李可新 張 麗 于美娜 郭 晶

（大連日立機(jī)械設(shè)備有限公司)

ASME規(guī)范關(guān)于碳鋼和低合金鋼鋼板拉伸試驗(yàn)的若干規(guī)定

李可新*張 麗 于美娜 郭 晶

（大連日立機(jī)械設(shè)備有限公司)

現(xiàn)代鋼板生產(chǎn)技術(shù)的特點(diǎn)是熔煉爐的容積小和廣泛采用連鑄技術(shù)。ASME規(guī)范關(guān)于碳鋼和低合金鋼鋼板拉伸試驗(yàn)的某些規(guī)定，尤其是取樣數(shù)量，與這種生產(chǎn)方式有關(guān)。

鋼板 碳鋼 低合金鋼 拉伸試驗(yàn) 單元坯一次軋制量 ASME規(guī)范

0 前言

ASME材料標(biāo)準(zhǔn)很多，除了特殊要求和需要選擇的要求規(guī)定在各具體材料標(biāo)準(zhǔn)中外，共同的要求一律規(guī)定在同類材料的通用標(biāo)準(zhǔn)中。壓力容器用碳鋼和低合金鋼鋼板的通用標(biāo)準(zhǔn)是SA-20/SA-20M[1]，它適用于34項(xiàng)具體鋼板標(biāo)準(zhǔn)。

ASME規(guī)范每年都進(jìn)行修訂，因而技術(shù)進(jìn)步能夠及時(shí)得到反映。在碳鋼和低合金鋼鋼板拉伸試驗(yàn)方面，也有很多與既往認(rèn)識(shí)不同之處，這是為適應(yīng)鋼板生產(chǎn)技術(shù)改變在材料試驗(yàn)方面所做的調(diào)整。

1 鋼板的生產(chǎn)過程簡介

為理解規(guī)范對碳鋼和低合金鋼鋼板拉伸試驗(yàn)所做的某些規(guī)定，需要具備現(xiàn)代鋼板生產(chǎn)技術(shù)的基本知識(shí)。

1.1 鋼的冶煉

目前在碳鋼和低合金鋼生產(chǎn)中雖然還允許使用平爐煉鋼 (見文獻(xiàn) [1]第5.1節(jié))，但應(yīng)用最普遍的還是轉(zhuǎn)爐和電爐。為進(jìn)一步改善鋼的質(zhì)量，還配合使用各種形式的精煉 （refining）和二次熔煉（second melting）技術(shù)。與平爐相比，這些冶煉設(shè)備的容量都要小得多。

1.2 澆注

冶煉好的鋼既可以像以往那樣澆注成一個(gè)個(gè)的鋼錠 （ingots），也可以采用連續(xù)澆鑄技術(shù)，澆鑄成連鑄坯 （slab），見文獻(xiàn) [1]第5.2節(jié)。

1.3 連鑄坯的爐號及單元連鑄坯

冶煉好的每一爐鋼澆鑄前都要進(jìn)行熔煉分析，并由一個(gè)爐號來代表。

根據(jù)文獻(xiàn) [1]第5.2.1條，幾爐具有相同公稱化學(xué)成分的鋼一次連續(xù)澆鑄形成的連鑄坯也要由一個(gè)共同的爐號代表。只有當(dāng)鋼的公稱化學(xué)成分改變成另外一個(gè)等級的鋼時(shí)，才給連鑄坯另起一個(gè)爐號。兩個(gè)不同爐號的連鑄坯可以連續(xù)澆鑄在一起，但以后必須分離開，而且還必須切除足夠長一段過渡段。

應(yīng)當(dāng)注意，連鑄坯的爐號和形成連軋坯的各爐鋼的爐號不是一回事。如何確定連鑄坯的爐號，是鋼廠的事，從形式上可能看不出連鑄坯的爐號與形成它的各爐鋼的爐號間的關(guān)系，但也可以使連鑄坯的爐號和形成它的各爐鋼的爐號間有某種關(guān)聯(lián)，就像文獻(xiàn) [2]在對 “多爐” （multiple heat） （鋼錠）定義中描述的那樣。

連鑄過程可用圖1加以說明。圖中爐號為1、2、3和4的四爐鋼具有相同的公稱化學(xué)成分。爐號為1′、2′、3′和4′的另四爐鋼也具有相同的公稱化學(xué)成分，但與前面四爐的不同。前四爐鋼連續(xù)澆鑄形成一個(gè)爐號的連鑄坯 （slab），后四爐鋼接著連續(xù)澆鑄又形成另一個(gè)爐號的連鑄坯。兩個(gè)不同爐號的連鑄坯雖然是澆鑄在一起的，但需要分割開來，而且中間一定長度的過渡段要扔掉。

圖1 連續(xù)澆鑄和連鑄坯的生產(chǎn)過程

關(guān)于公稱化學(xué)成分，在ASME規(guī)范中沒有找到專門的定義。但它一定是關(guān)于元素含量的一個(gè)個(gè)范圍，或一個(gè)個(gè)極限值，絕不會(huì)是一個(gè)個(gè)單一固定值，因?yàn)樵傧冗M(jìn)的冶煉技術(shù)，雖然可以使連續(xù)幾爐鋼化學(xué)成分十分接近，但也絕不會(huì)完全相同。根據(jù)SA-20/SA-20M[1]第5.2.1.2款所說，把兩個(gè)爐號的連鑄坯通過切除過渡段而分離開，就是把不同等級 （separate the grades）的鋼坯分開的說法推斷，公稱化學(xué)成分就是在具體鋼板標(biāo)準(zhǔn)中對每個(gè)等級的鋼板規(guī)定的元素含量范圍或極限含量。例如:C為0.05%～0.15%， Mn為 0.30～0.60， P為≤0.035， S為≤0.035%，Si為≤0.05%，Cr為2.75%～3.25%，Mo為 0.90%～1.10%，就是 SA-387/SA-387M中Gr.21這個(gè)等級 （grade）[3]的鋼板的公稱化學(xué)成分。

