淺析低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度的測定

陳榮浩

（福建省永正工程質(zhì)量檢測有限公司，福建 福州 350012）

0 引言

金屬材料力學(xué)性能中的屈服強(qiáng)度是鋼結(jié)構(gòu)工程與機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，現(xiàn)行各類設(shè)計(jì)中的安全系數(shù)的制定主要是依據(jù)屈服強(qiáng)度?！兜秃辖鸶邚?qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591-2018）于2019年2月1日實(shí)施[2]，相比舊國標(biāo)GB/T 1591-2008有部分內(nèi)容變化：將下屈服強(qiáng)度修改為上屈服強(qiáng)度；當(dāng)屈服不明顯時，可用規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2代替上屈服強(qiáng)度；以Q355級鋼替代Q345級鋼及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，Q355B材料的實(shí)測上屈服強(qiáng)度比實(shí)測下屈服強(qiáng)度高出5%左右，而相關(guān)設(shè)計(jì)只作了簡單的修改，將材料的上屈服點(diǎn)替代材料的下屈服點(diǎn)，當(dāng)作材料屈服強(qiáng)度的驗(yàn)收依據(jù)。筆者認(rèn)為這可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患?；谶@種背景，本文就低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度的測定進(jìn)行討論。

1 屈服強(qiáng)度的相關(guān)規(guī)定及普遍認(rèn)知

（1）測定上屈服點(diǎn)的影響因素較多，而下屈服點(diǎn)相對更加穩(wěn)定。

（2）從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全方面考慮，上、下屈服點(diǎn)中，屈服強(qiáng)度選擇下屈服點(diǎn)更為安全。

（3）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼都屬存在明顯屈服強(qiáng)度的材料，兩種材料理應(yīng)采用同一體系評價其力學(xué)指標(biāo)性能；《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 700-2006[4]與《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 1591-2018，兩本標(biāo)準(zhǔn)先后于2006年與2018年分別參照ISO國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，采用上屈服點(diǎn)作為屈服強(qiáng)度。GB/T 1591-2008 與GB/T 1591-2018中屈服點(diǎn)的差異見表1、表2。

表1 《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591-2008）下屈服強(qiáng)度值[3]

表2 《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591-2018）上屈服強(qiáng)度值[2]

2 金屬拉伸試驗(yàn)中屈服點(diǎn)影響因素

金屬拉伸試驗(yàn)中的屈服點(diǎn)的測定關(guān)系到上、下屈服強(qiáng)度測定的準(zhǔn)確性，是金屬拉伸試驗(yàn)中的關(guān)鍵。只有把控好試驗(yàn)中影響屈服點(diǎn)測定的因素，才能獲取準(zhǔn)確的上、下屈服強(qiáng)度。

2.1 試驗(yàn)人員操作的影響

試驗(yàn)人員的綜合操作素質(zhì)會很大程度地影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，特別是在試驗(yàn)機(jī)不斷更新?lián)Q代和各設(shè)備廠家對試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)軟件界面設(shè)計(jì)不統(tǒng)一的情況下，試驗(yàn)操作水平十分關(guān)鍵，在概念及操作上存在一些誤區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度就會有很大差距。

2.2 夾具試驗(yàn)過程中的影響

試驗(yàn)過程中夾具打滑發(fā)生的幾率比較大，此類現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在舊試驗(yàn)機(jī)。因?yàn)榕f試驗(yàn)機(jī)的使用時間較長，夾片上的鱗形尖狀部分受到不同程度的磨損，降低摩擦力作用。試驗(yàn)中的試樣受張拉作用力的增加，當(dāng)靜摩擦力達(dá)到最大時，試樣將會產(chǎn)生打滑，從力值曲線上看，即會發(fā)生屈服現(xiàn)象，此時的屈服為虛假屈服。若試驗(yàn)機(jī)（比如萬能試驗(yàn)機(jī)）以往所測定試樣的屈服點(diǎn)正常，那么現(xiàn)在測定試樣的屈服點(diǎn)將會偏小。

2.3 試驗(yàn)機(jī)各測量環(huán)節(jié)的影響

現(xiàn)今試驗(yàn)室內(nèi)有80%的試驗(yàn)機(jī)采用微機(jī)控制系統(tǒng)。微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一旦考慮不周，檢測結(jié)果將會遭受嚴(yán)重的影響。材料屈服點(diǎn)的求取最主要的有以下幾個要點(diǎn)：

（1）傳感器放大器頻帶太窄

現(xiàn)今萬能試驗(yàn)機(jī)基本上都是采用壓力傳感器作為力值檢測元件，但壓力傳感器信號輸出類型為小信號輸出，在運(yùn)行過程中必須對信號進(jìn)行放大。試驗(yàn)環(huán)境中，存在不同形式的電磁信號干擾，此類信號干擾將會通過各種途徑參與到試驗(yàn)測量采集信號中，然后將被一起放大，結(jié)果干擾信號會覆蓋有用信號。如要把有用信號從干擾信號中區(qū)分出來，結(jié)合萬能試驗(yàn)機(jī)的特性，需設(shè)低通濾波器置于放大器中。通過對低通濾波器設(shè)置相對合理的截止頻率，在一個較適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)限制放大器的頻帶，就可較大地提高萬能試驗(yàn)機(jī)的測控性能。然而現(xiàn)實(shí)檢測中，試驗(yàn)人員更注重?cái)?shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性卻往往被忽略，壓力傳感器的濾波器將被設(shè)置較低的截止頻率。目的是為了更為充分地把干擾信號濾掉，但卻一起濾掉了有用信號。

