在金属材料检测取样过程中，需要先切割样坯，然后将样坯加工成一定尺寸的样品进行检测。 对于钢材，特别是热轧板，切割毛坯时主要采用火焰切割方法，切割线周围材料的力学性能会受到影响。 为了保证试验的可靠性，采用火焰切割方法切割试样毛坯时，应保证切割线与最终加工的试样之间有足够的加工余量，以消除热应力对试样毛坯的影响。测试样品。 GB/T 2975-2018《钢的力学技术性能取样规定》规定：“采用烧灼法切割试样毛坯时，从试样毛坯切割线到试样边缘必须留有足够的加工余量” ，一般应不小于钢材的厚度或直径，但最小不小于20mm，对于厚度大于60mm的钢材，根据双方协议可适当减少加工余量。 ” 这个规定比较笼统。 实际工作中，对于直径大于60mm的热轧钢板，特别是因受热而力学性能变化较大的中碳钢，如50Mn钢、钢等，加工余量的确定为很重要。 由于标准中没有明确规定，因此很难确定切割取样时加工余量是否合适，待测样品是否消除了热应力的影响。
学者们对钢板的火焰切割工艺进行了研究。 陈增友等. 研究了Q345E低合金钢两种厚度的火焰切割和等离子切割热影响区宽度、组织和硬度等关键参数，实现切割面的直接焊接。 并给出了可行性。 张善英等人利用ANSYS生死元技术建立了钢板火焰切割模型，研究了钢板在切割过程中的温度场分布。 孙震等. 对25mm厚直接淬火B型钢板和50mm厚淬火+低温回火B-HARDE钢板进行拉伸、冲击和硬度试验，确定钢板自动火焰切割热影响区深度为约5毫米。 余浩利用实验和数值模拟的方法，研究了火焰切割过程中丙烷和预热氧气流量对切口宽度的影响。 但现有研究主要集中于建立单厚度钢板的切削模型，研究重点仅在于钢板温度场的模拟。 对于待切割钢板厚度与切割后试样热影响区宽度的关系研究较少。 为此，作者研究了不同厚度钢板在火焰切割条件下的热影响区范围，可为确定样件加工余量提供参考，对于减少取样工作量和物质消耗； 也为参考GB/T 2975-2018新的抽样标准提供了碳钢材料的案例，为实际抽样工作提供参考。
50Mn钢板火焰切割数值模拟
火焰切割参数
进出口钢材取样具有以下特点：取样地点集中在码头或仓库，劳动条件差，单件小批量切割，切割后的钢材无法移动。 上述特点决定了取样工具主要是乙炔-氧火焰切割机。 实际工作中，热量的控制也比较广泛，主要依靠操作者的经验。 进出口钢材种类较多：热轧板、冷轧板及其他板材和圆柱棒材。 其中热轧板进口量约占70%，厚度从3～200mm不等。 取样过程受热应力影响显着，取样范围的选择非常关键，因此选择50Mn钢热轧板作为研究对象。 切割的物理模型为：面积无限大、厚度为5mm的钢板。 使用氧-乙炔火焰在一端切一小块。 切割尺寸为400×400mm，如图1所示，图中阴影部分为测试部分。 应切割样品以确保阴影区域的材料不受热应力的影响。
图1 火焰切割取样示意图
氧乙炔火焰切割工艺由预热阶段和切割阶段组成。在预热阶段，切割面上的金属被预热火焰加热到燃点。 预热时间t与钢板厚度x有一定的关系，如下式所示
t＝3.875＋0.186x (1)
切割阶段，割枪喷出氧气，使钢板剧烈燃烧。 氧-乙炔火焰提供的热量约占总热量的30%，钢板本身燃烧的热量占总热量的70%。切割速度v与钢板厚度有如下关系X
v＝40000/(50＋x) (2)
vm=0.8v (3)
式中：v为机械切削速度，mm·s-1； vm为手动切削速度，mm·s-1。 手工作业时的切削速度vm一般为v的0.6~0.8，这里采用0.8进行计算。
火焰切割模型建立
为了分析火焰切割过程中样品热影响区的范围，建立了样品的有限元模型。 使用二维模型，假设样品厚度方向的传热远小于平面方向的传热。 模型尺寸为400mm×400mm，厚度为5mm，采用四边形网格。 网格数为400×400。 单元坐标如图2所示，切割火焰从左下角网格（1, 1）开始，沿切割线穿过网格（1, 400），结束于右上角网格角 (400, 400)。 材料的热物理参数随着温度的升高而变化。 50Mn钢板的热物理参数如表1所示。
表1 50Mn钢板热物理参数
图2 样例平面模型及单元坐标
完整的火焰切割过程包括材料燃烧、相变、熔渣流动等，其复杂性使得直接进行数值模拟变得困难。 它通常被简化为向切割表面施加热源以近似加热材料。 计算使用非稳态传热。 钢板初始温度设定为27℃，非切割面边界条件为对流散热，空气温度设定为27℃，对流换热系数为10（W·m-2 ·℃-1) 。 将热流密度直接施加到切割面上，以近似预热和切割状态：在预热状态时，热流不移动，仅加载在左下角的网格切割面上。 热流密度为3.12×108W·m-1，由式（1）给出的预热时间计算为4.8s； 切割状态时，对切割线依次施加1.04×109W·m-1的热流密度，由式(2)、(3)计算切割速度为9.7mm·s-1。 切割完成后，将切割面边界条件改为对流散热，继续静置150秒钢材切割图，模拟冷却过程。火焰切割模拟中，二维模型的导热微分方程如下