由此看來，即使同一爐號的連鑄坯，不同區(qū)段的化學(xué)成分雖然都在某具體鋼板標(biāo)準(zhǔn)對某等級鋼規(guī)定的公稱化學(xué)成分范圍之內(nèi)，但實(shí)際化學(xué)成分還是有差別的，因?yàn)樗鼈儾皇怯赏粻t鋼，而是由幾爐鋼前后接續(xù)澆鑄而成的。

即使是同一爐號的連鑄坯，也都很長，需要切割成許多小塊以便軋制。切割形成的這一個(gè)個(gè)的小塊連鑄坯稱作 “單元連鑄坯” （individual slab）。這是在連鑄生產(chǎn)線上，當(dāng)連鑄坯還處在紅熾狀態(tài)下就完成的，如圖2所示。

圖2 由一塊單元連鑄坯（或一個(gè)鋼錠）直接軋制成鋼板過程

1.4 軋制

無論單元連鑄坯還是鋼錠，都是鑄造組織，都需要通過軋制才能生產(chǎn)出鋼板。

鋼廠可以直接把單元連鑄坯或鋼錠軋制成一張張的鋼板，提供給采購方，也可以在軋制到要求的厚度和寬度后先卷繞成卷鋼 （coil），以后再裁切成鋼板提供給用戶。卷鋼為熱軋狀態(tài) （見文獻(xiàn) [1]第3.1.1條）。如果鋼板需要熱處理，可在裁切成鋼板后再進(jìn)行。

1.5 鋼板的熱處理狀態(tài)

提供給用戶的鋼板可以是軋制狀態(tài)，也可以經(jīng)過不同形式的熱處理。碳鋼和低合金鋼鋼板的熱處理狀態(tài)有正火 （N）、正火加回火 （N＋T）或淬火加回火 （Q＋T）。

鋼板的熱處理可以由鋼廠或開卷廠進(jìn)行，也可以由容器制造廠，即壓力容器鋼板的用戶進(jìn)行。

如果鋼板要求的熱處理，鋼廠或開卷廠沒有進(jìn)行，而留待容器制造廠進(jìn)行，那么發(fā)運(yùn)到容器制造廠的每張鋼板的標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中，在鋼板標(biāo)準(zhǔn)編號（specification number）后面，一定有一個(gè)字母“G”。它是 “Green”一詞的首字母，表示鋼板還是“青澀未成熟”的。以后容器制造廠完成了要求的熱處理后，再在字母 “G”后面加上一個(gè)字母“T”，表示要求的熱處理已經(jīng)完成。這些都需要反映在鋼板的 “材料試驗(yàn)報(bào)告” （material test report，簡稱MTR）上，即通常所說的合格證上。

2 對鋼板拉伸試驗(yàn)的若干規(guī)定

2.1 試塊數(shù)量

要求切取的拉伸試驗(yàn)試塊數(shù)量 （number of test coupons）與鋼板的生成方式、熱處理狀態(tài)和熱處理由誰進(jìn)行有關(guān)。

2.1.1 鋼板由鋼廠用單元連鑄坯或由鋼錠直接軋制而成

2.1.1.1 鋼板要求的熱處理由鋼廠完成

(a)鋼板為軋制狀態(tài)，或?yàn)槌慊鸺踊鼗?（Q+T）以外的其他熱處理狀態(tài)。

對這種情況，規(guī)范原文是這樣說的： “One tension test coupon shall be taken from each plateas-rolled”。

什么是 “plate-as-rolled”呢？首先它是一個(gè)復(fù)合詞，而不是3個(gè)詞，因?yàn)橹虚g有連字符。因?yàn)榕c “each”連用，可以肯定它是名詞，而且是可數(shù)名詞。

文獻(xiàn) [2]有專門關(guān)于它的定義： “plate-asrolled——the quantity of plate product rolled at one time,either from an individual slab or directly from an ingot”。

譯成漢語就是：由一塊單元連鑄坯或直接由一個(gè)鋼錠，一次軋制出的鋼板產(chǎn)品的數(shù)量 （或張數(shù)）?？梢娝x的是鋼板數(shù)量 （張數(shù)），而不是狀態(tài)。所以決不可把 “plate-as-rolled” 與 “plate asrolled”或與 “as-rolled plate(s)”混同。后二者說的是 “軋制狀態(tài)的鋼板”，指的是鋼板的狀態(tài)。而前者指的是鋼板數(shù)量 （張數(shù)）。

規(guī)范對該術(shù)語定義還有進(jìn)一步的說明（discussion），它說該術(shù)語不涉及鋼板的狀態(tài)，一個(gè) “plate-as-rolled”的鋼板，可以是軋制狀態(tài)，也可以經(jīng)過一種或多種表面處理或熱處理，或既經(jīng)過表面處理又經(jīng)過熱處理。

目前我國還沒有與此對應(yīng)的術(shù)語，各鋼廠可能各有自己的叫法。為敘述便利起見，本文不妨?xí)簳r(shí)把它翻譯成： “單元坯 （錠）一次軋制量”。

