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鋼材強度無損檢測方法比較分析

文檔作者：劉殿忠王武剛文檔來源：吉林建筑大學土木工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年08月18日
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Sichuan Building Materials
Vol.42，No.1
February，2016
第42卷第1期
2016 年2 月
鋼材強度無損檢測方法比較分析
劉殿忠, 王武剛
(吉林建筑大學土木工程學院, 吉林長春 130118)
作者簡介:劉殿忠(1960 - ),男,吉林長春人,博士,教授,研究方向：
鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)、輕型鋼結(jié)構(gòu)、大跨鋼結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)。
通信作者:王武剛(1987 - ),男,山東德州人,在讀研究生。
摘 要: 介紹了鋼結(jié)構(gòu)中鋼材強度幾種主要的無損檢
測方法, 分析了目前幾種方法存在的問題和不足, 主要闡
述了其工作原理、影響因素、優(yōu)缺點等, 并對火災(zāi)后鋼材
強度用里氏硬度法測定, 給出了具體的實驗方案及分析方
法。
關(guān)鍵詞: 鋼材強度; 無損檢測; 里氏硬度法
中圖分類號: TG115. 28 文獻標志碼: B
文章編號:1672 -4011(2016)01 -0068 -03
DOI:10. 3969/ j. issn. 1672 -4011. 2016. 01. 033
Comparative Analysis of Nondestructive Testing
Method for Strength of Steel
LIU Dianzhong, WANG Wugang
(School of Civil Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun
130118,China)
Abstract: This paper introduces several main methods of
nondestructive testing of steel strength in steel structure, and analyzes
the existing problems and shortcomings, mainly expounds
its working principle, influence factors, advantages and disadvantagesetc,
and gives Specific experimental scheme and analysis
method for the steel strength after fire in Leeb hardness method.
Key words: steel strength; sondestructive testing; leeb
hardness method
0 前 言
鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、高韌性、抗震性能好、施工效率
高、有利于環(huán)境保護等特點, 近20 年來, 我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展
迅猛, 其應(yīng)用范圍從輕型工業(yè)廠房到大型公用建筑和民用
建筑。大量早期建設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)由于服役時間和使用條件改
變等原因, 需要對其檢測, 以驗證是否滿足現(xiàn)條件下的安
全使用。鋼材強度是必測的鋼材力學性能指標之一, 無損
檢測不會破壞構(gòu)件, 并對其受力基本不會產(chǎn)生影響。因此,
本文主要介紹和總結(jié)分析了鋼結(jié)構(gòu)中鋼材強度的無損檢測
方法。
1 目前鋼材強度無損檢測方法
1． 1 表面硬度法
硬度[1] 表示的是材料表面抵抗另一物體壓入時所引起
的塑性變形的能力。實踐證明, 金屬的硬度和強度之間有
對應(yīng)關(guān)系, 通過用硬度計測量材料的硬度, 間接推出其強
度。硬度越高, 其強度越高。表面硬度法包括以下。
1． 1． 1 里氏硬度法
里氏硬度法最早應(yīng)用于硬度檢測始于1978 年, 最早開
發(fā)出EQBOTIP 里氏硬度儀的是瑞士PROCEQ 公司。我國已
有了國家標準GB/ T17394. 1 - 2014《金屬材料里氏硬度試
驗》。里氏硬度用HL 表示, 它是以發(fā)明人DietmarLeeb 命名
的。其原理是用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定速
度垂直沖擊試樣表面, 用沖頭在距試樣表面1 mm 處的回彈
速度(VR)與沖擊速度(VA)的比值計算硬度值。
里氏硬度計公式的原理是沖擊裝置動能與勢能相互轉(zhuǎn)
換, 其公式為:
里氏硬度 HL =1000 VR VA
式中VR - 回彈速度, m/ s;
VA - 沖擊速度, m/ s。
里氏硬度法的優(yōu)點: 里氏硬度計體積小, 使用方便,
能測試不能移動的大型鋼結(jié)構(gòu)建筑及其金屬構(gòu)件的硬度和
在體積狹小空間檢測, 適用面廣; 里氏硬度計讀數(shù)快捷,
有極高的檢測效率; 里氏硬度計彈痕非常小, 對測試物體
表面幾乎無損傷。
里氏硬度法的影響因素: 主要包括試件的質(zhì)量和厚度、
表面粗糙度、表面硬化層厚度、沖擊方向、表面曲率半徑
等。
被測試鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度的計算是以GB/ T17394. 1 -
2014《金屬材料里氏硬度試驗》給出的里氏硬度HL 和維氏
硬度的換算關(guān)系表為依據(jù), 換算出維氏硬度, 然后依據(jù)
GB/ T1172 -1999《黑色金屬硬度及強度換算值》維氏硬度和
強度換算關(guān)系表, 得出構(gòu)件的強度。
段向勝[2] 以鋼結(jié)構(gòu)上所用的型鋼和板材為試驗試件,
測出試件的里氏硬度值, 得出硬度之后對試件進行了標準
拉伸試驗, 找出了型鋼和鋼板里氏硬度和強度的對應(yīng)關(guān)系。
他用線性和非線性兩種方法對試驗數(shù)據(jù)進行了回歸分析。
1． 1． 2 維氏硬度法
維氏硬度檢測方法是在1924 年由R. LSmith 和G. E.
