里氏硬度无损检测钢材牌号的试验_王玲.pdf
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1、 .,.,工业建筑 年第 卷第 期 结构安全性评定及加固里氏硬度无损检测钢材牌号的试验王 玲,杨建平 郭小华,(中冶检测认证有限公司,北京;中冶建筑研究总院有限公司,北京)摘 要:钢结构检测是钢结构质量和安全控制的重要手段,其中,钢材强度或牌号是钢结构检测的一项重要指标,为工程质量评价、安全评估及加固改造提供了重要依据。实践表明:现有的检测方法都存在一定的缺点,无法满足工程的需求。通过大量里氏硬度和钢材拉伸强度试验,对试验结果进行统计分析,确定了一种采用里氏硬度法判别钢材牌号的方法,给出了里氏硬度判别 和 的界限值,该方法能够满足现场检测的要求,且对原结构的损伤较少。关键词:里氏硬度;无损检测
2、方法;判别;钢材牌号 :.,(,;,):,:;第一作者:王玲,女,年出生,教授级高级工程师。电子信箱:.收稿日期:钢结构检测是钢结构质量和安全控制的重要手段,其中,钢材强度或种类检测是钢结构检测的一项重要指标,为工程质量评价、安全评估及加固改造提供了重要依据。对于既有钢结构建筑的钢材牌号、强度等检测,目前主要采用局部破损实验法和无损检测方法。局部破损实验法是指现场取样后进行钢材力学性能试验和化学成分分析的方法。这种检测方法存在一定的缺点。首先,会对原有结构造成局部损伤,影响构件的承载性能,如承受动荷载的钢吊车梁等构件,局部损伤严重影响钢构件的承载能力;其次,受现场通风、空调、供水、热力等管道影
3、响,或遇到钢网架等结构时,取样操作非常复杂,有时甚至根本无法取样;最后,少量取样不能说明问题,因不清楚工程所用钢材是否为同一型号、批号的钢材,少量取样不能代表整个工程。同时,在化学分析方面,对照 年以后的国家 标 准 碳 素 结 构 钢 和 低合金高强度结构钢,和 中碳和锰的含量接近,无法通过 和 的含量判别钢材牌号。因此,采用现场取样检测钢材的方法具有局限性。无损检测,主要采用表面硬度法,主要有里氏硬度计体积小,使用方便,适用面广,读数快捷,有极高的检测效率,且里氏硬度计弹痕小,对测试物体表面几乎无损伤等优点。同时,里氏硬度法是应用 工业建筑 年第 卷第 期过程中也发现如下的缺点:)里氏硬度
4、计检测结果受试件的质量、厚度、表面粗糙度、表面硬化层厚度、冲击方向和表面曲率半径等因素影响,如 .金属材料里氏硬度试验规定冲击设备类型为 探头时,最小质量为,未耦合最小厚度为 ,耦合最小厚度为 。)在里氏硬度换算钢材抗拉强度方面,我国 黑色金属硬度及强度换算值和国际标准 给出不同硬度与抗拉强度之间的换算关系,为工程应用提供依据,以防出现误判。)建筑结构检测技术标准附录 给出了通过里氏硬度推定钢材强度的方法,实际工程中发现推定的强度和实验室拉伸试验所得的强度值偏差很大。金属材料硬度值的换算规定:硬度试验和拉伸试验至今存在差异,难以用一种模型在两个参数之间建立可靠的函数关系,也就是硬度和强度之间无
5、精确的函数关系。总之,不能通过里氏硬度较准确推算钢材抗拉强度。实际工程中常见的建筑用钢材牌号主要为 和 两种钢材,钢材与混凝土不同,混凝土强度受现场施工质量影响,而钢材属于成品产品,通常在工厂检验合格后才能出厂。实际工程中主要问题是,图纸缺失无法获知钢材牌号,或者构件厂加工或者施工中用错钢材牌号,甚至原设计钢材牌号为,实际工程用的是,给结构安全埋下隐患。因此,本文通过对 个不同规格的两种牌号 和 进行里氏硬度测试,并进行力学性能拉伸试验,通过数理统计分析方法给出采用里氏硬度法判别钢材牌号的方法。钢材试验钢材的硬度试验需要结合金属材料实验室的送检钢材拉伸试验进行。送检的钢材从不同施工现场取样得来
