/T 19879—2005 《建筑結構用鋼板》 以及GB/T 5313—2010《厚度方向性能鋼板》的性能要求，同時研究其力學性能隨厚度變化的基本規律，并考慮軋制方向以及厚度方向對其力學性能的影響，考察其均質性，為研究其設計強度的取值奠定基礎。

1 試驗概況

本文試驗所用3塊鋼板，均由同一批次的Q345GJC等級鋼坯在鞍鋼集團鲅魚圈中厚板生產廠的可逆式四輥軋機上軋制而成，鋼板形狀及尺寸如圖1所示，鋼坯化學成分如表1所示。其中，板1坯料厚度為250 mm，壓縮比為20.83～5.43；板2和板3坯料厚度為300 mm，壓縮比分別為6.25～3.41，3.49～2.36。本次試驗前已對縱向變厚度鋼板進行多輪試制。

圖1 鋼板形狀及尺寸

根據GB/T 19879—2005，查得等厚度鋼板有關Q345GJC的力學性能要求，如表2所示。

表1 Q345GJC鋼坯化學成分 %

CSiMnPSVNbTiAlsCrCuNi0.160.441.50.0190.0010.0740.0420.0160.0240.020.010.01

表2 等厚度Q345GJC等級鋼材力學性能[6]

鋼材牌號不同板厚的屈服強度/MPa6～16>16～35>35～50>50～100抗拉強度/MPa伸長率/%沖擊功(縱向,20℃)/J屈強比Q345GJC≥345345～465335～455325～445490～610≥22>34≤0.83

注：板厚的單位為mm。

本文試驗依據以下規范：GB/T 2975—1998《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》、GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》以及GB/T 5313—2010《厚度方向性能鋼板》。

鞍鋼產品檢驗中心依據規范選取12～120 mm共9個代表厚度進行了拉伸、沖擊與Z向性能試驗，研究性能隨板厚變化，同時在垂直于軋制方向和沿軋制方向兩個方向取樣，研究軋制方向對性能影響，50～120 mm在距表面1/4處和1/2處分別取樣，研究厚度方向上性能變化。上述每個條件點均對稱取3～4個試樣，其中，12、20 mm取全厚度矩形試件，30～120 mm均取圓形截面試樣，具體取樣位置及方法如圖2所示。拉伸試驗在ZWICK600液壓式萬能試驗機上進行，采用引伸計測量應變，自動采集應力-應變曲線；沖擊試驗在ZBC2452-3D擺錘式沖擊試驗機上進行，采用V型缺口標準試樣。對于拉伸試驗，測得試樣屈服強度、抗拉強度、屈強比，以及斷后伸長率；對于沖擊試驗，測得沖擊功；對于厚度方向拉伸試驗測Z向斷面收縮率。

a—橫向及縱向取樣位置及符號表示;b—50～120 mm厚度方向取樣位置。
圖2 試件取樣方法

為檢驗鞍鋼試驗結果，著重檢驗強度試驗結果，于清華大學實驗室液壓式萬能試驗機上對板1進行了拉伸試驗，試驗采用手動控制應力加載，加載速率為1 kN/s，并采用應變片與引伸計共同測量應變，由于引伸計在彈性段精度較差，變形較大時應變片破壞，因此應力較小時采用應變片讀數，應力較大時采用引伸計讀數，過渡段應變約為(3 000～5 000)×10-6。且本次試驗選取16,20,30,40 mm四種厚度，每種厚度垂直于軋制方向選取3個試樣。由于材料限制，選取非比例矩形截面試樣，試件尺寸及破壞形態如圖3所示。

a—拉伸試件幾何尺寸;b—破壞形態。
圖3 拉伸尺寸及破壞形態

2 拉伸試驗結果

2.1 鞍鋼試驗結果及分析

拉伸試驗結果如表3所示。

表3 鋼板拉伸試驗結果(鞍鋼)

試件編號板號厚度/mm屈服強度/MPa抗拉強度/MPa屈強比/%斷后伸長率/%T12-Z1255464486.120.5T20-Z2050962381.725.5T30-Z板13046160676.027.5L30-Z3046160176.729.0T40-Z4043258773.628.0L40-Z4043158573.629.0T50-15041757272.933.0T50-25040157270.131.0L50-15041957672.831.5T60-16041857073.332.5T60-2板26039357568.430.0L60-16041157271.832.0T80-18039756770.031.5T80-28038656768.126.5L80-18039256869.131.5T100-1T100-210010038136955955868.166.232.527.0L100-1板310037656167.028.5T120-112037455267.933.0T120-212036955766.232.0L120-112036955466.533.0

