金屬線材檢測試樣矯直方法及比對驗證*

楊 冬，侯杰文，顏庭林

（甘肅省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，甘肅 蘭州 730050）

1 研制背景技術

金屬線材混凝土結(jié)構(gòu)是在建筑工程中應用最多的建筑結(jié)構(gòu)，其中金屬線材在結(jié)構(gòu)中承擔著拉、壓應力和應變力等各種載荷。在建筑構(gòu)件內(nèi)主要作構(gòu)造筋、架、立筋等，多用于受力梁、柱、墻、板等。金屬線材的力學性能對建筑工程的質(zhì)量起著舉足輕重的作用。金屬線材的力學性能主要為：拉、壓、彎、扭轉(zhuǎn)、纏繞、疲勞等，對這些性能的檢測國家都頒布有相對應的檢測方法標準。但是，這些國家標準中對線材力學性能檢測試樣的狀態(tài)，既試樣的矯直，各個標準并沒有一個統(tǒng)一、規(guī)范的規(guī)定。

例如：GB/T 28900-2012《鋼筋混凝土用鋼材試驗方法》對鋼筋混凝土中線材的拉伸、彎曲、軸向疲勞、反向彎曲等性能試驗方法中，第4.2、4.3款對試樣的矯直作出了具體規(guī)定，規(guī)定要求在試驗前試樣必須平直，可以對試樣進行手工或機械矯直，并且要將矯直方式在試驗報告中記錄［1］。

GB/T 2976-2020《金屬材料線材纏繞試驗方法》，該方法標準不但對試樣的截取部位、數(shù)量、長度等作出規(guī)定，同時對矯直方法也作出相應規(guī)定。試樣的矯直，可用手工矯直，也可用木錘、低硬度塑料錘進行輕輕矯直，對有鍍層金屬線材要求矯直時不得損傷鍍層表面。對于存在硬彎的試樣不得強行矯直，強行矯直的試樣不得用于試驗［2］。

GB/T 228.1-2021《金屬材料拉伸試驗第一部分：室溫試驗方法》，對試樣矯直未作出明確規(guī)定，只是在6.1.3中規(guī)定“試樣平行長度LC應大于原始標距LO”［4］。

GB/T 239.1-2012《金屬材料線材第一部分：單向扭轉(zhuǎn)試驗方法》，該方法對試樣矯直作出了明確規(guī)定，并在附錄B中給出了推薦矯直方法。該推薦方法規(guī)定，先做一裝置，裝置包括：一個裝有虎鉗的鉗工臺，兩個活動式小夾具，一段木板（寬約45 mm，厚約20 mm，長度略小于本標準表2中所列的標距長度L），木板厚度由中部的20 mm向兩端逐步遞減至約15 mm。首先將木板可靠地夾在虎鉗上，為了避免線材在矯直過程中受到損傷（產(chǎn)生刻痕），與線材直接接觸的活動式小夾具齒面四周需要包裹上一層緩沖墊（例如裝飾帶）。將線材(翹曲方向朝上)放置在木板上，伸出木板兩端的線材長度應保持一致。仔細調(diào)整小夾具，將線材一端夾緊到木板上并使夾持點靠近木板邊緣，同樣用包裹了緩沖墊的另一個夾具夾住線材的另一端，并將其直接頂緊到木板上。也可用小夾具夾住線材的尾部人工對其施加一定的拉緊力，該拉緊力不得大于線材公稱抗拉強度相應力值的2%，隨后松開夾具，取下木板。重復以上步驟直至將所有彎曲線材矯直完畢［5］。

GB/T 238-2013《金屬材料線材反復彎曲試驗方法》，對試樣矯直有簡單的規(guī)定，在該標準第5.1～5.4中規(guī)定，線材試樣應盡可能平直。但試驗時，在其彎曲平面內(nèi)允許有輕微的彎曲。必要時試樣可以用手矯直。在試樣用手不能矯直時，可在木材、塑料等硬度低于試驗材料的平面上用相同材料的錘頭矯直。在矯直過程中，試樣不得產(chǎn)生任何扭曲，也不得有影響試驗結(jié)果的表面損傷。沿著試樣縱向中心軸線存在局部硬彎的試樣不得矯直，試驗部位存在硬彎的試樣不得用于試驗［6］。

