首页 桥梁拆除正文

桥梁钢材的力学性能测试

futao 桥梁拆除 2019-07-18 371 0
川渝拆除17713551981

桥梁钢材的力学性能测试

一、桥梁工程用钢材及其物理力学性能

(一)桥梁工程用钢材的分类

按照钢的化学成分、品质、冶炼方法和用途的不同,可对桥梁工程用的钢材进行不同的分类。

1.按冶炼方法分类

按冶炼设备的不同,即炼钢方法不同,分为平炉钢、转炉钢和电炉钢三大类。

我国大量的碳素钢和低合金结构钢都是在转炉和平炉中炼制的。

2.按化学成分分类

按化学成分可以把钢分为碳素钢和合金钢(低合金结构钢实际是属于合金钢)两大类。在钢的化学成分中,碳元素对钢的性能起主要作用,而其它元素(如硅、锰、硫、磷等)因含量不多,不起决定性作用的称为碳素钢。

碳素钢分为普通碳素钢和优质碳素钢两种。按其含碳量优质碳素钢又分为低碳、中碳、高碳钢。普通碳素钢则分为甲类、乙类和特类钢。优质碳素钢按含锰量分为普通含锰量和较高含锰量两种。

优质碳素钢中,低碳钢的含碳量小于0.25%,中碳钢的含碳量在0.25%~0.26%之间,高碳钢的含碳量在0.6%以上。优质碳素钢必须同时保证钢的化学成分和机械性能的要求。

普通碳素钢按照所保证的技术条件,甲类钢保证机械性能,也保证一定的化学成分;乙类钢保证标准规定的化学成分含量,但不保证机械性能;特类钢既保证机械性能,也保证化学成分的含量符合标准要求。

钢的机械性能通常是指屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯四项。

低合金结构钢是在普通碳素钢中加入少量(除铁以外的其它元素的总量不超过3%)合金元素(如锰、硅、钒、钛、银、硼、稀土等)而成。这些元素的加入既改善了钢的综合性能,有时还可以使钢具有某些特殊性能。用它代替普通碳素钢,可以大大节约钢材。含有一种或多种适量的合金元素,具有较好的或特殊性能的钢称为合金钢。按其合金元素的总含量分为:

低合金钢(合金元素总含量小于5%);

中合金钢(合金元素总含量为5%~10%);高合金钢(合金元素总含量大于10%)。

3.按品质分类

根据钢中所含杂质的多少可分为普通钢(包括甲类、乙类、特类)、优质钢和高级优质钢三类(高级优质钢是在优质钢后面加“A”表示)。高级优质钢主要是将硫控制在0.020%~0.030%,磷含量控制在0.035%以内,对其它混入杂质限制更严。

4.按用途分类

钢的用途与其形状有关,所以按用途分类时实际上是按形状来分类。

桥梁用钢按其形状分类可分为型材、棒材(或线材)和异型材(特种形状)等三类。

型材主要包括型钢和钢板,主要用于大跨度钢桥。

线材主要包括钢筋、预应力钢筋(丝)、高强钢丝(包括桥梁缆索用镀锌钢丝)和钢绞线等,它是钢筋混凝土桥梁建筑中使用的重要材料之一。

异型材是为特殊用途而制作的,如预应力混凝土桥梁中的锚具、夹具和大变形伸缩件中使用的异型钢梁等。

(二)桥梁用钢材的有关力学标准

我国的公路桥梁工程用钢,按其用途主要分钢桥用钢和钢筋混凝土桥梁用钢两大类。

1.钢桥用钢

钢桥上使用的钢材主要是低合金钢,如16锰(16Mn)、16锰桥(16Mng)钢均属低合金钢,现在16Mnq钢已成为建造钢桥主体结构的基本材料,最近几年,15锰钒氮桥(15-

MnVNq)、14锰锯桥(14MnNbq)等钢种也得到了应用。

我国常用桥梁钢的力学性能如表3-1-1所示,主要是各种不同型号的钢板。

常用桥梁钢的力学性能表3-1-1

常用桥梁钢的力学性能表3-1-1

续表

续表

2.钢筋混凝土桥梁用钢

钢筋混凝土桥梁用钢可分为钢筋、预应力混凝土用冷拉钢筋、冷拔钢丝、高强钢丝、钢绞线和精轧螺纹粗钢筋。

1)钢筋

钢筋混凝土结构用钢筋按其外形可分为光圆钢筋和带肋(螺纹)钢筋两类,螺纹钢筋又分为人字形和螺旋形两种。

钢筋按力学性能分为四个等级,划分标准如表3-1-2所示。

钢筋的机械性能(GB13013-91,GB1499-98)表3-1-2

image.png钢筋的机械性能(GB13013-91,GB1499-98)表3-1-2

注:参见《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》(GB13013-91)和《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB1499-98)。