（2）控制方法使用不當(dāng)

在GB/T 228.1-2010[1]中給出控制方式為應(yīng)變控制，但在屈服出現(xiàn)前，試件拉伸處于彈性階段，應(yīng)采用應(yīng)力控制，這種理想控制方式對于大多萬能試驗(yàn)機(jī)是很難控制的。難點(diǎn)在于要求在拉伸試件剛發(fā)生屈服時就要改變控制方式，而拉伸試驗(yàn)的目標(biāo)就是測定屈服點(diǎn)，不可能以未知屈服點(diǎn)結(jié)果作為切換控制方式的條件。在日常試驗(yàn)中，有些會以同一控制方式來控制試驗(yàn)整個過程（如使用不同控制方式控制不同拉伸階段，也比較難在上屈服點(diǎn)出現(xiàn)時馬上切換，都會在上屈服點(diǎn)出現(xiàn)前提早一點(diǎn)切換控制方式）。針對采用等位移或等速率控制的萬能試驗(yàn)機(jī)，因拉伸試件的彈性階段的應(yīng)變速率和應(yīng)力速率成正比，需選擇合理的速率，試驗(yàn)過程采用同一控制方式就可符合屈服前后的控制方式要求。如果只有一種控制方式的萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)本身特快的響應(yīng)，屈服出現(xiàn)過程時間會很短，若采集數(shù)據(jù)的速度較慢，屈服值將會丟失。因此在拉伸試驗(yàn)控制方式的選擇時，盡量不要選取單一荷載控制方式。

3 通過拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析上、下屈服點(diǎn)的差異

試驗(yàn)方案:備20組牌號同為Q355B規(guī)格不同的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。矩形橫截面試樣加工過程中，嚴(yán)格按照GB/T 228.1-2010中對矩形橫截面試樣加工的要求進(jìn)行，矩形橫截面試樣應(yīng)加工成啞鈴形拉伸試樣，過渡弧半徑r應(yīng)不小于12mm。試樣加工選擇線切割工藝。

拉伸試驗(yàn)主要儀器:萬能試驗(yàn)機(jī)（型號WAW-1000C、WAW-600D、WE-100B），試驗(yàn)機(jī)精度均為1 級。依據(jù)GB/T 228.1-2010中方法B分別進(jìn)行上、下屈服點(diǎn)的測定。方法B中對速率要求分別作了規(guī)定：上屈服強(qiáng)度，應(yīng)力速率應(yīng)在6-60MPa/s的范圍內(nèi)；下屈服強(qiáng)度，在屈服期間應(yīng)變速率應(yīng)在0.00025/s~0.0025/s之間。

通過對20組試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)所測得的上、下屈服點(diǎn)見表3。

表3 室溫拉伸試驗(yàn)所測得的上、下屈服點(diǎn)

上述20組統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)所測得的上、下屈服點(diǎn)，總體來看存在的差異還是比較明顯，個別組數(shù)據(jù)兩者相差超過5%。

4 安全系數(shù)的確定

安全系數(shù)是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中用來表示結(jié)構(gòu)安全程度高低的系數(shù)。

安全系數(shù)是在對土木工程、機(jī)械工程等設(shè)計(jì)中，以防止由于原材料存在的自身缺陷、外力影響、工作誤差等不同因素所造成的不良后果，工程設(shè)計(jì)中受力部位上理論承載力應(yīng)不小于部位上實(shí)際承載力，即極限應(yīng)力和許用應(yīng)力的比值，稱為安全系數(shù)，即安全系數(shù)=極限應(yīng)力/許用應(yīng)力。

極限應(yīng)力表示當(dāng)材料在發(fā)生破壞時，失去其承載能力時的應(yīng)力。極限應(yīng)力可分屈服極限應(yīng)力和抗拉極限應(yīng)力。材料又分塑性材料和脆性材料。（1）塑性材料：材料達(dá)到屈服之后就明顯地出現(xiàn)塑性變形，即材料的正常工作能力已喪失，因此材料的極限應(yīng)力應(yīng)取屈服極限；（2）脆性材料：材料從受力直至破壞，塑性變形量均無產(chǎn)生，只在破壞時正常工作能力才喪失，此時材料的極限應(yīng)力應(yīng)取抗拉極限。

5 結(jié)束語

現(xiàn)行版本的國家標(biāo)準(zhǔn)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 1591-2018與舊標(biāo)GB/T 1591-2008相比，屈服強(qiáng)度由下屈服強(qiáng)度ReL變更為上屈服強(qiáng)度ReH，其變更的依據(jù)是與國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)接軌。在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)修訂的同時，應(yīng)同步對現(xiàn)行工程設(shè)計(jì)的安全系數(shù)進(jìn)行梳理，必要時應(yīng)進(jìn)行同步調(diào)整。如只對標(biāo)準(zhǔn)單方面進(jìn)行修定，將會改變各類設(shè)計(jì)安全系數(shù)，可能對工程設(shè)計(jì)帶來安全隱患，應(yīng)引起足夠的重視。