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橋梁鋼材的力學性能測試

futao 橋梁拆除 2019-07-18 4905 0
川渝拆除17713551981

橋梁鋼材的力學性能測試

一、橋梁工程用鋼材及其物理力學性能

(一)橋梁工程用鋼材的分類

按照鋼的化學成分、品質、冶煉方法和用途的不同,可對橋梁工程用的鋼材進行不同的分類。

1.按冶煉方法分類

按冶煉設備的不同,即煉鋼方法不同,分為平爐鋼、轉爐鋼和電爐鋼三大類。

我國大量的碳素鋼和低合金結構鋼都是在轉爐和平爐中煉制的。

2.按化學成分分類

按化學成分可以把鋼分為碳素鋼和合金鋼(低合金結構鋼實際是屬于合金鋼)兩大類。在鋼的化學成分中,碳元素對鋼的性能起主要作用,而其它元素(如硅、錳、硫、磷等)因含量不多,不起決定性作用的稱為碳素鋼。

碳素鋼分為普通碳素鋼和優質碳素鋼兩種。按其含碳量優質碳素鋼又分為低碳、中碳、高碳鋼。普通碳素鋼則分為甲類、乙類和特類鋼。優質碳素鋼按含錳量分為普通含錳量和較高含錳量兩種。

優質碳素鋼中,低碳鋼的含碳量小于0.25%,中碳鋼的含碳量在0.25%~0.26%之間,高碳鋼的含碳量在0.6%以上。優質碳素鋼必須同時保證鋼的化學成分和機械性能的要求。

普通碳素鋼按照所保證的技術條件,甲類鋼保證機械性能,也保證一定的化學成分;乙類鋼保證標準規定的化學成分含量,但不保證機械性能;特類鋼既保證機械性能,也保證化學成分的含量符合標準要求。

鋼的機械性能通常是指屈服強度、抗拉強度、伸長率和冷彎四項。

低合金結構鋼是在普通碳素鋼中加入少量(除鐵以外的其它元素的總量不超過3%)合金元素(如錳、硅、釩、鈦、銀、硼、稀土等)而成。這些元素的加入既改善了鋼的綜合性能,有時還可以使鋼具有某些特殊性能。用它代替普通碳素鋼,可以大大節約鋼材。含有一種或多種適量的合金元素,具有較好的或特殊性能的鋼稱為合金鋼。按其合金元素的總含量分為:

低合金鋼(合金元素總含量小于5%);

中合金鋼(合金元素總含量為5%~10%);高合金鋼(合金元素總含量大于10%)。

3.按品質分類

根據鋼中所含雜質的多少可分為普通鋼(包括甲類、乙類、特類)、優質鋼和高級優質鋼三類(高級優質鋼是在優質鋼后面加“A”表示)。高級優質鋼主要是將硫控制在0.020%~0.030%,磷含量控制在0.035%以內,對其它混入雜質限制更嚴。

4.按用途分類

鋼的用途與其形狀有關,所以按用途分類時實際上是按形狀來分類。

橋梁用鋼按其形狀分類可分為型材、棒材(或線材)和異型材(特種形狀)等三類。

型材主要包括型鋼和鋼板,主要用于大跨度鋼橋。

線材主要包括鋼筋、預應力鋼筋(絲)、高強鋼絲(包括橋梁纜索用鍍鋅鋼絲)和鋼絞線等,它是鋼筋混凝土橋梁建筑中使用的重要材料之一。

異型材是為特殊用途而制作的,如預應力混凝土橋梁中的錨具、夾具和大變形伸縮件中使用的異型鋼梁等。

(二)橋梁用鋼材的有關力學標準

我國的公路橋梁工程用鋼,按其用途主要分鋼橋用鋼和鋼筋混凝土橋梁用鋼兩大類。

1.鋼橋用鋼

鋼橋上使用的鋼材主要是低合金鋼,如16錳(16Mn)、16錳橋(16Mng)鋼均屬低合金鋼,現在16Mnq鋼已成為建造鋼橋主體結構的基本材料,最近幾年,15錳釩氮橋(15-

MnVNq)、14錳鋸橋(14MnNbq)等鋼種也得到了應用。

我國常用橋梁鋼的力學性能如表3-1-1所示,主要是各種不同型號的鋼板。

常用橋梁鋼的力學性能表3-1-1

常用橋梁鋼的力學性能表3-1-1

續表

續表

2.鋼筋混凝土橋梁用鋼

鋼筋混凝土橋梁用鋼可分為鋼筋、預應力混凝土用冷拉鋼筋、冷拔鋼絲、高強鋼絲、鋼絞線和精軋螺紋粗鋼筋。

1)鋼筋

鋼筋混凝土結構用鋼筋按其外形可分為光圓鋼筋和帶肋(螺紋)鋼筋兩類,螺紋鋼筋又分為人字形和螺旋形兩種。

鋼筋按力學性能分為四個等級,劃分標準如表3-1-2所示。

鋼筋的機械性能(GB13013-91,GB1499-98)表3-1-2

image.png鋼筋的機械性能(GB13013-91,GB1499-98)表3-1-2

注:參見《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》(GB13013-91)和《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》(GB1499-98)。