2)预应力混凝土用冷拉钢筋和冷拔钢丝

冷拉是钢筋在常温下受外力拉伸超过屈服点,以提高钢筋的屈服极限、强度极限和疲劳极限的一种加工工艺。但冷拉后会降低钢筋的延伸率、断面收缩率、冷弯性能和冲击韧性。

冷拔是用直径6~8mm的普通碳素钢筋条,把钢筋用强力拉过比它本身直径还小的硬质合金拉丝模,这时钢筋同时受到纵向拉力和横向压力的作用,截面变小长度拉长,经过几次拉丝,其强度比原来有极大提高。

冷拉钢筋和冷拔钢丝的力学性能要求如表3-1-3所示。

冷拉钢筋和冷拔低碳钢丝机械性能(GB1499-91)表3-1-3

冷拉钢筋和冷拔低碳钢丝机械性能(GB1499-91)表3-1-3

注:1.表中d为钢筋直径,直径大于25mm的钢筋,弯心直径增加1d;

2.冷弯试验后无裂纹、鳞落或断裂现象;

3.钢筋冷拉后,其表面不应发生裂纹。

3)预应力混凝土用钢丝和钢绞线

钢厂用优质碳素结构钢经过冷加工、再经回火、冷轧或绞捻等加工而成的高强度钢丝或钢绞线,塑性好、无接头,使用方便、专供预应力混凝土结构使用。

按《预应力混凝土用钢丝》(GB/T5223-95)的规定,钢丝分为冷拉钢丝(代号RCD)、消除应力钢丝(代号S)、消除应力刻痕(代号SI)钢丝3种;钢丝直径有3mm、4mm、5mm、

6mm、7mm、8mm和9mm等七种规格。其抗拉强度不小于1470MPa。

冷拉钢丝的力学性能如表3-1-4所示。

冷拉钢丝的尺寸及力学性能表31-4

冷拉钢丝的尺寸及力学性能表31-4

注:规定非比例伸长应力a,0.2值不小于公称抗拉强度的75%。

消除应力钢丝的力学性能如表3-1-5所示。

按《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T5224-95)的规定,钢绞线的直径有9mm、12mm、

15mm等三种规格,由7根钢丝绞捻成。整根钢绞线的破坏荷载可达259kN,屈服荷载可达220kN(标准型)。

消除应力钢丝的力学性能表3-1-5

消除应力钢丝的力学性能表3-1-5

注:1.I级松弛即普通松弛,Ⅱ级松弛即低松弛,它们分别适用所有钢丝;

2.屈服强度02值为不小于公称抗拉强度的85%

预应力钢绞线的力学性能如表3-1-6所示。

image.png

注:1.I级松弛即普通松弛级,Ⅱ级松弛即低松弛级,它们分别适用所用钢绞线;

2.屈服负荷不少于整根钢绞线公称最大负荷的85%;

3.除非生产厂家另有规定,弹性模量取为195±10GPa,但不作为交货条件;

4.《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T5244-1995)。

4)预应力混凝土用粗轧螺纹钢筋

粗轧螺纹钢筋是用热轧方法直接生产的一种无纵肋的钢筋,钢筋的连接是在端部用螺纹套筒进行连接接长,其力学性能如表3-1-7所示。

精轧螺纹钢筋力学性能表3-1-7

精轧螺纹钢筋力学性能表3-1-7

注:①a为钢筋直径(mm),其规格一般为18mm,25mm,32mm,40nmm;d为弯心直径;

②除非生产厂家另有规定,弹性模量取为2×10 MPa;

③冷弯指标不作为交货条件。

(三)桥梁用钢的主要力学性能

钢材的主要力学性能,通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下均匀拉伸、冷弯、冲击和疲劳荷载等单独作用下,显示出的各种机械性能。

1.抗拉性能

拉伸作用是钢材的主要受力形式。通过拉伸试验可测定三个主要的强度指标,如图3-1-1所示。第一个指标是弹性极限a,拉伸试件在卸载后没有残余变形,加载过程中出现的应变也很小。第二个指标是屈服强度a,(或称屈服点),当应力在弹性极限与屈服强度之间时,试件开始出现塑性变形,卸载后有残余变形。当应力达到屈服强度。,时,应力即使不再增大,应变却会继续扩大到一定程度。第三个指标是极限强度a。,当应力达到。时,试件就被拉断。

2.冷弯性能

钢材的冷弯性能,是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力的一项指标。钢材的冷弯性能可在材料试验机上通过冷弯试验显示出来。

3.冲击韧性

钢材的冲击韧性,是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收能量的能力,它是衡量钢材抵抗脆性破坏的力学性能指标。

4.耐疲劳性

钢材若在交变应力(随时间作周期性交替变更的应力)的反复作用下,往往在工作应力远小于抗拉强度时发生骤然断裂,这种现象称为“疲劳破坏”。钢材抵抗疲劳破坏的能力称为耐疲劳性。

5.塑性

荷载作用下的钢材,若在断裂前产生较大的塑性变形,则称此钢材具有延展性,或称此钢材具有塑性。

钢材的塑性常用静力拉伸试验中的伸长率和断面收缩率来衡量。伸长率是钢材受拉发生断裂时所能承受的永久变形能力。试件拉断后标准长度的增量与原标准长度之比的百分率即伸长率。断面收缩率是指试件拉断后缩颈处横断面积的最大缩减量占原横断面积的百分率。

