里氏硬度無(wú)損檢測(cè)鋼材牌號(hào)的試驗(yàn)

王 玲 楊建平 郭小華

(1.中冶檢測(cè)認(rèn)證有限公司，北京 100088；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)是鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全控制的重要手段，其中，鋼材強(qiáng)度或種類(lèi)檢測(cè)是鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，為工程質(zhì)量評(píng)價(jià)、安全評(píng)估及加固改造提供了重要依據(jù)。對(duì)于既有鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼材牌號(hào)、強(qiáng)度等檢測(cè)，目前主要采用局部破損實(shí)驗(yàn)法和無(wú)損檢測(cè)方法。

局部破損實(shí)驗(yàn)法是指現(xiàn)場(chǎng)取樣后進(jìn)行鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)和化學(xué)成分分析的方法[1-3]。這種檢測(cè)方法存在一定的缺點(diǎn)。首先，會(huì)對(duì)原有結(jié)構(gòu)造成局部損傷，影響構(gòu)件的承載性能，如承受動(dòng)荷載的鋼吊車(chē)梁等構(gòu)件，局部損傷嚴(yán)重影響鋼構(gòu)件的承載能力；其次，受現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)、空調(diào)、供水、熱力等管道影響，或遇到鋼網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)時(shí)，取樣操作非常復(fù)雜，有時(shí)甚至根本無(wú)法取樣；最后，少量取樣不能說(shuō)明問(wèn)題，因不清楚工程所用鋼材是否為同一型號(hào)、批號(hào)的鋼材，少量取樣不能代表整個(gè)工程。同時(shí)，在化學(xué)分析方面[4]，對(duì)照1988年以后的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700—88《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和GB/T 1591—88《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，Q235和Q345中碳和錳的含量接近，無(wú)法通過(guò)C和Mn的含量判別鋼材牌號(hào)[4]。因此，采用現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)鋼材的方法具有局限性。

無(wú)損檢測(cè)，主要采用表面硬度法[5]，主要有里氏硬度計(jì)體積小，使用方便，適用面廣，讀數(shù)快捷，有極高的檢測(cè)效率，且里氏硬度計(jì)彈痕小，對(duì)測(cè)試物體表面幾乎無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，里氏硬度法是應(yīng)用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)如下的缺點(diǎn)：1)里氏硬度計(jì)檢測(cè)結(jié)果受試件的質(zhì)量、厚度、表面粗糙度、表面硬化層厚度、沖擊方向和表面曲率半徑等因素影響[6]，如GB/T 17394.1—2014《金屬材料里氏硬度試驗(yàn)》[7]規(guī)定沖擊設(shè)備類(lèi)型為D探頭時(shí)，最小質(zhì)量為5 kg，未耦合最小厚度為25 mm，耦合最小厚度為3 mm。2)在里氏硬度換算鋼材抗拉強(qiáng)度方面[8]，我國(guó)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》[9]和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR 10108[10]給出不同硬度與抗拉強(qiáng)度之間的換算關(guān)系，為工程應(yīng)用提供依據(jù)，以防出現(xiàn)誤判。3)GB/T 50344—2019《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]附錄N給出了通過(guò)里氏硬度推定鋼材強(qiáng)度的方法，實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)推定的強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)室拉伸試驗(yàn)所得的強(qiáng)度值偏差很大。GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》[12]規(guī)定：硬度試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)至今存在差異，難以用一種模型在兩個(gè)參數(shù)之間建立可靠的函數(shù)關(guān)系，也就是硬度和強(qiáng)度之間無(wú)精確的函數(shù)關(guān)系?？傊?，不能通過(guò)里氏硬度較準(zhǔn)確推算鋼材抗拉強(qiáng)度。

