硬度法如何检测钢材强度

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材料强度的检测和评价是建筑结构现场检测的基本要求。 现有钢结构的强度主要通过现场取样、抗拉强度测试和化学分析等方式进行检测。 但这种方法不仅费时费力，而且对结构造成很大破坏。 图纸中缺失的结构使得无法实现大规模采样。 因此，近年来越来越多的无损检测技术得到广泛应用，例如硬度法。

图1. 现场采样

2 钢的硬度与抗拉强度的关系

硬度是评价金属材料力学性能最常用的指标之一。 硬度的本质是一种材料抵抗另一种较硬材料侵入的能力。 对于被测材料来说，硬度代表在一定的压头和试验力下所反映的弹性、塑性、强度、韧性和耐磨性等各种物理量的综合性能。 硬度测试可以反映金属材料在不同化学成分、组织结构和热处理工艺下的差异。 因此，硬度测试被广泛应用于检查金属性能、监督热处理工艺质量和开发新材料。

金属硬度测试方法主要有两种。 一是静态检测方法，主要有布氏、洛氏、维氏、洛氏等； 另一种是动态测试方法，主要有肖氏法和里氏法。 虽然材料强度测试和材料硬度测试之间存在一定程度的离散性，但在一定范围内，拉伸强度和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等许多规范都有比较详细的强度和硬度对照表。

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

(1)方法一：将里氏硬度换算为维氏硬度，再将维氏硬度换算为钢材抗拉强度

对于现场钢材抗拉强度检测结果的评定，大多参考《黑色金属硬度和强度换算值》（GB/T 1172-1999），但GB/T 1172只给出了洛氏、维氏的值以及布氏硬度和钢的抗拉强度。 关系，由于上述三种硬度仪器均需要开放断面固定设备，现场检测实用性低、效率低。 因此，现场通常使用里氏硬度计，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的换算关系可以得到通过查表得出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，并有以下严格要求：

A。 表面处理。 对于不同的探头，其表面处理的粗糙度是不同的，如表1所示。

表1 推荐测试表面粗糙度参数

b. 对于厚度和质量，应根据试件的刚度和试件的质量来选择硬度计。 如果不满足，则应刚性支撑或耦合到支撑物上进行测试。 质量及厚度要求如表2所示。

表2 试件质量和厚度要求

C。 表面形状，在弯曲样品表面进行测试，并使用与弯曲表面相匹配的支撑环。 对于G型冲击装置，试验位置的曲率半径应不小于50mm。

2）代表值

不管硬度值相差超过20HL，一般一个部件测试9次，计算平均值作为代表值。

3）结果推导

根据两次换算，得到里氏硬度与抗拉强度的关系，如图7和图8所示。得到的抗拉强度范围与《碳素结构钢》GB/T 700-2006和《低合金高强钢》一致强度结构》按照GB/T 1591-2018规定的钢材抗拉强度对钢种进行对比评价，如表3所示。

图 7. Vickers-Richter 拟合曲线

图8 拉伸强度-维氏拟合曲线

表3 钢种抗拉强度对应值

钢种

拉伸强度（N/mm2）

Q235

370

500

Q345470

第470章

630

4）评估

A。 根据实验结果指导现场测试。 现场测试不普遍，可操作性不强。

b. 现场钢材抗拉强度测试结果直接参考标准给出的范围，无需参考其他规范，更加方便。

(2)方法2《建筑结构检验技术标准》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中提供的里氏硬度与抗拉强度的换算关系。

1）GB/T50344-2019规定了试验方法，并有以下严格要求：

A。 表面处理。 对于不同的探头，其表面处理的粗糙度是相同的，均为1.6μm。

b. 厚度和质量，厚度不应小于6mm。

表3 样品质量和厚度要求

C。 表面形状。 在弯曲样品表面进行测试时，必须使用与弯曲表面相匹配的支撑环。 试验位置的曲率半径应不小于30mm。

d. 在每个测量区域进行测试之前，应在标准块上校准里氏硬度。 校准时，相邻两点的读数差应小于12HL。

2）代表值

一个元件有3个测量区域，每个测量区域有9个测量点。 代表值为排除2个最大值和2个最小值后的平均值，并对测量点进行厚度校正。

3）结果推导

将抗拉强度按照里氏硬度进行换算，得到的抗拉强度范围与表3进行比较。同时，可以将所有成分的抗拉强度特征值的平均值作为与钢材强度标准值，即构件抗拉强度，其强度特征值与钢材强度标准值相对应。

4）评估

将现场检测数据进行换算，得出抗拉强度范围，可对厚度进行修正，更加方便。 而且钢材的抗拉强度有间接的比较方法，范围和深度更加全面。

(3)两种方法的比较

方法1和方法2的转换曲线对比，如图9所示。

图9 拉伸强度-里氏硬度关系对比曲线

从上图可以看出，当硬度值低于425时，方法一估算的强度值低于方法二，且方法一较为保守。 当硬度值大于425时，两种方法估算的强度值相近，方法一稍偏大。

4 个检测技巧

04标准和19标准都对元件的厚度和质量有严格的要求，主要是为了防止元件振动和消耗能量，从而影响检测结果。 因此，建议按照以下测点位置对以下区段进行测试。 不进行厚度校正，但为了避开热影响区，建议按照图10，但不建议按照图11。

图 10. 硬度法的推荐点位置

图 11. 硬度方法不推荐点放置位置

5 总结

硬度法越来越广泛地用于检测钢材的强度，这也是技术发展的需要。 如何提高检测精度需要相关研究。 《建筑结构检验技术标准》GB/T50344-2019第3.3.7条也规定，自行开发或引进检测方法，但相关方法应通过技术鉴定，并应具有工程检测的实践经验。 硬度与钢材强度之间没有显着的对应关系，但存在一定的相关性。 建议从这方面入手，提出可行的检测和评估方法。

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