由此可看出，同一樣品的力學試驗試樣，對矯直的要求差別很大。由于操作人員不同、矯直方法不同，造成金屬線材性能檢測結(jié)果波動較大，不能很好反應出產(chǎn)品本身性能，影響建筑結(jié)構(gòu)設計及使用，不利于各檢測機構(gòu)之間的能力驗證和對比，容易造成質(zhì)量異議。金屬線材檢測試樣的狀態(tài)是影響檢測結(jié)果的重要因素，為保障金屬線材檢測的準確性，對檢測試樣的截取、處理等過程的規(guī)范，使試驗過程更加嚴謹、試驗結(jié)果更加準確且具有可比對性，提出一種科學、合理、可操作性強的試樣矯直方法是很有必要的。本論述提出一種檢測試樣的矯直方法，為此研制一種金屬線材檢測試驗矯直儀器。

2 關鍵技術研究與設計

2.1 矯直設計方案

線材矯直，一般分為捋模+斜輥矯直、捋模+直輥矯直及直接矯直法等。

捋模，是中心有一直徑比鋼筋直徑稍大的圓孔，線材通過此孔時，由于孔壁的限制，其彎曲部分產(chǎn)生反彎，因而使平直程度得到改善。

斜輥矯直，是矯直輥的位置與被矯直線材運動方向成某種角度，兩個或三個主動壓力輥，由電動機帶動作同方向旋轉(zhuǎn)，輥子轉(zhuǎn)動時線材既轉(zhuǎn)動又前進，輥子對線材的壓彎軌跡呈螺旋線形，在矯直輥的帶動下，線材作螺旋前進運動。另一邊的若干個小輥是從動的壓力輥，小輥可以同時或分別向前或向后調(diào)整位置，線材通過由交錯布置的矯直輥所構(gòu)成的幾個彈塑性彎曲矯直單元，各個斷面得到多次反彎達到矯直。一般來講輥子的數(shù)目越多，矯直精度越高。

平行輥矯直，是矯直輥的位置與被矯直線材運動方向平行，兩個或三個主動壓力輥，由電動機帶動作同方向旋轉(zhuǎn)，使線材矯直，同樣，輥子的數(shù)目越多，矯直精度越高。

捋模+斜輥矯直及捋模+直輥矯是將捋模置于牽引裝置前端，手工將待矯直線材穿過捋模，牽引裝置咬入線材后，送入矯直裝置，鋼筋通過交錯布置的多個矯直輥，經(jīng)過反復彎曲而逐漸被矯直。

金屬線材力學性能檢測試樣一般是在盤卷內(nèi)隨機截取或在直條中截取，檢測試樣長度通常為350 mm。由于檢測試樣較短，如采用牽引式捋模平行輥矯直、牽引式捋模斜輥矯直等連續(xù)矯直機難以實現(xiàn)對檢測試樣的矯直。如果采取整盤矯直，再抽取試樣，由于捋模+斜輥矯直及捋模+直輥矯直方式，試樣是在矯直輥內(nèi)反復多次彎曲后矯直，試樣內(nèi)應力變化較大，對力學性檢測影響也較大，故采用外力直接作用，平行輥矯直、定位的矯直方案，且合理布置傳感器，隨時感知矯直狀態(tài)，調(diào)整。

2.2 矯直原理

（1）先按簡單隨機抽樣規(guī)定在盤條上截取試樣，將試樣在矯直機上一端固定，另一端具備一定的單向自由度，以便矯直力施加過程中線材試樣具有一定的單向延伸空間［3］。

采用液壓裝置作為矯直外力。液壓缸固定，由活塞運動提供矯直力。為了精細矯直，采用多液壓缸直線方式布置，同時在液壓缸活塞頂端安裝有可自由轉(zhuǎn)動的帶內(nèi)凹半圓弧的轉(zhuǎn)輪，以便試樣的矯直及定位。同時，在液壓缸內(nèi)安裝壓力傳感器及定位機構(gòu)，定位機構(gòu)為兩次定位，一次是矯直定位，另一次是反向圓弧定位，傳感器反饋矯直壓力。在液壓缸對面布置帶有彈簧的可自由單向伸縮的矯直輪，矯直輪軸線與液壓缸軸線在同一平面且平行錯位等分布置。試樣固定及液壓裝置布置如圖1所示［3］。

