王艳红

(军事交通学院 基础部 天津 300161)



材料拉伸力学性能及工程应用

王艳红

(军事交通学院 基础部 天津 300161)

为给教研和工程技术人员提供参考，将工程实际中的钢筋检测项与材料力学教学中的材料拉伸时的力学性能相结合，阐述了标准试件、4种伸长率和冷作硬化的概念，以及屈服强度和抗拉强度的判定方法、伸长率的测量方法，并介绍其在工程中的应用。

标准试件；屈服强度；抗拉强度；伸长率；冷作硬化

根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》的规定，钢筋在进场和调直后需要进行力学性能和质量偏差的检验，这属于原材料的主控项目，是必检项目。其中力学性能包括抗拉强度、屈服强度、伸长率和冷弯性能，而前3项性能又与材料力学教学的拉伸试验息息相关。本文将工程实际中的钢筋检测项与材料力学教学中的材料拉伸时的力学性能相结合，对工程技术人员而言，可以更清楚地掌握钢筋材料检测的原理，而对于教研人员则可以了解其在工程中的应用[1-2]。

1　标准试件与钢筋检测的取样长度

1.1标准试件

标准试件是保证文字标准有效实施的实物标准，它是标准的另一种存在形式，与文字标准合在一起构成完整的标准形态，是文字标准的必要补充，是标准工作一个不可分割的组成部分。标准试件具有自己本身的特点，它是具有一种或多种“足够均匀”的和“很好确定了的”特性值的材料或物质。“足够均匀”的特点保证了技术标准应用效果在不同空间应用的一致性，“很好确定了的”特点还有另外一层含义，就是标准样品应具有足够的稳定性，以保证标准试件所确定的标准值的可靠性。

1.2标准拉伸试件的尺寸和类型

图1　标准试件类型

1.3钢筋检测的取样长度

钢筋抗拉试件的取样长度以能准确、方便地测定其力学性能指标为原则。在取样时，其标距的计算采用上述圆截面标准试件的标距：热扎带肋钢筋和热轧光圆钢筋为5倍公称直径(l=5d)，热轧圆盘条为10倍公称直径(l=10d)。这样，钢筋抗拉试件的长度起码不得小于“标距与2倍夹具长度之和”。不同的试验机其夹具长度不同，假定试验机夹具长度为100 mm，则钢筋抗拉试件的长度起码不得小于“5d+200 mm”(圆盘条为“10d+200 mm”)，下称“最小长度”。在试件长度不小于最小长度的前提下，根据不同试验机的具体情况以及便于夹持和测量伸长率的原则，灵活地确定钢筋试样的长度[3]。钢筋拉伸取样标准见表1。

表1　钢筋原材料拉伸试验标准

表1(续)

2　屈服强度、抗拉强度的测定

2.1屈服强度

对于有明显屈服极限的材料，按照《金属材料拉伸试验》[4]的定义，在曲线上判定上屈服强度和下屈服强度的位置点。试样发生屈服而应力首次下降前的最大应力为上屈服强度。判定下屈服强度时要排除初始瞬时效应的影响，在屈服期间，不计初始瞬时效应的最小应力为下屈服强度。下屈服强度判定的原则：屈服阶段中如呈现2个或2个以上的谷值应力，舍去第一个谷值应力(图2(a)、(b)中的D点)，取其余谷值应力中最小者判为下屈服强度。如只呈现一个下降谷值应力，此谷值应力判为下屈服强度(如图2所示)。刘鸿文在《材料力学》[5]中仍采用87版标准，将屈服阶段第一个谷值应力判为下屈服强度，并以此为屈服点，显然没有排除初始瞬时效应的影响。

对于拉伸曲线无明显屈服现象的钢筋，其屈服强度为试样在拉伸过程中标距部分的残余伸长达到原标距长度的0.2%时的应力，此即为规定残余延伸强度，另外还可以根据总延伸率和塑性延伸率确定屈服强度，此处不再详细说明。

