硬度試驗(yàn)在盾構(gòu)管片螺栓質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用研究

李曉鈺 張明星

【摘要】本文通過(guò)闡述硬度試驗(yàn)的作用，結(jié)合硬度試驗(yàn)與抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的對(duì)比分析，介紹了硬度試驗(yàn)在地鐵建設(shè)領(lǐng)域中盾構(gòu)隧道管片螺栓質(zhì)量檢測(cè)方面的應(yīng)用研究。在建設(shè)工程實(shí)際應(yīng)用中，硬度試驗(yàn)可以很好地保障盾構(gòu)管片螺栓質(zhì)量檢測(cè)的真實(shí)性和有效性。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)管片；質(zhì)量檢測(cè)；硬度試驗(yàn)

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.03.030

Application Research of Hardness Test in Quality Inspection of Shield Tunnel Segment Bolts

LI Xiaoyu， ZHANG Mingxing

（Jiangsu Testing Center for Quality of Construction Engineering Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract： This article elaborates on the role of hardness testing， and combines the comparative analysis of hardness testing and tensile strength testing to introduce the application research of hardness testing in the quality inspection of shield tunnel segment bolts in the field of subway construction. In the practical application of construction projects， hardness testing can effectively ensure the authenticity and effectiveness of the quality inspection of shield tunnel segment bolts.

Keywords： shield tunnel segments； quality inspection； hardness test

0引言

近年來(lái)，很多研究成果表明，金屬的硬度與其抗拉強(qiáng)度存在正相關(guān)的關(guān)系[1-2]，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中也有硬度與強(qiáng)度的換算標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》。但是該標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)試件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法得來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)于不同加工工藝的金屬構(gòu)件適用性不強(qiáng)，使用該標(biāo)準(zhǔn)得到的換算值僅能參考。同時(shí)有研究表明，對(duì)于不同的加工工藝的金屬構(gòu)件，存在硬度相同但是抗拉強(qiáng)度差異較大的現(xiàn)象[3]。在工程實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)特定產(chǎn)品，想要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)其金屬硬度來(lái)直接預(yù)測(cè)產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度，準(zhǔn)確度不高。

金屬材料在建筑工程中具有廣泛的應(yīng)用，在復(fù)雜的環(huán)境條件下，金屬材料需要承受各種形式的載荷，如拉力、壓力、剪切力等。在地鐵建設(shè)領(lǐng)域，拉力是盾構(gòu)管片螺栓需要承受的重要的荷載形式，管片螺栓的抗拉強(qiáng)度對(duì)于盾構(gòu)隧道管片拼裝的質(zhì)量和隧道安全性具有重要的意義。但是目前國(guó)內(nèi)建設(shè)工程中使用最多的管片螺栓產(chǎn)品是彎曲形狀的，無(wú)法直接檢測(cè)其抗拉強(qiáng)度。本次研究通過(guò)管片螺栓硬度檢測(cè)與強(qiáng)度檢測(cè)的對(duì)比試驗(yàn)，針對(duì)性地分析了管片螺栓產(chǎn)品的硬度與強(qiáng)度的關(guān)系，建立硬度-抗拉強(qiáng)度線性回歸方程，用于預(yù)測(cè)管片螺栓產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度，判斷管片螺栓質(zhì)量檢測(cè)的真實(shí)性和有效性。

1硬度試驗(yàn)的作用與意義

1.1硬度試驗(yàn)的作用

硬度試驗(yàn)是一種常用的材料質(zhì)量檢測(cè)方法，可以用于評(píng)估金屬材料的冶金質(zhì)量，而冶金質(zhì)量是影響螺栓質(zhì)量和性能的關(guān)鍵因素之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》在物理性能表中對(duì)緊固件的表面硬度做了范圍規(guī)定，限定了明確的最大值和最小值。螺栓的硬度需要達(dá)到最小值，以保證其有足夠的強(qiáng)度和耐磨性。但是表面硬度過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致螺栓材料的脆化，降低其韌性，從而導(dǎo)致其容易斷裂。此外，在熱處理過(guò)程中，過(guò)高的加熱溫度以及過(guò)長(zhǎng)的加熱時(shí)間會(huì)引起螺栓的脫碳，使其表面變軟，影響其強(qiáng)度和耐磨性。高強(qiáng)螺栓需要更高的表面硬度來(lái)保證其強(qiáng)度和耐磨性，而低碳鋼螺栓需要相對(duì)較低的表面硬度來(lái)保證其韌性和延展性。因此，硬度試驗(yàn)在螺栓質(zhì)量檢測(cè)中具有重要作用，可以有效反映螺栓材料的質(zhì)量。

