材料拉伸力學性能及工程應用

王艷紅

(軍事交通學院 基礎部 天津 300161)

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材料拉伸力學性能及工程應用

王艷紅

(軍事交通學院 基礎部 天津 300161)

為給教研和工程技術人員提供參考，將工程實際中的鋼筋檢測項與材料力學教學中的材料拉伸時的力學性能相結合，闡述了標準試件、4種伸長率和冷作硬化的概念，以及屈服強度和抗拉強度的判定方法、伸長率的測量方法，并介紹其在工程中的應用。

標準試件；屈服強度；抗拉強度；伸長率；冷作硬化

根據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》的規定，鋼筋在進場和調直后需要進行力學性能和質量偏差的檢驗，這屬于原材料的主控項目，是必檢項目。其中力學性能包括抗拉強度、屈服強度、伸長率和冷彎性能，而前3項性能又與材料力學教學的拉伸試驗息息相關。本文將工程實際中的鋼筋檢測項與材料力學教學中的材料拉伸時的力學性能相結合，對工程技術人員而言，可以更清楚地掌握鋼筋材料檢測的原理，而對于教研人員則可以了解其在工程中的應用[1-2]。

1　標準試件與鋼筋檢測的取樣長度

1.1標準試件

標準試件是保證文字標準有效實施的實物標準，它是標準的另一種存在形式，與文字標準合在一起構成完整的標準形態，是文字標準的必要補充，是標準工作一個不可分割的組成部分。標準試件具有自己本身的特點，它是具有一種或多種“足夠均勻”的和“很好確定了的”特性值的材料或物質。“足夠均勻”的特點保證了技術標準應用效果在不同空間應用的一致性，“很好確定了的”特點還有另外一層含義，就是標準樣品應具有足夠的穩定性，以保證標準試件所確定的標準值的可靠性。

1.2標準拉伸試件的尺寸和類型

圖1　標準試件類型

1.3鋼筋檢測的取樣長度

鋼筋抗拉試件的取樣長度以能準確、方便地測定其力學性能指標為原則。在取樣時，其標距的計算采用上述圓截面標準試件的標距：熱扎帶肋鋼筋和熱軋光圓鋼筋為5倍公稱直徑(l=5d)，熱軋圓盤條為10倍公稱直徑(l=10d)。這樣，鋼筋抗拉試件的長度起碼不得小于“標距與2倍夾具長度之和”。不同的試驗機其夾具長度不同，假定試驗機夾具長度為100 mm，則鋼筋抗拉試件的長度起碼不得小于“5d+200 mm”(圓盤條為“10d+200 mm”)，下稱“最小長度”。在試件長度不小于最小長度的前提下，根據不同試驗機的具體情況以及便于夾持和測量伸長率的原則，靈活地確定鋼筋試樣的長度[3]。鋼筋拉伸取樣標準見表1。

表1　鋼筋原材料拉伸試驗標準

表1(續)

2　屈服強度、抗拉強度的測定

2.1屈服強度

對于有明顯屈服極限的材料，按照《金屬材料拉伸試驗》[4]的定義，在曲線上判定上屈服強度和下屈服強度的位置點。試樣發生屈服而應力首次下降前的最大應力為上屈服強度。判定下屈服強度時要排除初始瞬時效應的影響，在屈服期間，不計初始瞬時效應的最小應力為下屈服強度。下屈服強度判定的原則：屈服階段中如呈現2個或2個以上的谷值應力，舍去第一個谷值應力(圖2(a)、(b)中的D點)，取其余谷值應力中最小者判為下屈服強度。如只呈現一個下降谷值應力，此谷值應力判為下屈服強度(如圖2所示)。劉鴻文在《材料力學》[5]中仍采用87版標準，將屈服階段第一個谷值應力判為下屈服強度，并以此為屈服點，顯然沒有排除初始瞬時效應的影響。

對于拉伸曲線無明顯屈服現象的鋼筋，其屈服強度為試樣在拉伸過程中標距部分的殘余伸長達到原標距長度的0.2%時的應力，此即為規定殘余延伸強度，另外還可以根據總延伸率和塑性延伸率確定屈服強度，此處不再詳細說明。