式中：T为温度，℃； K为导热系数，W·m-1·℃-1；
为密度，kg·m-3； cp为比热容，J·kg-1·℃-1)； q为内部热源的热流密度，W·m-3； t 是时间，s。
模拟结果及硬度测试
火焰切割模拟结果
图3 第一切割线温度场
图4 第二切割线温度场
图3、图4为钢板切割过程中的温度变化云图。 可以看出，最高温度位于切割点处。 随着材料远离切割点，温度逐渐降低； 随着割枪的不断移动，被切割区域的温度迅速升高。 降低，远低于切割点的位置； 整个切割过程中，样品的左下角和左上角为局部高温区，温度云图呈现明显的扇形分布； 切割完成后冷却150秒后，样品最高温度约为60℃。
硬度测试验证
在获得样品温度分布的基础上，为了进一步确定材料性能发生变化的温度范围，需要进行实验验证。 研究表明，材料硬度的变化反映了材料机械性能的变化。 通过提取试样不同位置的硬度来表征热影响区的范围，具有测试简单、测试结果直观的优点。 采用布氏硬度法测试试样毛坯的硬度。 测试位置为图2中j=200处的水平网格。硬度测试结果如表2所示。
表2 样品硬度测试结果
从表2数据可以看出，切削面附近材料硬度最高。 当远离切削表面时，材料进入软化区，硬度逐渐降低。 当继续远离软化区时，材料硬度增加。 此时的硬度即为样品基材的硬度。 ，约200HB。
然后提取j=200的水平网格在整个模拟过程中能够达到的最高温度，并将模拟温度值与硬度测试值进行比较，如图5所示。
图5 最高温度-硬度测试对比
从图中可以看出，最大温度变化趋势与硬度变化基本一致：随着远离切割线，材料温度和硬度逐渐下降。 当距切割线的距离大于11mm时，温度低于100℃，硬度保持在200HB，因此大约100℃被视为材料性能不发生变化的极限。
不同厚度50Mn钢板火焰切割模拟
不同厚度50Mn钢板的切削模拟
为了进一步研究不同厚度50Mn钢板火焰切割时厚度与热影响区宽度的关系，选取不同厚度的50Mn钢板进行火焰切割模拟。 选择取样工作中常用的钢板厚度：5、20、40、60、100 mm。 提取仿真过程中所有网格能够达到的最高温度，如图6所示。
图6 不同厚度钢板最高温度分布
从图6可以看出，火焰切割过程中，温度高于100℃的区域主要集中在切割线边缘，左下角和左上角高温区域较大。样品的一角。 这是由于预热和切割过程中的火焰造成的。 喷枪在此位置停留的时间较长。 随着50Mn钢板厚度的增加，高温区呈现明显的扩大趋势。 当钢板厚度为100mm时，高温区域最大，这也与实际情况相符。
提取不同厚度50Mn钢板切割模拟过程中j=200的水平网格所能达到的最高温度，如图7所示。
图7 不同厚度钢板最高温度
可以看出，对于不同厚度的钢板，温度变化趋势基本相同：随着距切割线距离的增加钢材切割图，温度逐渐降低。 随着钢板厚度的增加，钢板所能达到的最高温度依次升高。 当钢板厚度为100mm时，最高温度为1044℃。 当钢板厚度增加时，高温区增加，材料热影响区宽度增加。 当近似将100℃视为材料性能不发生变化的临界温度时，可以发现，对于5、20、40、60、100mm厚的50Mn钢板，材料性能不发生变化的临界边界受热影响的尺寸分别为 11、13、15、17 和 21mm。
热影响区宽度与钢板厚度的拟合关系
图8 热影响区宽度与钢板厚度的拟合曲线
切割模拟中热影响区的宽度与钢板的厚度呈线性拟合。 结果如图8所示。可以发现，钢板厚度x与热影响区宽度y之间存在如下关系。
y＝10.31＋0.11x (5)
根据式（5）可近似计算50Mn热轧钢板的最小加工余量Y，见式（6），结果如表3所示。
Y＝1＋int(y) (6)
式中：Y为最小加工余量，mm； int() 是舍入函数。
表3 不同厚度钢板的最小加工余量
毫米
综上所述
(1) 5mm厚50Mn钢板火焰切割过程中的温度分布模拟结果与硬度测试结果吻合较好。 5mm厚钢板火焰切割热影响区宽度约为11mm。
(2)通过模拟发现，试样热影响区的宽度和最高温度随着钢板厚度的增加而增加。 对于厚度为5、20、40、60和100mm的50Mn钢板，热影响区宽度分别为11、13和15。 ,17,21毫米。
(3)建立最小加工余量Y与待切割钢板厚度x的关系为Y=1+int(10.31+0.11x)，为GB中实验室取样规范的制定提供参考/T 2975-2018 方便。 取样和测试工作。
选自：《理化测试-物理卷》Vol.55 2019.5