2)預應力混凝土用冷拉鋼筋和冷拔鋼絲

冷拉是鋼筋在常溫下受外力拉伸超過屈服點,以提高鋼筋的屈服極限、強度極限和疲勞極限的一種加工工藝。但冷拉后會降低鋼筋的延伸率、斷面收縮率、冷彎性能和沖擊韌性。

冷拔是用直徑6~8mm的普通碳素鋼筋條,把鋼筋用強力拉過比它本身直徑還小的硬質合金拉絲模,這時鋼筋同時受到縱向拉力和橫向壓力的作用,截面變小長度拉長,經過幾次拉絲,其強度比原來有極大提高。

冷拉鋼筋和冷拔鋼絲的力學性能要求如表3-1-3所示。

冷拉鋼筋和冷拔低碳鋼絲機械性能(GB1499-91)表3-1-3

冷拉鋼筋和冷拔低碳鋼絲機械性能(GB1499-91)表3-1-3

注:1.表中d為鋼筋直徑,直徑大于25mm的鋼筋,彎心直徑增加1d;

2.冷彎試驗后無裂紋、鱗落或斷裂現象;

3.鋼筋冷拉后,其表面不應發生裂紋。

3)預應力混凝土用鋼絲和鋼絞線

鋼廠用優質碳素結構鋼經過冷加工、再經回火、冷軋或絞捻等加工而成的高強度鋼絲或鋼絞線,塑性好、無接頭,使用方便、專供預應力混凝土結構使用。

按《預應力混凝土用鋼絲》(GB/T5223-95)的規定,鋼絲分為冷拉鋼絲(代號RCD)、消除應力鋼絲(代號S)、消除應力刻痕(代號SI)鋼絲3種;鋼絲直徑有3mm、4mm、5mm、

6mm、7mm、8mm和9mm等七種規格。其抗拉強度不小于1470MPa。

冷拉鋼絲的力學性能如表3-1-4所示。

冷拉鋼絲的尺寸及力學性能表31-4

冷拉鋼絲的尺寸及力學性能表31-4

注:規定非比例伸長應力a,0.2值不小于公稱抗拉強度的75%。

消除應力鋼絲的力學性能如表3-1-5所示。

按《預應力混凝土用鋼絞線》(GB/T5224-95)的規定,鋼絞線的直徑有9mm、12mm、

15mm等三種規格,由7根鋼絲絞捻成。整根鋼絞線的破壞荷載可達259kN,屈服荷載可達220kN(標準型)。

消除應力鋼絲的力學性能表3-1-5

消除應力鋼絲的力學性能表3-1-5

注:1.I級松弛即普通松弛,Ⅱ級松弛即低松弛,它們分別適用所有鋼絲;

2.屈服強度02值為不小于公稱抗拉強度的85%

預應力鋼絞線的力學性能如表3-1-6所示。

image.png

注:1.I級松弛即普通松弛級,Ⅱ級松弛即低松弛級,它們分別適用所用鋼絞線;

2.屈服負荷不少于整根鋼絞線公稱最大負荷的85%;

3.除非生產廠家另有規定,彈性模量取為195±10GPa,但不作為交貨條件;

4.《預應力混凝土用鋼絞線》(GB/T5244-1995)。

4)預應力混凝土用粗軋螺紋鋼筋

粗軋螺紋鋼筋是用熱軋方法直接生產的一種無縱肋的鋼筋,鋼筋的連接是在端部用螺紋套筒進行連接接長,其力學性能如表3-1-7所示。

精軋螺紋鋼筋力學性能表3-1-7

精軋螺紋鋼筋力學性能表3-1-7

注:①a為鋼筋直徑(mm),其規格一般為18mm,25mm,32mm,40nmm;d為彎心直徑;

②除非生產廠家另有規定,彈性模量取為2×10 MPa;

③冷彎指標不作為交貨條件。

(三)橋梁用鋼的主要力學性能

鋼材的主要力學性能,通常是指鋼廠生產供應的鋼材在標準條件下均勻拉伸、冷彎、沖擊和疲勞荷載等單獨作用下,顯示出的各種機械性能。

1.抗拉性能

拉伸作用是鋼材的主要受力形式。通過拉伸試驗可測定三個主要的強度指標,如圖3-1-1所示。第一個指標是彈性極限a,拉伸試件在卸載后沒有殘余變形,加載過程中出現的應變也很小。第二個指標是屈服強度a,(或稱屈服點),當應力在彈性極限與屈服強度之間時,試件開始出現塑性變形,卸載后有殘余變形。當應力達到屈服強度。,時,應力即使不再增大,應變卻會繼續擴大到一定程度。第三個指標是極限強度a。,當應力達到。時,試件就被拉斷。

2.冷彎性能

鋼材的冷彎性能,是衡量鋼材在常溫下彎曲加工產生塑性變形時對產生裂紋的抵抗能力的一項指標。鋼材的冷彎性能可在材料試驗機上通過冷彎試驗顯示出來。

3.沖擊韌性

鋼材的沖擊韌性,是指鋼材在沖擊荷載作用下斷裂時吸收能量的能力,它是衡量鋼材抵抗脆性破壞的力學性能指標。

4.耐疲勞性

鋼材若在交變應力(隨時間作周期性交替變更的應力)的反復作用下,往往在工作應力遠小于抗拉強度時發生驟然斷裂,這種現象稱為“疲勞破壞”。鋼材抵抗疲勞破壞的能力稱為耐疲勞性。