圖1 試樣固定及液壓裝置布置示意圖

（2）固定好試樣，使金屬線材的彎曲凸面朝向外部（液壓缸面），液壓活塞向彎曲凸面施加矯直力，當彎曲的金屬線材由于所施加的壓力而變得平直時，定位機構(gòu)首次定位，液壓活塞頂部保持直線位置2 min。試樣初次矯直如圖2所示。［3］

圖2 初次矯直示意圖

（3）繼續(xù)沿與初始施加壓力相同的方向在金屬線材上繼續(xù)施加壓力，從而使得金屬線材朝向與初始彎曲部相反的方向略微彎曲，其彎曲曲率根據(jù)試樣塑性變形強度預設在電控儀中，保持2 min。試樣反向彎曲如圖3所示。［3］。

圖3 試樣反向彎曲示意圖

（4）液壓活塞頂部回縮至直線位置。在彈簧的作用及試樣材料彈性變形力的作用下金屬線材試樣再次變得平直，取下試樣。試樣由反向彎曲后再次矯直如圖4所示［3］。

圖4 再次矯直示意圖

如果試樣回彈后略有弧度，可根據(jù)弧度大小調(diào)整電控儀的曲率預設值，可重復操做［3］。

3 比對驗證

金屬線材的抗拉強度、屈服強度及最大力總延伸率是力學性能在工程實際中廣泛應用的重要技術指標，抗拉強度即表征材料最大均勻塑性變形的抗力，屈服強度是抵抗微量塑性變形的應力。其檢測方法為GB/T 28900-2012《鋼筋混凝土用鋼材試驗方法》。該方法標準在第4.2款中對試樣的矯直作出了具體規(guī)定，規(guī)定要求在試驗前試樣必須平直，可以對試樣進行手工或機械矯直，并且要將矯直方式在試驗報告中記錄［1］。對金屬線材的抗拉強度、屈服強度及最大力總延伸率進行試驗比對，找出矯直與否對金屬線材力學性能的影響規(guī)律，具有一定的代表性。試驗是通過拉力試驗機對金屬線材進行拉伸，利用引伸機記錄拉伸程度，從而確定金屬線材的抗拉強度、屈服強度及最大力總延伸率。拉力試驗機須能調(diào)控拉伸速率并顯示拉力變化。在拉力試驗機拉伸過程中，引伸計應能顯示構(gòu)件上被測標距的變化，當試件變形時，記錄器（或讀數(shù)器）將放大后的信號直接顯示或自動記錄下來。

3.1 試樣制備

在10卷?10.0 mm HRB400E螺紋鋼金屬線材盤卷上隨機截取0.35 m X30根試樣，編號1#~30#。將試樣分為三組，第一組1#~10#自然狀態(tài)（不矯直），第二組11#～20#手工（木槌等）矯直，第三組21#～30#矯直機矯直。

3.2 檢測儀器

（1）微機液壓萬能試驗機 型號：CHT4106精度：1級；

（2）引伸計 型號LBWB-200A精度：0.5級。

3.3 試驗步驟

同一試驗人員按GB/T 28900-2012《鋼筋混凝土用鋼材試驗方法》對三組試樣進行抗拉強度、屈服強度、最大力總延伸率試驗。

3.4 試驗結(jié)果

（1）試樣自然狀態(tài)（不矯直）下的抗拉強度、屈服強度及最大力總延伸率見表1所列。

表1 自然狀態(tài)(不矯直)