一塊單元連鑄坯或一個(gè)鋼錠，肯定是一次軋制完的，絕不會(huì)分成幾次軋制。一塊單元連鑄坯或一個(gè)鋼錠軋制成的鋼板也不會(huì)只是一張，而是很多張，除非要求的鋼板特別厚，單元連鑄坯或鋼錠又非常小。

有了上面這些認(rèn)識(shí)后，關(guān)于這幾種供應(yīng)情況下的取樣數(shù)量就不難理解了。把規(guī)范條文譯成漢語就應(yīng)該是：從每一單元坯 （錠）一次軋制量的鋼板中應(yīng)取一個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊。

或不用專門術(shù)語，把規(guī)范定義和規(guī)范條文結(jié)合起來翻譯，那就是：從由一塊單元連鑄坯或直接由一個(gè)鋼錠一次軋制成的鋼板中應(yīng)取一個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊。

規(guī)范中文譯本[4]完全沒有搞明白這一段話的意思， 把 “plate-as-rolled” 翻譯成了 “軋制板”， 把整個(gè)句子翻譯成了 “應(yīng)從每張軋制板取一個(gè)拉伸試塊”，這顯然是錯(cuò)誤的。

首先說狀態(tài)，在本節(jié)條件下提供的鋼板固然包括軋制狀態(tài) （as rolled）。但也包括除淬火加回火（Q+T）以外的其他熱處理狀態(tài)，例如正火狀態(tài)、正火加回火狀態(tài)。怎么能用一個(gè) “軋制板”概括呢！而且規(guī)范定義說得再明白不過，即 “plate-asrolled”不涉及鋼板狀態(tài)，僅指數(shù)量。

再說取樣數(shù)量。如果規(guī)范的本意是逐張取樣，根本用不著引入一個(gè)專門術(shù)語 “plate-as-rolled”。直接寫成 “One tension test coupon shall be taken from each plate”，誰也不會(huì)做不同理解，而且句子還簡單。后面將要提到的文獻(xiàn)[5]就是這樣表述的。

有一次向一家德國公司訂購制造PTA結(jié)晶器的Cr-Mo耐熱鋼板，要求逐張 （each plate）進(jìn)行成品分析 （product analysis）。供方回復(fù)說，分析量太大，可否改為each plate-as-rolled。可見each plate-as-rolled不是 “逐張”。

再看本文后面第2.1.2.2(b)項(xiàng)，那里說的鋼板狀態(tài)和這里相同，只是鋼板不是直接軋制而成，而是由卷鋼 （coil)開卷裁切而成。由一卷卷鋼裁切出來的鋼板當(dāng)然不止一張，但取樣數(shù)量卻是每一卷卷鋼取一個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊，怎么到了這里就突然嚴(yán)格到逐張取樣了呢？

碳鋼和低合金鋼鋼板是種類繁多、用量最大的一類材料，里面雖然有像9-Ni鋼和2.25Cr-1-Mo那樣的高級鋼板，但更多的還是普通碳鋼、C-Mn鋼和其他簡單的合金鋼，難道這些材料也要求逐張鋼板取樣？這和實(shí)際情況恐怕太不符合吧！

查了一下SA-20/SA-20M管轄的34個(gè)鋼板標(biāo)準(zhǔn)，只有一個(gè)，即SA-353/SA-353M[5]規(guī)定每張鋼板取一個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊 （文獻(xiàn) [5]第7.1.3條）。文獻(xiàn) [5]涉及的鋼板是兩次正火加回火的9-Ni鋼，不是淬火加回火鋼。如果像規(guī)范中譯本譯者理解的那樣，文獻(xiàn) [5]的這一規(guī)定就多余了。

還有一個(gè)鋼板標(biāo)準(zhǔn)，即SA-841/SA-841M，規(guī)定每個(gè)單元連鑄坯或直接由一個(gè)鋼錠軋制出的鋼板進(jìn)行2次拉伸試驗(yàn)，試塊從1張鋼板的兩端各取1個(gè)，共取2個(gè)，見文獻(xiàn) [6]第6.2.1條。文獻(xiàn) [6]涉及的鋼板是 “控軋鋼板” (thermo-mechanical control process， 縮寫為 TMCP)。

文獻(xiàn) [5]和文獻(xiàn) [6]都因?yàn)榕c文獻(xiàn) [1]中的通用要求不同，所以才需要專門條文規(guī)定。其他32項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)因?yàn)榕c文獻(xiàn) [1]的通用規(guī)定相同，所以再?zèng)]有關(guān)于取樣數(shù)量的條文。

可見以這幾種狀態(tài)供應(yīng)的鋼板，除文獻(xiàn) [5]以外都不是逐張取樣。逐張取樣只是對少數(shù)特殊用途鋼板的特殊要求。

(b)鋼板以淬火加回火狀態(tài)提供。

每張鋼板應(yīng)取兩個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊。

2.1.1.2 鋼板要求的熱處理由容器制造廠進(jìn)行

這種情況涉及的鋼板都是要求熱處理的。但鋼板的熱處理不是在鋼廠進(jìn)行，而是由容器制造廠完成。在這種情況下，由鋼廠發(fā)運(yùn)到容器制造廠的鋼板都是軋制狀態(tài) （as rolled）。但不管要求的熱處理是何種形式 （N，N+T或Q+T)，鋼廠都需要證明雖然提供的鋼板是軋制狀態(tài)，但經(jīng)過要求的熱處理后，性能是能夠保障達(dá)到相關(guān)鋼板標(biāo)準(zhǔn)要求的。為此規(guī)范規(guī)定，鋼廠應(yīng)從每一 “plate-as-rolled”的鋼板中取一個(gè)試塊，把試塊按要求進(jìn)行熱處理后做拉伸試驗(yàn)，并把試驗(yàn)結(jié)果記入材料試驗(yàn)報(bào)告，即合格證中，隨同鋼板一起提供給用戶。文獻(xiàn) [1]第11.1.1條最后面一段話說的就是這種情況。