sandlnd 首次合作提出的,英國的Vickers-Armsrtongs 公司在
1925 年制造出第一臺維氏硬度計。
其原理為用一定的試驗力F 將面角為136°的正四棱錐
體金剛石壓頭壓入試件表面, 保持規(guī)定的時間后卸荷, 測
量表面壓痕兩對角線長度, 并取其算術(shù)平均值d, 算出壓痕
表面積, 其維氏硬度為試驗力除以壓痕表面積所得的商。
維氏硬度的計算公式: 維氏硬度HV =0. 1891 F
d2
維氏硬度試驗可檢測金屬材料的硬度范圍很廣,且其壓
痕的輪廓較為清晰,測量對角線的長度的準確性能得到充分
保證,所以維氏硬度法也是表面硬度法中精度最高的。
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Vol.42，No.1
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第42卷第1期
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構(gòu)件強度和維氏硬度之間的換算依據(jù)的是GB/ T1172 -
1999《黑色金屬硬度及強度換算值》, 得出試件的強度?；?
歸公式計算見表1。
表1 回歸公式計算
回歸公式相關(guān)系數(shù)R 顯著性水平α 平均相對誤差/ % 相對標準差/ %
線性回歸公式σb =2. 083HL -297. 2 0. 77 <0. 001 ±6. 58 7. 56
指數(shù)回歸公式σb =0. 2295EXP(0. 0165HL) +364. 1 0. 82 <0. 001 ±5. 68 6. 98
多項式回歸公式σb =0. 0217(HL2 -659. 8HL) +2789 0. 81 <0. 001 ±5. 61 6. 84
乘冪回歸公式σb =2. 000E -16HL6. 885 +372. 9 0. 80 <0. 001 ±5. 72 6. 97
注：表中相關(guān)系數(shù)為線性化之后的線性相關(guān)系數(shù)。
1． 1． 3 布氏硬度法
布氏硬度檢測方法是由瑞典的工程師J. A. Brinell 在
1899 ~1900 年首次提出來的。該檢測方法測試的壓痕面積
大, 受材料成分不均勻的影響很小, 并且具有硬度測試值
離散性好的特點, 能客觀反映金屬材料的硬度。這也使得
布氏硬度檢測方法應(yīng)用廣泛。
其基本原理為對具有一定直徑D 的硬質(zhì)合金球施加一
定的試驗力F 壓入試樣表面, 保持規(guī)定的時間, 然后卸去
試驗力, 在兩個相互垂直的方向測量壓痕直徑, 并取其平
均值d, 計算出壓痕表面積A, 布氏硬度即為試驗力F 除以
壓痕表面積A, 其符號為HBW。布氏硬度的計算公式為:
HBW =0. 102 2F
πd (D - D2 - d2 )
布氏硬度和構(gòu)件強度之間的換算依據(jù)GB/ T1172 - 1999
《黑色金屬硬度及強度換算值》,得出構(gòu)件的強度。
1． 1． 4 洛氏硬度法
洛氏硬度檢測法是在1914 年由美國的S. P. Rockwell 和
H. M. RocKwell 首次提出。他們在1919 年和1921 年兩次對
洛氏硬度計進行了改進設(shè)計。1930 年C. H. Wilson 完善了洛
氏硬度的檢測方法和設(shè)備, 一直沿用至今。
洛氏硬度檢測法是將錐角為120°的金剛石圓錐或硬質(zhì)
合金球(直徑為1. 5875 mm 或3. 175 mm)的壓頭, 在初試驗
力F0 作用下保持規(guī)定的時間, 然后加載主試驗力F1 , 在總
試驗力F 作用下, 將壓頭壓入試樣表面, 保持規(guī)定的時間,
