王艷紅

(軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部 天津 300161)

?

材料拉伸力學(xué)性能及工程應(yīng)用

王艷紅

(軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部 天津 300161)

為給教研和工程技術(shù)人員提供參考，將工程實(shí)際中的鋼筋檢測(cè)項(xiàng)與材料力學(xué)教學(xué)中的材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能相結(jié)合，闡述了標(biāo)準(zhǔn)試件、4種伸長(zhǎng)率和冷作硬化的概念，以及屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的判定方法、伸長(zhǎng)率的測(cè)量方法，并介紹其在工程中的應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)試件；屈服強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度；伸長(zhǎng)率；冷作硬化

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，鋼筋在進(jìn)場(chǎng)和調(diào)直后需要進(jìn)行力學(xué)性能和質(zhì)量偏差的檢驗(yàn)，這屬于原材料的主控項(xiàng)目，是必檢項(xiàng)目。其中力學(xué)性能包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和冷彎性能，而前3項(xiàng)性能又與材料力學(xué)教學(xué)的拉伸試驗(yàn)息息相關(guān)。本文將工程實(shí)際中的鋼筋檢測(cè)項(xiàng)與材料力學(xué)教學(xué)中的材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能相結(jié)合，對(duì)工程技術(shù)人員而言，可以更清楚地掌握鋼筋材料檢測(cè)的原理，而對(duì)于教研人員則可以了解其在工程中的應(yīng)用[1-2]。

1　標(biāo)準(zhǔn)試件與鋼筋檢測(cè)的取樣長(zhǎng)度

1.1標(biāo)準(zhǔn)試件

標(biāo)準(zhǔn)試件是保證文字標(biāo)準(zhǔn)有效實(shí)施的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，它是標(biāo)準(zhǔn)的另一種存在形式，與文字標(biāo)準(zhǔn)合在一起構(gòu)成完整的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，是文字標(biāo)準(zhǔn)的必要補(bǔ)充，是標(biāo)準(zhǔn)工作一個(gè)不可分割的組成部分。標(biāo)準(zhǔn)試件具有自己本身的特點(diǎn)，它是具有一種或多種“足夠均勻”的和“很好確定了的”特性值的材料或物質(zhì)?！白銐蚓鶆颉钡奶攸c(diǎn)保證了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用效果在不同空間應(yīng)用的一致性，“很好確定了的”特點(diǎn)還有另外一層含義，就是標(biāo)準(zhǔn)樣品應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性，以保證標(biāo)準(zhǔn)試件所確定的標(biāo)準(zhǔn)值的可靠性。

1.2標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件的尺寸和類(lèi)型

圖1　標(biāo)準(zhǔn)試件類(lèi)型

1.3鋼筋檢測(cè)的取樣長(zhǎng)度

鋼筋抗拉試件的取樣長(zhǎng)度以能準(zhǔn)確、方便地測(cè)定其力學(xué)性能指標(biāo)為原則。在取樣時(shí)，其標(biāo)距的計(jì)算采用上述圓截面標(biāo)準(zhǔn)試件的標(biāo)距：熱扎帶肋鋼筋和熱軋光圓鋼筋為5倍公稱(chēng)直徑(l=5d)，熱軋圓盤(pán)條為10倍公稱(chēng)直徑(l=10d)。這樣，鋼筋抗拉試件的長(zhǎng)度起碼不得小于“標(biāo)距與2倍夾具長(zhǎng)度之和”。不同的試驗(yàn)機(jī)其夾具長(zhǎng)度不同，假定試驗(yàn)機(jī)夾具長(zhǎng)度為100 mm，則鋼筋抗拉試件的長(zhǎng)度起碼不得小于“5d+200 mm”(圓盤(pán)條為“10d+200 mm”)，下稱(chēng)“最小長(zhǎng)度”。在試件長(zhǎng)度不小于最小長(zhǎng)度的前提下，根據(jù)不同試驗(yàn)機(jī)的具體情況以及便于夾持和測(cè)量伸長(zhǎng)率的原則，靈活地確定鋼筋試樣的長(zhǎng)度[3]。鋼筋拉伸取樣標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1　鋼筋原材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

表1(續(xù))