容器制造廠進(jìn)行完要求的熱處理后還得取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以證明容器制造廠進(jìn)行的熱處理效果的符合性。取樣數(shù)量跟熱處理形式有關(guān)。如果是淬火加回火，就逐張取樣，而且每張鋼板取兩個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊。其他熱處理形式，按每個(gè) “plate-asrolled”取一個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊處理。

2.1.2 鋼板由鋼廠或開卷廠用卷鋼裁切而成

2.1.2.1 裁切成的鋼板不熱處理，或只進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理

對這種情況 （見文獻(xiàn) [1]第11.1.2條），規(guī)范規(guī)定需從每卷卷鋼中至少要取3個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊。第一個(gè)試塊在緊靠第一張合格鋼板前面切取。第二個(gè)試塊在卷鋼的大約中間位置切取。第三個(gè)在緊靠最后一張合格鋼板后面切取。

對試塊取出位置需稍加說明。

一般情況是，從一卷卷鋼開始裁切鋼板時(shí)，先要在卷鋼露在最外面的一端切取一段加工試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。如果試驗(yàn)合格接著裁切出的第一張鋼板就是第一張合格鋼板。如果試驗(yàn)不合格，就還得往后退一段距離，再取樣進(jìn)行試驗(yàn)，直至試驗(yàn)合格。接著合格試樣取樣位置后面裁切出來的第一張鋼板就是第一張合格鋼板。

也可能第一次取樣試驗(yàn)結(jié)果還沒有出來，就一張張地開始裁切鋼板了。在這種情況下，等試驗(yàn)結(jié)果出來，如果合格，那裁切出的頭一張鋼板就是第一張合格鋼板；但如果不合格，那就還得在裁切出的第一張鋼板，緊靠第二張鋼板的位置處再取樣，進(jìn)行試驗(yàn)。如果這次試驗(yàn)合格，裁切出的第二張鋼板才算第一張合格鋼板；如果不合格，還得再在第二張裁切出來的鋼板，靠近第三張鋼板的位置處取樣繼續(xù)試驗(yàn)。如此向后推移，直至試驗(yàn)合格為止。合格試驗(yàn)位置后面緊接著的那張鋼板才是第一張合格鋼板。

要求的第三塊試塊是在一卷卷鋼裁切到最后，待剩下的材料不再夠一張鋼板時(shí)，才從剩下的那段材料上切取試塊進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果也有合格和不合格兩種可能。如果合格，那么最后裁切出的那一張鋼板，就是最后一張合格鋼板；如果不合格，就得在裁切出的最后一張鋼板靠近倒數(shù)第二張裁切出的鋼板處取樣試驗(yàn)。如果這次試驗(yàn)合格了，裁切出的倒數(shù)第二張鋼板才是最后一張合格鋼板；如果這次試驗(yàn)還不合格，就還得再在倒數(shù)第二張裁切出的鋼板靠近倒數(shù)第三張鋼板處取樣試驗(yàn)。如此向前推移，直至試驗(yàn)合格為止。這時(shí)試驗(yàn)合格位置前面緊接著的那張鋼板才算最后一張合格鋼板。

要求的第二塊試塊，大約在一卷卷鋼的中間位置切取就行，不是要求很準(zhǔn)確。

用從中間位置取出的試塊加工出的試樣進(jìn)行試驗(yàn)同樣有兩種可能的結(jié)果。如果合格，從前面裁切出的第一張合格鋼板，到最后一張合格鋼板之間的全部鋼板就都算合格。如果不合格，那這些鋼板都應(yīng)判為不合格。因規(guī)范是這么規(guī)定的：任何兩個(gè)合格試驗(yàn)位置之間的鋼板都是合格鋼板 （文獻(xiàn) [1]第11.1.2.2款）；一個(gè)不合格試驗(yàn)位置到相鄰一個(gè)合格試驗(yàn)位置之間的鋼板都是不合格鋼板 （文獻(xiàn) [1]第11.1.2.3款）?，F(xiàn)在是中間試驗(yàn)位置不合格，所以由這一卷卷鋼裁切出來的鋼板就全都應(yīng)算作不合格了。

但是可以繼續(xù)取樣，再進(jìn)行試驗(yàn)。問題是向那個(gè)方向推移取樣繼續(xù)試驗(yàn)?zāi)?？文獻(xiàn) [1]第11.1.2.3款說向任何方向 （in either direction）。這就有問題。如果向前推，試驗(yàn)合格只能證明第一張合格鋼板到此次試驗(yàn)合格位置之間的鋼板合格，怎么能證明到最末一張合格鋼板間的鋼板也是合格的呢？是否還需要向后推移取樣進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)?？似乎?yīng)該。但是規(guī)范卻沒有這樣規(guī)定。

還有一種情況，就是采購量不多，裁切夠需要的鋼板張數(shù)后，還不到下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)取樣位置。假設(shè)一卷卷鋼可裁切出15張鋼板。但采購量只有5張。裁切夠5張后，不到中間取樣位置?；虿少徚繛?0張，裁切夠10張后，不到卷末取樣位置。對這種情況規(guī)范的規(guī)定是，裁切到需要的張數(shù)后，就接著往后倒，就近切取一塊試塊進(jìn)行試驗(yàn)。