5.塑性

荷載作用下的鋼材,若在斷裂前產生較大的塑性變形,則稱此鋼材具有延展性,或稱此鋼材具有塑性。

鋼材的塑性常用靜力拉伸試驗中的伸長率和斷面收縮率來衡量。伸長率是鋼材受拉發生斷裂時所能承受的永久變形能力。試件拉斷后標準長度的增量與原標準長度之比的百分率即伸長率。斷面收縮率是指試件拉斷后縮頸處橫斷面積的最大縮減量占原橫斷面積的百分率。

圖3-1-2圓柱形拉伸試樣

圖3-1-2圓柱形拉伸試樣

6.硬度

硬度是鋼材抵抗其他較硬物體壓人的能力,實際上硬度為鋼材抵抗塑性變形的能力。測定鋼材硬度常用的方法有布氏法、洛氏法和維氏法,相應的作為硬度指標有布氏硬度(HB),洛氏硬度(HR)和維氏硬度(HV)。硬度常用于檢查鋼材質量和確定合理的加工工

圖3-1-3階梯形拉伸試樣頭部

圖3-1-3階梯形拉伸試樣頭部

圖3-1-4螺紋形拉伸試樣頭部

圖3-1-4螺紋形拉伸試樣頭部

二、拉伸試驗

拉伸試驗可測定材料的屈服強度。,、極限強度a。、伸長率。和斷面收縮率,它們是最富有代表性的材料力學性能的四個指標。本節中所涉及的材料強度等力學性能指標的概念,只適用于在室溫下用光滑試樣進行普通拉伸試驗的測試結果,即拉斷前載荷緩慢增加。溫度、應力和加載速度對材料的力學性能有一定的影響,所以試驗時這三個條件應按《金屬拉伸試驗方法》(GB228-87)中規定執行。

1.試樣

試樣可制成圓形或矩形截面。試樣中段用于測量拉伸變形,此段的長度lo稱為標距。兩端較粗的部分是頭部,為裝入試驗機夾頭中傳遞拉力之用。試樣頭部形狀可根據試驗機夾頭的要求而定,可制成圓柱形(圖3-1-2)、階梯形(圖3-1-3)或螺紋形(圖3-1-4)。試樣兩頭部之間的均勻段長度1應大于標距1。,均勻段長度稱為平行長度,用符號l表示(圖3-1-2)。

試驗表明,試樣的尺寸和形狀對試驗結果具有一定的影響。為了避免這種影響和便于各種材料機械性質的數值能互相比較,國家對試樣的尺寸和形狀定出了統一規定。《金屬拉伸試驗方法》(GB228-87)中將拉力試樣分為比例試樣和非比例試樣兩種。比例試樣是指標距長度與橫截面面積間具有下列關系的試樣。

lo=K√A(3-1-1)

式中系數K通常為5.65和11.3,前者稱為短試樣,后者稱為長試樣。因此,直徑為do的短、長圓形試件的標距長度。分別等于5do和10do。非比例試樣的標距與其橫截面間無上述一定關系,而是根據制品(薄板、薄帶、細管、細絲、型材等)的尺寸和材料的性質給以規定的平行長度l和標距長度l0。

2.試驗設備(1)試驗機

各種類型試驗機均可使用,試驗機應備有調速指示裝置和記錄或顯示裝置。試驗機誤差應符合《拉力、壓力和萬能材料試驗機檢定規程》(JG139-83)或《小負荷材料試驗機檢定規程》(JIG157-83)的1級試驗機要求。試驗機應由計量部門定期進行檢定。試驗時所使用力的范圍應在檢定范圍內。

(2)引伸計

引伸計(包括記錄器或指示器)應進行標定,標定時引伸計的工作狀態應盡可能與試

驗時的工作狀態相同。引伸計的標定與分級方法參照《金屬拉伸試驗方法》(GB228一87)。經過標定的引伸計,在日常試驗前應注意檢查,當引伸計經過檢修或發現異常,應按規定重新進行標定。

3.試驗步驟

首先測量試樣標距兩端和中間這三個截面處的尺寸,對于圓試樣,在每一橫截面內沿互相垂直的兩個直徑方向各測量一次,取其平均值。用測得的三個平均值中最小的值計算試樣的橫截面面積Ao。

從手冊中查得材料強度極限o。和量得的橫截面面積Ao,估計試驗中要加的最大載荷,并由此選擇合適的測力量程,同時調整好自動記錄裝置。

將試樣安裝在試驗機上,開動試驗機進行緩慢勻速加載。加載速度應根據材料性質和試驗目的確定。

(1)測定規定非比例伸長應力、規定殘余伸長應力和規定總伸長應力時,彈性范圍內的應力速率應符合表3-1-8規定,并保持試驗機控制器固定于該速率位置上,直至該性能測出為止。

材料的彈性模量與加載速率表3-1-8

材料的彈性模量與加載速率表3-1-8

(2)測定屈服點和上屈服點時,屈服前的應力速率按表3-1-8規定,并保持試驗機控制器固定于該速率位置上,直至該性能測出為止。

(3)測定下屈服點時,平行長度內的應變速率應在(0.00025~0.0025)s1之間,并應盡可能保持恒定。如不能直接控制這一速率,則應通過調節在屈服開始前的應力速率將其固定,直至屈服階段過后。但彈性范圍內的應力速率不得超過表3-1-8所允許的最大速率。

(4)屈服過后或只需測定抗拉強度及最大力下或斷后伸長率時,試驗機兩夾頭在力作用下的分離速率應不超過0.5L。/min,其中L。是試樣兩頭部或兩夾持部分(不帶頭試樣)之間的平行長度。

