鄧宗梁

1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350108；2.福建省綠色建筑技術(shù)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(yīng)力的板材，也稱Z 向鋼，又稱抗層狀撕裂鋼，適用于因結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的厚鋼板結(jié)構(gòu)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(xué)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(zhì)量的鋼板局部有出現(xiàn)分層現(xiàn)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(xiàn)。當(dāng)厚度超過一定數(shù)值時，其出現(xiàn)這種現(xiàn)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(jīng)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(jié)構(gòu)工程，當(dāng)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(xiàn)象在焊接過程中出現(xiàn)，設(shè)計可采用Z 向鋼，一種能抵抗層狀撕裂的鋼材，使用前，應(yīng)復(fù)驗其Z 向性能。國標GB 50205-2020 中也規(guī)定，如果設(shè)計采用了Z 向鋼板且厚度≧40mm 的要進行抽樣測試，試驗結(jié)果符合相關(guān)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(xiàn)行產(chǎn)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(yīng)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(yīng)按批進行Z向性能檢驗，Z25 和Z35 級別的鋼板應(yīng)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(yīng)先檢查鋼板的外觀和尺寸是否滿足要求，且試料應(yīng)足夠，能保證機加工出符合相關(guān)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(yīng)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(yīng)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(xué)性能。最終的機加工工序應(yīng)保證試件的形狀、表面質(zhì)量以及尺寸能滿足相關(guān)技術(shù)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(yīng)派專人（檢測員資格及以上人員）前往加工單位進行指導(dǎo)和監(jiān)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(yīng)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(qū)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(guān)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(yīng)滿足≥2mm 的要求，可取3mm，平行段長度Lc應(yīng)≧1.5倍d0且不超過80mm，取制樣造成的熱影響區(qū)應(yīng)在Lc之外，試樣總長Lt應(yīng)根據(jù)試樣厚度和所使用的試驗設(shè)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(xué)性能的影響，所采用的任何切割方法不能影響試樣的有關(guān)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(yīng)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(qū)。

（3）為確保加工精度，粗、精加工應(yīng)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(fā)熱量多，試件內(nèi)部存在著較大的內(nèi)應(yīng)力，如果粗、精加工連續(xù)進行，則精加工后的試件精度會因為應(yīng)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(yīng)進行低溫退火或時效處理工序來消除內(nèi)應(yīng)力。

（4）應(yīng)確保制備好的試樣在轉(zhuǎn)移、運輸及儲存過程中的完好、完整，避免出現(xiàn)影響檢測結(jié)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(wù)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(yīng)做好安全交底，排除安全隱患，操作時需按規(guī)定程序作業(yè)，不可違規(guī)操作。安全無小事，防患于未然，無危則安，無損則全。

5 結(jié)語

Z 向鋼常見于鋼結(jié)構(gòu)高層建筑和大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程的厚鋼板中，其力學(xué)性能的好壞關(guān)乎鋼構(gòu)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(shù)，其試驗結(jié)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(shè)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(shù)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(guān)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。