當(dāng)然也可以像本節(jié)開頭那樣，雖然訂貨量少，也把一卷卷鋼全都裁切成鋼板。把按合同供貨剩下的庫存起來，等待別的用戶需要時(shí)，再提供給他們。

注意，本節(jié)提到的消除應(yīng)力熱處理，不是材料標(biāo)準(zhǔn)要求的熱處理，而是為消除因開卷 （de-coiling）、 調(diào)平造成的應(yīng)變 （strain） 和冷作硬化 （cold working）而進(jìn)行的熱處理。而且這樣的鋼板以后不再進(jìn)行其他形式的熱處理。

如果鋼板以后還要進(jìn)行其他形式的熱處理，即使存在因開卷校平造成的應(yīng)變和冷作硬化，那也用不著進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。因?yàn)檫M(jìn)行其他形式的熱處理時(shí)，開卷調(diào)平造成的應(yīng)變和冷作硬化也就隨之消除了。

2.1.2.2 鋼板要求的熱處理由鋼廠或開卷廠進(jìn)行

(a)要求的熱處理為除淬火加回火外的其他熱處理：每卷卷鋼取一個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊 （文獻(xiàn) [1]第11.1.3條）。

(b)要求的熱處理為淬火加回火：每張鋼板應(yīng)切取兩個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊 （文獻(xiàn) [1]第11.1.3條）。

2.1.2.3 要求的熱處理由容器制造廠進(jìn)行

在這種情況下，鋼廠或開卷廠，把裁切出來的鋼板調(diào)平后便可提供給用戶，鋼板的熱處理由容器制造廠進(jìn)行。在這種情況下，不管以后進(jìn)行的熱處理是什么形式，鋼廠或開卷廠只需要從每卷卷鋼中切去一個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊。該試塊經(jīng)過要求的熱處理后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以證明提供的鋼板進(jìn)行完要求的熱處理后，性能是能夠保證的 （見文獻(xiàn) [1]第11.1.4條）。

容器制造廠進(jìn)行完要求的熱處理后，自己還需再按本文第2.1.2.2款的規(guī)定，依熱處理形式不同，取不同數(shù)量的試塊進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以證明最終狀態(tài)的鋼板性能滿足相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 拉伸試驗(yàn)試樣的形式，延伸率的測定及調(diào)整

2.2.1 拉伸試樣的形式

規(guī)范規(guī)定，對于文獻(xiàn) [1]適用的34個(gè)鋼板標(biāo)準(zhǔn)，使用SA-370/SA-270M[7]中規(guī)定的三種標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。它們分別是：標(biāo)距200 mm（8 in）寬40 mm (1.5 in)矩形截面試樣，標(biāo)距50 mm （2 in）寬12.5 mm(0.5 in)矩形截面試樣和標(biāo)距50 mm（2 in）直徑12.5 mm (0.5 in)圓形截面試樣。以后分別簡稱為 200 mm （8 in） 扁試樣、50 mm （2 in）扁試樣和50 mm（2 in）圓試樣。它們的應(yīng)用范圍見圖3。圖3為示意圖，橫坐標(biāo)沒有按比例標(biāo)定。

圖3 不同試樣的應(yīng)用范圍

2.2.2 200 mm扁試樣的標(biāo)距

為測定材料的延伸率 （elongation），拉伸試樣上須預(yù)先打上表示標(biāo)距的標(biāo)記點(diǎn)。對于200 mm（8 in）標(biāo)準(zhǔn)扁試樣，文獻(xiàn) [7]圖3的注 （1）規(guī)定了兩種標(biāo)距打法。一種是在試樣減截面段 （reduced section）相距200 mm(8 in)打兩個(gè)點(diǎn)或兩排點(diǎn)。另一種是把200 mm （8 in）平均分成8段，每段長25 mm(1 in)，在兩端和每個(gè)分隔點(diǎn)處各打一個(gè)點(diǎn)或一排點(diǎn)，共9個(gè)點(diǎn)或9排點(diǎn)，如圖4(a)所示。

2.2.3 延伸率的測定

材料的延伸率有兩種。一種是在50 mm （2 in）標(biāo)距上測得的，規(guī)范稱作 “50 mm （2 in）延伸率”[elongation in 2 in.(50 mm)]。另一種是在200 mm（8 in） 標(biāo)距上測得的， 稱作 “200 mm （8 in） 延伸率” [elongation in 8 in.(200 mm)]。

“50 mm （2 in） 延伸率” 自然是在50 mm （2 in）扁試樣或在50 mm（2 in）圓試樣上測出的。但在200 mm （8 in）扁試樣上，兩種延伸率都可以測。這就是為什么這種試樣標(biāo)距有兩種打法的原因。

圖4 200 mm扁試樣上標(biāo)距的另一種標(biāo)定方式及在其上測定50 mm延伸率的方法

在 200 mm （8 in）扁試樣上測 “200 mm （8 in）延伸率”和在其他兩種試樣上測 “50 mm（2 in）延伸率”都無須多說。如何在這200 mm （8 in）扁試樣上測取 “50 mm （2 in）延伸率”呢？規(guī)范是這樣規(guī)定的：使用200 mm （8 in）扁試樣，延伸率在包含拉斷處 （including fracture）， 且伸長最大（showing the greatest elongation） 的 50 mm （2 in）標(biāo)距上測量。

