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预应力钢绞线及锚夹具检测探讨摘要：近20年来，我国预应力混凝土技术发展迅速，预应力筋材料从早期的冷拉钢筋，冷拔钢丝，发展到目前大量使用的高强度低松弛预应力钢绞线，预应力锚固体系也相继开发了XM、TM、QVM、VLM等大吨位群锚体系，张拉设备配套逐步完善，预应力新工艺层出不穷，大大促进了我国预应力混凝土设计与施工技术的发展，尤其是在桥梁建设方面，预应力技术发挥着举足轻重的作用。为了确保预应力工程材料的质量，自1985年起，我国陆续颁布了有关规范标准，如早期的GB/T5224-85预应力混凝土钢绞线等，对预应力行业起到了积极的促进作用，针对执行和使用中出现的问题，这些规范标准也在不断的修订和完善中。 关键词：钢绞线、锚具、硬度、静载锚固性能引言： 经过在福建省交通工程检测中心4个月的实习中我感到在预应力钢绞线、锚夹具的质量检测技术和执行标准方面存在一些具体问题。本文通过自身的学习和同事的多年工作经验对检测工作中经常遇到的一些问题如试验机夹具、锚夹具的硬度、静载试验等进行了探讨。Q-X8d!一、预应力钢绞线的检测（一）检验规则1) 检查和验收产品的检查由供方技术监督部门按表4.3.1的规定进行，需方可按本标准进行检查验收。2) 组批规则钢绞线应成批验收，每批钢绞线由同一牌号、同一规格、同一生产工艺捻制的钢绞线组成。每批质量不大于60吨。3) 检验项目及取样数量1 钢绞线的检验项目及取样数量应符合下表4.3.1的规定。表4.3.1 供方出厂常规检验项目及取样数量序号检验项目取样数量取样部位检验方法1表面逐盘卷目视2外形尺寸逐盘卷按本标准3钢绞线伸直性3根/每批在每（任）盘卷中任意一端截取4整根钢绞线最大力3根/每批5规定非比例延伸力3根/每批6最大力总伸长率3根/每批7应力松弛性能不小于1根/每合同批（注）注：合同批为一个订货合同的总量。在特殊情况下，松弛试验可以由工厂连续检验提供同一原料、同一生产工艺的数据所代替。2 1000h的应力松弛性能试验、疲劳性能试验、偏斜拉伸试验只进行型式检验，仅在原料、生产工艺、设备有重大变化及新产品生产、停产后复产时进行检验。4) 复验与判定规则当4.3.1中规定的某一项检验结果不符合本规程规定时，则该盘卷不得交货。并从同一批未经试验的钢绞线盘卷中取双倍数量的试样进行该不合格项目的复验，复验结果即使有一个试样不合格，则整批钢绞线不得交货，或进行逐盘检验合格后交货。供方有权对复验不合格产品进行重新组批提交验收。（二）尺寸、外形、重量及允许偏差1) 预应力钢绞线的截面形状如附录A中图1、图2、图3所示。图1 12结构钢绞线外形示意图图2 13结构钢绞线外形示意图图3 17结构钢绞线外形示意图2) 不同结构预应力钢绞线的公称直径、直径允许偏差、测量尺寸及测量尺寸允许偏差应分别符合表1、表2和表3的规定。表1 12结构钢绞线尺寸及允许偏差钢绞线结构公称直径，mm钢绞线直径允许偏差，mm钢绞线参考截面积Sn，mm2每米钢绞线参考质量，g/m钢绞线直径Dn钢丝直径d125.002.50+0.15-0.059.8277.15.802.9013.21048.004.00+0.25-0.1025.119710.005.0039.330912.006.0056.5444表2 13结构钢绞线尺寸及允许偏差钢绞线结构公称直径，mm钢绞线测量尺寸A，mm测量尺寸A允许偏差，mm钢绞线参考截面积Sn，mm2每米钢绞线参考质量，g/m钢绞线直径Dn钢丝直径d136.202.905.41+0.15-0.0519.81556.503.005.6021.21668.604.007.46+0.20-0.1037.72968.744.057.5638.630310.805.009.3358.946212.906.0011.284.8666138.744.057.5638.6303表3 17结构钢绞线尺寸及允许偏差钢绞线结构公称直径mm直径允许偏差mm钢绞线公称截面积mm2每米钢绞线参考质量，g/m中心钢丝直径加大范围不小于，%179.50+0.30-0.1554.84302.511.1074.258212.70+0.40-0.2098.777515.20140110115.70150117817.80191150017模拔型12.70+0.40-0.2011289015.20165129518.002231750（三）技术要求3) 力学性能1 12结构钢绞线的力学性能应符合表6.1.1的规定。