圖2　不同類型曲線的上屈服強度和下屈服強度

2.2抗拉強度

舊標準(GB/T 228.1—87)中，測定抗拉強度比較簡單，拉伸試驗過程中的最大應力即是抗拉強度。新標準(GB/T 228.1—2010)對抗拉強度的定義與舊標準有所不同，在判定抗拉強度時，不能完全照搬過去習慣的判定方法，應根據記錄得到的曲線圖按照定義判定最大應力。對于連續屈服類型，試驗過程中的最大應力判為最大應力σm；對于不連續屈服類型，過了屈服階段之后的最大應力判為最大應力σm(如圖3所示)。

在工程實際中，應該對鋼筋進行現場見證取樣，送到具有相應資質的檢測機構進行檢測。其對屈服強度和抗拉強度的檢測方法參照上述《金屬材料拉伸試驗》方法的規定，但是僅僅通過實驗得到相應的抗拉強度和屈服強度還不夠，還需要進一步分析，要求鋼筋的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值不應小于1.25；屈服強度實測值與屈服強度標準值的比值不應大于1.30。對有抗震設防要求的結構，檢測機構應在檢測報告中明確抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值和屈服強度實測值與強度標準值的比值。當兩個比值不滿足有抗震設防要求的結構時，在檢測結論中應明確“不適用于有抗震設防要求的結構”。在查詢鋼筋現場抽測復驗的檢測報告時，應從有關指標核查檢測報告結論，不滿足使用范圍的鋼筋不得使用。

圖3　不同曲線類型的抗拉強度

3　伸長率

劉鴻文[5]在《材料力學》中提到，試樣拉斷后，由于保留了塑性變形，標距由原來的l0變為l1。伸長率δ為

此處采用的是中華人民共和國國家標準《金屬拉伸試驗方法》(GB/T228—87)，在2010版標準中將伸長率用A表示。

在工程實際中有4種伸長率經常會用到，它們是不可以混用的，否則會出現對鋼筋誤判的情形。如《混凝土結構工程施工質量驗收規范》中規定，對按一、二、三級抗震等級設計的框架和斜撐構件(含梯段)中的縱向受力普通鋼筋應采用HRB335E、HRB400E、HRB500E、HRBF335E、HRBF400E或HRBF500E鋼筋，要求其最大力下總伸長率的實測值不應小于9%。對有抗震設防要求的結構，應對其縱向受力鋼筋進行最大力下總伸長率的檢測。當最大力下總伸長率不滿足有抗震設防要求的結構時，在檢測結論中應明確“不適用于有抗震設防要求的結構”。而對于盤卷鋼筋調直后則要求其斷后伸長率滿足表2的要求。

表2　鋼筋斷后伸長率

圖4中：1點表示最大力非比例伸長率，2點表示最大力總伸長率，3點表示斷后伸長率，4點表示斷裂總伸長率。最大力總伸長率的判定可以分兩種情況：最大力沒有平臺時，則直接按最高點為最大力點，取該點對應的總伸長率為最大力總伸長率；最大力呈現一平臺時，則取平臺中點的最大力點對應的總伸長率為最大力總伸長率。斷后伸長率的測定分以下4種情況[6]。

圖4　不同曲線類型伸長率

(1)將已拉斷試件的兩端在斷裂處對齊，盡量使其軸線位于一條直線上。如拉斷處由于各種原因形成縫隙，則此縫隙應計入試件拉斷后的標距部分長度內。

(2)如拉斷處到臨近標距端點的距離大于1/3l0時，可用卡尺直接量出已被拉長的標距長度。

(3)如拉斷處到臨近標距端點的距離小于或等于1/3l0時，可按下述移位法計算標距l1。

如圖5所示，在拉斷后的長段上，由斷口處取約等于短段的格數得B點，若剩余格數為偶數時(如圖5(b)所示)，則取其一半得C點，設AB長為a，BC長為b，則l1=a+2b。當長段剩余格數為奇數時(如圖5(c)所示)，則取剩余格數減1后的一半得C點，加1得C1點，設AB、BC、BC1的長度分別為a1、b1和b2，則l1=a1+b1+b2。

