里氏硬度无损检测钢材牌号的试验_王玲.pdf

.，.，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，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。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测区的里氏硬度推算抗拉强度，然后用推算的抗拉强度和钢材标准的下限值对比来评价钢材质量和确定钢材牌号。按照前述钢材强度与硬度相关性检验，决定系数 均小于.，钢材里氏硬度与强度无对应的函数关系，说明采用一个测区检测钢材强度的检测结果的可信度很低。.多个测区硬度平均值的分布规律在 中利用 随机函数和 函数，对 钢的 个测区硬度值和 钢的 个测区硬度值，分别每次随机抽 个和 个硬度值，抽取 次，取每次随机抽取数组的平均值，硬度平均值分布见图。随机抽取 个测区；随机抽取 个测区。图 抽取 次硬度平均值分布 随机抽取 个测区时，里氏硬度 个测区平均值的 次均值为，标准差为.；里氏硬度 个测区平均值的 次均值为，标准差为.。具有 保证率的 钢上限值和 钢的下限值分别为 和。随机抽取 个测区时，里氏硬度 个测区平均值的 次均值为，标准差为.；里氏硬度 个测区平均值的 次均值为，标准差为.。具有 保证率的 钢上限值和 钢的下限值分别为 和。由图 可以看出：不论随机抽 个测区还是 个测区，和 的硬度值均存在明显差异。这个结果表明，既有钢结构现场检测同批次随机进行 个以上测区的里氏硬度测试就能判别钢材牌号。钢材牌号判别方法根据试验数据分析，对于既有钢结构，在排除其他更高或更低强度级别的钢材牌号，只限于 和 这两个强度级别的情况下，可以采用如下方法判别 和 钢。）当图纸齐全，可获知原设计钢材牌号时：若原设计为，检验批硬度平均值不小于，评定为 钢；若原设计为，检验批硬度平均值小于，应抽取少量试样进行拉伸试验（屈服强度、抗拉强度和伸长率）。当钢材的抗拉强度值大于 、屈服强度大于 时，评定为 钢。当抗拉强度值小于 、屈服强度小于 时，评定为 钢。若原设计为，无需进行硬度和钢材强度检验。）当图纸缺失无法获知原设计钢材牌号时：若检验批硬度平均值不小于，评定为 钢；若检验批硬度平均值不大于，评定为 钢；若检验批硬度平均值介于 和，应抽取少量试样进行拉伸试验（屈服强度、抗拉强度和伸长率）。当钢材的抗拉强度值大于 、屈服强度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 大于 时，评定为 钢；当抗拉强度值小于 、屈服强度小于 时，评定为 钢。为了验证上述试验方法，对 个工程同批次的钢结构硬度测试值进行统计，测区数不少于 个，结果见表。表 验证结果 工程名称原设计钢材牌号多测区里氏硬度平均值拉伸试验得到的抗拉强度 判别结果某炼钢厂钢梁某高炉平台梁某钢连铸区域吊车梁某管道支架梁柱某转炉框架某门刚厂房柱不详某棒线主厂房柱加固板根据 碳素结构钢 规定，钢材抗拉强度为 ；根据 低合金高强度结构钢规定，的抗拉强度为 。可见，采用试验判别结果和采用里氏硬度法判别结果符合良好，且用该方法也检验出了现场用错钢材的现象，如某棒线主厂房原设计 钢，采用本文的方法检测推断为 钢，通过现场取样拉伸试验，钢材强度为 ，进一步验证了本方法的可靠性。结束语通过大量里氏硬度和钢材拉伸强度试验及数据分析，可以得出如下结论：）钢材的抗拉强度上限值为 ，钢材的抗拉强度下限值为 。当利用现场取样、实验室拉伸试验的强度确定钢材牌号时，抗拉强度值大于 、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。）钢材里氏硬度与钢材的屈服强度和抗拉强度无对应的函数关系，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。）