2　屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的測(cè)定

2.1屈服強(qiáng)度

對(duì)于有明顯屈服極限的材料，按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)》[4]的定義，在曲線(xiàn)上判定上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度的位置點(diǎn)。試樣發(fā)生屈服而應(yīng)力首次下降前的最大應(yīng)力為上屈服強(qiáng)度。判定下屈服強(qiáng)度時(shí)要排除初始瞬時(shí)效應(yīng)的影響，在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)的最小應(yīng)力為下屈服強(qiáng)度。下屈服強(qiáng)度判定的原則：屈服階段中如呈現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上的谷值應(yīng)力，舍去第一個(gè)谷值應(yīng)力(圖2(a)、(b)中的D點(diǎn))，取其余谷值應(yīng)力中最小者判為下屈服強(qiáng)度。如只呈現(xiàn)一個(gè)下降谷值應(yīng)力，此谷值應(yīng)力判為下屈服強(qiáng)度(如圖2所示)。劉鴻文在《材料力學(xué)》[5]中仍采用87版標(biāo)準(zhǔn)，將屈服階段第一個(gè)谷值應(yīng)力判為下屈服強(qiáng)度，并以此為屈服點(diǎn)，顯然沒(méi)有排除初始瞬時(shí)效應(yīng)的影響。

對(duì)于拉伸曲線(xiàn)無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的鋼筋，其屈服強(qiáng)度為試樣在拉伸過(guò)程中標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)達(dá)到原標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2%時(shí)的應(yīng)力，此即為規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度，另外還可以根據(jù)總延伸率和塑性延伸率確定屈服強(qiáng)度，此處不再詳細(xì)說(shuō)明。

圖2　不同類(lèi)型曲線(xiàn)的上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度

2.2抗拉強(qiáng)度

舊標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 228.1—87)中，測(cè)定抗拉強(qiáng)度比較簡(jiǎn)單，拉伸試驗(yàn)過(guò)程中的最大應(yīng)力即是抗拉強(qiáng)度。新標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 228.1—2010)對(duì)抗拉強(qiáng)度的定義與舊標(biāo)準(zhǔn)有所不同，在判定抗拉強(qiáng)度時(shí)，不能完全照搬過(guò)去習(xí)慣的判定方法，應(yīng)根據(jù)記錄得到的曲線(xiàn)圖按照定義判定最大應(yīng)力。對(duì)于連續(xù)屈服類(lèi)型，試驗(yàn)過(guò)程中的最大應(yīng)力判為最大應(yīng)力σm；對(duì)于不連續(xù)屈服類(lèi)型，過(guò)了屈服階段之后的最大應(yīng)力判為最大應(yīng)力σm(如圖3所示)。

在工程實(shí)際中，應(yīng)該對(duì)鋼筋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證取樣，送到具有相應(yīng)資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。其對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的檢測(cè)方法參照上述《金屬材料拉伸試驗(yàn)》方法的規(guī)定，但是僅僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度還不夠，還需要進(jìn)一步分析，要求鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值不應(yīng)小于1.25；屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比值不應(yīng)大于1.30。對(duì)有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)在檢測(cè)報(bào)告中明確抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值和屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比值。當(dāng)兩個(gè)比值不滿(mǎn)足有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)時(shí)，在檢測(cè)結(jié)論中應(yīng)明確“不適用于有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)”。在查詢(xún)鋼筋現(xiàn)場(chǎng)抽測(cè)復(fù)驗(yàn)的檢測(cè)報(bào)告時(shí)，應(yīng)從有關(guān)指標(biāo)核查檢測(cè)報(bào)告結(jié)論，不滿(mǎn)足使用范圍的鋼筋不得使用。

圖3　不同曲線(xiàn)類(lèi)型的抗拉強(qiáng)度

3　伸長(zhǎng)率

劉鴻文[5]在《材料力學(xué)》中提到，試樣拉斷后，由于保留了塑性變形，標(biāo)距由原來(lái)的l0變?yōu)閘1。伸長(zhǎng)率δ為

此處采用的是中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T228—87)，在2010版標(biāo)準(zhǔn)中將伸長(zhǎng)率用A表示。

