熱軋帶肋鋼筋拉伸試驗檢測技術(shù)

一、檢測原理

拉伸試驗是測定金屬材料在單向靜拉伸載荷下力學(xué)性能的核心方法。其技術(shù)原理基于材料力學(xué)與彈塑性變形理論。

1. 彈性變形階段：根據(jù)胡克定律，在比例極限內(nèi)，鋼筋的應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系（σ = Eε），其中E為彈性模量，表征材料抵抗彈性變形的能力。此階段卸載后，變形可完全恢復(fù)。

2. 屈服階段：當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，材料開始發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形。對于熱軋帶肋鋼筋，其上、下屈服點是其關(guān)鍵特征。當(dāng)外力不再增加或略有下降，而變形持續(xù)增加時，對應(yīng)的應(yīng)力值即為屈服強度（ReH為上屈服強度，ReL為下屈服強度）。此現(xiàn)象源于材料內(nèi)部晶格滑移和位錯運動。

3. 強化階段：屈服階段后，材料因塑性變形而產(chǎn)生加工硬化，抵抗變形的能力再次增強，應(yīng)力隨之上升。此階段表征了材料的形變強化能力。

4. 頸縮與斷裂階段：當(dāng)應(yīng)力達到大值（抗拉強度Rm）后，試件局部截面開始急劇縮小，形成“頸縮”現(xiàn)象。此時，試件所受的實際應(yīng)力雖仍在增加，但基于原始截面積計算的名義應(yīng)力開始下降，直至斷裂。頸縮現(xiàn)象是材料塑性良好的體現(xiàn)，其科學(xué)依據(jù)是塑性失穩(wěn)理論。

通過拉伸試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以全面揭示鋼筋的強度、塑性和韌性等綜合力學(xué)性能。

二、檢測項目

熱軋帶肋鋼筋的拉伸試驗檢測項目可系統(tǒng)分為以下幾類：

1. 強度指標(biāo)：

   • 下屈服強度（ReL）：定義為屈服期間不計初始瞬時效應(yīng)時的低應(yīng)力值。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中強度取值的直接依據(jù)。

   • 抗拉強度（Rm）：試樣在拉伸過程中承受的大力所對應(yīng)的應(yīng)力值。它反映了材料的極限承載能力。

   • 屈強比（ReL/Rm）：下屈服強度與抗拉強度的比值。該指標(biāo)對結(jié)構(gòu)安全性至關(guān)重要，過高的屈強比意味著材料塑性儲備不足，不利于結(jié)構(gòu)在超載或地震等意外情況下的應(yīng)力重分布。

2. 塑性指標(biāo)：

   • 斷后伸長率（A）：試樣拉斷后，標(biāo)距的殘余伸長量與原始標(biāo)距的百分比。它直接表征材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。

   • 大力總伸長率（Agt）：試樣在達到大力時，標(biāo)距范圍內(nèi)的總伸長（包含彈性伸長和塑性伸長）與原始標(biāo)距的百分比。該指標(biāo)更能真實反映鋼筋在極限狀態(tài)下的變形能力，尤其在抗震結(jié)構(gòu)中備受關(guān)注。

三、檢測范圍

熱軋帶肋鋼筋廣泛應(yīng)用于各類土木建筑工程中，其檢測要求覆蓋以下領(lǐng)域：

1. 房屋建筑：用于梁、板、柱、墻等主體結(jié)構(gòu)的受力鋼筋，要求具備規(guī)定的屈服強度、抗拉強度和足夠的伸長率，以確保結(jié)構(gòu)的承載力和延性。

2. 橋梁工程：承受動載和復(fù)雜應(yīng)力，除基本強度要求外，對疲勞性能、低溫沖擊韌性和屈強比有更高要求。

3. 水利工程：大壩、水閘等結(jié)構(gòu)，要求鋼筋具有高強度和良好的耐腐蝕性能。

4. 道路與隧道工程：用于混凝土路面的傳力桿、隧道襯砌的支護等，要求良好的綜合力學(xué)性能。

5. 核電、軍工等特殊領(lǐng)域：對鋼筋的力學(xué)性能均勻性、化學(xué)成分、無損檢測及特定環(huán)境下的性能有極其嚴苛的標(biāo)準(zhǔn)。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對熱軋帶肋鋼筋的拉伸性能要求存在一定差異。

• 中國標(biāo)準(zhǔn)：

  • GB/T 1499.2《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》：這是國內(nèi)核心的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，詳細規(guī)定了各牌號（如HRB400E、HRB500E）鋼筋的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、大力總伸長率等指標(biāo)。其中，“E”代表抗震鋼筋，要求強屈比（Rm/ReL）不小于1.25，超屈比（ReL實/ReL標(biāo)）不大于1.30，大力總伸長率（Agt）不小于9%。

  • GB/T 228.1《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》：規(guī)定了拉伸試驗的具體方法、試樣制備、試驗速率和結(jié)果處理等。