2 13结构钢绞线的力学性能应符合表6.1.2的规定。3 17结构钢绞线的力学性能应符合表6.1.3的规定。表6.1.1 12结构钢绞线的力学性能钢绞线结构钢绞线公称直径Dnmm抗拉强度RmMPa整根钢绞线的最大力FmkN规定非比例延伸力Fp0.2kN最大力总伸长率（L0400mm）Agt%应力松弛性能初始负荷相当于公称最大力的百分数%1000h后应力松弛率r/%不大于不 小 于125.00157015.413.9对所有规格3.5对所有规格607080对所有规格1.02.54.5172016.915.2186018.316.519600157020.718.6172022.720.4186024.622.1196025.923.38.00147036.933.2157039.435.5172043.238.9186046.742.0196049.244.310.00147057.852.0157061.755.5172067.660.8186073.165.8196077.069.312.00147083.174.8157088.779.8172097.287.5186010594.5注：规定非比例延伸力Fp0.2值不小于整根钢绞线公称最大力Fm的90%。表6.1.2 13结构钢绞线的力学性能钢绞线结构钢绞线公称直径Dnmm抗拉强度RmMPa整根钢绞线的最大力FmkN规定非比例延伸力Fp0.2kN最大力总伸长率（L0400mm）Agt%应力松弛性能初始负荷相当于公称最大力的百分数%1000h后应力松弛率r/%不大于不 小 于136.20157031.128.0对所有规格3.5对所有规格607080对所有规格1.02.54.5172034.130.7186036.833.1196038.834.96.50157033.330.0172036.532.9186039.435.5196041.637.48.60147055.449.9157059.253.3172064.858.3186070.163.1196073.966.58.74157060.654.5167064.558.1186071.864.610.80147086.677.9157092.583.3172010190.9186011099.0196011510412.9014701251131570133120172014613118601581421960166149138.74157060.654.5167064.558.1186071.864.6注：规定非比例延伸力Fp0.2值不小于整根钢绞线公称最大力Fm的90%。表6.1.3 17结构钢绞线的力学性能钢绞线结构钢绞线公称直径Dnmm抗拉强度RmMPa整根钢绞线的最大力FmkN规定非比例延伸力Fp0.2kN最大力总伸长率（L0500mm）Agt%应力松弛性能初始负荷相当于公称最大力的百分数%1000h后应力松弛率r/%不大于不 小 于179.50172094.384.9对所有规格3.5对所有规格607080对所有规格1.02.54.5186010291.8196010796.311.1017201281151860138124196014513112.7017201701531860184166196019317415.2014702061851570220198167023421117202412171860260234196027424715.701770266239186027925117.8017203272941860353318(17)C12.70186020818715.20182030027018.001720384346注：规定非比例延伸力Fp0.2值不小于整根钢绞线公称最大力Fm的90%。4 供方每一交货批钢绞线的实际强度不能高于其抗拉强度级别200MPa。5 钢绞线弹性模量为（19510）GPa，但不作为交货条件。6 根据供货协议，可以提供表.3以外的强度级别的钢绞线。7 允许使用推算法确定1000h松弛率。4) 表面质量1 除非需方有特殊要求，钢绞线表面不得有油、润滑脂等物质。钢绞线允许有轻微的浮锈，但不得有目视可见的锈蚀麻坑。2 钢绞线表面允许存在回火颜色。5) 钢绞线的伸直性取弦长为1m的钢绞线，放在一平面上，其弦与弧内侧最大自然矢高不大于25mm。6) 疲劳性能和偏斜拉伸性能经供需双方协商，并在合同中注明，可对产品进行疲劳性能试验的偏斜拉伸试验。