在工程實(shí)際中有4種伸長(zhǎng)率經(jīng)常會(huì)用到，它們是不可以混用的，否則會(huì)出現(xiàn)對(duì)鋼筋誤判的情形。如《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定，對(duì)按一、二、三級(jí)抗震等級(jí)設(shè)計(jì)的框架和斜撐構(gòu)件(含梯段)中的縱向受力普通鋼筋應(yīng)采用HRB335E、HRB400E、HRB500E、HRBF335E、HRBF400E或HRBF500E鋼筋，要求其最大力下總伸長(zhǎng)率的實(shí)測(cè)值不應(yīng)小于9%。對(duì)有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)其縱向受力鋼筋進(jìn)行最大力下總伸長(zhǎng)率的檢測(cè)。當(dāng)最大力下總伸長(zhǎng)率不滿(mǎn)足有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)時(shí)，在檢測(cè)結(jié)論中應(yīng)明確“不適用于有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)”。而對(duì)于盤(pán)卷鋼筋調(diào)直后則要求其斷后伸長(zhǎng)率滿(mǎn)足表2的要求。

表2　鋼筋斷后伸長(zhǎng)率

圖4中：1點(diǎn)表示最大力非比例伸長(zhǎng)率，2點(diǎn)表示最大力總伸長(zhǎng)率，3點(diǎn)表示斷后伸長(zhǎng)率，4點(diǎn)表示斷裂總伸長(zhǎng)率。最大力總伸長(zhǎng)率的判定可以分兩種情況：最大力沒(méi)有平臺(tái)時(shí)，則直接按最高點(diǎn)為最大力點(diǎn)，取該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的總伸長(zhǎng)率為最大力總伸長(zhǎng)率；最大力呈現(xiàn)一平臺(tái)時(shí)，則取平臺(tái)中點(diǎn)的最大力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的總伸長(zhǎng)率為最大力總伸長(zhǎng)率。斷后伸長(zhǎng)率的測(cè)定分以下4種情況[6]。

圖4　不同曲線(xiàn)類(lèi)型伸長(zhǎng)率

(1)將已拉斷試件的兩端在斷裂處對(duì)齊，盡量使其軸線(xiàn)位于一條直線(xiàn)上。如拉斷處由于各種原因形成縫隙，則此縫隙應(yīng)計(jì)入試件拉斷后的標(biāo)距部分長(zhǎng)度內(nèi)。

(2)如拉斷處到臨近標(biāo)距端點(diǎn)的距離大于1/3l0時(shí)，可用卡尺直接量出已被拉長(zhǎng)的標(biāo)距長(zhǎng)度。

(3)如拉斷處到臨近標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于或等于1/3l0時(shí)，可按下述移位法計(jì)算標(biāo)距l(xiāng)1。

如圖5所示，在拉斷后的長(zhǎng)段上，由斷口處取約等于短段的格數(shù)得B點(diǎn)，若剩余格數(shù)為偶數(shù)時(shí)(如圖5(b)所示)，則取其一半得C點(diǎn)，設(shè)AB長(zhǎng)為a，BC長(zhǎng)為b，則l1=a+2b。當(dāng)長(zhǎng)段剩余格數(shù)為奇數(shù)時(shí)(如圖5(c)所示)，則取剩余格數(shù)減1后的一半得C點(diǎn)，加1得C1點(diǎn)，設(shè)AB、BC、BC1的長(zhǎng)度分別為a1、b1和b2，則l1=a1+b1+b2。

圖5　拉伸試件示意

(4)如試件在標(biāo)距端點(diǎn)上或標(biāo)距處斷裂，則試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，應(yīng)重新試驗(yàn)。

4　冷作硬化與冷拉鋼筋

4.1冷作硬化

鋼材可以通過(guò)物理或化學(xué)的手段提高力學(xué)性能，而表面鍍膜或熱處理等化學(xué)方法只能提高硬度，而不會(huì)使強(qiáng)度有很大的改善。冷作硬化是一種通過(guò)改變鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)提高強(qiáng)度的物理方法，該方法通過(guò)使晶格扭曲、畸變，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長(zhǎng)和纖維化，甚至破碎來(lái)提高鋼材的抗拉、抗壓強(qiáng)度及抗沖擊性能。冷作硬化發(fā)生后，鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)，如屈服點(diǎn)、硬度等提高，塑性指標(biāo)如伸長(zhǎng)率降低。冷作硬化工藝就是利用金屬材料的冷作硬化，達(dá)到提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性的加工方法。 這種工藝的使用例子有噴沙(提高表面硬度、耐磨性)、冷扎(提高板材型材的強(qiáng)度)、冷敦(提高螺栓的強(qiáng)度)等。冷作硬化還可以分為拉伸硬化和扭轉(zhuǎn)硬化。

