對在役鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量進(jìn)行檢測鑒定時(shí)，明確鋼材的等級和強(qiáng)度是對質(zhì)量作出準(zhǔn)確評價(jià)的基礎(chǔ)。鋼材強(qiáng)度檢測的傳統(tǒng)方法就是從構(gòu)件上截取試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，但這樣會(huì)損傷原來的結(jié)構(gòu)，且有些結(jié)構(gòu)也不允許進(jìn)行試樣截取。因此，采用無損檢測方法推算鋼材等級和強(qiáng)度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
國內(nèi)外學(xué)者對鋼材強(qiáng)度在工程現(xiàn)場無損檢測的研究，主要從化學(xué)成分和硬度兩個(gè)方面著手，并得到了一些經(jīng)驗(yàn)公式。這些經(jīng)驗(yàn)公式可以歸結(jié)為兩大類：第一類是由化學(xué)成分推算抗拉強(qiáng)度，如GB/T 50621—2010《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中提到的公式。但是化學(xué)成分和制造工藝(鑄造、鍛造、軋制、熱處理)均會(huì)對鋼鐵材料強(qiáng)度產(chǎn)生影響，僅以化學(xué)成分來推算鋼材強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。第二類是由硬度推算抗拉強(qiáng)度，相關(guān)研究表明鋼材硬度和抗拉強(qiáng)度是正相關(guān)關(guān)系，通過硬度試驗(yàn)結(jié)果可以估算出材料的抗拉強(qiáng)度，這也是工程上實(shí)際使用較多的方法。
由硬度推算抗拉強(qiáng)度，目前可以依據(jù)的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》和GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》。GB/T 33362—2016使用翻譯法等同采用ISO 18265:2013《金屬材料 硬度值換算》(英文版)，該標(biāo)準(zhǔn)中表A.1給出的非合金鋼、低合金鋼與鑄鋼硬度換算表，是由德國冶金工程師協(xié)會(huì)在多個(gè)不同試驗(yàn)室中使用經(jīng)檢驗(yàn)和校準(zhǔn)的硬度計(jì)進(jìn)行比對試驗(yàn)得出的。GB/T 1172—1999是由中國計(jì)量科學(xué)研究院等多家研究機(jī)構(gòu)經(jīng)過大量試驗(yàn)研究得出的，標(biāo)準(zhǔn)中的表2給出了主要適用于低碳鋼的換算關(guān)系。但這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都沒有給出換算值不確定度的具有統(tǒng)計(jì)意義的可靠數(shù)據(jù)，對于換算結(jié)果的偏差范圍無從得知。
來自國家網(wǎng)架及鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和徐州市云龍區(qū)市政工程處的張樹勛、馮照平等研究人員通過回歸分析的方法研究建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼材硬度與強(qiáng)度的相關(guān)性，并與國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，也是對GB/T 33362—2016和GB/T 1172—1999等標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證和補(bǔ)充；同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有便攜式檢測儀器，探討適合鋼結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)場的檢測方法。
1 試驗(yàn)樣品
選取鋼結(jié)構(gòu)工程中常用的Q235和Q345兩種牌號(hào)的鋼板作為研究對象。為了使樣品具有代表性，從江蘇省內(nèi)86家鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)收集162塊鋼板，包括82塊Q235鋼板和80塊Q345鋼板，鋼板厚度規(guī)格為6,8,10,12,14,18,20,30 mm。 將鋼板加工成20mm×400mm的條形試樣，按照GB/T 228.1—2010的要求使用微機(jī)控制電液伺服拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。把Q235鋼板和Q345鋼板的上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的檢測結(jié)果分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分布頻率如圖1所示。 圖1 Q235鋼板和Q345鋼板的強(qiáng)度分布頻率 從圖1可以看出，Q235鋼板的上屈服強(qiáng)度范圍為261~382MPa，抗拉強(qiáng)度范圍為404~497MPa；Q345鋼板的上屈服強(qiáng)度范圍為345~477MPa，抗拉強(qiáng)度范圍為473~607MPa。強(qiáng)度頻率分布基本成正態(tài)分布，檢測結(jié)果和日常委托檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)總體上是一致的，可以認(rèn)為樣品具有很好的代表性。 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 將試驗(yàn)樣品按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行取樣加工，分別進(jìn)行洛氏硬度、維氏硬度、布氏硬度和拉伸試驗(yàn)，按照最小二乘法原理，利用SPSS軟件對硬度與強(qiáng)度檢測結(jié)果分別進(jìn)行回歸分析。 2.1 洛氏硬度與強(qiáng)度相關(guān)性 2.1.1 洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果與分析 用砂輪機(jī)對試樣表面進(jìn)行打磨，使試樣表面平坦光滑。