图3-1-2圆柱形拉伸试样

图3-1-2圆柱形拉伸试样

6.硬度

硬度是钢材抵抗其他较硬物体压人的能力,实际上硬度为钢材抵抗塑性变形的能力。测定钢材硬度常用的方法有布氏法、洛氏法和维氏法,相应的作为硬度指标有布氏硬度(HB),洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)。硬度常用于检查钢材质量和确定合理的加工工

图3-1-3阶梯形拉伸试样头部

图3-1-3阶梯形拉伸试样头部

图3-1-4螺纹形拉伸试样头部

图3-1-4螺纹形拉伸试样头部

二、拉伸试验

拉伸试验可测定材料的屈服强度。,、极限强度a。、伸长率。和断面收缩率,它们是最富有代表性的材料力学性能的四个指标。本节中所涉及的材料强度等力学性能指标的概念,只适用于在室温下用光滑试样进行普通拉伸试验的测试结果,即拉断前载荷缓慢增加。温度、应力和加载速度对材料的力学性能有一定的影响,所以试验时这三个条件应按《金属拉伸试验方法》(GB228-87)中规定执行。

1.试样

试样可制成圆形或矩形截面。试样中段用于测量拉伸变形,此段的长度lo称为标距。两端较粗的部分是头部,为装入试验机夹头中传递拉力之用。试样头部形状可根据试验机夹头的要求而定,可制成圆柱形(图3-1-2)、阶梯形(图3-1-3)或螺纹形(图3-1-4)。试样两头部之间的均匀段长度1应大于标距1。,均匀段长度称为平行长度,用符号l表示(图3-1-2)。

试验表明,试样的尺寸和形状对试验结果具有一定的影响。为了避免这种影响和便于各种材料机械性质的数值能互相比较,国家对试样的尺寸和形状定出了统一规定。《金属拉伸试验方法》(GB228-87)中将拉力试样分为比例试样和非比例试样两种。比例试样是指标距长度与横截面面积间具有下列关系的试样。

lo=K√A(3-1-1)

式中系数K通常为5.65和11.3,前者称为短试样,后者称为长试样。因此,直径为do的短、长圆形试件的标距长度。分别等于5do和10do。非比例试样的标距与其横截面间无上述一定关系,而是根据制品(薄板、薄带、细管、细丝、型材等)的尺寸和材料的性质给以规定的平行长度l和标距长度l0。

2.试验设备(1)试验机

各种类型试验机均可使用,试验机应备有调速指示装置和记录或显示装置。试验机误差应符合《拉力、压力和万能材料试验机检定规程》(JG139-83)或《小负荷材料试验机检定规程》(JIG157-83)的1级试验机要求。试验机应由计量部门定期进行检定。试验时所使用力的范围应在检定范围内。

(2)引伸计

引伸计(包括记录器或指示器)应进行标定,标定时引伸计的工作状态应尽可能与试

验时的工作状态相同。引伸计的标定与分级方法参照《金属拉伸试验方法》(GB228一87)。经过标定的引伸计,在日常试验前应注意检查,当引伸计经过检修或发现异常,应按规定重新进行标定。

3.试验步骤

首先测量试样标距两端和中间这三个截面处的尺寸,对于圆试样,在每一横截面内沿互相垂直的两个直径方向各测量一次,取其平均值。用测得的三个平均值中最小的值计算试样的横截面面积Ao。

从手册中查得材料强度极限o。和量得的横截面面积Ao,估计试验中要加的最大载荷,并由此选择合适的测力量程,同时调整好自动记录装置。

将试样安装在试验机上,开动试验机进行缓慢匀速加载。加载速度应根据材料性质和试验目的确定。

(1)测定规定非比例伸长应力、规定残余伸长应力和规定总伸长应力时,弹性范围内的应力速率应符合表3-1-8规定,并保持试验机控制器固定于该速率位置上,直至该性能测出为止。

材料的弹性模量与加载速率表3-1-8

材料的弹性模量与加载速率表3-1-8

(2)测定屈服点和上屈服点时,屈服前的应力速率按表3-1-8规定,并保持试验机控制器固定于该速率位置上,直至该性能测出为止。

(3)测定下屈服点时,平行长度内的应变速率应在(0.00025~0.0025)s1之间,并应尽可能保持恒定。如不能直接控制这一速率,则应通过调节在屈服开始前的应力速率将其固定,直至屈服阶段过后。但弹性范围内的应力速率不得超过表3-1-8所允许的最大速率。

(4)屈服过后或只需测定抗拉强度及最大力下或断后伸长率时,试验机两夹头在力作用下的分离速率应不超过0.5L。/min,其中L。是试样两头部或两夹持部分(不带头试样)之间的平行长度。