加載時記錄屈服載荷P,及最大載荷P。等,直至試樣拉斷。

取下試樣,將斷成兩段的試樣斷口對齊并盡量靠緊,測量拉斷后的標距長度1及頸縮處的直徑d(對于延性材料)。測量直徑的方法和測量試件的初始直徑一樣,取其最小值計算出斷口處的最小橫截面面積A1。

4.試驗結果與分析

(1)根據屈服載荷P,和最大載荷P。計算屈服極限a,和強度極限o。,即

:(3-1-2)

.=6=然(3-1-3)

(2)根據試樣斷裂前、后標距長度和頸縮處的橫截面面積計算伸長率和截面收縮率y,即

8=';10× 10%(3-1-4)y=40-A,

×100%(3-1-5)A0

(3)試驗曲線的分析如下:

低碳鋼是工程中使用最廣的鋼材,這種金屬材料在拉伸試驗中表現出來的力學性能最為典型。現以低碳鋼的試驗曲線反映出來的力學性能為例,作如下簡要分析。

圖3-1-5a)是試驗中記錄的載荷-位移(p-△l)曲線。為了消除試樣尺寸的影響,用拉力p除以試樣的初始截面面積Ao,得到試樣橫截面上的正應力。=P/Ao;同時,把伸長量Al除以標準的原始長度l,得到試樣在工作段內的應變e=Al/l,從而得到圖3-1-

5b)所示的應力-應變(o-e)曲線。

圖3-1-5低碳鋼的拉伸曲線

圖3-1-5低碳鋼的拉伸曲線

a)載荷-位移曲線;b)應力-應變曲線ab為彈性變形階段。b點對應的應力a。稱為彈性極限。其中oa段表示應變和應力成正比。a點對應的應力稱為比例極限。工程中對彈性極限和比例極限并不嚴格區分。

bcd段為屈服階段。在屈服階段內的最高應力和最低應力分別稱為上屈服極限和下屈服極限,通常把下屈服極限稱為屈服極限。,或流動極限。

de段為強化階段。過屈服階段后,材料又恢復了抵抗變形的能力。要使它繼續變形就必須增加拉力,這種現象稱為材料的強化。強化階段中的最高點e對應的應力是材料所承受的最大應力,稱為強度極限a。。

ef段為局部變形階段。e點以后試樣出現頸縮現象。此時,頸縮處的截面面積突然減小,總載荷不斷降低(實際應力并未降低),變形仍然繼續進行,直至f點試樣斷裂。因為應力達到強度極限后,試樣出現頸縮現象,隨后即被拉斷,所以強度極限o。是衡量材料強度的一個重要力學性能指標。

三、壓縮試驗

通過壓縮試驗,可以測得材料的壓縮模量、應力-應變曲線、屈服強度和壓縮強度。

工程檢測中,常常只對脆性材料進行壓縮試驗,測定壓縮強度極限。。,因為脆性材料抗拉能力較差,一般只用來制造承壓構件。

圖3-1-6鑄鐵壓縮過程的 應力-應變曲線

圖3-1-6鑄鐵壓縮過程的應力-應變曲線

鑄鐵材料的壓縮試驗一般將試樣加工成圓柱形,其高度ho與直徑d。之比為1s架s3試驗裝置和試驗方法基本上與拉伸試驗相同,加載方向與拉伸時相反。圓柱形試樣的下端應當用球形承墊。當試樣兩端面稍有不平行時,球形承墊可起調節作用,使壓力通過試樣的軸線。對于薄板壓縮試樣,要設計專用夾具,防止試樣縱向失穩

鑄鐵壓縮過程的應力-應變曲線如圖3-1-6所示。用鑄鐵試樣進行壓縮試驗時,達到最大載荷P。前會出現一定量的塑性變形,然后才發生破裂,鑄鐵的壓縮強度極限。。是將P。除以試驗前試樣的橫截面面積A。,即小=元(3-1-6)四、硬度試驗

材料的硬度是材料力學性能的主要指標之一。試驗研究表明,金屬的硬度和其他力學性能指標有一定關系,如鋼的拉伸強度極限。與布氏硬度HB有如下關系a。=3.62HB(MPa)(HB<175)(3-1-7a)aA=3.45HB(MPa)(HB>175)(3-1-7b)

對于灰鑄鐵,則

o.=期40(MPa)(3-1-8)

HB-

由此可以看出,用測量硬度的辦法不用破壞桿件即可得到該材料的強度數據。所以,在工程檢測中,測量材料的硬度也顯得非常重要。

硬度是表示材料抵抗他物壓入的能力,同時也表示抵抗彈性變形、塑性變形和破壞的能力。硬度測試可分為壓入法、彈跳法和刻線法。下面介紹常用的壓入法,即測量材料的布氏硬度和洛氏硬度。

1.布氏硬度的測試方法

用規定的壓力p(N),把直徑為D(mm)的標準鋼球(壓陷器)壓入材料內,如圖3-1-7所示,并保持一定時間,卸載后,測量殘留在材料表面的凹痕直徑d(mm),按下式計算材

料的布氏硬度值HB

10p(MPa)

HB=元D

′(D-VD2-d2)

(3-1-9)試驗用鋼球直徑及試樣應符合表3-1-9和表3-

1-10的要求。

試樣厚度應不小于壓痕深度的10倍,壓痕深

度(h,mm)按下式計算

h=元.d·H麗(3-1-10a)