然后卸除主試驗力F1 , 并保持初始試驗力F0 , 經(jīng)短時間穩(wěn)
定后, 測量殘余壓痕深度h。洛氏硬度用符號HR 表示, 如
80HR15TW, 符號HR 前面表示硬度值, HR 后面表示標尺
的符號, W 表示壓頭是硬質(zhì)合金球, 若在W 位置出現(xiàn)S,
則表示壓頭是鋼球。洛氏硬度試驗的計算公式:
洛氏硬度= N -hs
式中N - 給定標尺的硬度數(shù);
S - 給定標尺的單位;
h - 殘余壓痕深度。
洛氏硬度試驗結(jié)果的影響因素主要有: 試樣表面的粗
糙度、試樣厚度、試樣的平行度等。洛氏硬度和構(gòu)件強度
之間的換算依據(jù)GB/ T1172 - 1999《黑色金屬硬度及強度換
算值》,得出構(gòu)件的強度。
1． 2 化學分析法和光譜分析法
化學分析法和光譜分析法是根據(jù)鋼材中主要元素的含
量估算鋼材強度的方法。其原理是通過化學的方法將鋼材
中的特定元素溶解, 然后根據(jù)其物理或者化學性質(zhì)用重量
法或者顯色法測出特定元素的含量。光譜分析法的原理[3]
是用電火花的高溫使鋼材中的元素直接氣化并激發(fā)而發(fā)射
出各種元素的特征波長, 經(jīng)光柵分光得到光譜, 通過光電
倍增管, 將光信號轉(zhuǎn)變成電信號, 經(jīng)計算機處理, 得到各
種元素的含量。然后根據(jù)各種元素的含量按下式進行計算:
σb =285 +7C +0. 06Mn +7. 5P +2Si
式中, C、Mn、P、Si 分別表示鋼材中碳、錳、磷和硅
元素的含量, 以0. 01%為計量單位。
方平[4] 采用的是里氏硬度法和光譜分析法綜合方法測
試鋼材強度, 他用里氏硬度計采集得到里氏回彈值(HLD),
然后用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析測出C、Si、
Mn、S 等元素的含量, 通過回歸分析得出以下公式:
σy =0. 778HLD +655. 11C +93. 11Si +64. 72Mn -33. 94S
2 常用無損檢測方法的比較分析
綜上所述, 可以得知鋼材強度的無損檢測方法主要有:
表面硬度法、化學分析法、光譜分析法。其中表面硬度法
又可以細分為: 里氏硬度法、維氏硬度法、布氏硬度法、
洛氏硬度法等。
1) 里氏硬度法所用的儀器小, 操作便捷, 適合在其他
硬度儀器工作空間受限的情況下使用, 工作效率高。但是
對于鋼材里氏硬度值和鋼材抗拉強度之間的關(guān)系, 目前尚
未形成規(guī)范, 只能通過里氏硬度值與維氏硬度值之間的換
算, 通過維氏硬度得到抗拉強度。并且對于火災(zāi)后的鋼材
強度測定, 里氏硬度法也沒有根據(jù)可尋。
2) 維氏硬度法是較為成熟的硬度法, 精度也較為準確
的方法。但在構(gòu)件表面形成的壓痕比較深且尖銳, 對構(gòu)件
有損傷, 構(gòu)件容易在此位置形成應(yīng)力集中。
3) 布氏硬度法產(chǎn)生的壓痕面積較大, 測試的硬度值穩(wěn)
定性好, 能客觀反映鋼材的硬度。但是對不同的材質(zhì)需要
更換壓頭和施加不同大小的荷載, 測量時間較長, 效率不
高。
4) 洛氏硬度法對于構(gòu)件的表面粗糙度要求不高, 操作
簡單, 測量迅速, 產(chǎn)生的壓痕較小, 不會對構(gòu)件表面形成
明顯的破壞。但是由于受到儀器設(shè)備的影響, 不適用于現(xiàn)
場鋼結(jié)構(gòu)檢測。
5) 化學分析法通常采用現(xiàn)場鉆取或刨取鋼屑, 然后在
實驗室進行分析。分析效率低下, 且需要大量的人力勞動,
較難滿足快速得到結(jié)果的要求。光譜分析法分析一個樣品
僅需要30 s 左右, 效率高, 且需要的人工少, 一人便可以