加载时记录屈服载荷P,及最大载荷P。等,直至试样拉断。

取下试样,将断成两段的试样断口对齐并尽量靠紧,测量拉断后的标距长度1及颈缩处的直径d(对于延性材料)。测量直径的方法和测量试件的初始直径一样,取其最小值计算出断口处的最小横截面面积A1。

4.试验结果与分析

(1)根据屈服载荷P,和最大载荷P。计算屈服极限a,和强度极限o。,即

:(3-1-2)

.=6=然(3-1-3)

(2)根据试样断裂前、后标距长度和颈缩处的横截面面积计算伸长率和截面收缩率y,即

8=';10× 10%(3-1-4)y=40-A,

×100%(3-1-5)A0

(3)试验曲线的分析如下:

低碳钢是工程中使用最广的钢材,这种金属材料在拉伸试验中表现出来的力学性能最为典型。现以低碳钢的试验曲线反映出来的力学性能为例,作如下简要分析。

图3-1-5a)是试验中记录的载荷-位移(p-△l)曲线。为了消除试样尺寸的影响,用拉力p除以试样的初始截面面积Ao,得到试样横截面上的正应力。=P/Ao;同时,把伸长量Al除以标准的原始长度l,得到试样在工作段内的应变e=Al/l,从而得到图3-1-

5b)所示的应力-应变(o-e)曲线。

图3-1-5低碳钢的拉伸曲线

图3-1-5低碳钢的拉伸曲线

a)载荷-位移曲线;b)应力-应变曲线ab为弹性变形阶段。b点对应的应力a。称为弹性极限。其中oa段表示应变和应力成正比。a点对应的应力称为比例极限。工程中对弹性极限和比例极限并不严格区分。

bcd段为屈服阶段。在屈服阶段内的最高应力和最低应力分别称为上屈服极限和下屈服极限,通常把下屈服极限称为屈服极限。,或流动极限。

de段为强化阶段。过屈服阶段后,材料又恢复了抵抗变形的能力。要使它继续变形就必须增加拉力,这种现象称为材料的强化。强化阶段中的最高点e对应的应力是材料所承受的最大应力,称为强度极限a。。

ef段为局部变形阶段。e点以后试样出现颈缩现象。此时,颈缩处的截面面积突然减小,总载荷不断降低(实际应力并未降低),变形仍然继续进行,直至f点试样断裂。因为应力达到强度极限后,试样出现颈缩现象,随后即被拉断,所以强度极限o。是衡量材料强度的一个重要力学性能指标。

三、压缩试验

通过压缩试验,可以测得材料的压缩模量、应力-应变曲线、屈服强度和压缩强度。

工程检测中,常常只对脆性材料进行压缩试验,测定压缩强度极限。。,因为脆性材料抗拉能力较差,一般只用来制造承压构件。

图3-1-6铸铁压缩过程的 应力-应变曲线

图3-1-6铸铁压缩过程的应力-应变曲线

铸铁材料的压缩试验一般将试样加工成圆柱形,其高度ho与直径d。之比为1s架s3试验装置和试验方法基本上与拉伸试验相同,加载方向与拉伸时相反。圆柱形试样的下端应当用球形承垫。当试样两端面稍有不平行时,球形承垫可起调节作用,使压力通过试样的轴线。对于薄板压缩试样,要设计专用夹具,防止试样纵向失稳

铸铁压缩过程的应力-应变曲线如图3-1-6所示。用铸铁试样进行压缩试验时,达到最大载荷P。前会出现一定量的塑性变形,然后才发生破裂,铸铁的压缩强度极限。。是将P。除以试验前试样的横截面面积A。,即小=元(3-1-6)四、硬度试验

材料的硬度是材料力学性能的主要指标之一。试验研究表明,金属的硬度和其他力学性能指标有一定关系,如钢的拉伸强度极限。与布氏硬度HB有如下关系a。=3.62HB(MPa)(HB<175)(3-1-7a)aA=3.45HB(MPa)(HB>175)(3-1-7b)

对于灰铸铁,则

o.=期40(MPa)(3-1-8)

HB-

由此可以看出,用测量硬度的办法不用破坏杆件即可得到该材料的强度数据。所以,在工程检测中,测量材料的硬度也显得非常重要。

硬度是表示材料抵抗他物压入的能力,同时也表示抵抗弹性变形、塑性变形和破坏的能力。硬度测试可分为压入法、弹跳法和刻线法。下面介绍常用的压入法,即测量材料的布氏硬度和洛氏硬度。

1.布氏硬度的测试方法

用规定的压力p(N),把直径为D(mm)的标准钢球(压陷器)压入材料内,如图3-1-7所示,并保持一定时间,卸载后,测量残留在材料表面的凹痕直径d(mm),按下式计算材

料的布氏硬度值HB

10p(MPa)

HB=元D

′(D-VD2-d2)

(3-1-9)试验用钢球直径及试样应符合表3-1-9和表3-

1-10的要求。

试样厚度应不小于压痕深度的10倍,压痕深

度(h,mm)按下式计算

h=元.d·H丽(3-1-10a)