實(shí)際工程中常見(jiàn)的建筑用鋼材牌號(hào)主要為Q235和Q345兩種鋼材，鋼材與混凝土不同，混凝土強(qiáng)度受現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量影響，而鋼材屬于成品產(chǎn)品，通常在工廠檢驗(yàn)合格后才能出廠。實(shí)際工程中主要問(wèn)題是，圖紙缺失無(wú)法獲知鋼材牌號(hào)，或者構(gòu)件廠加工或者施工中用錯(cuò)鋼材牌號(hào)，甚至原設(shè)計(jì)鋼材牌號(hào)為Q345，實(shí)際工程用的是Q235，給結(jié)構(gòu)安全埋下隱患。因此，本文通過(guò)對(duì)622個(gè)不同規(guī)格的兩種牌號(hào)Q235和Q345進(jìn)行里氏硬度測(cè)試，并進(jìn)行力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法給出采用里氏硬度法判別鋼材牌號(hào)的方法。

1 鋼材試驗(yàn)

鋼材的硬度試驗(yàn)需要結(jié)合金屬材料實(shí)驗(yàn)室的送檢鋼材拉伸試驗(yàn)進(jìn)行。送檢的鋼材從不同施工現(xiàn)場(chǎng)取樣得來(lái)，來(lái)自全國(guó)不同鋼材生產(chǎn)商，選取Q235和Q345兩種牌號(hào)的鋼材，鋼材厚度不小于12 mm。試驗(yàn)時(shí)間從2018—2020年，總共進(jìn)行了122根Q235和500根Q345鋼板的硬度試驗(yàn)和鋼材拉伸試驗(yàn)。

為了能在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)既有鋼結(jié)構(gòu)鋼材進(jìn)行測(cè)試，本文選用便攜式里氏硬度計(jì)測(cè)試鋼材的硬度。里氏硬度法的原理是，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，其影響因素主要包括試件的質(zhì)量和厚度、表由粗糙度、表面硬化層度、沖擊方向、表由曲率半徑等。為了盡可能接近實(shí)際工程情況，將試件固定在卡具上進(jìn)行測(cè)試，以保證實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果與實(shí)際工程一致。具體試驗(yàn)步驟如下：

1)用送檢的不同厚度的鋼材樣坯作為硬度測(cè)試試樣，經(jīng)加工試件長(zhǎng)度為500 mm，寬度為25 mm。

2)對(duì)鋼材表面進(jìn)行打磨處理，用粗糙度儀測(cè)定打磨面粗糙度，測(cè)量不應(yīng)少于 5 次，取其平均值，測(cè)試表面粗糙度應(yīng)不大于1.6 μm。

3)將試樣固定在卡具上，采用校準(zhǔn)過(guò)的D型探頭里氏硬度計(jì)進(jìn)行鋼材表面硬度測(cè)試，每個(gè)試樣上取9個(gè)里氏硬度值，取平均值作為該試樣的里氏硬度。

4)在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，從而得到試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度值。本次試件拉伸試驗(yàn)是委托我公司鋼材實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，鋼材屈服前加載速率為30 MPa/s，鋼材屈服后通過(guò)控制平行長(zhǎng)度與需要的應(yīng)變速率相乘得到橫梁位移速率來(lái)控制加載速度。典型鋼板的拉伸試驗(yàn)力-位移曲線如圖1所示。

a—Q235;b—Q345。圖1 拉伸試驗(yàn)力-位移曲線Fig.1 Force-displacement curves of tensile tests

試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)為鋼材的里氏硬度值、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，Q235鋼共有122組數(shù)據(jù)，Q345鋼500組數(shù)據(jù)，兩種鋼材的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)為里氏硬度值，縱坐標(biāo)為抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鋼材強(qiáng)度分布規(guī)律

