CN118857946A - 一种判定钢材质量等级的现场检测方法 - Google Patents

一种判定钢材质量等级的现场检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种判定钢材质量等级的现场检测方法,包含以下步骤:步骤1:采用仪器化压痕法对被测材料进行现场断裂韧性测试,得到某一温度下的多个断裂韧性测试结果;步骤2:采用冲击功‑断裂韧性经验转换公式得到对应温度下的冲击功估算值;步骤3:将冲击功估算值代入冲击功‑温度曲线数据库中;步骤4:通过观察各冲击功值在冲击功‑温度曲线数据库中的分布情况,与各冲击功‑温度曲线及其离散带的匹配程度,从而判定被测材料的质量等级。本发明推广了仪器化压痕法在工程中的应用,实现在现场判定被测材料的质量等级。

Description

一种判定钢材质量等级的现场检测方法
技术领域
本发明涉及一种材料检测方法,具体涉及一种判定钢材质量等级的现场检测方法。
背景技术
钢材质量等级是在役钢桥现场检测中备受关注的参数之一,钢材质量等级由材料在不同温度下冲击韧性代表,对于国内钢桥常用材料Q235以及Q355,质量等级的划分由低到高一般可分为A、B、C、D四个等级。质量等级越高,表示在低温条件下,材料抗冲击能力越强,材料韧性越大。通过获取钢材质量等级信息即可判断材料韧性是否满足服役场地最低设计温度下的韧性要求。
现有的质量等级检测方法是在被测钢材上取样后制备冲击试样,在实验室条件下通过冲击试验来确定质量等级。不同质量等级对冲击功的要求不同,对于A级钢一般不作冲击功要求;对于B,C,D级桥梁钢,需分别保证温度在20℃,0℃,-20℃时,夏比V型缺口试验所得冲击功值大于34J。
但是,现有的钢材质量等级检测方法应用于现场检测时出现了一些局限性和不足。对处于工作状态的工程结构直接取样,会导致结构产生不可修复的损伤与破坏,严重影响了结构的正常使用。其次,冲击试验对试验环境的温度条件要求较为严格,在实验室开展冲击试验时温度条件比较容易满足,但是在现场环境下,场地的温度一般无法精确满足试验温度要求。
仪器化压痕法作为一种新的检测方法,虽然无法直接获取钢材的质量等级信息,但是能够在现场实现对被测材料的断裂韧性的检测。研究发现钢材质量等级、冲击功以及断裂韧性三者之间存在一定的关联。因此,采取适当的方法可以通过压痕法直接获得钢材的质量等级信息。基于以上分析,本专利提出了一种用于判定钢材质量等级的现场检测方法。
发明内容
发明目的:本发明的目的为进一步推广仪器化压痕法在工程中的应用,实现在现场判定被测材料的质量等级,通过分析钢材质量等级、冲击功、断裂韧性三者之间的关联,对仪器化压痕法进行了拓展,提出一种用于判定钢材质量等级的现场检测方法。
本发明采用如下技术方案:一种判定钢材质量等级的现场检测方法,包含以下步骤:
步骤1:采用仪器化压痕法对被测材料进行现场断裂韧性测试,得到某一温度下的多个断裂韧性测试结果;
步骤2:采用冲击功-断裂韧性经验转换公式得到对应温度下的冲击功估算值;
步骤3:将冲击功估算值代入冲击功-温度曲线数据库中;
步骤4:通过观察各冲击功值在冲击功-温度曲线数据库中的分布情况,与各冲击功-温度曲线及其离散带的匹配程度,从而判定被测材料的质量等级。
作为优选,所述步骤2中:在常温条件下,可以采用WRC265经验转换公式对仪器化压痕法断裂韧性测试结果进行冲击功值估算。WRC265经验转换公式如式(1)所示
KIC=8.47Akv 0.63 (1)
式中:KIC是断裂韧性值;Akv是冲击功值。
作为优选,所述步骤3中:数据库的建立主要由以下流程组成:
(1)试验数据的分析与检验;对已有的Q235B、Q355B以及Q355D三种材料的冲击试验数据进行整理,通过SPSS软件中的S-W检验法对数据进行正态分布检测,若渐进显著性P值大于0.05,则表明数据服从正态分布;
(2)异常点剔除;三条曲线均出现了位于离散带之外的异常点,为保证冲击功-温度曲线的可靠性,需将位于离散带之外的异常点进行剔除;所采用的方法是标准残差法,操作方法是:通过式(2)与式(3)首先计算各组数据的残差ei和残差标准差s,再由式(4)与式(5)得到标准化残差ti
式中,Ei为第i个点的冲击功值;为拟合曲线上第i个点的冲击功值;Ti为第i个点的试验温度值;为所有测试点的平均温度值;ti是第i个样本点的标准化残差;n是样本点总数;
得到标准化残差ti后,通过查找t分布分位表确定标准化残差临界值tα,n-2,若计算得到的ti≥tα,n-2,则该ti所对应的原始数据点为异常点,若ti<tα,n-2,则该数据点可保留;
(3)B级和D级钢材冲击功-温度曲线;采用Boltzmann函数分别对Q235B、Q355B以及Q355D冲击试验数据进行回归分析,得到冲击功与温度之间的关系如式(6)所示;
式中,Akv为冲击功值;A1、A2分别为下平台冲击功与上平台冲击功;T为温度变量;Tt为韧脆转变温度;Tr为转变温度区范围;
由于冲击功试验值具有较大的离散性,为了有效判断冲击试验数据的可行性,分别设置两倍标准差边界线,得到各曲线的离散带,观察各个温度下冲击试验结果的分布情况;由于既有的试验数据中,Q235其他等级质量的试验数据相对较少,所以数据库的建立以Q355材料为主;B、D级钢材的冲击功-温度拟合曲线分别如式(7)、式(8)所示:
式中:Akv是冲击功值;t是温度变量;
(4)C级钢材冲击功-温度曲线
目前,C级钢材的试验数据较少,通过分析已经得到的B级和D级钢材冲击功-温度曲线规律,确定C级钢材的冲击功-温度曲线拟合公式;
由于不同质量等级的冲击功-温度曲线的斜率是相似的,所以C级质量等级的冲击功-温度曲线斜率可假设为10.0,斜率可按式(9)计算;由于C级冲击功-温度曲线介于B级与D级之间,C级冲击功-温度曲线上平台A2与下平台A1可假定为B级与D级的中间值,分别为197J与0.675J,带入值至式(9)可计算得到对应的转变区域范围值Tr为19.7℃;冲击功-温度曲线中转变温度一般为上下平台之和的半值所对应的温度,由此计算得到C级的转变温度为-8.2℃,冲击功-温度曲线拟合方程如式(10)所示,根据方程即可得到C级冲击功-温度曲线;
式中,A1、A2分别为下平台与上平台冲击功值;Tr为转变区域范围。
式中:Akv是冲击功值;t是温度变量;
(5)数据库的生成
通过对3条冲击功-温度曲线分别设置2倍标准差上下界,得到各曲线离散带,即为各质量等级下的冲击功-温度曲线数据库。
本发明的有益效果:
(1)应用范围广。本专利所提出的检测方法主要由压痕仪展开检测,因此所需要的操作空间小,可实现对大多数工况下在役钢构件的钢材质量等级的现场检测;
(2)对结构的正常使用影响较小。由于压痕仪对结构造成的表面损伤较小,可以避免传统的检测方法因取样而对结构造成的不可修复的损伤与破坏,不影响在役工程结构的正常使用;
(3)解除了温度的限制。本专利所建立的冲击功-温度曲线数据库覆盖的温度范围大,因此可以不受温度条件的限制展开检测,避免了现有的检测方法因温度条件而导致检测结果不准确;
节约经济成本。本专利所提出的方法避免了现有检测方法繁琐的操作流程,在一定程度上降低了检测的经济成本,能够进一步推广应用。
附图说明
图1为本发明判定钢材质量等级的现场检测方法流程图;
图2为本发明冲击功-温度曲线数据库示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1,一种判定钢材质量等级的现场检测方法,包含以下步骤:
步骤1:采用仪器化压痕法对被测材料进行现场断裂韧性测试,得到某一温度下的多个断裂韧性测试结果;
步骤2:采用冲击功-断裂韧性经验转换公式得到对应温度下的冲击功估算值;
在常温条件下,可以采用WRC265经验转换公式对仪器化压痕法断裂韧性测试结果进行冲击功值估算。WRC265经验转换公式如式(1)所示
KIC=8.47Akv 0.63 (1)
式中:KIC是断裂韧性值;Akv是冲击功值;
步骤3:将冲击功估算值代入冲击功-温度曲线数据库中;
其中,数据库的建立主要由以下流程组成:
(1)试验数据的分析与检验;对已有的Q235B、Q355B以及Q355D三种材料的冲击试验数据进行整理,通过SPSS软件中的S-W检验法对数据进行正态分布检测,若渐进显著性P值大于0.05,则表明数据服从正态分布;
(2)异常点剔除;三条曲线均出现了位于离散带之外的异常点,为保证冲击功-温度曲线的可靠性,需将位于离散带之外的异常点进行剔除;所采用的方法是标准残差法,操作方法是:通过式(2)与式(3)首先计算各组数据的残差ei和残差标准差s,再由式(4)与式(5)得到标准化残差ti
式中,Ei为第i个点的冲击功值;为拟合曲线上第i个点的冲击功值;Ti为第i个点的试验温度值;为所有测试点的平均温度值;ti是第i个样本点的标准化残差;n是样本点总数;
得到标准化残差ti后,通过查找t分布分位表确定标准化残差临界值tα,n-2,若计算得到的ti≥tα,n-2,则该ti所对应的原始数据点为异常点,若ti<tα,n-2,则该数据点可保留;
(3)B、D级钢材冲击功-温度曲线;采用Boltzmann函数分别对Q235B、Q355B以及Q355D冲击试验数据进行回归分析,得到冲击功与温度之间的关系如式(6)所示;
式中,Akv为冲击功值;A1、A2分别为下平台冲击功与上平台冲击功;T为温度变量;Tt为韧脆转变温度;Tr为转变温度区范围;
由于冲击功试验值具有较大的离散性,为了有效判断冲击试验数据的可行性,分别设置两倍标准差边界线,得到各曲线的离散带,观察各个温度下冲击试验结果的分布情况;由于既有的试验数据中,Q235其他等级质量的试验数据相对较少,所以数据库的建立以Q355材料为主;B、D级钢材的冲击功-温度拟合曲线分别如式(7)、式(8)所示:
式中:Akv是冲击功值;t是温度变量;
(4)C级钢材冲击功-温度曲线
目前,C级钢材的试验数据较少,通过分析已经得到的B级和D级冲击功-温度曲线规律,确定C级钢材的冲击功-温度曲线拟合公式;
由于不同质量等级的冲击功-温度曲线的斜率是相似的,所以C级质量等级的冲击功-温度曲线斜率可假设为10.0,斜率可按式(9)计算;由于C级冲击功-温度曲线介于B级与D级之间,C级冲击功-温度曲线上平台A2与下平台A1可假定为B级与D级的中间值,分别为197J与0.675J,带入值至式(9)可计算得到对应的转变区域范围值Tr为19.7℃;冲击功-温度曲线中转变温度一般为上下平台之和的半值所对应的温度,由此计算得到C级的转变温度为-8.2℃,冲击功-温度曲线拟合方程如式(10)所示,根据方程即可得到C级冲击功-温度曲线;
式中,A1、A2分别为下平台与上平台冲击功值;Tr为转变区域范围。
式中:Akv是冲击功值;t是温度变量;
(5)数据库的生成
通过对3条冲击功-温度曲线分别设置2倍标准差上下界,得到各曲线离散带,结果如图2所示,该图即为各质量等级下的冲击功-温度曲线数据库;
步骤4:通过观察各冲击功值在冲击功-温度曲线数据库中的分布情况,与各冲击功-温度曲线及其离散带的匹配程度,从而判定被测材料的质量等级。
应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种判定钢材质量等级的现场检测方法,其特征在于:包含以下步骤:
步骤1:采用仪器化压痕法对被测材料进行现场断裂韧性测试,得到某一温度下的多个断裂韧性测试结果;
步骤2:采用冲击功-断裂韧性经验转换公式得到对应温度下的冲击功估算值;
步骤3:将冲击功估算值代入冲击功-温度曲线数据库中;
步骤4:通过观察各冲击功值在冲击功-温度曲线数据库中的分布情况,与各冲击功-温度曲线及其离散带的匹配程度,从而判定被测材料的质量等级。
2.根据权利要求1所述的一种判定钢材质量等级的现场检测方法,其特征在于:所述步骤2中:在常温条件下,采用WRC265经验转换公式对仪器化压痕法断裂韧性测试结果进行冲击功值估算;WRC265经验转换公式如式(1)所示
KIC=8.47Akv 0.63 (1)
式中:KIC是断裂韧性值;Akv是冲击功值。
3.根据权利要求2所述的一种判定钢材质量等级的现场检测方法,其特征在于:所述步骤3中:数据库的建立由以下流程组成:
(1)试验数据的分析与检验;对已有的Q235B、Q355B以及Q355D三种材料的冲击试验数据进行整理,通过SPSS软件中的S-W检验法对数据进行正态分布检测,若渐进显著性P值大于0.05,则表明数据服从正态分布;
(2)异常点剔除;三条曲线均出现了位于离散带之外的异常点,为保证冲击功-温度曲线的可靠性,需将位于离散带之外的异常点进行剔除;所采用的方法是标准残差法,操作方法是:通过式(2)与式(3)首先计算各组数据的残差ei和残差标准差s,再由式(4)与式(5)得到标准化残差ti
式中,ei是第i个点的残差;s是残差标准差;Ei为第i个点的冲击功值;为拟合曲线上第i个点的冲击功值;Ti为第i个点的试验温度值;为所有测试点的平均温度值;ti是第i个样本点的标准化残差;n是样本点总数;
得到标准化残差ti后,通过查找t分布分位表确定标准化残差临界值tα,n-2,若计算得到的ti≥tα,n-2,则该ti所对应的原始数据点为异常点,若ti<tα,n-2,则该数据点可保留;
(3)B和D级钢材冲击功-温度曲线;采用Boltzmann函数分别对Q235B、Q355B以及Q355D冲击试验数据进行回归分析,得到冲击功与温度之间的关系如式(6)所示;
式中,Akv为冲击功值;A1、A2分别为下平台冲击功与上平台冲击功;T为温度变量;Tt为韧脆转变温度;Tr为转变温度区范围;
分别设置两倍标准差边界线,得到各曲线的离散带,观察各个温度下冲击试验结果的分布情况;B级钢材与D级钢材的冲击功-温度拟合曲线分别如式(7)、式(8)所示:
式中:Akv是冲击功值;t是温度变量;
(4)C级钢材冲击功-温度曲线
C级钢材的试验数据较少,通过分析已经得到的B级和D级钢材的冲击功-温度曲线规律,确定C级钢材的冲击功-温度曲线拟合公式;
C级钢材质量等级的冲击功-温度曲线斜率假设为10.0,斜率按式(9)计算;由于C级冲击功-温度曲线介于B级与D级之间,C级冲击功-温度曲线上平台A2与下平台A1假定为B级与D级的中间值,分别为197J与0.675J,带入值至式(9)计算得到对应的转变区域范围值Tr为19.7℃;冲击功-温度曲线中转变温度一般为上下平台之和的半值所对应的温度,由此计算得到C级的转变温度为-8.2℃,冲击功-温度曲线拟合方程如式(10)所示,根据方程得到C级冲击功-温度曲线;
式中,A1、A2分别为下平台与上平台冲击功值;Tr为转变区域范围;
式中:Akv是冲击功值,t是温度变量;
(5)数据库的生成
通过对B级、C级和D级钢材冲击功-温度曲线分别设置2倍标准差上下界,得到各曲线离散带,即为三种质量等级下的冲击功-温度曲线数据库。
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