6、,来自全国不同钢材生产商,选取 和 两种牌号的钢材,钢材厚度不小于。试验时间从 年,总共进行了 根 和 根 钢板的硬度试验和钢材拉伸试验。为了能在现场对既有钢结构钢材进行测试,本文选用便携式里氏硬度计测试钢材的硬度。里氏硬度法的原理是,用规定质量的冲击体,在弹力作用下以一定速度垂直冲击试样表面,其影响因素主要包括试件的质量和厚度、表由粗糙度、表面硬化层度、冲击方向、表由曲率半径等。为了尽可能接近实际工程情况,将试件固定在卡具上进行测试,以保证实验室测试结果与实际工程一致。具体试验步骤如下:)用送检的不同厚度的钢材样坯作为硬度测试试样,经加工试件长度为 ,宽度为 。)对钢材表面进行打磨处理,用粗
7、糙度仪测定打磨面粗糙度,测量不应少于 次,取其平均值,测试表面粗糙度应不大于.。)将试样固定在卡具上,采用校准过的 型探头里氏硬度计进行钢材表面硬度测试,每个试样上取 个里氏硬度值,取平均值作为该试样的里氏硬度。)在试验机上进行拉伸试验,从而得到试样的屈服强度、抗拉强度值。本次试件拉伸试验是委托我公司钢材实验室进行的,钢材屈服前加载速率为 ,钢材屈服后通过控制平行长度与需要的应变速率相乘得到横梁位移速率来控制加载速度。典型钢板的拉伸试验力位移曲线如图 所示。;。图 拉伸试验力位移曲线 试验主要数据为钢材的里氏硬度值、屈服强度和抗拉强度,钢共有 组数据,钢 组数据,两种钢材的试验数据如图 所示。
8、图中横坐标为里氏硬度值,纵坐标为抗拉强度和屈服强度。试验结果分析.钢材强度分布规律对强度数据进行统计,得到屈服强度和抗拉强度的分布情况。由图 可见,钢的屈服强度均值为 ,标准差为.;钢的屈服强度均值为,标准差为.;在保采用里氏硬度无损检测法判别钢结构钢材牌号试验研究 王 玲,等 ;。屈服强度;抗拉强度。图 试验得到的 钢和 钢的里氏硬度与钢材抗拉强度和屈服强度 证率下,钢屈服强度上限值和 钢的下限值分别为,。由图 可见,钢的抗拉强度均值为 ,标准差为 ;钢的抗拉强度均值为,标准差为.;在保证率下,钢抗拉强度上限值和 钢的下限值分别为,。根据试验分析得出:当利用现场取样实验室拉伸试验的强度确定钢
9、材牌号时,抗拉强度大于 、屈服强度大于 时,可判断为 钢;抗拉强度值小于、屈服强度小于 时,可判断为 钢。如有怀疑时,应增加现场取样数量,根据钢材力学性能试验结果判定钢材牌号。图 钢材屈服强度分布 .钢材强度与硬度相关性为了确定 和 这两种钢材强度与里氏硬度之间的关系,本文采用了线性、指数、对数、多项式和乘幂五种常见的函数形式,对所测试的试验数据进行了回归分析,以确定能否找到一种适合里氏硬度与屈服强度或抗拉强度的曲线,分析结果如表 所示。分析结果表明,决定系数 均小于.,说明 图 钢材抗拉强度分布 表 回归分析的决定系数 数学模型屈服强度抗拉强度屈服强度抗拉强度.相关性很差,表明钢材里氏硬度与
10、强度无对应的函数关系。因此,对于特定的 钢或 钢,不能通过硬度法检验钢材强度是否满足质量要求,也不能得到可供结构计算分析所需的强度推定值。.钢材硬度分布规律为了找到 和 的里氏硬度值分布规律,对其进行了统计分析,分别得出两种钢材硬度的分布,如图 所示。由图 可见:和 里氏硬度值服从正态分布。钢的硬度均值为,标准差为;钢的硬度均值为,标准差为.。在 保证率下,硬度值的置信区间为,的置信区间为,。分析结果表明,两 工业建筑 年第 卷第 期图 和 里氏硬度分布 种钢材的硬度存在较大的重合区域,从而得知,在大多数的情况下,用一个测区的硬度值无法判别钢材 的种类。值得指出的是:目前有些钢结构检测采用一个
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