對(duì)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的分布情況。由圖3可見(jiàn)，Q235鋼的屈服強(qiáng)度均值為320 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為39.4 MPa；Q345鋼的屈服強(qiáng)度均值為408 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為37.0 MPa；在95%保證率下，Q235鋼屈服強(qiáng)度上限值和Q345鋼的下限值分別為385，347 MPa。由圖4可見(jiàn)，Q235鋼的抗拉強(qiáng)度均值為447 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為30 MPa；Q345鋼的抗拉強(qiáng)度均值為547 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為26.8 MPa；在95%保證率下，Q235鋼抗拉強(qiáng)度上限值和Q345鋼的下限值分別為496,503 MPa。根據(jù)試驗(yàn)分析得出:當(dāng)利用現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)驗(yàn)室拉伸試驗(yàn)的強(qiáng)度確定鋼材牌號(hào)時(shí)，抗拉強(qiáng)度大于496 MPa、屈服強(qiáng)度大于385 MPa時(shí)，可判斷為Q345鋼；抗拉強(qiáng)度值小于503 MPa、屈服強(qiáng)度小于348 MPa時(shí)，可判斷為Q235鋼。如有懷疑時(shí)，應(yīng)增加現(xiàn)場(chǎng)取樣數(shù)量，根據(jù)鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果判定鋼材牌號(hào)。

a—Q235;b—Q345。-屈服強(qiáng)度；-抗拉強(qiáng)度。圖2 試驗(yàn)得到的Q235鋼和Q345鋼的里氏硬度與鋼材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度Fig.2 Relations of scatter plots between Leeb hardness and steel strength of Q235 and Q345

圖3 鋼材屈服強(qiáng)度分布Fig.3 Distribution for yield strength of steel

圖4 鋼材抗拉強(qiáng)度分布Fig.4 Distribution for tensile strength of steel

2.2 鋼材強(qiáng)度與硬度相關(guān)性

為了確定Q235和Q345這兩種鋼材強(qiáng)度與里氏硬度之間的關(guān)系，本文采用了線性、指數(shù)、對(duì)數(shù)、多項(xiàng)式和乘冪五種常見(jiàn)的函數(shù)形式，對(duì)所測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，以確定能否找到一種適合里氏硬度與屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度的曲線，分析結(jié)果如表1所示。

表1 回歸分析的決定系數(shù)Table 1 Coefficients of determination in regression analysis

分析結(jié)果表明，決定系數(shù)R2均小于0.1，說(shuō)明相關(guān)性很差，表明鋼材里氏硬度與強(qiáng)度無(wú)對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。因此，對(duì)于特定的Q235鋼或Q345鋼，不能通過(guò)硬度法檢驗(yàn)鋼材強(qiáng)度是否滿(mǎn)足質(zhì)量要求，也不能得到可供結(jié)構(gòu)計(jì)算分析所需的強(qiáng)度推定值。

2.3 鋼材硬度分布規(guī)律

為了找到Q235和Q345的里氏硬度值分布規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分別得出兩種鋼材硬度的分布，如圖5所示。

圖5 Q235和Q345里氏硬度分布Fig.5 Leeb hardness distribution of Q235 and Q345

由圖5可見(jiàn):Q235和Q345里氏硬度值服從正態(tài)分布。Q235鋼的硬度均值為384，標(biāo)準(zhǔn)差為41；Q345鋼的硬度均值為430，標(biāo)準(zhǔn)差為22.7。在95%保證率下，Q235硬度值的置信區(qū)間為[317，451]，Q345的置信區(qū)間為[393，467]。分析結(jié)果表明，兩種鋼材的硬度存在較大的重合區(qū)域，從而得知，在大多數(shù)的情況下，用一個(gè)測(cè)區(qū)的硬度值無(wú)法判別鋼材的種類(lèi)。

值得指出的是:目前有些鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)采用一個(gè)測(cè)區(qū)的里氏硬度推算抗拉強(qiáng)度，然后用推算的抗拉強(qiáng)度和鋼材標(biāo)準(zhǔn)的下限值對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)鋼材質(zhì)量和確定鋼材牌號(hào)。按照前述鋼材強(qiáng)度與硬度相關(guān)性檢驗(yàn)，決定系數(shù)R2均小于0.1，鋼材里氏硬度與強(qiáng)度無(wú)對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，說(shuō)明采用一個(gè)測(cè)區(qū)檢測(cè)鋼材強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果的可信度很低。