试样厚度应不小于压痕深度的10倍,压痕深

度(h,mm)按下式计算

h=-d-面(3-1-10b)布氏硬度试验的基本条件是载荷p和钢球直径D必须恒定,所得数据才能进行比较。因此p和D必须事先规定。但由于实际金属有硬有软,所试工件有厚有薄,如果只采用一组标准的载荷p和钢球直径D,就可能仅对于硬金属适合,而对于软金属不适合,会发生整个钢球全部陷入金属内的现象;或者对于厚的工件适合,对于薄的工件会出现压透的现象。此外,工件有宽有窄,有的工件不允许表面有过大的压痕;而且压窝直径和钢球直径的比值太大或太小都将使硬度值不够准确,只有两个直径比在一定范围内才能得到可靠的硬度数据。因此,在生产上实际应用布氏硬度试验时,就要求不只采用一组载荷p和钢球直径D,而要求有不同的载荷p和不同的钢球直径D。对于同一种材料,当采用不同p和D进行试验时,如何能保证得到同样的布氏硬度值。根据相似性原理可以推出,不论采用多大的载荷p和何种直径D的钢球,只要能满足p/D2=常数,则对同一材料而言所得HB值是一样的,并且,对不同材料而言,所得HB值是可以进行比较的。

图3-1-7布氏硬度测量原理及布氏硬度试验机简图a)测量原理;b)试验机简图

图3-1-7布氏硬度测量原理及布氏硬度试验机简图a)测量原理;b)试验机简图

钢球直径尺寸公差表3-1-9

钢球直径尺寸公差表3-1-9

试验用试样尺寸表3-1-10

试验用试样尺寸表3-1-10

硬度测试中应注意以下几点:

(1)在检验单上记载材料的布氏硬度时,一定要标出试验条件。例如,若采用D=

10mm的钢球,压力p=3000N,保持时间为30s,测得的硬度值为138,则记为HB(10/3000/

30)=138;

(2)试验时,凹痕直径d应在0.2D~0.6D(D为钢球直径)范围内,否则应改换试验标准,重新测量,凹痕中心离试样边缘不应小于D,两相邻的凹痕中心之间的距离应大

于2D画工时曲资诗雨姑刻虽菌解为首者,工诚套名香批林陪饮需常动中骑(3)按规定标准进行多次测试,测量次数依被测表面面积而定,且应均匀布点。取各次测试结果的平均值作为材料的硬度值;

(4)太硬的材料(HB>450)不宜测布氏硬度值,应改测其洛氏硬度值。呈山机因

2.洛氏硬度的测试方法

洛氏硬度的测试原理如图3-1-8所示。先用100N的初压力将具有标准形状的压陷器(金刚钻圆锥或小圆钢球)压入试样,使其达到1-1位置,再施主压力至2-2位置,然后卸掉主压力(初压力不卸),压陷器弹回到3-3位置。根据1-1和3-3位置的压入深度之差,按下式计算洛氏硬度值HR

image.png

图3-1-8洛氏硬度测量原理及洛氏硬度试验机简图a)测量原理;b)试验机简图

1-指示表;2-试样;3-支持台;4-手轮;5-缓冲油缸;6-重陀;7-压陷器;8-弹簧HR=C-五环碰,编课变(3-1-11)式中,h为1-1和3-3位置的压入深度之差(mm);n=0.002mm(常数);C也是一常数;用钢球压陷器时,C=130;用金钢钻压陷器时,C=100。

表3-1-11列出了洛氏硬度的试验规范及三种不同条件下进行试验用的洛氏硬度符号。

洛氏硬度试验规范表3-1-11

洛氏硬度试验规范表3-1-11

五、冷弯试验

冷弯是桥梁钢材的重要工艺性能,用以检验钢材在常温下承受规定弯曲程度的弯曲变形能力,并显示其缺陷。

工程中经常需对钢材进行冷弯加工,冷弯试验就是模拟钢材弯曲加工而确定的。通过冷弯试验不仅能检验钢材适应冷加工能力和显示钢材内部缺陷(如起层,非金属夹渣等)状况,而且由于冷弯时试件中部受弯部位受到冲头挤压以及弯曲和剪切的复杂作用,因此也是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力的一项指标。所以,冷弯试验对钢材质量是一种较严格的检验。

1.试样

试样的横截面为圆形、方形、长方形或多边形。样坯的切取位置和方向应按照相关产品标准的要求。试样应通过机加工去除由于剪切或火焰切割等影响了材料性能的部分。试样表面不得有划痕和损伤。方形、长方形和多边形横截面试样的棱边应倒圆,倒圆半径不超过试样厚度的1/10。棱边倒圆时不应形成影响试验结果的横向毛刺,伤痕或刻痕。