圖5　拉伸試件示意

(4)如試件在標距端點上或標距處斷裂，則試驗結果無效，應重新試驗。

4　冷作硬化與冷拉鋼筋

4.1冷作硬化

鋼材可以通過物理或化學的手段提高力學性能，而表面鍍膜或熱處理等化學方法只能提高硬度，而不會使強度有很大的改善。冷作硬化是一種通過改變鋼材內部結構來提高強度的物理方法，該方法通過使晶格扭曲、畸變，晶粒間產生剪切滑移，晶粒被拉長和纖維化，甚至破碎來提高鋼材的抗拉、抗壓強度及抗沖擊性能。冷作硬化發生后，鋼材的強度指標，如屈服點、硬度等提高，塑性指標如伸長率降低。冷作硬化工藝就是利用金屬材料的冷作硬化，達到提高金屬材料的強度、硬度、耐磨性的加工方法。 這種工藝的使用例子有噴沙(提高表面硬度、耐磨性)、冷扎(提高板材型材的強度)、冷敦(提高螺栓的強度)等。冷作硬化還可以分為拉伸硬化和扭轉硬化。

4.2應變時效

冷作硬化現象受時間影響很大。冷拉后卸載，在室溫下停留較長時間，鋼筋的屈服點比原來的屈服點有所提高，或在較高溫度下停留一定時間后再拉伸，屈服現象又重新出現，且新的屈服平臺高于卸載時的曲線， 這種現象稱為“應變時效”(如圖6所示)。

圖6　鋼筋冷拉前后的應力——應變曲線

應變時效和溫度有很大關系，溫度過高(450 ℃以上)強度反而有所降低而塑性性能卻有所增加，溫度超過700 ℃，鋼材會恢復到冷拉前的力學性能，不會發生應變時效。建筑用鋼筋通常采用冷拉的方法進行調直，往往是冷拉后經過一段時間才應用的，這時往往會發生應變時效。為了避免冷拉鋼筋在焊接時高溫軟化，要先焊好后再進行冷拉。

4.3冷拉鋼筋

工程中冷拉鋼筋的主要目的有提高屈服點、節約鋼筋、產生預應力、調直4個。冷拉鋼筋是在常溫條件下，把鋼筋拉伸到超過屈服點強度，使鋼筋產生塑性變形。鋼筋經過冷拉和應變時效以后，彈性極限上升至相當于原材料強化階段，大大提升了材料的彈性極限。鋼筋長度增加，直徑有所縮小，從而達到節約鋼材的目的，但冷拉后鋼筋的塑性有所降低。為了保證鋼筋在強度提高的同時又具有一定的塑性，冷拉時應同時控制應力和應變。

對于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級鋼筋和5號鋼的鋼筋，在冷拉后，作預應力鋼筋使用的，要用冷拉應力控制。但鋼筋冷拉后經檢查，最大冷拉率超過了規范規定值(見表2)，還要再進行機械能實驗。鋼筋的冷拉率應按照表3進行控制。

表3　鋼筋冷拉率控制值

5　結　語

本文主要闡述了標準試件、4種伸長率和冷作硬化的概念，屈服強度和抗拉強度的判定方法，伸長率的測量方法，并指出了在實際工程中對鋼筋的這些項目進行檢測時需要注意的問題及其控制值，將理論內容與實際應用相結合，對教研和工程技術人員均有一定的參考意義。

[1]中華人民共和國建設部.混凝土結構工程施工質量驗收規范：GB 50204—2015[S].北京:中國建筑工業出版社, 2015.

[2]單輝祖.材料力學[M].北京：高等教育出版社,2009: 23.

[3]黃道輝,羅思明.關于鋼筋伸長率測試的問題[J].廣西土木建筑，2002,27(1):24-25.

[4]中國國家標準化管理委員會.金屬材料拉伸試驗：GB/T 228.1—2010[S].北京:中國標準出版社, 2011.

[5]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社, 2013: 22.

[6]賀秀良,楊嘉.新編大學基礎試驗[M].北京：北京理工大學出版社，2013: 285-297.

(編輯：史海英)

Tensile Mechanical Properties and Its Engineering Application

WANG Yanhong

(General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

On the base of steel detection and tensile mechanical properties, this paper defines the standard specimen, four types of elongation and cold hardening and introduces the methods of measuring the yield strength, the tensile strength and the elongation. The application of these methods are also explained. This study is of reference value for the concerned technicians, researchers as well as teachers.

standard specimen; yield strength; tensile strength; elongation; cold hardening

2015-11-05；

2016-02-28.

王艷紅(1982—)，女，碩士，講師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.08.020

TB301

A

1674-2192(2016)08- 0085- 05