鋼板厚度方向性能試驗及試樣的取樣與制備

鄧宗梁

1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 福州 350108；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州 350108

厚度方向性能鋼板，俗稱Z 向板，是用于防止板材的層狀撕裂，主要連接處的板材或者在板厚方向承受重大拉應力的板材，也稱Z 向鋼，又稱抗層狀撕裂鋼，適用于因結構中承受厚度方向拉伸載荷而對鋼材厚度方向有性能要求的地方，如高層建筑和大跨度鋼結構的厚鋼板結構等，厚度方向性能即平時所說的Z 向性能。

軋制成型的鋼板在長寬高三個方向（即沿軋制方向、垂直于軋制方向和厚度方向）的力學性能是有差異的，并不是完全各向同性的，其中沿軋制方向性能最好，厚度方向最差。普通質量的鋼板局部有出現分層現象的可能，厚度越厚的可能性越大，厚度越小的可能性越小甚至不會出現。當厚度超過一定數值時，其出現這種現象幾乎是無法避免的。為解決這個問題，最好采用Z 向鋼，其在厚度方向具有良好的抗層狀撕裂性能，相對于一般鋼材，它經過了特殊處理和冶煉等工藝，其有較低的硫含量，不到普通鋼材的20%，斷面收縮率也會超過15%［1］。

1 Z 向性能試驗

鋼結構工程，當板厚超過40 mm 且在厚度方向有承受荷載時，為了不使層間分層和層狀撕裂的現象在焊接過程中出現，設計可采用Z 向鋼，一種能抵抗層狀撕裂的鋼材，使用前，應復驗其Z 向性能。國標GB 50205-2020 中也規定，如果設計采用了Z 向鋼板且厚度≧40mm 的要進行抽樣測試，試驗結果符合相關要求后方能使用［2］。國標《厚度方向性能鋼板》GB/T 5313-2010 為Z 向鋼的現行產品標準，Z 向性能試驗是在Z 向鋼的厚度方向進行拉伸試驗，用測出的斷面收縮率評定Z向性能，GB/T 5313 標準中Z 向性能級別分為Z15、Z25、Z35等三個級別，其對應的硫含量要求分別為≦0.010%、0.007%、0.005%［1］，表1 中給出了各級別鋼板斷面收縮率的具體要求。斷面收縮率的試驗方法為《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》GB/T 228.1-2010［3］。Z15 級別的鋼板應按批進行Z向性能檢驗，Z25 和Z35 級別的鋼板應逐軋制張進行檢驗［1］。

表1 厚度方向性能級別及斷面收縮率值

2 取樣

2.1 取樣一般要求

（1）取樣前，應先檢查鋼板的外觀和尺寸是否滿足要求，且試料應足夠，能保證機加工出符合相關要求的試樣。

（2） 取樣時，一定要在試樣上做好標識標記，以免混淆，如果混淆則無法分辨出試樣取樣的位置與方向。

2.2 取樣

在一端鋼板上切取，縱向方向為沿著鋼板的主軋制方向，寬度方向為整塊鋼板的中部位置即1/2 的寬度處，切取足夠的試料。如果鋼板是鋼錠成材的，一定要取于對應鋼錠的頭部端處。試料的長度和大小需能滿足6 個試樣的制備，其中3 個試驗，另3 個備用［1］。

3 試樣的制備

3.1 試樣制備一般要求

試樣制備時應注意熱影響和試樣表面的硬化，不能受其影響而改變試樣的力學性能。最終的機加工工序應保證試件的形狀、表面質量以及尺寸能滿足相關技術要求［4］。

若實驗室金屬材料試驗樣品的機械加工（取樣和制樣）采取委托外部單位進行加工的方式，必要時，應派專人（檢測員資格及以上人員）前往加工單位進行指導和監督，確保機加工工作的順暢進行和加工的準確性。

3.2 Z 向性能試樣制備

對于板厚≮40mm 的Z 向鋼，可選擇加工成帶延伸部分的試樣，將延伸部分焊接到試樣的兩個表面上，如圖1 所示。焊接前，應先清除試樣表面的所有鐵銹、氧化鐵皮、油脂等雜物。采用摩擦焊或其他合適方法以保證熱影響區最小的方式進行焊接［1］。

從截取的試料中切取一段50mm 長的樣坯進行機械加工，機加工成圖1 所示的試件，其中中間部分為試樣，上下部分均為用于試驗夾具夾持的延伸部分，t為試樣厚度，Lc為平行段長度，試件的縱向即拉伸方向為試樣厚度方向。加工的試件相關尺寸取值為，平行段部分的直徑d0取10mm，夾持端延伸部分的直徑d取16mm，平行段部分與夾持部分以圓弧過渡，過渡弧半徑R 應滿足≥2mm 的要求，可取3mm，平行段長度Lc應≧1.5倍d0且不超過80mm，取制樣造成的熱影響區應在Lc之外，試樣總長Lt應根據試樣厚度和所使用的試驗設備來確定，一般可取400～450mm。

圖1 帶兩個延伸部分的Z 向性能試樣

4 取制樣注意事項

（1）截取樣時，要注意熱影響及加工硬化對鋼板力學性能的影響，所采用的任何切割方法不能影響試樣的有關性能。在保證切割面距離試樣表面超過8mm 的情況下，可以使用熱切割等方法從試件上截取試樣［5］。

（2）機加工試樣時，應去除由于取樣造成的變形和加工過程中伴隨的熱影響及加工硬化區。

（3）為確保加工精度，粗、精加工應分開進行。因為粗加工時，切削量大，試件所受切削力、夾緊力大，發熱量多，試件內部存在著較大的內應力，如果粗、精加工連續進行，則精加工后的試件精度會因為應力的重新分布而很快喪失。必要時，在粗加工之后和精加工之前，應進行低溫退火或時效處理工序來消除內應力。

（4）應確保制備好的試樣在轉移、運輸及儲存過程中的完好、完整，避免出現影響檢測結果的損壞，如表面劃傷、磕碰、磨損、彎折、缺損、缺失等。

（5）取制樣時務必注意安全，既不能傷害自己也不能危害他人，牢固樹立安全意識。開工前應做好安全交底，排除安全隱患，操作時需按規定程序作業，不可違規操作。安全無小事，防患于未然，無危則安，無損則全。

5 結語

Z 向鋼常見于鋼結構高層建筑和大跨度鋼結構工程的厚鋼板中，其力學性能的好壞關乎鋼構件是否可靠，其重要性可見一斑。厚度方向性能試驗是Z 向鋼材料的重要試驗參數，其試驗結果的大小反映了該材料抗層狀撕裂能力的強弱，試驗員需熟練掌握其試驗方法和試樣的取樣與制備要求。文中介紹了板厚不小于40mm 且設計有厚度方向性能要求的Z 向鋼的厚度方向性能試驗及檢測試樣的取樣部位、方向、數量、方法以及試樣的制備方法等，并歸納出幾點試樣取制樣時需注意的重要事項，為相關試驗室進行厚鋼板Z 向性能試驗及試樣的取制樣提供便利和借鑒。