圖4(a)表示的就是這樣一種標(biāo)距等分成8段的200 mm （8 in）扁試樣。圖4(b)表示拉斷后的情況。在圖中試樣斷在點(diǎn)5和點(diǎn)6之間，所以點(diǎn)5-6這一段一定要算上。另外一段是取點(diǎn)4-5，還是取點(diǎn)6-7，那就看這兩段哪一段長了。哪一段長就取哪一段。圖中表示的情況是點(diǎn)6-7一段比點(diǎn)4-5一段長，所以就用點(diǎn)5-7之間的長度來計(jì)算延伸率。這樣計(jì)算出的延伸率究竟是“200 mm （8 in） 延伸率” 還是 “50 mm （2 in） 延伸率”呢？是 “50 mm （2 in）延伸率”。這可以從文獻(xiàn) [5]的規(guī)定判斷出來。文獻(xiàn) [5]規(guī)定對厚度20 mm(3/4 in)和20 mm(3/4 in)以下的鋼板，就用這種方法測定鋼板延伸率，而文獻(xiàn) [5]給出的合格標(biāo)準(zhǔn)就只有 “50 mm （2 in）延伸率”的數(shù)據(jù)。

2.2.4 鋼板標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于延伸率的規(guī)定

在SA-20/SA-20M適用的34個(gè)鋼板標(biāo)準(zhǔn)中，大部分標(biāo)準(zhǔn)都同時(shí)給出了兩種延伸率的合格指標(biāo)，文獻(xiàn) [1]第11.6.4條說，這并不是說兩種延伸率都要求同時(shí)測定，而是只要根據(jù)鋼板厚度選擇適當(dāng)試樣，按試樣標(biāo)距測定其中一種就行了。即如果采用的拉伸試樣是50 mm （2 in）扁試樣或50 mm （2 in） 圓試樣， 那就只測定 “50 mm （2 in） 延伸率”。如果使用的拉伸試樣是200 mm （8 in）扁試樣，而又沒有其他說明，那就按200 mm （8 in）標(biāo)距測定“200 mm （8 in） 延伸率”。

凡要求用200 mm （8 in）扁試樣測定 “50 mm（2 in）延伸率”的場合，具體鋼板標(biāo)準(zhǔn)都有專門說明，當(dāng)然有這樣要求的標(biāo)準(zhǔn)也不少。

2.2.5 延伸率的調(diào)整

2.2.5.1 薄鋼板延伸率合格標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整

文獻(xiàn) [1]第11.6.1條說，對于厚度8 mm（0.312 in）以下的鋼板，當(dāng)使用200 mm （8 in）扁試樣時(shí)，實(shí)際測出的延伸率偏低，所以具體鋼板標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的 “200 mm （8 in）延伸率”合格標(biāo)準(zhǔn)需要適當(dāng)往下調(diào)，下調(diào)值與鋼板厚度有關(guān)，詳見文獻(xiàn)[1]第80頁，本文不再抄錄。由于此原因，很多鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定厚度20 mm(3/4 in)或20 mm(3/4 in)以下的鋼板拉伸試樣使用200 mm（8 in）扁試樣，但以包含斷口且伸長最大的50 mm(2 in)標(biāo)距為基準(zhǔn)測量 “50 mm （2 in）延伸率”， 而不測定 “200 mm （8 in）延伸率”。這樣就避開了延伸率調(diào)整的麻煩。當(dāng)然也有很多鋼板標(biāo)準(zhǔn)沒有這樣規(guī)定，如果用200 mm （8 in） 扁試樣測定 “200 mm （8 in） 延伸率”，那標(biāo)準(zhǔn)中給出的延伸率合格標(biāo)準(zhǔn)就得根據(jù)鋼板厚度往下調(diào)整。

2.2.5.2 厚鋼板延伸率合格標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整

文獻(xiàn) [1]第11.6.1條說，對于厚度90 mm(3.5 in)以上的鋼板，用50 mm （2 in）試樣測出的延伸率也偏低，所以鋼板標(biāo)準(zhǔn)中給出的 “50 mm （2 in）延伸率”合格標(biāo)準(zhǔn)值也得往下調(diào)。具體調(diào)低的數(shù)值與鋼板厚度有關(guān)，詳見文獻(xiàn) [1]第91頁，本文也不再抄錄。

3 討論

3.1 除了淬火加回火的鋼板要求每張鋼板取兩個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊外，其他都不是逐張取樣試驗(yàn)，而是從每個(gè) “plate-as-rolled”，即從一塊單元連鑄坯（individual slab）或一個(gè)鋼錠一次扎制成的鋼板中，或從每一卷卷鋼裁切出來的鋼板中取一個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊。這樣的取樣單位比過去一個(gè) “批號”包括的鋼板要少得多。即試驗(yàn)單位變小了。這主要是由于一個(gè)爐號的連鑄坯是由很多爐鋼連續(xù)澆鑄而成的，而各爐鋼的化學(xué)成分雖然都在規(guī)定的公稱范圍之內(nèi)，但并不完全相同，因此為使試驗(yàn)更具代表性而做了調(diào)整。但即便如此，在由一個(gè)爐號的連鑄坯分割成的許多塊單元連鑄坯中，總有幾塊，即處在前后連續(xù)澆鑄的兩爐鋼結(jié)合處的單元連鑄坯，首尾化學(xué)成分并不一樣，因?yàn)樗鼈兪怯蓛蔂t鋼澆鑄成的。由這樣的單元連鑄坯軋制成的鋼板中，也一定有幾張鋼板也是這樣的情況。這樣由一個(gè)試塊的試驗(yàn)結(jié)果來代表，就有一定的不準(zhǔn)確性。所以在ASME規(guī)范中雖然 “批” （lot） 這一術(shù)語還保留著， 但 “批號” （lot number） 這一術(shù)語沒有了。 而且 “批”的定義也發(fā)生了一些微妙的變化。過去鋼板 “批”的定義是：由同一爐號的鋼在相同條件下一次生產(chǎn)出來的、厚度相同或相近、不超過一定數(shù)量的鋼板?，F(xiàn)在規(guī)范對 “批”的定義是這樣的：a definite quantity product manufactured under conditions that are considered uniform。譯成漢語應(yīng)該是：在認(rèn)為一致的條件下制造出來的一定量的產(chǎn)品。相同條件（the same condition） 變成了 “一致條件” （uniform condition），而且還加了 “認(rèn)為”兩個(gè)字。