（四）试验内容及方法1) 表面检验表面质量用目测检查。2) 尺寸检验钢绞线的直径应用分度值为0.02mm的量具测量。钢绞线的尺寸和捻距。12钢绞线的直径测量应测定图1所示的Dn值，13钢绞线的直径测量应测定图2所示的A值，17钢绞线的直径测量应以横穿直径方向的相对两根外层钢丝为准，如图3所示Dn值，并在同一截面不同方向上测量两次。3) 每米质量测量钢绞线第米质量测量应采用如下方法：取3根长度不小于1m的钢绞线，每根钢绞线长度测量精确到1mm。称量每根钢绞线的质量，精确到1g，然后按下式计算钢绞线的每米质量。式中：M钢绞线每米质量，单位（g/m）；m钢绞线质量，单位（g）；L钢绞线长度，单位（m）。实测单重取3个计算值的平均值。4) 拉伸试验1 试验设备的准确度试验机应按照GB/T16825要求，定期进行校准，并应为1级或优于1级准确度。引伸计的准确度级别应符合GB/T12160的要求，并定期进行校准。测定规定非比例延伸力应使用不劣于1级准确度的引伸计；测定其他具有较大延伸率的性能，例如抗拉强度、最大力总伸长率以及断后伸长率等，应使用不劣于2级准确度的引伸计。试验机上、下工作台之间的距离测量应用精度不小于0.1mm的长度测量尺或游标卡尺。2 试验速率测定规定非比例延伸力时，应力速率应在660（N/mm2）s-1范围内，测定抗拉强度时，应变速率不应超过0.008/s。3 最大力整根钢绞线的最大力试验按金属拉伸试验方法GB/T228的规定进行。如试样在夹头内和距钳口2倍钢绞线公称直径内断裂达不到本标准性能要求时，试验无效。计算抗拉强度时取钢绞线的参考截面积值。4 规定非比例延伸力钢绞线规定非比例延伸力采用的是引伸计标距的非比例延伸达到原始标距0.2%时所受的力（Fp0.2）。为便于供方日常检验，也可以测定规定总延伸达到原始标距1%的力（Ftl），其值符合本标准规定的Fp0.2值时可以交货，但仲裁试验时测定Fp0.2。测定Fp0.2的Ftl时，预加负荷为规定非比例延伸力的10%。5 最大力总伸长率最大力总伸长率Agt的测定按GB/T228规定进行。使用计算机采集数据或使用电子拉伸设备测量伸长率时，预加负荷对试样所产生的伸长率应加在总伸长内。测定钢绞线伸长率时，17结构钢绞线的标距不小于500mm；12和13结构钢绞线的标距不小于400mm。在测定总伸长为1%时的负荷后，卸下引伸计，标明试验机上下工作台之间的距离L1，然后继续加荷直到钢绞线的一根或几根钢丝破坏，此时标明上、下工作台的最终距离L2，L2- L1的值与L1比值的百分数，加上引伸计测得的1.0%即为钢绞线的伸长率。如果任何一根钢丝破坏之前，钢绞线的伸长率已达到所规定的要求，此时可以不继续测定最后伸长率的值。如因夹具原因产生剪切断裂，所得最大负荷及延伸未满足标准要求，试验是无效的。6 测定结果数值修约最大力除以试验钢绞线参考截面积得到抗拉强度，数值修约间隔为10N/mm2；最大力总伸长率Agt，数值修约间隔为0.5%。5) 应力松弛性能试验1 钢绞线的应力松弛性能试验应按GB/T10120的规定进行。2 试验期间，试样的环境温度应保持在202内。3 试验标距长度不小于公称直径的60倍。4 试样制备后不得进行任何热处理和冷加工。5 初始负荷应在3min5min内均匀施加完毕，持荷1min后开始记录松弛值。6 允许用至少100h的测试数据推算1000h的松弛率值。6) 疲劳试验1 疲劳试验所用试样是成品钢绞线上直接截取的试样，试样长度应保证两夹具之间的距离不小于500mm。2 钢绞线应能经受2106次0.7Fm（0.7Fm-2Fa）脉动负荷后而不断裂。2Fa/Sn=195MPa式中：Fm钢绞线的公称最大力，单位为牛顿（N）；2Fa应力范围（两倍应力幅）的等效负荷值，单位为牛顿（N）；Sn钢绞线的参考截面积，单位为平方毫米（mm2）。3 在试验的全过程中，脉动拉伸的最大应力保持恒定应力的静态测量误差应不大于1%。4 应力循环频率不能超过120Hz。5 所有应力都沿着轴向传递给试样，应无钳口和缺口影响，且应有一个相应的装置能限定夹头中试样的任何滑移。6 由于缺口影响或局部过热引起试样在夹头内和夹持区域内（2倍钢绞线公称直径）断裂时试验无效。7 试验过程中，试件温度不得超过40，试验室环境温度在1825。7) 偏斜拉伸试验1 试验原理本试验适用于直径大于等于12.5mm的钢绞线。将钢绞线固定在偏斜装置上与直线成20度角进行拉伸试验，直到至少一根单丝破断，测量其破断力与轴向拉伸最大力的比值。