自如操作, 必成為今后主流的無損檢測方法。
3 火災(zāi)后鋼材強度的無損檢測試驗方案及分析
火災(zāi)后的鋼結(jié)構(gòu)建筑面臨的首要工作是對構(gòu)件的殘余
力學性能和結(jié)構(gòu)的殘余承載力進行檢測, 以便為后期的加
固和修復工作提供依據(jù)。災(zāi)后的鋼材力學性能折減明顯,
(下轉(zhuǎn)第78 頁)
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第42卷第1期
2016 年2 月
表1 張居正街與錦里對比分析
比較項目
街區(qū)
所在城市所處位置目標定位文化特色街巷格局商業(yè)業(yè)態(tài)
張居正街湖北荊州
荊州古城東大門內(nèi), 起于東門城樓賓陽
樓,止于屈原路成豐
天橋,張居正故居旁
集藝術(shù)休閑、旅游商
業(yè)、古城觀光于一體
的傳統(tǒng)文化街區(qū)
張居正文
化、荊楚文
化、三國文
化
臨街建筑2 ~ 3 層,形成
約7 m 寬的線性空間
餐飲、百貨、住宿、服
務(wù)、政府機關(guān)、教育、企
業(yè)、娛樂
錦里四川成都
成都市中心一環(huán)路
內(nèi),緊鄰武侯祠,北
臨錦江,東望彩虹橋
三國民俗文化旅游
三國文化、四川傳統(tǒng)
民俗文化
臨街建筑以兩層居多,圍
合成2 ~ 4 m 寬線性空
間。街道由南向北延伸, 在中部廣場處分為平行
兩路,于街區(qū)北段匯合, 形成套索狀的平面布局
茶樓、客棧、酒樓、酒
吧、戲臺、風味小吃、工
藝品、土特產(chǎn)
4． 2 設(shè)置活動項目, 提供功能載體。
抽象的文化需要具體的行為活動來承載和體現(xiàn), 變化
的時代條件也需要歷史街區(qū)做出相應(yīng)的功能調(diào)整, 以便適
應(yīng)新與舊的融合。在明確街區(qū)文化主題定位的基礎(chǔ)上, 活
動策劃是重新組織街區(qū)功能的主要手段, 張居正街可依托
荊州深厚的歷史底蘊, 開展各式項目活動。如民間工藝參
觀體驗(荊州漆器、刺繡)、民俗演出欣賞(楚辭、楚調(diào)曲、
荊河戲)、特色飲食品嘗(荊州魚糕、八寶飯、九黃餅)、古
玩品鑒收藏(字畫、雕塑、珠寶)、酒吧休閑娛樂等。
4． 3 優(yōu)化空間組織, 豐富街區(qū)環(huán)境, 營造體驗氛圍。
營造文化商業(yè)街區(qū)的體驗氛圍主要通過對傳統(tǒng)街巷空
間的梳理和對新舊建筑風貌的整理。張居正街可以根據(jù)其
獨特區(qū)位優(yōu)勢, 依托護城河、古城墻、賓陽樓、張居正故
居形成“河、墻、樓、居、街、巷”的空間格局。街區(qū)內(nèi)部可以通
過控制道路的寬度和交接方式, 豐富節(jié)點與開放空間的關(guān)
系, 強化界面與序列, 形成清晰可識別的空間肌理和特色。
建筑風貌則應(yīng)從建筑體量、尺寸、色彩、材質(zhì)等方面入手,
提煉出傳統(tǒng)元素和文化符號, 對街區(qū)界面統(tǒng)一修繕和重構(gòu)。
4． 4 制定相關(guān)政策, 加強業(yè)態(tài)管理, 有效引導更新改造
加強政策研究, 引導、鼓勵、吸引社會資金投入街區(qū)
改造, 構(gòu)建多渠道籌措資金、多主體共同參與的改造格局。
同時制定針對街區(qū)內(nèi)部商業(yè)業(yè)態(tài)的管理條例和實施細則,
對符合張居正街文化定位的業(yè)態(tài)予以審批, 并給予優(yōu)惠政
策。通過政策引導街區(qū)內(nèi)部業(yè)態(tài)整理, 提升街區(qū)品質(zhì)。
5 結(jié) 語
隨著我國城市化進程的持續(xù)深入, 城市的可持續(xù)發(fā)展