1.2金屬材料硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

金屬硬度值與其抗拉強(qiáng)度值具有明確的正相關(guān)性[4]。因此，在有條件的適用范圍內(nèi)，確立硬度與抗拉強(qiáng)度二者的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系參數(shù)是可行的。但是由于材料應(yīng)力的影響，不同種類材料的硬度試驗(yàn)與拉伸試驗(yàn)之間存在明顯差異，難以用一種模型直接在兩個(gè)參數(shù)之間建立可靠的轉(zhuǎn)換關(guān)系。特別是對(duì)于工程中使用的各種金屬構(gòu)件，其生產(chǎn)工藝各不相同，存在各種成形后處理的情況，工程金屬構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度，其與相應(yīng)金屬材料本身的強(qiáng)度有顯著區(qū)別。實(shí)踐研究表明，試圖直接在金屬硬度與抗拉強(qiáng)度之間直接建立可靠的換算關(guān)系而對(duì)于材料本身的特性不加考慮，可能性非常低。因此，對(duì)于特定金屬構(gòu)件，如盾構(gòu)管片螺栓，其金屬材料硬度與抗拉強(qiáng)度有明確的正相關(guān)性，但是想要對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度和硬度的換算關(guān)系進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，需要通過(guò)對(duì)管片螺栓的針對(duì)性試驗(yàn)研究分析加以驗(yàn)證。

1.3硬度試驗(yàn)對(duì)于盾構(gòu)管片螺栓質(zhì)量檢測(cè)的意義

拉力是盾構(gòu)管片螺栓需要承受的重要的荷載形式，在工程實(shí)踐中，管片螺栓的抗拉強(qiáng)度是重要的檢測(cè)參數(shù)，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的判定具有決定性的意義。GB/T 50299—2018《地下鐵道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》將管片螺栓的最小抗拉強(qiáng)度檢驗(yàn)列為主控項(xiàng)目，要求按批抽檢。但是在地鐵工程實(shí)際應(yīng)用中，施工現(xiàn)場(chǎng)使用的管片螺栓通常是弧形的，而螺栓抗拉強(qiáng)度檢測(cè)需要樣品是直形的。這就導(dǎo)致了管片螺栓抗拉強(qiáng)度檢測(cè)無(wú)法對(duì)工程實(shí)際使用的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)的是通常為廠家提供的替代品，俗稱“小樣”。因此，管片螺栓質(zhì)量檢測(cè)中存在天然的漏洞，廠家可能出于工程質(zhì)檢的壓力，提供抗拉強(qiáng)度高于實(shí)際產(chǎn)品的小樣，致使施工過(guò)程中管片螺栓的質(zhì)量存在不受控的風(fēng)險(xiǎn)。而利用硬度試驗(yàn)對(duì)于金屬材料冶金質(zhì)量的評(píng)估以及與抗拉強(qiáng)度的正相關(guān)性，通過(guò)針對(duì)管片螺栓硬度與抗拉強(qiáng)度的研究分析，可以有效控制管片螺栓的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)關(guān)系曲線，對(duì)實(shí)際管片螺栓樣品所測(cè)的硬度進(jìn)行換算得出抗拉強(qiáng)度，與直棒樣品所測(cè)抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，即可驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性。當(dāng)直棒樣品所測(cè)值偏離過(guò)多且偏大時(shí)，直棒樣品（小樣）的抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果可信度不足。

2管片螺栓硬度試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

2.1管片螺栓維氏硬度與洛氏硬度試驗(yàn)對(duì)比

維氏硬度與洛氏硬度對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

維氏硬度：標(biāo)準(zhǔn)差1.85；平均值293；變異系數(shù)0.0063。

洛氏硬度：標(biāo)準(zhǔn)差0.95；平均值26.8；變異系數(shù)0.0354。

筆者對(duì)同一批管片螺栓樣品經(jīng)表面處理合格后檢測(cè)維氏硬度與洛氏硬度，維氏硬度數(shù)據(jù)的變異系數(shù)明顯低于洛氏硬度。由此可見(jiàn)，維氏硬度檢測(cè)方法較洛氏硬度檢測(cè)方法更加穩(wěn)定，準(zhǔn)確性更高。因此，本次研究活動(dòng)所采用的硬度試驗(yàn)方法是維氏硬度法。

2.2管片螺栓維氏硬度與抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究及對(duì)比分析

本次試驗(yàn)分為維氏硬度試驗(yàn)和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)的試件來(lái)自某大型工程一段時(shí)間內(nèi)所提供的直棒管片螺栓樣品（抗拉強(qiáng)度）和實(shí)際進(jìn)場(chǎng)的同生產(chǎn)批次管片螺栓樣品（維氏硬度），金屬材質(zhì)為45#碳素結(jié)構(gòu)鋼。