2.4 多個(gè)測(cè)區(qū)硬度平均值的分布規(guī)律

在EXCEL中利用rand隨機(jī)函數(shù)和row函數(shù)，對(duì)Q235鋼的122個(gè)測(cè)區(qū)硬度值和Q345鋼的500個(gè)測(cè)區(qū)硬度值，分別每次隨機(jī)抽10個(gè)和20個(gè)硬度值，抽取100次，取每次隨機(jī)抽取數(shù)組的平均值，硬度平均值分布見(jiàn)圖6。

a—隨機(jī)抽取10個(gè)測(cè)區(qū);b—隨機(jī)抽取20個(gè)測(cè)區(qū)。圖6 抽取100次硬度平均值分布Fig.6 Mean value distribution of random samples of 100 times

隨機(jī)抽取10個(gè)測(cè)區(qū)時(shí)，Q235里氏硬度10個(gè)測(cè)區(qū)平均值的100次均值為378，標(biāo)準(zhǔn)差為10.1；Q345里氏硬度10個(gè)測(cè)區(qū)平均值的100次均值為430，標(biāo)準(zhǔn)差為6.7。具有95%保證率的Q235鋼上限值和Q345鋼的下限值分別為394和419。

隨機(jī)抽取20個(gè)測(cè)區(qū)時(shí)，Q235里氏硬度20個(gè)測(cè)區(qū)平均值的100次均值為378，標(biāo)準(zhǔn)差為3.9；Q345里氏硬度20個(gè)測(cè)區(qū)平均值的100次均值為430，標(biāo)準(zhǔn)差為4.2。具有95%保證率的Q235鋼上限值和Q345鋼的下限值分別為389和423。

由圖6可以看出:不論隨機(jī)抽10個(gè)測(cè)區(qū)還是20個(gè)測(cè)區(qū)，Q235和Q345的硬度值均存在明顯差異。這個(gè)結(jié)果表明，既有鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)同批次隨機(jī)進(jìn)行10個(gè)以上測(cè)區(qū)的里氏硬度測(cè)試就能判別鋼材牌號(hào)。

3 鋼材牌號(hào)判別方法

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)于既有鋼結(jié)構(gòu)，在排除其他更高或更低強(qiáng)度級(jí)別的鋼材牌號(hào)，只限于Q235和Q345這兩個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的情況下，可以采用如下方法判別Q235和Q345鋼。

1)當(dāng)圖紙齊全，可獲知原設(shè)計(jì)鋼材牌號(hào)時(shí)：

若原設(shè)計(jì)為Q345，檢驗(yàn)批硬度平均值不小于419，評(píng)定為Q345鋼；若原設(shè)計(jì)為Q345，檢驗(yàn)批硬度平均值小于419，應(yīng)抽取少量試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)(屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率)。

當(dāng)鋼材的抗拉強(qiáng)度值大于496 MPa、屈服強(qiáng)度大于385 MPa時(shí)，評(píng)定為Q345鋼。當(dāng)抗拉強(qiáng)度值小于503 MPa、屈服強(qiáng)度小于348 MPa時(shí)，評(píng)定為Q235鋼。

若原設(shè)計(jì)為Q235，無(wú)需進(jìn)行硬度和鋼材強(qiáng)度檢驗(yàn)。

2)當(dāng)圖紙缺失無(wú)法獲知原設(shè)計(jì)鋼材牌號(hào)時(shí)：

若檢驗(yàn)批硬度平均值不小于419，評(píng)定為Q345鋼；若檢驗(yàn)批硬度平均值不大于394，評(píng)定為Q235鋼；若檢驗(yàn)批硬度平均值介于394和419，應(yīng)抽取少量試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)(屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率)。