2.1.1 強度隨厚度變化及軋制方向影響

由于50～120 mm厚度處均在厚度方向不同位置處取樣，但有關試驗規范里，均將據表面1/4厚度處的試驗值作為整體性能的代表值，以此為準，可得12～120 mm的9個代表厚度處的強度指標隨厚度變化的規律如圖4所示。

圖4 橫向及縱向強度指標隨厚度變化曲線

從圖中可以看出：1)橫向及縱向的屈服強度、抗拉強度和屈強比均隨厚度增加而降低，明顯不同于等厚度鋼板的正態分布統計規律[7]，且橫向及縱向試驗數值相差極小，說明軋制方向對性能影響可以忽略；2)12、20 mm處強度及屈強比超過表1規定，且板1強度變化達25%，且隨板厚增加強度變化率減小，說明厚板強度性能更加穩定，這與高層建筑結構鋼的性能特點一致[9-10]。

2.1.2 塑性隨厚度變化及軋制方向影響

圖5為斷后伸長率隨厚度變化的曲線。可以看出：1)斷后伸長率隨厚度增加而增大，除12 mm外均大于22%；2)橫縱向結果相差較小；3)橫向斷后伸長率最大值為33.0%，最小值為20.5%，上升幅度為37.9%，說明變化范圍較大。

圖5 塑性指標隨厚度變化的曲線

2.1.3 厚度方向上強度變化

當板厚超過40 mm，由于中心偏析的影響[11]，考察板厚度中心到距板表面1/4厚度處的性能變化(取垂直于軋制方向試件)，結果如表4所示。可以看出，屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率在厚度方向上變化幅度較小，說明厚度方向上性能穩定。

表4 橫向拉伸試驗結果(厚度中心到1/4處降幅)

厚度/mm屈服強度降幅/%抗拉強度降幅/%斷后伸長率降幅/%503.80.06.1606.0-0.86.3802.80.012.91003.10.218.21200.5-0.93.0

2.2 試驗結果及分析

本文所做驗證試驗結果如表5所示。

表5 鋼板拉伸試驗結果

序號屈服強度/MPa極限強度/MPa屈強比斷后伸長率(換算)/%序號屈服強度/MPa極限強度/MPa屈強比斷后伸長率(換算)/%H16-15356430.8325.0H20-15116260.8223.9H16-25426560.8317.1H20-24996200.8128.3H16-35526590.8421.6H20-34976180.8126.1平均5436530.8321.2平均5026210.8126.1H30-14646020.7726.1H40-14225970.7130.1H30-24706060.7729.1H40-24175870.7129.1H30-34575930.7729.1H40-34115890.70—平均4646010.7728.1平均4175910.7029.6

2.2.1 強度隨厚度變化及試驗數據對比

圖6 強度隨厚度變化規律

圖6為試驗得到的強度隨厚度變化規律，圖7為與鞍鋼試驗結果的對比結果，A與Q分別代表鞍鋼與清華大學，y與u分別代表屈服強度和抗拉強度，且圖中細實線與虛線為規范限定的強度范圍。可以看出，不同試驗所得結果變化規律一致，且相同厚度點上強度值相差極小。但是，10～20 mm厚度范圍的強度值高于規范上限，原因可能是由于鋼坯厚度選取過大，壓縮比較大。

圖7 強度試驗結果及對比

圖8 塑性試驗結果及對比

2.2.2 塑性隨厚度變化及試驗數據對比

塑性指標試驗結果及對比如圖8所示，同樣的，與鞍鋼試驗結果基本一致。除12 mm厚度處斷后伸長率外均滿足規范要求。

3 沖擊試驗結果

鞍鋼所做沖擊試驗結果如表6所示。

表6 鋼板沖擊韌性試驗結果(鞍鋼)

試件編號kV/J試件編號kV/JL12-1195.3T12-1150.7L20-1237.3T20-1165.3L30-1223.0T30-1188.7L40-1201.0T40-1171.3L50-1174.3T50-1229.7L50-2111.7T50-2104.7L60-1183.0T60-1189.3L60-229.7T60-2147.7L80-198.0T80-199.7L80-273.0T80-2121.7L100-192.0T100-1120.7L100-220.0T100-239.4L120-190.0T120-180.3L120-233.3T120-2146.7