試樣厚度應不小于壓痕深度的10倍,壓痕深

度(h,mm)按下式計算

h=-d-面(3-1-10b)布氏硬度試驗的基本條件是載荷p和鋼球直徑D必須恒定,所得數據才能進行比較。因此p和D必須事先規定。但由于實際金屬有硬有軟,所試工件有厚有薄,如果只采用一組標準的載荷p和鋼球直徑D,就可能僅對于硬金屬適合,而對于軟金屬不適合,會發生整個鋼球全部陷入金屬內的現象;或者對于厚的工件適合,對于薄的工件會出現壓透的現象。此外,工件有寬有窄,有的工件不允許表面有過大的壓痕;而且壓窩直徑和鋼球直徑的比值太大或太小都將使硬度值不夠準確,只有兩個直徑比在一定范圍內才能得到可靠的硬度數據。因此,在生產上實際應用布氏硬度試驗時,就要求不只采用一組載荷p和鋼球直徑D,而要求有不同的載荷p和不同的鋼球直徑D。對于同一種材料,當采用不同p和D進行試驗時,如何能保證得到同樣的布氏硬度值。根據相似性原理可以推出,不論采用多大的載荷p和何種直徑D的鋼球,只要能滿足p/D2=常數,則對同一材料而言所得HB值是一樣的,并且,對不同材料而言,所得HB值是可以進行比較的。

圖3-1-7布氏硬度測量原理及布氏硬度試驗機簡圖a)測量原理;b)試驗機簡圖

圖3-1-7布氏硬度測量原理及布氏硬度試驗機簡圖a)測量原理;b)試驗機簡圖

鋼球直徑尺寸公差表3-1-9

鋼球直徑尺寸公差表3-1-9

試驗用試樣尺寸表3-1-10

試驗用試樣尺寸表3-1-10

硬度測試中應注意以下幾點:

(1)在檢驗單上記載材料的布氏硬度時,一定要標出試驗條件。例如,若采用D=

10mm的鋼球,壓力p=3000N,保持時間為30s,測得的硬度值為138,則記為HB(10/3000/

30)=138;

(2)試驗時,凹痕直徑d應在0.2D~0.6D(D為鋼球直徑)范圍內,否則應改換試驗標準,重新測量,凹痕中心離試樣邊緣不應小于D,兩相鄰的凹痕中心之間的距離應大

于2D畫工時曲資詩雨姑刻雖菌解為首者,工誠套名香批林陪飲需常動中騎(3)按規定標準進行多次測試,測量次數依被測表面面積而定,且應均勻布點。取各次測試結果的平均值作為材料的硬度值;

(4)太硬的材料(HB>450)不宜測布氏硬度值,應改測其洛氏硬度值。呈山機因

2.洛氏硬度的測試方法

洛氏硬度的測試原理如圖3-1-8所示。先用100N的初壓力將具有標準形狀的壓陷器(金剛鉆圓錐或小圓鋼球)壓入試樣,使其達到1-1位置,再施主壓力至2-2位置,然后卸掉主壓力(初壓力不卸),壓陷器彈回到3-3位置。根據1-1和3-3位置的壓入深度之差,按下式計算洛氏硬度值HR

image.png

圖3-1-8洛氏硬度測量原理及洛氏硬度試驗機簡圖a)測量原理;b)試驗機簡圖

1-指示表;2-試樣;3-支持臺;4-手輪;5-緩沖油缸;6-重陀;7-壓陷器;8-彈簧HR=C-五環碰,編課變(3-1-11)式中,h為1-1和3-3位置的壓入深度之差(mm);n=0.002mm(常數);C也是一常數;用鋼球壓陷器時,C=130;用金鋼鉆壓陷器時,C=100。

表3-1-11列出了洛氏硬度的試驗規范及三種不同條件下進行試驗用的洛氏硬度符號。

洛氏硬度試驗規范表3-1-11

洛氏硬度試驗規范表3-1-11

五、冷彎試驗

冷彎是橋梁鋼材的重要工藝性能,用以檢驗鋼材在常溫下承受規定彎曲程度的彎曲變形能力,并顯示其缺陷。

工程中經常需對鋼材進行冷彎加工,冷彎試驗就是模擬鋼材彎曲加工而確定的。通過冷彎試驗不僅能檢驗鋼材適應冷加工能力和顯示鋼材內部缺陷(如起層,非金屬夾渣等)狀況,而且由于冷彎時試件中部受彎部位受到沖頭擠壓以及彎曲和剪切的復雜作用,因此也是考察鋼材在復雜應力狀態下發展塑性變形能力的一項指標。所以,冷彎試驗對鋼材質量是一種較嚴格的檢驗。

1.試樣

試樣的橫截面為圓形、方形、長方形或多邊形。樣坯的切取位置和方向應按照相關產品標準的要求。試樣應通過機加工去除由于剪切或火焰切割等影響了材料性能的部分。試樣表面不得有劃痕和損傷。方形、長方形和多邊形橫截面試樣的棱邊應倒圓,倒圓半徑不超過試樣厚度的1/10。棱邊倒圓時不應形成影響試驗結果的橫向毛刺,傷痕或刻痕。

試樣的寬度、厚度(或直徑)應按照相關產品的要求,如未具體規定,應按《金屬材料彎曲試驗方法》(GB/T232-1999)中的有關規定辦理。

試樣的長度應根據試樣厚度和所使用的試驗設備確定。當采用圖3-1-9~3-1-12的方法時,可以按照下式確定。

L=0.5x(d+a)+140(mm)(3-1-12)