试样的宽度、厚度(或直径)应按照相关产品的要求,如未具体规定,应按《金属材料弯曲试验方法》(GB/T232-1999)中的有关规定办理。

试样的长度应根据试样厚度和所使用的试验设备确定。当采用图3-1-9~3-1-12的方法时,可以按照下式确定。

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

式中:x——圆周率,其值取3.1;d——弯曲压头或弯心直径;a——试样厚度或直径或多边形横截面内切圆直径。

2.试验原理及试验设备

冷弯试验是以圆形、方形、长方形或多边形横截面试样在图3-1-9~3-1-12所示的弯曲装置上经受弯曲塑性变形,不改变加力方向,直至达到规定的弯曲角度。然后卸除试验力,检查试样承受变形性能,通常检查试样弯曲部分的外面、里面和侧面,若弯曲处无裂纹、起层或断裂现象,即可认为冷弯性能合格。

image.png

图3-1-9支辊式弯曲装置

弯曲试验可在压力机或万能试验机上进行。压力机或万能试验机上应配备弯曲装置。常用弯曲装置有支辊式(图3-1-9)、V形模具式(图3-1-10)、虎钳式(图3-1-11)、翻板式(图3-1-12)等四种。上述四种弯曲装置的弯曲压头(或弯心)应具有足够的硬度,支辊式的支辊和翻板式的滑块也应具有足够的硬度。

图3-1-10V形模具式弯曲装置

图3-1-10V形模具式弯曲装置

image.png

图3-1-11虎钳式弯曲装置

图3-1-12翻板式弯曲装置1-翻板;2-耳轴;3-滑块

图3-1-12翻板式弯曲装置1-翻板;2-耳轴;3-滑块

3.试验步骤与要求

以采用支辊式弯曲装置为例介绍试验步骤与要求。

(1)试样放置于两个支点上,将一定直径的弯心在试样两个支点中间施加压力,使试样弯曲到规定的角度,或出现裂纹、裂缝、断裂为止。

(2)试样在两个支点上按一定弯心直径弯曲至两臂平行时,可一次完成试验,也可先

按(1)弯曲至90°,然后放置在试验机平板之间继续施加压力,压至试样两臂平行。

(3)试验时应在平稳压力作用下,缓慢施加试验力。

(4)弯心直径必须符合相关产品标准中的规定,弯心宽度必须大于试样的宽度或直径,两支辊间距离为(d+3a)±0.5a,并且在试验过程中不允许有变化。

国家标准《碳素结构钢》(GB700-88)中对于厚度(直径)a≤60mm的0235钢材规定如下:试样宽度B=2a,弯心直径d=a(纵向试样,对型钢)、1.5a(横向试样,对钢板和钢带)。

(5)试验应在10~35℃下进行,在控制条件下,试验在(23±5)℃下进行。

(6)卸除试验力以后,按有关规定进行检查并进行结果评定。

六、冲击试验1.试验方法

拉伸、压缩和硬度试验都属于静载试验。用静载试验测得的力学性能指标不能反映动载条件下,尤其是变形速度很大的急剧加载情况下材料的力学性能。工程中常用“冲击韧度”表示材料抵抗冲击的能力。测量材料的冲击韧度通用的方法是一次性冲击试验法。

一次摆锤冲击弯曲试验是将按规定尺寸加工成的标准试样放在冲击试验机的支架上,然后将升高到规定角度、具有一定位能的摆锤释放向下摆,将试样冲断。试样折断消耗的能量等于摆锤原来的位能(在a角处)与其冲断试样后在另一侧扬起位置(在B角处)时的位能之差。冲击试验机的简图和摆锤冲击前后的位置如图3-1-13所示。将冲击试样摆锤消耗的能量U除以试样缺口处的截面面积A之商定义为材料的冲击韧度ak

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

图3-1-13冲击试验机简图和试验原理图

图3-1-13冲击试验机简图和试验原理图

2.试样

冲击试验对试样有严格的要求。对于金属材料,常用的有两种,即图(3-1-14a)所示的梅氏冲击试样和图(3-1-14b)所示的夏比冲击试样。缺口的形状和加工质量对试验结果的影响很大,所以缺口一般应当用铣削和磨削加工,以保证试样尺寸准确。

图3-1-14冲击试样

图3-1-14冲击试样

ak对材料品质、内部缺陷和晶粒大小等比较敏感,加之冲击试验简便易行,所以常用来检验材质内部缺陷、脆性程度等;此外,冲击韧度对低温更为敏感。因此,常用来测定材料在低温下的冲击韧度,以鉴别材料的低温冷脆程度。

七、疲劳试验

工程实际中有许多构件,如转轴、齿轮、弹簧等都是在交变载荷下工作的。实践表明,构件在交变应力下的破坏形式与静载荷下全然不同。在交变应力下,虽然最大应力低于屈服极限,长期重复之后,也会突然断裂。即使是塑性较好的材料,断裂前也没有明显的塑性变形。这种破坏现象习惯上称为疲劳破坏。对疲劳破坏的一般解释如下:由于构件的形状和材料不均匀等原因,构件某些局部区域的应力特别高。在长期交变应力作用下,于上述应力特别高的局部区域,逐步形成微观裂纹。裂纹尖端一般处于三向拉伸应力状态下,不易于出现塑性变形。当裂纹逐步扩展到一定限度时,便可能骤然迅速扩展,使构件截面严重削弱,最后沿严重削弱了的截面发生突然脆性断裂。

