浅析低合金高强度结构钢屈服强度的测定

陈荣浩

（福建省永正工程质量检测有限公司，福建 福州 350012）

0 引言

金属材料力学性能中的屈服强度是钢结构工程与机械产品设计的关键，现行各类设计中的安全系数的制定主要是依据屈服强度。《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591-2018）于2019年2月1日实施[2]，相比旧国标GB/T 1591-2008有部分内容变化：将下屈服强度修改为上屈服强度；当屈服不明显时，可用规定塑性延伸强度Rp0.2代替上屈服强度；以Q355级钢替代Q345级钢及相关技术指标要求。通过试验数据表明，Q355B材料的实测上屈服强度比实测下屈服强度高出5%左右，而相关设计只作了简单的修改，将材料的上屈服点替代材料的下屈服点，当作材料屈服强度的验收依据。笔者认为这可能会产生严重的安全隐患。基于这种背景，本文就低合金高强度结构钢屈服强度的测定进行讨论。

1 屈服强度的相关规定及普遍认知

（1）测定上屈服点的影响因素较多，而下屈服点相对更加稳定。

（2）从结构设计安全方面考虑，上、下屈服点中，屈服强度选择下屈服点更为安全。

（3）低合金高强度结构钢与碳素结构钢都属存在明显屈服强度的材料，两种材料理应采用同一体系评价其力学指标性能；《碳素结构钢》GB/T 700-2006[4]与《低合金高强度结构钢》GB/T 1591-2018，两本标准先后于2006年与2018年分别参照ISO国际标准进行了修订，采用上屈服点作为屈服强度。GB/T 1591-2008 与GB/T 1591-2018中屈服点的差异见表1、表2。

表1 《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591-2008）下屈服强度值[3]

表2 《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591-2018）上屈服强度值[2]

2 金属拉伸试验中屈服点影响因素

金属拉伸试验中的屈服点的测定关系到上、下屈服强度测定的准确性，是金属拉伸试验中的关键。只有把控好试验中影响屈服点测定的因素，才能获取准确的上、下屈服强度。

2.1 试验人员操作的影响

试验人员的综合操作素质会很大程度地影响试验结果的准确性，特别是在试验机不断更新换代和各设备厂家对试验机试验软件界面设计不统一的情况下，试验操作水平十分关键，在概念及操作上存在一些误区，试验结果准确度就会有很大差距。

2.2 夹具试验过程中的影响

试验过程中夹具打滑发生的几率比较大，此类现象多数发生在旧试验机。因为旧试验机的使用时间较长，夹片上的鳞形尖状部分受到不同程度的磨损，降低摩擦力作用。试验中的试样受张拉作用力的增加，当静摩擦力达到最大时，试样将会产生打滑，从力值曲线上看，即会发生屈服现象，此时的屈服为虚假屈服。若试验机（比如万能试验机）以往所测定试样的屈服点正常，那么现在测定试样的屈服点将会偏小。

2.3 试验机各测量环节的影响

现今试验室内有80%的试验机采用微机控制系统。微机控制系统的设计一旦考虑不周，检测结果将会遭受严重的影响。材料屈服点的求取最主要的有以下几个要点：

（1）传感器放大器频带太窄

现今万能试验机基本上都是采用压力传感器作为力值检测元件，但压力传感器信号输出类型为小信号输出，在运行过程中必须对信号进行放大。试验环境中，存在不同形式的电磁信号干扰，此类信号干扰将会通过各种途径参与到试验测量采集信号中，然后将被一起放大，结果干扰信号会覆盖有用信号。如要把有用信号从干扰信号中区分出来，结合万能试验机的特性，需设低通滤波器置于放大器中。通过对低通滤波器设置相对合理的截止频率，在一个较适当的范围内限制放大器的频带，就可较大地提高万能试验机的测控性能。然而现实检测中，试验人员更注重数据采集的稳定性，数据采集的真实性却往往被忽略，压力传感器的滤波器将被设置较低的截止频率。目的是为了更为充分地把干扰信号滤掉，但却一起滤掉了有用信号。

（2）控制方法使用不当

在GB/T 228.1-2010[1]中给出控制方式为应变控制，但在屈服出现前，试件拉伸处于弹性阶段，应采用应力控制，这种理想控制方式对于大多万能试验机是很难控制的。难点在于要求在拉伸试件刚发生屈服时就要改变控制方式，而拉伸试验的目标就是测定屈服点，不可能以未知屈服点结果作为切换控制方式的条件。在日常试验中，有些会以同一控制方式来控制试验整个过程（如使用不同控制方式控制不同拉伸阶段，也比较难在上屈服点出现时马上切换，都会在上屈服点出现前提早一点切换控制方式）。针对采用等位移或等速率控制的万能试验机，因拉伸试件的弹性阶段的应变速率和应力速率成正比，需选择合理的速率，试验过程采用同一控制方式就可符合屈服前后的控制方式要求。如果只有一种控制方式的万能试验机，试验机本身特快的响应，屈服出现过程时间会很短，若采集数据的速度较慢，屈服值将会丢失。因此在拉伸试验控制方式的选择时，尽量不要选取单一荷载控制方式。

3 通过拉伸试验数据分析上、下屈服点的差异

试验方案:备20组牌号同为Q355B规格不同的低合金高强度结构钢试样进行室温拉伸试验。矩形横截面试样加工过程中，严格按照GB/T 228.1-2010中对矩形横截面试样加工的要求进行，矩形横截面试样应加工成哑铃形拉伸试样，过渡弧半径r应不小于12mm。试样加工选择线切割工艺。

拉伸试验主要仪器:万能试验机（型号WAW-1000C、WAW-600D、WE-100B），试验机精度均为1 级。依据GB/T 228.1-2010中方法B分别进行上、下屈服点的测定。方法B中对速率要求分别作了规定：上屈服强度，应力速率应在6-60MPa/s的范围内；下屈服强度，在屈服期间应变速率应在0.00025/s~0.0025/s之间。

通过对20组试样进行室温拉伸试验所测得的上、下屈服点见表3。

表3 室温拉伸试验所测得的上、下屈服点

上述20组统计试验所测得的上、下屈服点，总体来看存在的差异还是比较明显，个别组数据两者相差超过5%。

4 安全系数的确定

安全系数是工程结构设计中用来表示结构安全程度高低的系数。

安全系数是在对土木工程、机械工程等设计中，以防止由于原材料存在的自身缺陷、外力影响、工作误差等不同因素所造成的不良后果，工程设计中受力部位上理论承载力应不小于部位上实际承载力，即极限应力和许用应力的比值，称为安全系数，即安全系数=极限应力/许用应力。

极限应力表示当材料在发生破坏时，失去其承载能力时的应力。极限应力可分屈服极限应力和抗拉极限应力。材料又分塑性材料和脆性材料。（1）塑性材料：材料达到屈服之后就明显地出现塑性变形，即材料的正常工作能力已丧失，因此材料的极限应力应取屈服极限；（2）脆性材料：材料从受力直至破坏，塑性变形量均无产生，只在破坏时正常工作能力才丧失，此时材料的极限应力应取抗拉极限。

5 结束语

现行版本的国家标准《低合金高强度结构钢》GB/T 1591-2018与旧标GB/T 1591-2008相比，屈服强度由下屈服强度ReL变更为上屈服强度ReH，其变更的依据是与国际相关标准接轨。在进行标准修订的同时，应同步对现行工程设计的安全系数进行梳理，必要时应进行同步调整。如只对标准单方面进行修定，将会改变各类设计安全系数，可能对工程设计带来安全隐患，应引起足够的重视。