4.2應(yīng)變時(shí)效

冷作硬化現(xiàn)象受時(shí)間影響很大。冷拉后卸載，在室溫下停留較長(zhǎng)時(shí)間，鋼筋的屈服點(diǎn)比原來(lái)的屈服點(diǎn)有所提高，或在較高溫度下停留一定時(shí)間后再拉伸，屈服現(xiàn)象又重新出現(xiàn)，且新的屈服平臺(tái)高于卸載時(shí)的曲線(xiàn)， 這種現(xiàn)象稱(chēng)為“應(yīng)變時(shí)效”(如圖6所示)。

圖6　鋼筋冷拉前后的應(yīng)力——應(yīng)變曲線(xiàn)

應(yīng)變時(shí)效和溫度有很大關(guān)系，溫度過(guò)高(450 ℃以上)強(qiáng)度反而有所降低而塑性性能卻有所增加，溫度超過(guò)700 ℃，鋼材會(huì)恢復(fù)到冷拉前的力學(xué)性能，不會(huì)發(fā)生應(yīng)變時(shí)效。建筑用鋼筋通常采用冷拉的方法進(jìn)行調(diào)直，往往是冷拉后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才應(yīng)用的，這時(shí)往往會(huì)發(fā)生應(yīng)變時(shí)效。為了避免冷拉鋼筋在焊接時(shí)高溫軟化，要先焊好后再進(jìn)行冷拉。

4.3冷拉鋼筋

工程中冷拉鋼筋的主要目的有提高屈服點(diǎn)、節(jié)約鋼筋、產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力、調(diào)直4個(gè)。冷拉鋼筋是在常溫條件下，把鋼筋拉伸到超過(guò)屈服點(diǎn)強(qiáng)度，使鋼筋產(chǎn)生塑性變形。鋼筋經(jīng)過(guò)冷拉和應(yīng)變時(shí)效以后，彈性極限上升至相當(dāng)于原材料強(qiáng)化階段，大大提升了材料的彈性極限。鋼筋長(zhǎng)度增加，直徑有所縮小，從而達(dá)到節(jié)約鋼材的目的，但冷拉后鋼筋的塑性有所降低。為了保證鋼筋在強(qiáng)度提高的同時(shí)又具有一定的塑性，冷拉時(shí)應(yīng)同時(shí)控制應(yīng)力和應(yīng)變。

對(duì)于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)鋼筋和5號(hào)鋼的鋼筋，在冷拉后，作預(yù)應(yīng)力鋼筋使用的，要用冷拉應(yīng)力控制。但鋼筋冷拉后經(jīng)檢查，最大冷拉率超過(guò)了規(guī)范規(guī)定值(見(jiàn)表2)，還要再進(jìn)行機(jī)械能實(shí)驗(yàn)。鋼筋的冷拉率應(yīng)按照表3進(jìn)行控制。

表3　鋼筋冷拉率控制值

5　結(jié)　語(yǔ)

本文主要闡述了標(biāo)準(zhǔn)試件、4種伸長(zhǎng)率和冷作硬化的概念，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的判定方法，伸長(zhǎng)率的測(cè)量方法，并指出了在實(shí)際工程中對(duì)鋼筋的這些項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要注意的問(wèn)題及其控制值，將理論內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，對(duì)教研和工程技術(shù)人員均有一定的參考意義。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范：GB 50204—2015[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2015.

[2]單輝祖.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2009: 23.

[3]黃道輝,羅思明.關(guān)于鋼筋伸長(zhǎng)率測(cè)試的問(wèn)題[J].廣西土木建筑，2002,27(1):24-25.

[4]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).金屬材料拉伸試驗(yàn)：GB/T 228.1—2010[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011.

[5]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社, 2013: 22.

[6]賀秀良,楊嘉.新編大學(xué)基礎(chǔ)試驗(yàn)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2013: 285-297.

(編輯：史海英)

Tensile Mechanical Properties and Its Engineering Application

WANG Yanhong

(General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

On the base of steel detection and tensile mechanical properties, this paper defines the standard specimen, four types of elongation and cold hardening and introduces the methods of measuring the yield strength, the tensile strength and the elongation. The application of these methods are also explained. This study is of reference value for the concerned technicians, researchers as well as teachers.

standard specimen; yield strength; tensile strength; elongation; cold hardening

2015-11-05；

2016-02-28.

王艷紅(1982—)，女，碩士，講師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.08.020

TB301

A

1674-2192(2016)08- 0085- 05