“認(rèn)為一致”。誰認(rèn)為呢？當(dāng)然是標(biāo)準(zhǔn)制定者，而不能是其他人。從下面的介紹中還可以看出，這個(gè) “認(rèn)為一致”的條件，是因不同情況而異的。

文獻(xiàn) [1]第11.7節(jié)和附錄X2公開承認(rèn)了這種不準(zhǔn)確性，并認(rèn)為對一般用途壓力容器可以不予考慮，對重要用途的壓力容器，可以通過提出附加要求，增加取樣和試驗(yàn)數(shù)量。美國鋼鐵協(xié)會(huì) （AISI）上世紀(jì)70年代曾做過專門研究。ASTM根據(jù)AISI的研究數(shù)據(jù)得出，在一個(gè) “plate-as-rolled”內(nèi)的鋼板中，抗拉強(qiáng)度波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差大約為3%，屈服強(qiáng)度為5%，延伸率為3%。

對于像文獻(xiàn) [5]和文獻(xiàn) [6]那樣具有特殊成分，或用特殊方法制造出的鋼板，通過增加取樣數(shù)量，可以減小這種不準(zhǔn)確性。

對一些特別重要應(yīng)用場合，這一點(diǎn) “不準(zhǔn)確性”，盡管微不足道，也應(yīng)排除。例如在鍛件標(biāo)準(zhǔn)SA-788/SA-788M[8]中，有一項(xiàng)附加要求S3，它規(guī)定即使化學(xué)成分范圍相同的幾爐鋼連鑄，過渡段也要切除，以保證提供的鍛件產(chǎn)品上不含 “混合”材料 （intermix material）。對一些重要用途的螺栓材料，也可以作為補(bǔ)充要求提出同樣要求[9]。

3.2 在由卷鋼開卷裁切出鋼板的情況下，如果鋼板不進(jìn)行熱處理，或只進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，每一卷卷鋼至少要在3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)取樣位置取3個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊。但如果鋼板要求熱處理，只要不是淬火加回火，每卷裁切出的鋼板中只要求取一個(gè)拉伸試驗(yàn)試塊。這說明由卷鋼裁切出的鋼板不熱處理，鋼板的性能不均一性要超過熱處理的鋼板。確實(shí)如此。卷鋼在鋼板軋制生產(chǎn)線上卷繞成卷鋼時(shí)溫度還是相當(dāng)高的，而且鋼板越厚，卷繞溫度越高，這樣卷鋼兩頭冷卻塊，中間部分因?yàn)榫砝@在里面，冷卻就慢，結(jié)果完全冷卻后，各部分組織可能不同，性能差異也比較大。一般而言，中間部分抗拉強(qiáng)度和屈服極限偏低，延伸率偏高。

3.3 如果鋼板狀態(tài)不是軋制狀態(tài)，而是熱處理狀態(tài)，在以往 “批”的定義中，還有 “同爐”處理的限制。對于 “同爐”也有專門解釋，即對于批次爐（batch furnace）指一次裝爐量，對于連續(xù)爐 （continuous furnace）指一定時(shí)間內(nèi) （例如8 h）一次開爐處理的量。一般鋼廠的熱處理爐都是連續(xù)爐，由一個(gè)單元連鑄坯或一個(gè)鋼錠一次軋制成的鋼板，如果要熱處理，一定是一次處理完的，符合以往“批”定義中的限制條件。但容器制造廠則幾乎都是 “批次”爐。如果一個(gè) “plate-as-rolled”的鋼板不能一爐處理，而要分成幾爐處理，還能算作一個(gè)試驗(yàn)單位，由一個(gè)拉伸試驗(yàn)來代表嗎？關(guān)于這一點(diǎn)規(guī)范沒有直接說明，但從文獻(xiàn) [1]第11.4節(jié)可以找到一些理解這一問題的線索。這一節(jié)說的正是鋼板熱處理由容器制造廠進(jìn)行的情況。它說拉伸試樣 （specimen）可以從熱處理的鋼板上切取，也可以從與鋼板同時(shí) （simultaneously）熱處理的全厚度試塊 （coupon）上制取。但又說對熱處理后從奧氏體化溫度開始的冷卻速度比在靜止空氣中的冷卻速度快的情況，如果能夠知道鋼板的冷卻速度，又具備控制冷卻速度的裝置，則制備拉伸試樣的試塊可以單獨(dú)進(jìn)行熱處理，而不一定非同爐處理。這一規(guī)定說明，快速冷卻下的冷卻速度是重要影響因素，其他因素包括非快速冷卻時(shí)的冷卻速度、熱處理溫度和保溫時(shí)間，只要在合理允差范圍內(nèi)，不是重要影響因素。所以只要不是淬火加回火 （Q+T），其他熱處理形式，即使不是同爐處理，一個(gè) “plateas-rolled”的鋼板，也可以由一個(gè)拉伸試驗(yàn)來代表。 這也可以算 “認(rèn)為 （considered） 一致 (uniform)的條件”之一吧。

關(guān)于熱處理?xiàng)l件一致性的理解還可以參考SA-484/AS-484M[10]。它認(rèn)為熱處理是一種容易控制的工藝過程，因此完全可以跳出 “同爐”的約束。