（2）試樣手工（木槌等）矯直下的抗拉強度、屈服強度及最大力總延伸率見表2所列。

表2 手工（木槌等）矯直

（3）試樣矯直機矯直下的抗拉強度、屈服強度及最大力總延伸率見表3所列。

表3 矯直機矯直

4 試驗結(jié)果分析

4.1 屈服強度

從檢測結(jié)果可以看出：表1中1#~10#不矯直試樣屈服強度為460～480 MPa，表2中11#~21#手工矯直試樣屈服強度為445～475 MPa，表3中矯直機矯直試樣屈服強度為460～480 MPa。第一組與第二組比較，手工矯直試樣較自然狀態(tài)（不矯直）拉伸的屈服負荷有所降低。原因分析：第二組試樣使用木槌敲擊矯直，本質(zhì)是對試樣進行局部沖擊，試樣矯直前的自然狀態(tài)是彎曲帶有一定弧度的試樣，不停的對試樣高點進行沖擊使試樣矯直，局部沖擊時，彎曲凹面在矯直過程中，其表面受拉力變形，彎曲凸面受沖擊力及擠壓變形。無論是凹面還是凸面在變形過程中，尤其是凸面在受到?jīng)_擊力及擠壓力變形后，在試樣表面局部區(qū)域會形成殘余應力，殘余拉應力的大小與沖擊時的力的大小有直接關系，也就是說與操作人員體質(zhì)有直接關系。矯直后的試樣在拉伸試驗過程中，由于殘余應力的影響，試樣拉伸塑性形變有所提前，屈服負荷有所降低。第二組試樣與第三組試樣均為矯直試樣，屈服強度較為接近，數(shù)值波動較小。第三組試樣為矯直機矯直，殘余應力影響較小，屈服強度略高于第二組。

4.2 抗拉強度

三組試驗的抗拉強度分別為：第1組630～640 MPa，平均值為635.0 MPa；第2組635～645 MPa，平均值為639.5 MPa；第3組635～645 MPa，平均值為638.0 MPa；三組的平均值在635.0～639.5 MPa之間，都比較穩(wěn)定。原因分析，因為金屬塑性變形主要與金屬的晶粒大小、形變硬化指數(shù)等參數(shù)有關，金屬的晶粒越細，金屬塑性變形抗力越大，即抗拉強度越高。HRB400E螺紋鋼筋經(jīng)軋制、冷卻后，其金相組織已基本穩(wěn)定，因此試樣矯直對抗拉強度影響不大。

4.3 最大力總延伸率

金屬線材在拉力的作用下，長度增加的比率稱作伸長率。測定金屬線材伸長率一般分為兩種，即斷裂后伸長率和均勻伸長率。斷裂后伸長率是測量頸縮斷口區(qū)域的相對伸長，其反映的是頸縮區(qū)域的殘余伸長。均勻伸長率最大力下是原始標距的伸長與原始標距之比的百分率，反映的是拉斷時的平均變形，能夠真實反映金屬材料延性，用Agt表示。

從式（1）中可看出，同一試樣的彈性模量E值為固定值，抗拉強度Rm也可視為固定值。因此，Agt影響因素主要為原始標距真值長度及伸長絕對值。原始標距真值與矯直效果有直接關系，未經(jīng)矯直的試樣標距，由于試樣局部彎曲使得試樣標距長度與標距真值產(chǎn)生偏離，測量標距較標距真值變大，使Agt數(shù)值變大。從測量結(jié)果可看出，第三組試樣為矯直機矯直，Agt數(shù)值最小，平均值為12.70%，數(shù)值波動也最小，125.50%～13.0%；第二組試樣為人工矯直，Agt數(shù)值變大，平均值為12.95%，較矯直機矯直試樣數(shù)值高0.25%；第一組試樣為不矯直，Agt分數(shù)值變化最大，平均值為14.40%，較矯直機矯直試樣數(shù)值高1.70%，且波動較大12.50%～15.50%。

5 結(jié)語

（1）人工矯直在試樣局部產(chǎn)生殘余應力，降低了材料屈服強度；

（2）試樣人工矯直，受檢測人員體質(zhì)及矯直時的沖擊影響，力學性能檢測值波動較大，影響建筑結(jié)構(gòu)設計及使用，不利于各檢測機構(gòu)之間的能力驗證和對比；

（3）試樣矯直效果，對伸長率影響較大；

（4）試樣矯直對材料抗拉強度影響不顯著。