• 標(biāo)準(zhǔn)：

  • ASTM A615/A615M《鋼筋混凝土用變形和光圓鋼筋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》（美國）：其牌號如Grade 60（相當(dāng)于420MPa級）。與國標(biāo)相比，ASTM標(biāo)準(zhǔn)主要采用抗拉強度和屈服強度的指標(biāo)，對屈強比和大力總伸長率的要求與國標(biāo)抗震鋼筋有所不同。

  • ISO 6935-2《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：帶肋鋼筋》：作為標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)要求介于各國標(biāo)準(zhǔn)之間，旨在促進貿(mào)易。

• 對比分析：

  • 強度等級：中國標(biāo)準(zhǔn)已形成400MPa、500MPa級為主流的高強鋼筋體系，并與主流級別接軌。

  • 抗震要求：中國GB/T 1499.2對抗震鋼筋提出了強屈比、超屈比和大力總伸長率的明確要求，形成了系統(tǒng)的抗震性能指標(biāo)體系，這在部分標(biāo)準(zhǔn)中并非強制性或指標(biāo)值不同。

  • 塑性指標(biāo)：中國標(biāo)準(zhǔn)同時考核斷后伸長率（A）和大力總伸長率（Agt），而部分國外標(biāo)準(zhǔn)可能僅考核其中之一或采用不同的測量方法。

五、檢測方法

1. 試樣制備：

   • 取樣應(yīng)具有代表性，通常從鋼筋產(chǎn)品上截取。

   • 試樣可為全截面鋼筋，也可加工成比例或非比例標(biāo)準(zhǔn)圓試樣。

   • 原始標(biāo)距（L0）的標(biāo)記應(yīng)精確，對于比例試樣，L0 = k√S0，其中k通常取5.65，S0為原始橫截面積。

   • 試樣夾持端應(yīng)平整，確保軸向受力。

2. 操作要點：

   • 尺寸測量：精確測量試樣的原始直徑（或截面尺寸）和原始標(biāo)距。

   • 夾持與對中：將試樣牢固地夾持在試驗機鉗口中，并確保試樣的縱軸與試驗機夾頭的中心線重合，以防止彎曲應(yīng)力。

   • 速率控制：

     • 彈性階段直至上屈服強度：應(yīng)采用較低的應(yīng)力速率控制，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

     • 屈服過后（塑性變形和強化階段）：可采用較高的應(yīng)變速率或橫梁位移速率，但需在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

   • 數(shù)據(jù)記錄：自動記錄或人工讀取屈服力、大力等關(guān)鍵載荷值。

   • 斷后測量：將拉斷試樣的兩段緊密對接，精確測量斷后標(biāo)距（Lu），用于計算斷后伸長率。

六、檢測儀器

用于熱軋帶肋鋼筋拉伸試驗的主要設(shè)備為萬能材料試驗機。

1. 主機框架：提供試驗所需的加載空間和反力架。通常采用雙空間（上、下）結(jié)構(gòu)，具有足夠的剛度和承載能力。

2. 加載系統(tǒng)：分為液壓伺服控制和電機伺服控制兩類。液壓式力值大，適用于大規(guī)格鋼筋；電機式控制精度高，噪音小，應(yīng)用廣泛。系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)力、位移、變形的閉環(huán)控制。

3. 測力系統(tǒng)：采用高精度負荷傳感器，直接測量試樣所受的載荷，是試驗機核心的測量單元之一。

4. 引伸計：用于精確測量試樣在試驗過程中的微小變形。在測定屈服強度、規(guī)定塑性延伸強度及彈性模量時，必須使用引伸計。到達屈服后需及時取下，以防損壞。

5. 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)：集成計算機、軟件和采集卡，用于控制試驗過程、實時顯示曲線（力-位移、應(yīng)力-應(yīng)變）、采集數(shù)據(jù)并自動計算結(jié)果。

七、結(jié)果分析

1. 強度計算：

   • 下屈服強度（ReL） = FeL / S0 （FeL為下屈服力）

   • 抗拉強度（Rm） = Fm / S0 （Fm為大力）

2. 塑性指標(biāo)計算：

   • 斷后伸長率（A） = [(Lu - L0) / L0] ×

   • 大力總伸長率（Agt）的測量可通過引伸計在大力時直接讀取，或通過斷后手動測量（在大力點標(biāo)記后拼接測量）。

3. 評判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 單項判定：將計算出的ReL、Rm、A、Agt等結(jié)果，與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 1499.2）中對應(yīng)牌號的規(guī)定值進行比對。

   • 綜合性判定：

     • 對于抗震鋼筋（帶“E”牌號），必須同時滿足強度、伸長率、強屈比和超屈比的所有要求，缺一不可。

     • 屈強比（ReL/Rm）應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限之內(nèi)。

   • 試驗有效性判斷：若試樣斷在標(biāo)距外或斷口處存在肉眼可見的冶金缺陷，試驗結(jié)果可能無效，需重新取樣試驗。斷裂位置離近標(biāo)距標(biāo)記的距離不應(yīng)小于原始標(biāo)距L0的三分之一（除非斷后伸長率能達到規(guī)定小值）。