3.4 本文前述第2.2.2.1款末尾談到由卷鋼裁切鋼板時(shí)，中間取樣位置試驗(yàn)不合格的問題。中間取樣位置不合格意味著中間有一段材料質(zhì)量有問題，這一段的范圍及分布，按理說只有靠既向前推進(jìn)取樣，又向后推進(jìn)取樣來探明，但規(guī)范卻規(guī)定向一個(gè)方向就行，而且是任何一個(gè)方向。這雖然看起來不合理，但符合規(guī)范邏輯。因?yàn)橐?guī)范規(guī)定的合格判據(jù)是：在任何兩個(gè)合格取樣位置之間裁切出來的鋼板都應(yīng)算合格。這也是處理工程問題的一種近似，也可看作是 “認(rèn)為一致條件” （uniform condition）的一種形式。就算三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)取樣位置一開始試驗(yàn)都合格，難道敢保證開始取樣位置和中間取樣位置之間，或中間取樣位置與末尾取樣位置之間每一部分的質(zhì)量都沒有問題？只能說有問題的幾率很小而已。處理工程問題首先要有基本大邏輯。規(guī)范關(guān)于單位轉(zhuǎn)換中有一個(gè)非常著名的例子，就是14.7 psi(lbf/in2)的壓力值轉(zhuǎn)換到SI單位制后取值為101 kPa，而15 psi(lbf/in2)轉(zhuǎn)換后卻是100 kPa，反而小了。規(guī)范就明確說，不管看起來是多么不可思議，但符合規(guī)范數(shù)值轉(zhuǎn)換邏輯。如果恰好遇到這兩個(gè)壓力值，就還必須按此轉(zhuǎn)換，否則就是違反規(guī)范規(guī)定。

4 結(jié)束語

（1）本文談到的有關(guān)鋼板拉伸試驗(yàn)的一些問題，與鋼板生產(chǎn)技術(shù)的改變有關(guān)。我國鋼板生產(chǎn)技術(shù)基本上已與世界水平接軌。只要采用這樣的生產(chǎn)技術(shù)，檢驗(yàn)試驗(yàn)方式也必然要作相應(yīng)改變，只是目前還沒有及時(shí)反映到規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中來。

（2）規(guī)范關(guān)于鋼板拉伸試驗(yàn)取樣數(shù)量和取樣位置的規(guī)定，也適用于沖擊試驗(yàn)。只是在ASME規(guī)范中沖擊試驗(yàn)對大多數(shù)鋼板不是必須的試驗(yàn)項(xiàng)目。除少數(shù)標(biāo)準(zhǔn)外，鋼板是否需要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)以及試驗(yàn)條件都是由建造規(guī)范決定的，而不是由材料標(biāo)準(zhǔn)決定的，這是與我國和其他多數(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不同之處。

[1]SA-20/SA-20M.Specification for General Requirements for Steel Plates for Pressure Vessels,ASME Code,Section II,Part A[S].2010 Edition with 2011 Addenda：83-123.

[2]SA-941.Specification for Terminology Relating to Steel,Stainless Steel,Related Alloys,and Ferroalloys,ASME Code,Section II,Part A[S].2010 Edition with 2011 Addenda:1483-1490.ASME Code,Section II,Part A[S].2010 Edition with 2011 Addenda:1483-1490.

[3]SA-387/SA-387M.Specification for Pressure Vessel Plates,Alloy Steel,Chromium-Molybdenum,ASME Code,Section II,Part A[S].2010 Edition with 2011 Addenda:695-702.

[4]ASME鍋爐壓力容器規(guī)范，國際性規(guī)范，II，A篇，鐵基材料 [S].2010版.北京：中國石化出版社，2010.

[5]SA-353/SA-353M.Specification for Pressure Vessel Plates,Alloy Steel,Double-Normalized and Tempered 9-Ni%Nickel,ASME Code,Section II,Part A[S].2010 Edition with 2011 Addenda：591-595.

[6]SA-841/SA-841M.Specification for Steel Plates for Pressure Vessels,Produced by Thermo-Mechanical Control Process(TMCP),ASME Code,Section II,Part A[S].2010 Edition with 2011 Addenda：1467-1476.

[7]SA-370/SA-370M.Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products， ASME Code,Section II,Part A[S].2010 Edition with 2011 Addenda：621-678.

[8]SA-788/SA-788M.Specification forSteelForgings,General Requirements,ASME Code,Section II,Part A[S].2010 Edition with 2011 Addenda：1377-1391.

[9]SA-962/SA-962M.Specification for Common Requirements for Steel Fasteners or Fastener Materials,or Both,Intended for Use at Any Temperature from Cryogenic to the Creep Range,ASME Code,Section II,Part A[S].2010 Edition with 2011 Addenda：1515-1527.

[10]SA-484/SA-484M.Specification for General Requirements for Stainless Steel Bars,Billets,and Forgings,ASME Code,Section II,Part A[S].2010 Edition with 2011 Addenda：869-884.

Requirements for Tensile Test of Carbon and Low Alloy Steel Plates in ASME Code

Li Kexin Zhang LiYu Meina Guo Jing

The modern production of steel plates is characterized by using melting furnaces with small volume capacity and adopting continuous casting technology largely.Requirements specified in ASME code for tensile test,especially on number of the samples,are in the way of this production mode.

Steel plates;Carbon steel;Low alloy steel;Tension test;Plate-as-rolled;ASME code

TQ 050.4+1

*李可新，男，1971年生，高級工程師。大連市，116032。

2012-06-25）