图2　不同类型曲线的上屈服强度和下屈服强度

2.2抗拉强度

旧标准(GB/T 228.1—87)中，测定抗拉强度比较简单，拉伸试验过程中的最大应力即是抗拉强度。新标准(GB/T 228.1—2010)对抗拉强度的定义与旧标准有所不同，在判定抗拉强度时，不能完全照搬过去习惯的判定方法，应根据记录得到的曲线图按照定义判定最大应力。对于连续屈服类型，试验过程中的最大应力判为最大应力σm；对于不连续屈服类型，过了屈服阶段之后的最大应力判为最大应力σm(如图3所示)。

在工程实际中，应该对钢筋进行现场见证取样，送到具有相应资质的检测机构进行检测。其对屈服强度和抗拉强度的检测方法参照上述《金属材料拉伸试验》方法的规定，但是仅仅通过实验得到相应的抗拉强度和屈服强度还不够，还需要进一步分析，要求钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.30。对有抗震设防要求的结构，检测机构应在检测报告中明确抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值和屈服强度实测值与强度标准值的比值。当两个比值不满足有抗震设防要求的结构时，在检测结论中应明确“不适用于有抗震设防要求的结构”。在查询钢筋现场抽测复验的检测报告时，应从有关指标核查检测报告结论，不满足使用范围的钢筋不得使用。

图3　不同曲线类型的抗拉强度

3　伸长率

刘鸿文[5]在《材料力学》中提到，试样拉断后，由于保留了塑性变形，标距由原来的l0变为l1。伸长率δ为

此处采用的是中华人民共和国国家标准《金属拉伸试验方法》(GB/T228—87)，在2010版标准中将伸长率用A表示。

在工程实际中有4种伸长率经常会用到，它们是不可以混用的，否则会出现对钢筋误判的情形。如《混凝土结构工程施工质量验收规范》中规定，对按一、二、三级抗震等级设计的框架和斜撑构件(含梯段)中的纵向受力普通钢筋应采用HRB335E、HRB400E、HRB500E、HRBF335E、HRBF400E或HRBF500E钢筋，要求其最大力下总伸长率的实测值不应小于9%。对有抗震设防要求的结构，应对其纵向受力钢筋进行最大力下总伸长率的检测。当最大力下总伸长率不满足有抗震设防要求的结构时，在检测结论中应明确“不适用于有抗震设防要求的结构”。而对于盘卷钢筋调直后则要求其断后伸长率满足表2的要求。

表2　钢筋断后伸长率

图4中：1点表示最大力非比例伸长率，2点表示最大力总伸长率，3点表示断后伸长率，4点表示断裂总伸长率。最大力总伸长率的判定可以分两种情况：最大力没有平台时，则直接按最高点为最大力点，取该点对应的总伸长率为最大力总伸长率；最大力呈现一平台时，则取平台中点的最大力点对应的总伸长率为最大力总伸长率。断后伸长率的测定分以下4种情况[6]。

图4　不同曲线类型伸长率

(1)将已拉断试件的两端在断裂处对齐，尽量使其轴线位于一条直线上。如拉断处由于各种原因形成缝隙，则此缝隙应计入试件拉断后的标距部分长度内。

(2)如拉断处到临近标距端点的距离大于1/3l0时，可用卡尺直接量出已被拉长的标距长度。

(3)如拉断处到临近标距端点的距离小于或等于1/3l0时，可按下述移位法计算标距l1。

如图5所示，在拉断后的长段上，由断口处取约等于短段的格数得B点，若剩余格数为偶数时(如图5(b)所示)，则取其一半得C点，设AB长为a，BC长为b，则l1=a+2b。当长段剩余格数为奇数时(如图5(c)所示)，则取剩余格数减1后的一半得C点，加1得C1点，设AB、BC、BC1的长度分别为a1、b1和b2，则l1=a1+b1+b2。

