样品（试样）取向对轧制带钢拉伸性能的影响

赵 晖

（太钢不锈钢冷轧厂， 山西 太原 030000）

在生产制造过程中，冶金产品需要经过轧制、拉拔等工艺加工，从而使其具备一定形状的横向截面。加工期间，金属材料会沿着主变形方向流动，拉伸后的晶粒会排成行，杂物也会沿着变形方向排列，形成金属纤维，造成金属材料性能的各向异性。金属材料性能各向异性的关键因素还在于冷加工成型的金属制品具备一定的残余应力。相关研究表明，沿着轧制方向与垂直于轧制方向的钢材进行取样拉伸试验，得到的屈服强度、断面收缩率以及抗拉强度均存在较大差异，其中差异最大的为断面的收缩率。对此，钢材拉伸性能最为关键的影响因素便是样品取向。同时，不同厚度以及不同类型的钢材进行样品取向试验，其影响程度也各不相同，甚至部分情况下可以利用非标准方向的试验结果代替标准方向试验结果。但此方面的研究力度较小，为了便于此后取样制样工作的顺利进行，本文分析了冷轧、热轧不锈钢以及碳钢等不同类型钢材的样品取向、不同厚度等因素对带钢拉伸性能的具体影响。

1 试样制作与试验方法

1.1 制备试样

在本次试验中，钢材材料主要来源日本板材，材料为SPHC热轧带钢、SPCC冷轧带钢、SUS304冷轧不锈带钢以及SUS304热轧不锈带钢。同时，每种材料选择三种不同厚度规格，即试验共采用了十二种规格的轧制带钢。试验人员在12种带钢材料上分别剪取与轧制方向平行、成45°以及成90°角的样坯，铣削加工至日本标准规定的5号试样尺寸，具体形状与尺寸示意图见图1。

图1 拉伸试样尺寸与形状示意图

根据图1可知，平行部分宽度W为25 mm，标距L为50 mm，原板厚度为T，夹持端宽度 B为30 mm，肩部半径R取值在20 ～30 mm，平行部分长度为30 mm。每一方向均取样3件，且3件试样平均值为试验结果。

1.2 试验方法

拉伸试验中采用新三思CMT5205微机控制电子万能试验机，此设备的最大试验力为200 kN，准确度为0.5级[1]。在拉伸前，工作人员做好速度的设定工作，屈前统一设置为5 mm/min，屈后设置为20 mm/min。标点机刻制标点，分辨率为0.01 mm的电子数显卡尺测量试样尺寸及断后的标距。采用钢铁研究总院的5050型电子引伸计，其最大变形量为10mm，标距为50 mm。之后，工作人员在遵照日本标准的基础上测定每种带钢每个方向的屈服强度、抗拉强度以及断后伸长率。工作人员以0°方向的数据为基准，计算每种材料每一厚度的试样，得到三个方向力学性能的相对偏差。

2 试验结果

2.1 拉伸曲线与性能

本次试验中使用的SPHC热轧带钢、SPCC冷轧带钢具备明显的屈服现象，试验机软件自动求取下屈服强度，具体见图2所示。

图2 板厚2.27 mm的SPHC热轧带钢的力—位移曲线

但热轧不锈钢版与冷轧不锈带钢的屈服现象并不明显，具体见图3所示。

图3 板厚0.38 mm的SUS304冷轧不锈带钢的力—位移曲线

之后，工作人员利用试验机与引伸计求取各带钢的延伸强度，并记录数据结果。

2.2 结果讨论

2.2.1 样品取向对拉伸性能影响

通过试验记录结果表1与下页表2可知，对于不同厚度、不同材料的带钢，样品取样均可以明显影响其拉伸性能。当样品取向与轧制方向夹角由0°逐渐增加至90°时，带钢的断后伸长率会明显降低，抗拉强度也会逐渐降低，材料呈现出脆化弱化倾向。但带钢屈服强度与上述结果不同，随着样品取向与轧制方向夹角的增大，其呈现出先升高后降低的趋势。