選擇B標(biāo)尺，用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊對儀器進(jìn)行校核后，按照GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)。每個(gè)樣品測3個(gè)點(diǎn)，取平均值。 圖2 洛氏硬度與強(qiáng)度的回歸分析圖 利用SPSS軟件對洛氏硬度與上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別進(jìn)行線性回歸、二次方回歸、乘冪回歸和指數(shù)回歸分析，回歸分析圖如圖2所示，回歸結(jié)果見表1和表2。 表1 洛氏硬度與上屈服強(qiáng)度的回歸模型數(shù)據(jù) 表2 洛氏硬度與抗拉強(qiáng)度的回歸模型數(shù)據(jù) 從表1和表2可以看出，洛氏硬度與強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，與抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性優(yōu)于與上屈服強(qiáng)度的相關(guān)性。洛氏硬度與強(qiáng)度關(guān)系的4種回歸模型中，顯著性P均小于0.05，擬合優(yōu)度R2比較接近，考慮標(biāo)準(zhǔn)給出的低碳鋼洛氏硬度與抗拉強(qiáng)度之間換算關(guān)系接近于多項(xiàng)式模型，建議按照二次方模型進(jìn)行換算，擬合后公式為 式中：ReH為上屈服強(qiáng)度；Rm為抗拉強(qiáng)度；HRB為洛氏硬度。 2.1.2 換算結(jié)果相對偏差分析 根據(jù)擬合的二次方回歸模型，分別計(jì)算出上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度換算值與拉伸試驗(yàn)結(jié)果的相對偏差，并對相對偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)量為162個(gè)，結(jié)果見表3，相對偏差基本呈正態(tài)分布，頻率分布如圖3所示。 表3 洛氏硬度換算為強(qiáng)度的相對偏差統(tǒng)計(jì)表 圖3 洛氏硬度換算為強(qiáng)度的相對偏差 2.1.3 與國家標(biāo)準(zhǔn)換算值的比較 將標(biāo)準(zhǔn)給出的抗拉強(qiáng)度換算值、擬合的二次方回歸公式換算值，以及洛氏硬度與抗拉強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系的散點(diǎn)圖放在同一張圖上進(jìn)行對比，如圖4所示。 圖4 各洛氏硬度換算的抗拉強(qiáng)度的對比圖 從圖4中可以看出，3條曲線總體趨勢是一致的。GB/T 1172—1999給出的抗拉強(qiáng)度換算值與作者給出的換算值較為接近，在370~630MPa內(nèi)二者平均偏差2.7%，最大偏差5.7%。GB/T 33362—2016給出的抗拉強(qiáng)度換算值，對于Q235鋼(抗拉強(qiáng)度370~500MPa)來說偏低，對于Q345鋼(抗拉強(qiáng)度470~630MPa)來說偏高。 2.2 維氏硬度與強(qiáng)度相關(guān)性 2.2.1 維氏硬度試驗(yàn)過程與結(jié)果分析 使用砂輪機(jī)對試樣表面打磨后進(jìn)行表面拋光處理，用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊對儀器進(jìn)行校核后，按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行維氏硬度檢測。每個(gè)試樣測3個(gè)點(diǎn)，取平均值。 利用SPSS軟件對維氏硬度與上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別進(jìn)行線性回歸、二次方回歸、乘冪回歸和指數(shù)回歸分析，回歸分析圖如圖5所示，回歸結(jié)果見表4和表5。 表4 維氏硬度與上屈服強(qiáng)度的回歸模型數(shù)據(jù) 圖5 維氏硬度與強(qiáng)度的回歸分析圖 表5 維氏硬度與抗拉強(qiáng)度的回歸模型數(shù)據(jù) 從表4和表5可以看出，維氏硬度與強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，與抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性優(yōu)于與上屈服強(qiáng)度的相關(guān)性。維氏硬度與強(qiáng)度關(guān)系的4種回歸模型中，顯著性P均小于0.05，擬合優(yōu)度R2比較接近，考慮標(biāo)準(zhǔn)給出的低碳鋼維氏硬度與抗拉強(qiáng)度之間換算關(guān)系接近于線性關(guān)系，建議按照線性關(guān)系進(jìn)行換算，擬合后公式為 式中：HV為維氏硬度。 2.2.2 換算結(jié)果相對偏差分析 根據(jù)擬合的線性回歸模型，分別計(jì)算出上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度換算值與拉伸試驗(yàn)結(jié)果的相對偏差，并對相對偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)量為162個(gè)，結(jié)果見表6，相對偏差基本呈正態(tài)分布，頻率分布如圖6所示。 表6 維氏硬度換算為強(qiáng)度的相對偏差統(tǒng)計(jì)表 圖6 維氏硬度換算為強(qiáng)度的相對偏差 2.2.3 與國家標(biāo)準(zhǔn)換算值的比較 將標(biāo)準(zhǔn)給出的抗拉強(qiáng)度換算值、作者擬合的線性回歸公式換算值，以及維氏硬度與抗拉強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系的散點(diǎn)圖放在同一張圖上進(jìn)行對比，如圖7所示。 圖7 各維氏硬度換算的抗拉強(qiáng)度的對比圖 從7圖中可以看出，3條曲線總體趨勢是一致的。GB/T 1172—1999給出的抗拉強(qiáng)度換算值與作者給出的換算值非常接近,在370~630MPa范圍內(nèi)，隨著硬度值的增大，二者之間的差值略有增大，平均偏差為1.2%，最大偏差3.3%。