日漸重要, 質(zhì)量和內(nèi)涵的提升將成為城市未來發(fā)展的重心,
軟硬實力并重的比拼將成為城市競爭的關(guān)鍵, 集旅游與休
閑為一體的文化商業(yè)街區(qū)的開發(fā)模式必將成為未來的發(fā)展
趨勢。張居正街的發(fā)展將為荊州市的經(jīng)濟增長提供突破點,
同時, 為人們提供一個新穎的文化氛圍濃厚的休閑場所,
一定程度上提高人們的生活質(zhì)量。[ID: 002565]
參考文獻:
[1] 阮儀三,王景慧,王林. 歷史文化名城保護理論與規(guī)劃[M]. 上
海:同濟大學出版社,1999.
[2] Bob Mckercher,Hilary Du Cros. 文化旅游與文化遺產(chǎn)管理[M].
朱路平,譯. 天津:南開大學出版社,2006.
[3] 董芳,楊琴. 文化街區(qū)開發(fā)研究成都錦里與文殊院的比較[J].
資源與人居環(huán)境, 2008,24(8):68 -70.
[4] 董觀志,徐斌. 主題街區(qū)發(fā)展的戰(zhàn)略性趨勢[J]. 特區(qū)經(jīng)濟,
2006,24(11):277 -279.
■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ (上接第69 頁)
此時無損檢測方法的優(yōu)越性就顯現(xiàn)出來。鑒于用里氏硬度
法測定火災(zāi)后鋼材強度的研究較少, 且尚無規(guī)范可循。本
文提出如下方案, 為火災(zāi)后鋼材強度的無損檢測提供參考
方法。
1) 取鋼材牌號為Q235、Q345、Q390 的100 × 100 × 6
×8 的H 型鋼(50 cm 長),每種牌號取40 個試件, 其中包括
每種鋼號中4 個試件作為常溫下的對比件。在受0. 7 N 軸
壓下, 把電阻試驗爐按照國際升溫曲線升到不同溫度(100、
200、300、400、500、600 ℃)并保持不同的恒溫時間(5、10、15
min)情況下, 采用兩種不同的冷卻方式(自然冷卻和澆水冷
卻),然后用角磨機打磨試件表面, 并用金屬砂紙細部打磨,
用粗糙度儀測試粗糙度滿足要求后, 用里氏硬度計測試試
件的里氏硬度值(HLD)。
2) 冷卻后的每個試件的腹板和翼緣都按照GB/ T2975
-1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》[5]
中要求的割取標準拉伸試樣, 并用拉力試驗機測試其屈服
強度和抗拉強度。
3) 通過數(shù)據(jù)處理軟件, 對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析和曲
線擬合, 得到火災(zāi)后的鋼材強度和里氏硬度值關(guān)系曲線,
并得到計算公式和里氏硬度值與火災(zāi)后鋼材強度的換算關(guān)
系表。[ID: 002535]
參考文獻:
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沙:湖南大學,2013.
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量,2010,16(7):96 -97.
[4] 方平,孫正華,劉可,等. 里氏硬度化學分析綜合法檢測鋼材抗
拉強度的研究[J]. 建筑科學,2011,27(S1):121 -123,172.
[5] GB/ T 2975 -1998 鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及試樣
制備[S].
·78·

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