式中:x——圓周率,其值取3.1;d——彎曲壓頭或彎心直徑;a——試樣厚度或直徑或多邊形橫截面內切圓直徑。

2.試驗原理及試驗設備

冷彎試驗是以圓形、方形、長方形或多邊形橫截面試樣在圖3-1-9~3-1-12所示的彎曲裝置上經受彎曲塑性變形,不改變加力方向,直至達到規定的彎曲角度。然后卸除試驗力,檢查試樣承受變形性能,通常檢查試樣彎曲部分的外面、里面和側面,若彎曲處無裂紋、起層或斷裂現象,即可認為冷彎性能合格。

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圖3-1-9支輥式彎曲裝置

彎曲試驗可在壓力機或萬能試驗機上進行。壓力機或萬能試驗機上應配備彎曲裝置。常用彎曲裝置有支輥式(圖3-1-9)、V形模具式(圖3-1-10)、虎鉗式(圖3-1-11)、翻板式(圖3-1-12)等四種。上述四種彎曲裝置的彎曲壓頭(或彎心)應具有足夠的硬度,支輥式的支輥和翻板式的滑塊也應具有足夠的硬度。

圖3-1-10V形模具式彎曲裝置

圖3-1-10V形模具式彎曲裝置

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圖3-1-11虎鉗式彎曲裝置

圖3-1-12翻板式彎曲裝置1-翻板;2-耳軸;3-滑塊

圖3-1-12翻板式彎曲裝置1-翻板;2-耳軸;3-滑塊

3.試驗步驟與要求

以采用支輥式彎曲裝置為例介紹試驗步驟與要求。

(1)試樣放置于兩個支點上,將一定直徑的彎心在試樣兩個支點中間施加壓力,使試樣彎曲到規定的角度,或出現裂紋、裂縫、斷裂為止。

(2)試樣在兩個支點上按一定彎心直徑彎曲至兩臂平行時,可一次完成試驗,也可先

按(1)彎曲至90°,然后放置在試驗機平板之間繼續施加壓力,壓至試樣兩臂平行。

(3)試驗時應在平穩壓力作用下,緩慢施加試驗力。

(4)彎心直徑必須符合相關產品標準中的規定,彎心寬度必須大于試樣的寬度或直徑,兩支輥間距離為(d+3a)±0.5a,并且在試驗過程中不允許有變化。

國家標準《碳素結構鋼》(GB700-88)中對于厚度(直徑)a≤60mm的0235鋼材規定如下:試樣寬度B=2a,彎心直徑d=a(縱向試樣,對型鋼)、1.5a(橫向試樣,對鋼板和鋼帶)。

(5)試驗應在10~35℃下進行,在控制條件下,試驗在(23±5)℃下進行。

(6)卸除試驗力以后,按有關規定進行檢查并進行結果評定。

六、沖擊試驗1.試驗方法

拉伸、壓縮和硬度試驗都屬于靜載試驗。用靜載試驗測得的力學性能指標不能反映動載條件下,尤其是變形速度很大的急劇加載情況下材料的力學性能。工程中常用“沖擊韌度”表示材料抵抗沖擊的能力。測量材料的沖擊韌度通用的方法是一次性沖擊試驗法。

一次擺錘沖擊彎曲試驗是將按規定尺寸加工成的標準試樣放在沖擊試驗機的支架上,然后將升高到規定角度、具有一定位能的擺錘釋放向下擺,將試樣沖斷。試樣折斷消耗的能量等于擺錘原來的位能(在a角處)與其沖斷試樣后在另一側揚起位置(在B角處)時的位能之差。沖擊試驗機的簡圖和擺錘沖擊前后的位置如圖3-1-13所示。將沖擊試樣擺錘消耗的能量U除以試樣缺口處的截面面積A之商定義為材料的沖擊韌度ak

=y(N-m/cn?)(3-1-13)

圖3-1-13沖擊試驗機簡圖和試驗原理圖

圖3-1-13沖擊試驗機簡圖和試驗原理圖

2.試樣

沖擊試驗對試樣有嚴格的要求。對于金屬材料,常用的有兩種,即圖(3-1-14a)所示的梅氏沖擊試樣和圖(3-1-14b)所示的夏比沖擊試樣。缺口的形狀和加工質量對試驗結果的影響很大,所以缺口一般應當用銑削和磨削加工,以保證試樣尺寸準確。

圖3-1-14沖擊試樣

圖3-1-14沖擊試樣

ak對材料品質、內部缺陷和晶粒大小等比較敏感,加之沖擊試驗簡便易行,所以常用來檢驗材質內部缺陷、脆性程度等;此外,沖擊韌度對低溫更為敏感。因此,常用來測定材料在低溫下的沖擊韌度,以鑒別材料的低溫冷脆程度。

七、疲勞試驗

工程實際中有許多構件,如轉軸、齒輪、彈簧等都是在交變載荷下工作的。實踐表明,構件在交變應力下的破壞形式與靜載荷下全然不同。在交變應力下,雖然最大應力低于屈服極限,長期重復之后,也會突然斷裂。即使是塑性較好的材料,斷裂前也沒有明顯的塑性變形。這種破壞現象習慣上稱為疲勞破壞。對疲勞破壞的一般解釋如下:由于構件的形狀和材料不均勻等原因,構件某些局部區域的應力特別高。在長期交變應力作用下,于上述應力特別高的局部區域,逐步形成微觀裂紋。裂紋尖端一般處于三向拉伸應力狀態下,不易于出現塑性變形。當裂紋逐步擴展到一定限度時,便可能驟然迅速擴展,使構件截面嚴重削弱,最后沿嚴重削弱了的截面發生突然脆性斷裂。