GB/T 33362—2016給出的抗拉強(qiáng)度換算值總體上略低一些。 2.3 布氏硬度與強(qiáng)度相關(guān)性 2.3.1 布氏硬度試驗(yàn)過程與結(jié)果分析 使用砂輪機(jī)對試樣表面打磨，使表面粗糙度不大于1.6μm。用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊對儀器進(jìn)行校核后，按照GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)。采用直徑10mm的硬質(zhì)合金壓頭，試驗(yàn)力29.42kN。每個(gè)試樣測3個(gè)點(diǎn)，取平均值。 利用SPSS軟件對洛氏硬度與上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別進(jìn)行線性回歸、二次方回歸、乘冪回歸和指數(shù)回歸分析，回歸分析圖如圖8所示，回歸結(jié)果見表7和表8。 圖8 布氏硬度與強(qiáng)度的回歸分析圖 表7 布氏硬度與上屈服強(qiáng)度的回歸模型數(shù)據(jù) 表8 布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的回歸模型數(shù)據(jù) 從表7和表8中可以看出，布氏硬度與強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，與抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性優(yōu)于與上屈服強(qiáng)度的相關(guān)性。布氏硬度與強(qiáng)度關(guān)系的4種回歸模型中，顯著性P均小于0.05，擬合優(yōu)度R2 比較接近，考慮標(biāo)準(zhǔn)給出的碳鋼布氏硬度與抗拉強(qiáng)度之間換算關(guān)系接近于線性關(guān)系，建議也按照線性關(guān)系進(jìn)行換算。擬合后的公式為 式中：HBW為布氏硬度。 2.3.2 換算結(jié)果相對偏差分析 根據(jù)擬合的線性回歸模型，分別計(jì)算出上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度換算值與拉伸試驗(yàn)結(jié)果的相對偏差，并對相對偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)量為162個(gè)，結(jié)果見表9，相對偏差基本呈正態(tài)分布，頻率分布如圖9所示。 表9 布氏硬度換算為強(qiáng)度的相對偏差統(tǒng)計(jì)表 圖9 布氏硬度換算為強(qiáng)度的相對偏差 2.3.3 與國家標(biāo)準(zhǔn)換算值的比較 在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1172—1999中，布氏硬度試驗(yàn)的試驗(yàn)力-壓頭球直徑的比率為10。作者的試驗(yàn)是根據(jù)GB/T 231.1—2018進(jìn)行的，參照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，試驗(yàn)力-壓頭球直徑的比率選用30，所以在與國家標(biāo)準(zhǔn)換算值的比較中不再與GB/T 1172—1999相對比。 將GB/T 33362—2016給出抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)換算值、作者擬合的線性回歸公式換算值，以及布氏硬度與抗拉強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系的散點(diǎn)圖放在同一張圖上進(jìn)行對比，如圖10所示。 圖10 各布氏硬度換算的抗拉強(qiáng)度的對比圖 從圖10中可以看出，GB/T 33362—2016給出的抗拉強(qiáng)度換算值與作者擬合的抗拉強(qiáng)度的回歸曲線幾乎重合，在370~630MPa內(nèi)二者平均偏差0.4%，最大偏差1.2%。 近些年，各種便攜式硬度檢測儀的快速發(fā)展，給現(xiàn)場檢測帶來了極大的方便。目前市場上可以買到多款便攜式洛氏硬度計(jì)和便攜式布氏硬度計(jì)，設(shè)備輕便，操作簡單，測量迅速，檢測精度也符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，適合于工程現(xiàn)場檢測。在樣品表面處理上，也有各種便攜式處理設(shè)備，能夠滿足試驗(yàn)要求。因此，鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測中，采用洛氏硬度和布氏硬度推算鋼材強(qiáng)度是切實(shí)可行的。 3 結(jié)論 (1) 洛氏硬度、維氏硬度和布氏硬度與強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，基于材料試驗(yàn)得到了洛氏硬度、維氏硬度和布氏硬度與強(qiáng)度的換算公式，換算相對偏差在工程允許范圍內(nèi)。布氏硬度換算抗拉強(qiáng)度的相對偏差明顯低于洛氏硬度和維氏硬度的。 (2) GB/T 33362—2016給出的洛氏硬度換算抗拉強(qiáng)度值對于Q235鋼來說偏低，對于Q345鋼來說偏高，維氏硬度換算抗拉強(qiáng)度值略低一些，布氏硬度換算抗拉強(qiáng)度值與試驗(yàn)結(jié)果較為一致。GB/T 1172—1999給出的洛氏硬度換算抗拉強(qiáng)度值和維氏硬度換算抗拉強(qiáng)度值與試驗(yàn)結(jié)果較為接近。 (3) 結(jié)合現(xiàn)有便攜式硬度檢測儀器及樣品處理設(shè)備，采用洛氏硬度和布氏硬度推算鋼材強(qiáng)度在實(shí)際工程中具有可操作性，可應(yīng)用于工程實(shí)踐。
作者：張樹勛1，馮照平2，王浩1，崔 萌1，王寧1
單位：1.國家網(wǎng)架及鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心；2.徐州市云龍區(qū)市政工程處
來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊》2024年第6期
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