疲劳破坏往往是在没有明显预兆的情况下突然发生的,从而造成严重事故。据统计,桥染构件的损坏大部分是疲劳破坏。因此,对在交变应力下工作的构件材料进行疲劳试验是非常必要的。

1.疲劳极限的概念

构件在交变应力下工作时,应力每重复变化一次,称为一次应力循环,重复变化的次数称为循环次数。应力变化的情况可用应力随时间变化的曲线表示。交变应力的最大应力与最小应力之比称为交变应力的循环特性,用p表示,即

omzp=g图3-1-15表示一般情况下的交变应力a-t曲线。

图中,o。、g。分别表示平均应力和应力幅值,即0a=号(qmm + om)(3-1-15a)

Q0=号(ocm-ocm)(3-1-15b)

由以上两式可知

omw =0n +o。(3-1-16a)

Can=am-。(3-1-16b)

当dc.=-q时,称为对称循环,此时

p=-1a。=0a。=mm除对称循环外其他应力循环统称为非对称循环。非对称循环的平均应力a。子0,由式(3

-1-16)可知,任何一种非对称循环都可以视为静应力。。和幅值为a。的对称循环叠加的结果。交变应力下材料的屈服极限或强度极限等静强度指标已不能作为疲劳强度的指标。交变应力下,材料的强度指标应重新确定。试验表明,在给定的交变应力下,必须经过一定次数的循环,才可能发生疲劳破坏,而且在同一循环特性下,交变应力的最大应力越大,破坏前经历的循环次数越少;反之降低交变应力中的最大应力,便可使破坏前经历的循环次数增加。在最大应力减小到某一临界值时,试件可经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏,该临界值称为材料的持久极限或疲劳极限。

2.金属材料疲劳极限的测试

1)用纯弯曲疲劳试验测定疲劳极限

测定疲劳极限最常用的方法,是在纯弯曲变形下,测定对称循环的疲劳极限。纯弯曲疲劳试验简图如图3-1-16所示。在载荷作用下试件中间部分为纯弯曲,当试件绕轴线旋转时,每旋转一周,横截面上的点便经受一次对称的应力循环。

试验时通常采用光滑小试样,每组6~10根,第一根试样上施加的应力a约等于强度极限a。的60%左右,经过一定循环次数N,后,试样断裂,然后使第二根试样的。…2略低于第一根试样的c1,求出第二根试样断裂时的循环次数N,。这样逐步降低最大应力的数值,得出对应于每个m的试样断裂时的循环次数N。以am为纵坐标,N为横坐标,将试验结果描成一条曲线,称为疲劳曲线或.-N曲线(图3-1-17)。由疲劳曲线可知:试样断裂前所能经受的循环次数N,随am的减小而增大。疲劳曲线最后逐渐趋近于水平,其水平渐近线的纵坐标。1,就是材料的持久极限。

显然,持久寿命趋于无限长时,其所对应的最大应力就是材料的持久极限。实际上,试验不可能无限期地进行下去,一般规定一个循环次数N。来代替无限长的持久寿命,该规定的循环次数N。称为循环基数。

对钢和铸铁等黑色金属材料而言,试件经受10’次循环后,如尚未断裂,则可以认为

图3-1-15交变应力a-t曲线

图3-1-15交变应力a-t曲线

再增加循环次数,试件也不会断裂,所以通常取No=2×100~2×107次,作为循环基数。

图3-1-16纯弯曲疲劳试验及其弯矩图

图3-1-16纯弯曲疲劳试验及其弯矩图

图3-1-17-N曲线

图3-1-17-N曲线

2)试验中应注意的事项

(1)每个试样装好后,都必须进行偏摆检查,静态检查用手旋转试样,并用磁座千分表的测量杆顶住主轴上表面,偏差不得大于士0.01mm。空载开动试验机,其偏差不得大于±0.03mm。

(2)已经试验过但未折断的试样,决不允许再在其它应力条件下进行疲劳试验。

(3)断于圆弧处或断口处有明显可见的冶金缺陷的试样,试验结果无效。

(4)测疲劳极限时,按规定取样的数量不得少于6根。

(5)金属试样一般采用直径为8~10mm的光滑小试样。试样外形尺寸无统一标准规定,一般依试验机的结构而定。因为原材料端部的力学性能较差,不能代表材料的实际力学性能,故切忌使用边角料制作试样。锻造或轧制的原材料纵、横方向的力学性能有明显差异。因此,一组试样毛坯的切取方向应相同。由于试样表面粗糙度等对试验结果有较大的影响,所以,加工条件也应尽量完全一样。试样表面都要经过磨光,圆角处应光滑过渡,表面不应有任何切削刀痕,以免影响试验结果。