疲勞破壞往往是在沒有明顯預兆的情況下突然發生的,從而造成嚴重事故。據統計,橋染構件的損壞大部分是疲勞破壞。因此,對在交變應力下工作的構件材料進行疲勞試驗是非常必要的。

1.疲勞極限的概念

構件在交變應力下工作時,應力每重復變化一次,稱為一次應力循環,重復變化的次數稱為循環次數。應力變化的情況可用應力隨時間變化的曲線表示。交變應力的最大應力與最小應力之比稱為交變應力的循環特性,用p表示,即

omzp=g圖3-1-15表示一般情況下的交變應力a-t曲線。

圖中,o。、g。分別表示平均應力和應力幅值,即0a=號(qmm + om)(3-1-15a)

Q0=號(ocm-ocm)(3-1-15b)

由以上兩式可知

omw =0n +o。(3-1-16a)

Can=am-。(3-1-16b)

當dc.=-q時,稱為對稱循環,此時

p=-1a。=0a。=mm除對稱循環外其他應力循環統稱為非對稱循環。非對稱循環的平均應力a。子0,由式(3

-1-16)可知,任何一種非對稱循環都可以視為靜應力。。和幅值為a。的對稱循環疊加的結果。交變應力下材料的屈服極限或強度極限等靜強度指標已不能作為疲勞強度的指標。交變應力下,材料的強度指標應重新確定。試驗表明,在給定的交變應力下,必須經過一定次數的循環,才可能發生疲勞破壞,而且在同一循環特性下,交變應力的最大應力越大,破壞前經歷的循環次數越少;反之降低交變應力中的最大應力,便可使破壞前經歷的循環次數增加。在最大應力減小到某一臨界值時,試件可經歷無窮多次應力循環而不發生疲勞破壞,該臨界值稱為材料的持久極限或疲勞極限。

2.金屬材料疲勞極限的測試

1)用純彎曲疲勞試驗測定疲勞極限

測定疲勞極限最常用的方法,是在純彎曲變形下,測定對稱循環的疲勞極限。純彎曲疲勞試驗簡圖如圖3-1-16所示。在載荷作用下試件中間部分為純彎曲,當試件繞軸線旋轉時,每旋轉一周,橫截面上的點便經受一次對稱的應力循環。

試驗時通常采用光滑小試樣,每組6~10根,第一根試樣上施加的應力a約等于強度極限a。的60%左右,經過一定循環次數N,后,試樣斷裂,然后使第二根試樣的。…2略低于第一根試樣的c1,求出第二根試樣斷裂時的循環次數N,。這樣逐步降低最大應力的數值,得出對應于每個m的試樣斷裂時的循環次數N。以am為縱坐標,N為橫坐標,將試驗結果描成一條曲線,稱為疲勞曲線或.-N曲線(圖3-1-17)。由疲勞曲線可知:試樣斷裂前所能經受的循環次數N,隨am的減小而增大。疲勞曲線最后逐漸趨近于水平,其水平漸近線的縱坐標。1,就是材料的持久極限。

顯然,持久壽命趨于無限長時,其所對應的最大應力就是材料的持久極限。實際上,試驗不可能無限期地進行下去,一般規定一個循環次數N。來代替無限長的持久壽命,該規定的循環次數N。稱為循環基數。

對鋼和鑄鐵等黑色金屬材料而言,試件經受10’次循環后,如尚未斷裂,則可以認為

圖3-1-15交變應力a-t曲線

圖3-1-15交變應力a-t曲線

再增加循環次數,試件也不會斷裂,所以通常取No=2×100~2×107次,作為循環基數。

圖3-1-16純彎曲疲勞試驗及其彎矩圖

圖3-1-16純彎曲疲勞試驗及其彎矩圖

圖3-1-17-N曲線

圖3-1-17-N曲線

2)試驗中應注意的事項

(1)每個試樣裝好后,都必須進行偏擺檢查,靜態檢查用手旋轉試樣,并用磁座千分表的測量桿頂住主軸上表面,偏差不得大于士0.01mm。空載開動試驗機,其偏差不得大于±0.03mm。

(2)已經試驗過但未折斷的試樣,決不允許再在其它應力條件下進行疲勞試驗。

(3)斷于圓弧處或斷口處有明顯可見的冶金缺陷的試樣,試驗結果無效。

(4)測疲勞極限時,按規定取樣的數量不得少于6根。

(5)金屬試樣一般采用直徑為8~10mm的光滑小試樣。試樣外形尺寸無統一標準規定,一般依試驗機的結構而定。因為原材料端部的力學性能較差,不能代表材料的實際力學性能,故切忌使用邊角料制作試樣。鍛造或軋制的原材料縱、橫方向的力學性能有明顯差異。因此,一組試樣毛坯的切取方向應相同。由于試樣表面粗糙度等對試驗結果有較大的影響,所以,加工條件也應盡量完全一樣。試樣表面都要經過磨光,圓角處應光滑過渡,表面不應有任何切削刀痕,以免影響試驗結果。

