薄的钢材对硬度测试的影响（里氏硬度检测钢材强度的意义）
薄的钢材对硬度测试的影响（里氏硬度检测钢材强度的意义）图3.里氏硬度计图2.洛氏硬度计2 硬度与钢材抗拉强度的关系硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。硬度的实质是材料抵抗另一较硬材料压入的能力。对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。硬度试验能够反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺等条件下的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。金属硬度检测主要有两类方法，一类是静态试验方法，主要包括布氏、洛氏、维氏、洛氏等，另一类是动态试验方法，主要包括肖式、里氏。虽然材料强度试验同材料硬度试验之间具有一定的离散性，但在一定范围内，抗拉强度同硬度之间可以建立相关性。国际标准ISO 18265，德国标准DIN 50150，国家标准GB/T 1172等诸多规范中都有较为详细的强度硬度对照表。
本文介绍了里氏硬度检测钢材强度的意义、硬度与抗拉强度关系及国内相关检测方法对比，对里氏硬度与抗拉强度关系曲线的两种方法进行了对比分析，并给出了现场检测的小技巧，希望对检测人员有所帮助。
1 前言
材料强度的检测及评定是建筑结构现场检测的基本要求，对于既有钢结构强度的检测主要通过现场取样进行抗拉强度试验及化学分析，但该方法不但费时费力，且对结构损伤大，对于图纸缺失的结构，无法实现大范围取样。因此，近年来越来越多的无损检测技术得到广泛应用，如硬度法。
图1.现场取样
2 硬度与钢材抗拉强度的关系
硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。硬度的实质是材料抵抗另一较硬材料压入的能力。对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。硬度试验能够反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺等条件下的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。
金属硬度检测主要有两类方法，一类是静态试验方法，主要包括布氏、洛氏、维氏、洛氏等，另一类是动态试验方法，主要包括肖式、里氏。虽然材料强度试验同材料硬度试验之间具有一定的离散性，但在一定范围内，抗拉强度同硬度之间可以建立相关性。国际标准ISO 18265，德国标准DIN 50150，国家标准GB/T 1172等诸多规范中都有较为详细的强度硬度对照表。
图2.洛氏硬度计
图3.里氏硬度计
图4.国家标准GB/T 1172
图5.国际标准ISO 18265
图6. 德国标准DIN 50150
3 表面硬度法推断钢材强度方法
（1）方法一：里氏硬度换算维氏硬度，维氏硬度再换算钢材抗拉强度
现场钢材抗拉强度检测结果评价多参考《黑色金属硬度及强度换算值》（GB/T 1172-1999），但GB/T 1172只给出洛氏、维氏和布氏硬度与钢材抗拉强度的关系，由于上述三种硬度仪器需要开口截面固定设备，现场检测实用性低且效率不高，因此现场通常采用里氏硬度计，通过《金属材料里氏硬度试验第4部分：硬度值换算表》（GB/T 17394.4-2014）中提供的里氏硬度与维氏硬度之间的转换关系查表得到里氏硬度与钢材抗拉强度的关系。
1）GB/T 17394.4-2014.1规定了试验方法，有以下严格要求：
a.表面处理，对于不同的探头，表面处理的粗糙度不同，如表1。
表1 推荐的试验表面粗糙度参数
b.厚度和质量，宜根据试件的刚度以及试件的质量选择硬度计，当不满足时，应进行刚性支撑或耦合到支撑物上进行试验，质量和厚度要求如表2。
表2 试样的质量和厚度要求
c.表面形状，在曲面试样的表面上进行测试，需使用与曲面相匹配的支撑环。对于G型冲击装置，测试位置的曲率半径应不少于50mm。
2）代表值
不考虑硬度值相互之差超过20HL，一般一个构件进行9次，并计算其平均值作为代表值。
3）结果推导
根据两次转换得到里氏硬度与抗拉强度的关系，如图7和图8，利用得出的抗拉强度范围与《碳素结构钢》GB/T 700-2006和《低合金高强度结构钢》GB/T 1591-2018中规定的钢材抗拉强度对照评价钢材种类，如表3。
图7.维氏-里氏拟合曲线
图8.抗拉强度-维氏拟合曲线
表3钢种抗拉强度对应值
|
钢种 |
抗拉强度(N/mm2) |
|
Q235 |
370 |
|
500 | |
|
Q345470 |
470 |
|
630 |
4）评价
a.依据实验结果指导现场检测，现场检测没有普遍性，操作性不强。
b.现场钢材抗拉强度检测结果直接参考该标准给出的范围，不需要参考其他规范，较为便捷。
（2）方法二 《建筑结构检测技术标准》GB/T50344-2019附录N
现场钢材抗拉强度检测可依据《建筑结构检测技术标准》GB/T50344-2019附录N提供的里氏硬度与抗拉强度转换关系。
1）GB/T50344-2019规定了试验方法，有以下严格要求：
a.表面处理，对于不同的探头，表面处理的粗糙度相同，均为1.6μm。
b.厚度和质量，厚度应不小于6m m。
表3 试样的质量和厚度要求
c.表面形状，在曲面试样的表面上进行测试，需使用与曲面相匹配的支撑环，测试位置的曲率半径应不少于30mm。
d.每个测区测试前，应在标准块上对里氏硬度进行校准，校准时相邻两点读数差应小于12HL。
2）代表值
一个构件3个测区，每个测区9个测点，代表值为剔除2个最大值和2个最小值后的平均值，且测点经过厚度修正。
3）结果推导
根据里氏硬度换算抗拉强度，利用得出的抗拉强度范围与表3对比，同时可以利用所有构件抗拉强度特征值的平均值可作为与钢材强度标准值的比较值，即将构件抗拉强度特征值与钢材强度标准值进行了对应。
4）评价
现场检测数据经过换算得到抗拉强度范围，可以进行厚度修正，更加方便，且钢材抗拉强度有了间接比较方法，范围和深度更加全面。
（3）两种方法对比
对方法一和方法二的换算曲线做了对比，如图9。
图9.抗拉强度-里氏硬度关系对比曲线
从上图可以看出硬度值低于425时，方法一较方法二推定的强度值偏低，方法一偏于保守，当硬度值大于425时，两种方法推定的强度值相近，方法一略微偏大。
4检测小技巧
无论是04标准还是19标准对构件的厚度、质量均有严格的要求，主要是为了防止构件发生震动耗能，影响检测结果，因此对于以下几种截面建议按照下面的测点位置进行检测，可以不经过厚度修正，但要避开热影响区，建议按照图10，不建议按照图11。
图10.硬度法建议布点位置
图11.硬度法不建议布点位置
5总结
硬度法检测钢材强度越来越广泛，也是技术发展的需要，如何提高检测精度还需进行相关的研究，《建筑结构检测技术标准》GB/T50344-2019第3.3.7条也规定可采用自行开发或引进检测方法，但相关方法应通过技术鉴定并应具有工程检测实践经验。硬度与钢材强度没有显著的对应关系，但存在一定的相关性，建议可从此方面入手，提出可行的检测评估方法。