當(dāng)鋼材的抗拉強(qiáng)度值大于496 MPa、屈服強(qiáng)度大于385 MPa時(shí)，評(píng)定為Q345鋼；當(dāng)抗拉強(qiáng)度值小于503 MPa、屈服強(qiáng)度小于348 MPa時(shí)，評(píng)定為Q235鋼。

為了驗(yàn)證上述試驗(yàn)方法，對(duì)7個(gè)工程同批次的鋼結(jié)構(gòu)硬度測(cè)試值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)區(qū)數(shù)不少于20個(gè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Validation results

根據(jù)GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定，Q235鋼材抗拉強(qiáng)度為370～500 MPa；根據(jù)GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定，Q345的抗拉強(qiáng)度為470～630 MPa?？梢?jiàn)，采用試驗(yàn)判別結(jié)果和采用里氏硬度法判別結(jié)果符合良好，且用該方法也檢驗(yàn)出了現(xiàn)場(chǎng)用錯(cuò)鋼材的現(xiàn)象，如某棒線主廠房原設(shè)計(jì)Q345鋼，采用本文的方法檢測(cè)推斷為Q235鋼，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣拉伸試驗(yàn)，鋼材強(qiáng)度為458 MPa，進(jìn)一步驗(yàn)證了本方法的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)大量里氏硬度和鋼材拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論：

1)Q235鋼材的抗拉強(qiáng)度上限值為496 MPa，Q345鋼材的抗拉強(qiáng)度下限值為503 MPa。當(dāng)利用現(xiàn)場(chǎng)取樣、實(shí)驗(yàn)室拉伸試驗(yàn)的強(qiáng)度確定鋼材牌號(hào)時(shí)，抗拉強(qiáng)度值大于496 MPa、屈服強(qiáng)度大于385 MPa時(shí)，可判斷為Q345鋼；抗拉強(qiáng)度值小于503 MPa、屈服強(qiáng)度小于348 MPa時(shí)，可判斷為Q235鋼。如有懷疑時(shí)，應(yīng)增加現(xiàn)場(chǎng)取樣數(shù)量，根據(jù)鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果判定鋼材牌號(hào)。

2)鋼材里氏硬度與鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度無(wú)對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，對(duì)于特定的Q235鋼或Q345鋼，不能通過(guò)硬度法檢驗(yàn)鋼材強(qiáng)度是否滿(mǎn)足質(zhì)量要求，也不能得到可供結(jié)構(gòu)計(jì)算分析所需的強(qiáng)度推定值。

3)采用一個(gè)測(cè)區(qū)檢測(cè)鋼材強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果可信度很低，既有鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)同批次隨機(jī)抽取10個(gè)以上測(cè)區(qū)進(jìn)行里氏硬度測(cè)試可判別鋼材牌號(hào)，每個(gè)構(gòu)件劃定為一個(gè)測(cè)區(qū)，打磨3處，每處測(cè)3個(gè)硬度值。

4)確定了一種采用里氏硬度法判別鋼材牌號(hào)的方法，給出了里氏硬度判別Q235的上限值為394，判別Q345下限值為419，并經(jīng)工程驗(yàn)證，該方法能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求，且減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的損傷，建議作為鋼材牌號(hào)檢驗(yàn)的一種有效方法，予以推廣應(yīng)用。

5)本文方法適用于Q235和Q345鋼材，對(duì)于厚度小于12 mm的構(gòu)件，應(yīng)選擇合理的檢測(cè)位置，如工字型鋼可選擇在翼緣與腹部交接處，但應(yīng)避開(kāi)熱影響區(qū)；同時(shí)，對(duì)于厚度小于12 mm的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行足夠的耦合處理，再進(jìn)行檢測(cè)。

6)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，希望今后得到更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)的積累，進(jìn)一步對(duì)本方法進(jìn)行驗(yàn)證和修正，為鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估提供更加可靠的依據(jù)。