3.1 沖擊韌性隨厚度及軋制方向變化

圖9 沖擊功隨厚度增加的變化曲線

沖擊功隨鋼板厚度變化的試驗結果如圖9所示，可見沖擊功值均滿足規范要求[7]，但是板1沖擊功隨厚度增加波動較大，板2沖擊功值在 80 mm厚度處急劇下降，12～120 mm厚度范圍內縱向最大沖擊功值為最小沖擊功值的2.6倍，說明沖擊功值隨厚度變化波動很大，厚板時需要特別注意。

3.2 厚度方向上沖擊韌性變化

沖擊功值在厚度方向上的變化見表7，可見，在厚度方向上，有表面到中心的沖擊功減小，且隨厚度增加無明顯規律，但單一厚度處下降最大超過80%。

表7 沖擊功(厚度中心到四分之一處降幅)

厚度/mm縱向沖擊功降幅/%橫向沖擊功降幅/%5035.954.46083.822.08025.5-22.110078.367.412063.0-82.7

4 Z向性能試驗結果及分析

鞍鋼所做Z向性能試驗結果如表8所示。

表8 鋼板Z向性能試驗結果(鞍鋼)

厚度/mm斷面收縮率/%Z1Z2Z3平均值4073.066.966.368.75050.066.768.867.86060.067.466.467.48080.066.668.966.610070.670.371.770.912071.069.444.761.7

Z向性能隨厚度變化的曲線見圖10。由表8和圖10可見，厚度變化范圍不同的3塊變厚度鋼板，斷面收縮率基本相同，滿足規范要求[7]，且斷面收縮率均隨著厚度的增加整體上呈下降趨勢，最大值與最小值相差13.0%，Z向性能較好。

圖10 Z向性能指標沿厚度位置的變化曲線

5 結束語

通過對鞍鋼生產的Q345GJC等級的縱向變厚度鋼板進行材料性能試驗，證明所生產鋼板不同厚度處各項性能基本滿足相應等厚度鋼板性能指標要求，但是性能規律明顯不同于等厚度鋼板，采用等厚度鋼板強度評價指標對縱向變厚度鋼板描述并不合理。具體性能變化規律如下：

1)縱向變厚度鋼板的強度、沖擊韌性、Z向性能均隨厚度增加而下降，其中沖擊韌性波動范圍很大，Z向性能變化很小，強度變化介于兩者之間。厚度較大的縱向變厚度鋼板性能更穩定，但是厚板沖擊韌性較差，需特別注意。

2)軋制方向對縱向變厚度鋼板的材性影響較小，強度指標基本相等，塑性和韌性指標在某些厚度處相差較大，但是此種差異可由改進生產工藝得到降低。

3)厚度方向上的不同位置對材性有一定影響，屈服強度和抗拉強度相差極小，但是沖擊韌性變化很大，因此于厚度較大情況下，應注意其沖擊韌性在厚度方向上的變化。

4)由于GJ系列鋼材本身就具有屈服強度波動范圍較小的特點，更適用于研制縱向變厚度鋼板，其性能比較穩定，均質性良好。

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EXPERIMENTAL RESEARCH ON MECHANICAL PROPERTIES OF LONGITUDINALLY PROFILED STEEL PLATE

Wang Yuanqing1 Liu Xiaoling1 Liu Ming2 Leng Songyang2 Han Xu2

(1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability，Tsinghua University, Ministry of Education, 100084 Beijing, China; 2. Product Development Department, Anshan Iron & Steel, 114009 Anshan, China)

ABSTRACT：Due to the different rolling process, there is a big difference between the material mechanical properties of longitudinally profiled steel plate (LP plate) and normal plate, and the former performance varies greatly. For further research on this issue, uniaxial tensile test, Charpy impact test andZ-direction property test were performed on LP plate of 12～120 mm to obtain the change law of mechanical properties of different thickness and evaluate its homogeneity. The experimental results indicated that the mechanical properties of LP plates could meet the specification requirements, and strength properties decreasd with the increase of thickness; Z-direction property was stable, but impact property need special attention because of large fluctuations. The mechanical properties of LP plate and normal plate were different, so it was unreasonable to evaluate the LP plate by the normal way and a further research was necessary.

KEY WORDS：longitudinally profiled steel plate; uniaxial tensile test; charpy impact test;Z-direction property test

第一作者：王元清，男，1963年出生，教授。

通信作者：劉曉玲，liuxiaoling950718@163.com。

收稿日期：收稿日期：2016-05-01

DOI：10.13206/j.gjg201704004