根据断裂理论可知，金属材料的最终断裂由拉伸初始微裂纹与过程中的失稳扩展难易程度等因素决定，其也可以直接影响带钢的抗拉强度等性能。一方面是裂纹萌生，金属基体组织与轧制带钢组织中分布的杂物之间界面比较薄弱，很容易受到外界因素的影响形成初始微裂纹，之后会产生明显的横向缺口效应，加快了裂纹的扩展。由裂纹扩展角度分析，微裂纹会与拉应力呈90°角方向，且一般终止于晶界，结果表明，纵向方面的微裂纹在扩展期间会遇到更多晶界，这些障碍会产生细晶强化的效果。由此看出，相较纵向拉伸，偏横向的拉伸更易萌生微裂纹，不但会降低带钢材料的断后伸长率与抗拉强度，且还会导致材料弱化脆化[2]。

由各向异性塑性理论可以有效解释分析带钢屈服强度变化规律的特殊性，研究时可以设置参考坐标轴，轧制方向为X轴，带钢平面内横断面方向为Y轴，Z轴垂直于带钢平面。带钢的任一单元体所受力来自于平面内的应力，但其存在一定的内异性，遵循屈服准则。

分析可知，随着各向异性轴或第三方向，屈服强度的极大值与极小值会随之发生，之后进行一阶与二阶求导，得出在Y轴方向，屈服应力具备极小值，在X轴方向具备极大值。通过试验得出了几种带钢的屈服角度大小，比如SPCC及SPHC类普通低碳带钢样品取向与轧制方向夹角保持在40° ～50°之间，且在本次研究中，随着轧向夹角的增大，带钢的屈服强度出现先升高后降低的现象。

表2 不同厚度、不同取向的SUC304冷轧不锈带钢和SUC304热轧不锈带钢的拉伸试验结果

2.2.2 带钢厚度对拉伸性能的影响

通过研究试验数据可知，取向对拉伸性能结果的影响程度也取决于带钢厚度因素。当取向与状态情况相同时，带钢厚度越小，力学性能相对偏差的绝对值越大，即轧制方向拉伸性能与非轧制方向的拉伸性能之间存在较大的相对偏差，且此规律适用于四种材料的带钢。当带钢厚度大于3 mm时，轧制方向与非轧制方向的拉伸性能几乎不存在偏差[3]。

当带钢材料极薄时，可以看做拉伸板材处于平面应力状态，垂直于板面方向的切应力与正应力均忽略不计，为0。随着带钢厚度的逐渐增加，其受力也开始由厚向中心位置逐渐转变至平面应变状态。同时，试验期间还得出，随着带钢厚度的减小，断口区域面积也开始减小，直至断口变为完全斜向，具体见图4所示。

图4 板材较薄时斜断口情况

当板材较厚时，平面断口会出现收缩状态，并逐渐趋于某一平衡数值。对此，受断裂机理以及应力状态等因素的影响，不同厚度的带钢取向对拉伸性能会产生不同的影响。

2.2.3 轧制状态对拉伸性能的影响

研究数据结果可知，对于冷轧状态且相同材料的带钢，力学性能相对偏差绝对值较大。而对于热轧状态且相同材料的带钢，力学性能性对偏差绝对值较小，这表明冷轧材料的各向异性要强于热轧材料。冷轧前一道工序为热轧，且冷轧带钢在应力下会出现更大的变形，轧制流线更为明显，这也属于冷轧带钢较热轧带钢各向异性加剧的主要原因。

2.2.4 带钢材料对拉伸性能的影响

为了减少外界影响因素的干扰，本试验SPHC普通热轧带钢与SPCC普通冷轧带钢（热轧、冷轧按照这个顺序来）采用了铁素体与珠光体相结合的显微组织材料，且SUS30热轧不锈带钢与冷轧不锈带钢采用了奥氏体钢显微组织，具体见图5。

图5 奥氏体钢显微组织结构图

研究数据结果可知，在同种轧制状态与相同取向下，相对于普通带钢，不锈带钢的力学性能相对偏差绝对值较小，这可能因为奥氏体带钢在拉伸期间会产生马氏体，复杂化了整个弹塑性条件。对此，带钢材料也可以影响其拉伸性能的取向性。

3 结语

首先，在轧制带钢拉伸性能方面，样品取向属于最关键的影响因素，轧制方向断后伸长率与抗拉强度较高，且屈服强度存在较为复杂的变化规律。其次，相较厚度较大的带钢，厚度较小带钢的拉伸性能结果各向异性更强。且相较于热轧状态的带钢，冷轧状态带钢拉伸性能的各向异性更强。同时，相较奥氏体不锈钢，普通轧制带钢拉伸性能结果的各向异性更强。最后，当带钢厚度规格大于3 mm时，非轧制方向拉伸性能结果可以代替轧制方向，便于此后的实际取样工作。