八、有關線材的幾項試驗

線材是指直徑d。為3~15mm的截面為圓形的鋼材,如鋼筋、預應力鋼筋(絲)、高強度鋼絲(含橋梁纜索用鍍鋅鋼絲)等。

線材的試驗,主要包括拉伸試驗、塑性及冷彎性試驗,其試驗方法與一般鋼材試驗沒有原則的區別。

1.鋼筋

1)基本要求及取樣

鋼筋進貨應有出廠質量證明單或試驗報告單,每捆(盤)均應有標示牌,進場材料應按不同鋼種、等級、牌號、規格及生產廠家分批驗收,并按規定截取試樣抽驗,合格后方可使用。

試樣系從外觀檢查合格線材的任意部位截取。切取試樣時,不應使試樣標距部分受到損傷,加熱或冷加工而改變金屬的性能。試樣的標距長度l。為100mm或200mm當試樣標距長度1。為100mm時,試樣的總長度L應使試驗機兩夾頭間距不小于150mm。

2)常規抽驗項目及基本方法

(1)屈服強度和抗拉強度

鋼筋拉伸試驗在試驗機上進行時,對于有明顯屈服現象的材料,其屈服點可以借助于試驗機測力度盤的指針或拉伸曲線來確定,當測力度盤的指針停止轉動后恒定負載或第一次回轉的最小負荷即為所求屈服點的荷載,屈服強度的計算同式(3-1-2)。抗拉強度是向試件連續加荷直至拉斷,由測力度盤或拉伸曲線上讀出最大負荷P。,抗拉強度(a。)的計算同式(3-1-3)。

(2)塑性

鋼筋的塑性一般可進行伸長率抽驗,當試樣拉斷后標距長度的增量與原標距長度之比的百分率即為伸長率,伸長率()以%表示,計算同式(3-1-4)。

(3)冷彎性能試驗

它是鋼筋在常溫條件下進行的一項工藝性試驗。用于檢驗鋼筋試樣環繞彎心彎曲至規定角度是否有裂紋、起層或斷裂等現象,若無則認為合格。如鋼筋含碳、磷量較高或受過不正常的熱處理,則冷彎試驗往往不能合格。

鋼筋彎曲是以其規定的彎心半徑、彎曲角度和反復彎曲次數,采用彎曲機或圓口臺鉗等設備進行。彎心半徑與鋼筋的直徑有關,選擇不當對彎曲試驗的結果影響甚大。因此,彎心半徑必須符合《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》(GB1499-1998)、《鋼筋混凝土用熱軋圓鋼筋》(GB13013-91)中的有關規定。

(4)鋼筋接頭及加工允許偏差檢測

鋼筋接頭一般應采用焊接,縱向焊接應優選閃光對焊,也可以采用電弧焊(幫條焊、搭接焊、熔槽幫條焊等)。

鋼筋接頭的檢驗,焊接前必須根據施工條件進行試焊,按不同的焊接方法至少抽取每組3個試樣進行基本力學性能檢驗,取樣及檢驗內容應符合表3-1-12和表3-1-13的規定。

2.預應力鋼絲

鋼筋焊接接頭的檢驗標準表3-1-12

鋼筋焊接接頭的檢驗標準表3-1-12

續表

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鋼筋電弧焊接頭尺寸偏差及缺陷允許值表3-1-13

鋼筋電弧焊接頭尺寸偏差及缺陷允許值表3-1-13

注:1.d為鋼筋直徑,單位mm;

2.低溫焊接接頭的咬邊深度不得大于0.2mm。

預應力鋼絲的試驗主要包括拉伸、冷彎、松弛試驗三項。

鋼絲的拉伸試驗按《金屬拉伸試驗方法》(GB228-87)的規定進行。

鋼絲的冷彎試驗按《金屬線材反復彎曲試驗方法》(GB238-84)的規定進行。鋼絲的松弛試驗要求如下:①試驗期間試樣的環境溫度應保持在(20±2)℃的范圍的;②試樣制備后不得進行任何熱處理和冷加工;③加在試樣上的初始負荷是公稱抗拉強度的60%、70%或80%乘以鋼絲的公稱面積;④初始負荷應在3~5min內均勻施加完畢,對于I級松弛保持2min,對于Ⅱ級松弛保持1min后開始記錄松弛值;⑤試樣標距長度不小于公稱直徑的60倍。

3.橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲

熱鍍鋅鋼絲的試驗主要包括拉伸、松弛、疲勞、纏繞試驗四項。

拉伸試驗和松弛試驗與預應力鋼絲基本相同。

纏繞試驗按《金屬線材纏繞試驗方法》(GB2976-88)的規定進行,但纏繞速度不大于15圈/min。

疲勞試驗是使試樣承受兩種載荷(預定的脈動拉伸最大載荷和最小載荷)之間的脈動拉伸應力至規定次數,考察試樣耐疲勞性能。

疲勞試驗的具體要求如下:①兩夾具之間的試樣的最小長度為140mm;②加載時的最大應力為0.45,應力幅值為360MPa;③試驗的全過程中,脈動拉伸的最大應力和最小應力應保持恒定應力的靜態測量精度應達到士1%;④應力頻率取值為3.3~167Hz,循環次數可相差1°。

4.線材的反復彎曲試驗

該項試驗的目的是用以檢驗金屬線材的耐反復彎曲性能,并顯示其缺陷。

線材的反復彎曲試驗按《金屬線材反復彎曲試驗法》(GB238-84)進行。


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