采用一个测区检测钢材强度的检测结果可信度很低，既有钢结构现场检测同批次随机抽取 个以上测区进行里氏硬度测试可判别钢材牌号，每个构件划定为一个测区，打磨 处，每处测 个硬度值。）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 的上限值为，判别 下限值为，并经工程验证，该方法能够满足现场检测的要求，且减少对原结构的损伤，建议作为钢材牌号检验的一种有效方法，予以推广应用。）本文方法适用于 和 钢材，对于厚度小于 的构件，应选择合理的检测位置，如工字型钢可选择在翼缘与腹部交接处，但应避开热影响区；同时，对于厚度小于 的构件，应进行足够的耦合处理，再进行检测。）本文试验数据有限，希望今后得到更多的试验数据和现场检测数据，通过数据的积累，进一步对本方法进行验证和修正，为钢结构检测评估提供更加可靠的依据。参考文献 中华人民共和国住房和城乡建设部 钢结构现场检测技术标准：北京：中国建筑工业 出版 社，方平，孙正华，刘可，等 里氏硬度化学分析综合法检测钢材抗拉强度的研究 建筑科学，（增刊）：张亚楠 基于宏微观模型推断钢构件强度的无损检测技术研究 北京：中国矿业大学，唐一凡 碳素结构钢（）标准编制情况综述钢结构，（）：绳钦柱，李成才，张宝明，等 里氏硬度法现场检测建筑钢材强度试验研究 建筑技术，（）：刘持森，张宜现场因素对里氏硬度计测量值的影响 理化检验（物理分册），（）：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局金属材料里氏硬度试验：.北京：中国标准出版社，段向胜，邱小坛，周燕，等 钢材里氏硬度与抗拉强度之间换算关系的试验研究建筑科学，（）：国家质量技术监督局黑色金属硬度及强度换算值：北京：中国标准出版社，（下转第 页）工业建筑 年第 卷第 期科领域。“”通过新功能实现了场地的关系拓展，丰富了空间设计的经验。新形式的新型材料带来了技术的进步，丰富了“”空间艺术体验，它是社会复杂因素作用的产物，它在改变传统建筑模式的同时，也在改变建筑学术领域的意识形态。从研究看，“”在建筑领域具有前卫倾向，而且可以将其视为那个时代主要势力的表露物。过去宗教、政治、宣传性的少数支配阶层空间逐渐转变为大众空间，并呈现没有方向性的抽象形态流动状态。“”的变化或许可以解释成非常规的变种。研究发现很难再把其视为建筑从属概念。实现这一目标的主体也是多种多样的，为了实现这一目标，确实有很多专家介入其中，人类或许正在通过“”试验未来的空间。但可以肯定的是：“”具有公共特性，或许是表露时代所承载的渴望和欲望的一种表达手段，虽然它仍被用作宣传载体，但这种竞争反而敦促多样性和进化。空间和人类的关系原本是建筑概念，但局限于人类所属或作为旁观者的外向型观点，具有孤立的意义，“”就脱离了这个概念。此外，“”也有社会的担忧，因为大多是小型临时性建筑，所以包括了理论造成的维护和管理，以及因用途转换而废弃等可持续性的课题。问题焦点在以下两点：第一，如果是半永久、临时性的架构，要么会作为永久性设施保存下来，功能如何实现资本价值最大化，后期维护运营如何实现。第二，“”如何在建设之初考虑垃圾利用、降低污染物排放，实现自身循环。在实现完空间价值，解体以后如何转换，再次作为新的临时、半永久架构实现再次的循环，为环境和社会做出贡献。这是研究今后要解决的问题，对此应该同时进行研究。参考文献 ，熵：一种新的世界观上海：上海译文出版社，：，聚焦生活网 和 的蛇形画廊展馆非常复杂 ：艺术中国 年蛇形画廊：一个把你吸进另一维度的“彩虹虫洞”：，：石上纯也石上纯也：自由建筑上海：上海世纪出版集团上海文艺出版社，：，：，百度百科（风力仿生兽）：？，“：，”：（上接第 页）：，中华人民共和国住房和城乡建设部建筑结构检测技术标准：北京：中国建筑工业出版社，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局金属材料 硬度值的换算：北京：中国标准出版社，