試驗(yàn)?zāi)康氖墙⒐こ虒?shí)際使用管片螺栓的金屬硬度與直棒管片螺栓樣品的抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，模擬工程中管片螺栓質(zhì)量檢測(cè)的實(shí)際情況。試驗(yàn)首先對(duì)實(shí)際管片螺栓樣品的表面進(jìn)行打磨處理，使之符合維氏硬度檢測(cè)的要求，再對(duì)試件進(jìn)行維氏硬度（HV30）試驗(yàn)，每組試件測(cè)量6點(diǎn)，取平均值；然后對(duì)直棒管片螺栓樣品進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，取平均值。本次試驗(yàn)共17組樣品，其中3組樣品（編號(hào)15、16、17）的抗拉強(qiáng)度值明顯高于大量樣本的強(qiáng)度區(qū)間，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析時(shí)未采用，并通過(guò)建立的關(guān)系曲線對(duì)這3組數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)性判斷，見(jiàn)表2。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制管片螺栓維氏硬度與抗拉強(qiáng)度散布圖，見(jiàn)圖1。（編號(hào)15、16、17數(shù)據(jù)未在本圖中顯示）。圖1中，抗拉強(qiáng)度分布在830 MPa至880 MPa之間，維氏硬度分布在260至295之間。在表3所示回歸分析結(jié)果中，不同回歸類型擬合優(yōu)度差別很小，筆者采用簡(jiǎn)單的線性擬合作出趨勢(shì)線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為y = 1.074x + 559.24；擬合優(yōu)度R2= 0.5742。

本次試驗(yàn)出現(xiàn)3組異常數(shù)據(jù)15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)，其抗拉強(qiáng)度超過(guò)900 MPa，均遠(yuǎn)超出普通樣本范圍。對(duì)于15號(hào)數(shù)據(jù)，按照實(shí)驗(yàn)線性回歸方程計(jì)算驗(yàn)證，當(dāng)維氏硬度（HV30）達(dá)到324時(shí)，抗拉強(qiáng)度計(jì)算值為907 MPa，略高于實(shí)際測(cè)量值904 MPa，誤差小于1%。由此可見(jiàn)，該組異常數(shù)據(jù)15號(hào)所代表批次的管片螺栓，其直棒樣品（小樣，用于檢測(cè)抗拉強(qiáng)度）與實(shí)際樣品符合程度較高，抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果可信度高。對(duì)于16號(hào)和17號(hào)數(shù)據(jù)，當(dāng)維氏硬度（HV30）達(dá)到275時(shí)，抗拉強(qiáng)度計(jì)算值為855 MPa，低于試驗(yàn)數(shù)值超過(guò)50 MPa，誤差大于10%。由此可見(jiàn)，16號(hào)、17號(hào)兩組異常數(shù)據(jù)所代表批次的管片螺栓，其直棒樣品與實(shí)際樣品符合程度較低，抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果可信度不足。

2.3管片螺栓硬度—抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線與標(biāo)準(zhǔn)換算關(guān)系曲線對(duì)比

圖1中標(biāo)準(zhǔn)換算趨勢(shì)線為利用GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》中關(guān)于調(diào)質(zhì)鋼的硬度-抗拉強(qiáng)度的換算表所繪制的散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為y = 3.1964x - 19，擬合優(yōu)度R2= 0.9999[5]。GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》中的換算關(guān)系是完全線性的，且與本次研究所得到的關(guān)系曲線差別較大。對(duì)于數(shù)據(jù)15號(hào)，當(dāng)維氏硬度為324時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)換算材料抗拉強(qiáng)度應(yīng)為1017 MPa，與實(shí)測(cè)904 MPa相差較大，誤差超過(guò)10%。由此可見(jiàn)，對(duì)于特定金屬產(chǎn)品，其硬度與抗拉強(qiáng)度呈明確的正相關(guān)性，但是這種關(guān)系比較復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)提供的換算依據(jù)僅能參考。

3結(jié)束語(yǔ)

金屬硬度與抗拉強(qiáng)度具有正相關(guān)性，但是對(duì)于特定產(chǎn)品，不能簡(jiǎn)單地通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬度與抗拉強(qiáng)度進(jìn)行換算，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)本次研究可以得出管片螺栓金屬硬度—抗拉強(qiáng)度的關(guān)系與GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》存在差異。

本次研究得到某工程使用的管片螺栓硬度-抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線，可以通過(guò)該特定產(chǎn)品的金屬硬度預(yù)測(cè)其抗拉強(qiáng)度。在建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)活動(dòng)中，可以通過(guò)檢測(cè)管片螺栓的金屬硬度來(lái)判斷其抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性和有效性。

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[5]金屬材料硬度值的換算：GB/T 33362—2016[S].

【作者簡(jiǎn)介】

李曉鈺，男，1992年出生，工程師，研究方向?yàn)榻ㄖこ藤|(zhì)量檢測(cè)。

（編輯：劉一童）