八、有关线材的几项试验

线材是指直径d。为3~15mm的截面为圆形的钢材,如钢筋、预应力钢筋(丝)、高强度钢丝(含桥梁缆索用镀锌钢丝)等。

线材的试验,主要包括拉伸试验、塑性及冷弯性试验,其试验方法与一般钢材试验没有原则的区别。

1.钢筋

1)基本要求及取样

钢筋进货应有出厂质量证明单或试验报告单,每捆(盘)均应有标示牌,进场材料应按不同钢种、等级、牌号、规格及生产厂家分批验收,并按规定截取试样抽验,合格后方可使用。

试样系从外观检查合格线材的任意部位截取。切取试样时,不应使试样标距部分受到损伤,加热或冷加工而改变金属的性能。试样的标距长度l。为100mm或200mm当试样标距长度1。为100mm时,试样的总长度L应使试验机两夹头间距不小于150mm。

2)常规抽验项目及基本方法

(1)屈服强度和抗拉强度

钢筋拉伸试验在试验机上进行时,对于有明显屈服现象的材料,其屈服点可以借助于试验机测力度盘的指针或拉伸曲线来确定,当测力度盘的指针停止转动后恒定负载或第一次回转的最小负荷即为所求屈服点的荷载,屈服强度的计算同式(3-1-2)。抗拉强度是向试件连续加荷直至拉断,由测力度盘或拉伸曲线上读出最大负荷P。,抗拉强度(a。)的计算同式(3-1-3)。

(2)塑性

钢筋的塑性一般可进行伸长率抽验,当试样拉断后标距长度的增量与原标距长度之比的百分率即为伸长率,伸长率()以%表示,计算同式(3-1-4)。

(3)冷弯性能试验

它是钢筋在常温条件下进行的一项工艺性试验。用于检验钢筋试样环绕弯心弯曲至规定角度是否有裂纹、起层或断裂等现象,若无则认为合格。如钢筋含碳、磷量较高或受过不正常的热处理,则冷弯试验往往不能合格。

钢筋弯曲是以其规定的弯心半径、弯曲角度和反复弯曲次数,采用弯曲机或圆口台钳等设备进行。弯心半径与钢筋的直径有关,选择不当对弯曲试验的结果影响甚大。因此,弯心半径必须符合《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB1499-1998)、《钢筋混凝土用热轧圆钢筋》(GB13013-91)中的有关规定。

(4)钢筋接头及加工允许偏差检测

钢筋接头一般应采用焊接,纵向焊接应优选闪光对焊,也可以采用电弧焊(帮条焊、搭接焊、熔槽帮条焊等)。

钢筋接头的检验,焊接前必须根据施工条件进行试焊,按不同的焊接方法至少抽取每组3个试样进行基本力学性能检验,取样及检验内容应符合表3-1-12和表3-1-13的规定。

2.预应力钢丝

钢筋焊接接头的检验标准表3-1-12

钢筋焊接接头的检验标准表3-1-12

续表

image.png

钢筋电弧焊接头尺寸偏差及缺陷允许值表3-1-13

钢筋电弧焊接头尺寸偏差及缺陷允许值表3-1-13

注:1.d为钢筋直径,单位mm;

2.低温焊接接头的咬边深度不得大于0.2mm。

预应力钢丝的试验主要包括拉伸、冷弯、松弛试验三项。

钢丝的拉伸试验按《金属拉伸试验方法》(GB228-87)的规定进行。

钢丝的冷弯试验按《金属线材反复弯曲试验方法》(GB238-84)的规定进行。钢丝的松弛试验要求如下:①试验期间试样的环境温度应保持在(20±2)℃的范围的;②试样制备后不得进行任何热处理和冷加工;③加在试样上的初始负荷是公称抗拉强度的60%、70%或80%乘以钢丝的公称面积;④初始负荷应在3~5min内均匀施加完毕,对于I级松弛保持2min,对于Ⅱ级松弛保持1min后开始记录松弛值;⑤试样标距长度不小于公称直径的60倍。

3.桥梁缆索用热镀锌钢丝

热镀锌钢丝的试验主要包括拉伸、松弛、疲劳、缠绕试验四项。

拉伸试验和松弛试验与预应力钢丝基本相同。

缠绕试验按《金属线材缠绕试验方法》(GB2976-88)的规定进行,但缠绕速度不大于15圈/min。

疲劳试验是使试样承受两种载荷(预定的脉动拉伸最大载荷和最小载荷)之间的脉动拉伸应力至规定次数,考察试样耐疲劳性能。

疲劳试验的具体要求如下:①两夹具之间的试样的最小长度为140mm;②加载时的最大应力为0.45,应力幅值为360MPa;③试验的全过程中,脉动拉伸的最大应力和最小应力应保持恒定应力的静态测量精度应达到士1%;④应力频率取值为3.3~167Hz,循环次数可相差1°。

4.线材的反复弯曲试验

该项试验的目的是用以检验金属线材的耐反复弯曲性能,并显示其缺陷。

线材的反复弯曲试验按《金属线材反复弯曲试验法》(GB238-84)进行。


推荐阅读:

​三峡围堰“天下第一爆”获得成功

​高威力防水混装乳化炸药研制技术

​柔性墩计算要点

​拆除施工现场的安全用电知识

拆除工程中井盖的保护