图5　拉伸试件示意

(4)如试件在标距端点上或标距处断裂，则试验结果无效，应重新试验。

4　冷作硬化与冷拉钢筋

4.1冷作硬化

钢材可以通过物理或化学的手段提高力学性能，而表面镀膜或热处理等化学方法只能提高硬度，而不会使强度有很大的改善。冷作硬化是一种通过改变钢材内部结构来提高强度的物理方法，该方法通过使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎来提高钢材的抗拉、抗压强度及抗冲击性能。冷作硬化发生后，钢材的强度指标，如屈服点、硬度等提高，塑性指标如伸长率降低。冷作硬化工艺就是利用金属材料的冷作硬化，达到提高金属材料的强度、硬度、耐磨性的加工方法。 这种工艺的使用例子有喷沙(提高表面硬度、耐磨性)、冷扎(提高板材型材的强度)、冷敦(提高螺栓的强度)等。冷作硬化还可以分为拉伸硬化和扭转硬化。

4.2应变时效

冷作硬化现象受时间影响很大。冷拉后卸载，在室温下停留较长时间，钢筋的屈服点比原来的屈服点有所提高，或在较高温度下停留一定时间后再拉伸，屈服现象又重新出现，且新的屈服平台高于卸载时的曲线， 这种现象称为“应变时效”(如图6所示)。

图6　钢筋冷拉前后的应力——应变曲线

应变时效和温度有很大关系，温度过高(450 ℃以上)强度反而有所降低而塑性性能却有所增加，温度超过700 ℃，钢材会恢复到冷拉前的力学性能，不会发生应变时效。建筑用钢筋通常采用冷拉的方法进行调直，往往是冷拉后经过一段时间才应用的，这时往往会发生应变时效。为了避免冷拉钢筋在焊接时高温软化，要先焊好后再进行冷拉。

4.3冷拉钢筋

工程中冷拉钢筋的主要目的有提高屈服点、节约钢筋、产生预应力、调直4个。冷拉钢筋是在常温条件下，把钢筋拉伸到超过屈服点强度，使钢筋产生塑性变形。钢筋经过冷拉和应变时效以后，弹性极限上升至相当于原材料强化阶段，大大提升了材料的弹性极限。钢筋长度增加，直径有所缩小，从而达到节约钢材的目的，但冷拉后钢筋的塑性有所降低。为了保证钢筋在强度提高的同时又具有一定的塑性，冷拉时应同时控制应力和应变。

对于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋和5号钢的钢筋，在冷拉后，作预应力钢筋使用的，要用冷拉应力控制。但钢筋冷拉后经检查，最大冷拉率超过了规范规定值(见表2)，还要再进行机械能实验。钢筋的冷拉率应按照表3进行控制。

表3　钢筋冷拉率控制值

5　结　语

本文主要阐述了标准试件、4种伸长率和冷作硬化的概念，屈服强度和抗拉强度的判定方法，伸长率的测量方法，并指出了在实际工程中对钢筋的这些项目进行检测时需要注意的问题及其控制值，将理论内容与实际应用相结合，对教研和工程技术人员均有一定的参考意义。

[1]中华人民共和国建设部.混凝土结构工程施工质量验收规范：GB 50204—2015[S].北京:中国建筑工业出版社, 2015.

[2]单辉祖.材料力学[M].北京：高等教育出版社,2009: 23.

[3]黄道辉,罗思明.关于钢筋伸长率测试的问题[J].广西土木建筑，2002,27(1):24-25.

[4]中国国家标准化管理委员会.金属材料拉伸试验：GB/T 228.1—2010[S].北京:中国标准出版社, 2011.

[5]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社, 2013: 22.

[6]贺秀良,杨嘉.新编大学基础试验[M].北京：北京理工大学出版社，2013: 285-297.

(编辑：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.

王艳红(1982—)，女，硕士，讲师.

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

TB301

A

1674-2192(2016)08- 0085- 05