2 样品与试样用于偏斜拉伸的试样应从力学性能合格的样品上一次截取相当于12根试样的长度。两端各取1根进行轴向拉伸试验确定钢绞线的最大力。其余再截成10根用于偏斜拉伸试验。注：7个有效的试验结果就可以计算出偏斜系数，但考虑到有无效试验情况，建议至少取10根试样。3 试样长度应满足试样进行拉伸和锚固用。4 试样除被切割外不能进行任何的加工处理。5 试验设备1 概述：试验机应具有刚性机架，以满足本标准规定的试验要求。试验机包括一个固定锚固夹头和带测力装置的活动锚固夹头，一个加载装置和一个带凹槽的心轴。2 试验设备尺寸：试验装置的尺寸应符合图7.7.5-1和表7.7.5-1的规定。各部分代号及说明：f心轴；a固定端；b锚夹头。 L1=700mm50mm；L2750mm图7.7.5-1 偏斜拉伸试验装置表7.7.5-1 夹片的位移量最大力的百分比允许最大位移量从0%到破断5mm从50%Fm到破断2.5mm注：在试验之前楔形夹片应进行研磨3 夹具：试样两端向中心线应垂直于锚固夹头的轴承平面，不正确的设计尺寸和定位会出现错误的试验结果。锚固夹头应满足下列要求：（a）用这组夹具进行轴向拉伸试验时应达到常规拉伸试验最大力Fm的95%以上；（b）偏斜拉伸试验中，在90%最大力Fm时中心钢丝与外层钢丝的相对移量应小于0.5mm；（c）夹片与锚固夹胎之间的位移应小于表7.7.5-1中给出的值；（d）在试验过程中楔形夹片与锚固夹胎之间应该是扣紧的，无任何活动；（e）夹片的最小齿长为钢绞线直径的2.5至3倍。4 心轴：心轴应用工具钢制造。其化学成分、显微组织及热处理应使其具有高韧性和高耐磨性能，表面性能应达到5862HRC。心轴尺寸应符合规定。心轴应刚性固定不能有任何旋转和移动。注1：心轴凹槽精加工的精度应达到n7。注2：表面粗糙度最大值为Ra1.6m。5 加载装置：加载设备最好有测力传感器，误差应不大于1%，力值读数应大于满量程的10%。加载频率应可调节，试验期间应控制加载速度，载荷在050%Fm范围内加载速度应控制在30MPa/s，载荷在50%Fm100%Fm范围内加载速度应控制在60MPa/s。6 试验：1 试验前心轴凹槽表面应仔细清理，如钢绞线有轻微弯曲，曲率应与偏斜方向一致。加载之前安装锚具过程中应正确调整钢绞线。加载期间钢绞线与夹片之间不能有任何滑移，以验证锚固效果；2 加载速度见7.7.5-5；3 当钢绞线的一根或多根钢丝不在心轴位置破断时，试验无效；4 有效试验的Fai应按7.7.5-5要求精确的记录，对应的偏斜拉伸系数Di可按下式进行计算：Di=（1-Fai/Fm）100%5 去掉最大值和最小值，D值应取Di的平均值。7 判定：1 一般用途的钢绞线其偏斜拉伸系数应为D28%；2 用于斜拉索的钢绞线其偏斜拉伸系数应为D20%。（五）对钢绞线试验的讨论1) 钢绞线试验的夹具钢绞线试验的夹具对钢绞线最大力Fm的测定有着重要的影响，而Fm的数值又直接影响到锚具效率系数的计算。不同的检测单位使用着不同形式的夹具，夹具的夹持长度从80mm到180mm不等，夹具的牙纹有点状、细牙等，这些夹具不同程度地对钢绞线有着“缺口效应”，导致钢绞线提前破坏，断口总是发生在夹持部位，造成对同样的钢绞线使用不同的夹具进行试验会得到不同的结果这一不合理的现象。新标准GB/T5224-2003规定：“如试样在夹头内和距钳口2倍钢绞线公称直径内断裂达不到本标准性能要求时，试验无效。” 问题在于对于“有效”的试验，虽然达到了标准规定的性能指标，钢绞线材料检验合格，但由于没有真正测出钢绞线不受损伤情况下的最大力，因而也就不能够准确地测量出钢绞线受损伤情况下锚具的锚固效率系数。那么有没有使钢绞线不受损伤的夹持形式呢？经过查网上查得采用江西新华金属制品有限公司的技术所加工的夹具几近完美地解决了这一问题，试样夹持部位完全没有损伤，只是由于摩擦的缘故，变的有些粗糙(图1左)，部分试样更是断在中部，断口有颈缩，呈塑性断口状(图1右)。 20060309091018606.gif (26.25 K)2007-7-31 9:16:20 图1 钢绞线断裂图片这一技术的关键是必须在夹具与试样之间垫以粘有金钢沙的软金属片，以防止夹具牙纹对钢绞线的损伤，同时最大程度地握裹住试样，阻止试样打滑。如图2。20060309091018304.gif (38.81 K)2007-7-31 9:16:20 图2 粘有金钢沙的软金属片 建议标准在今后的修订中增加有关试验方法、夹具形式的内容，以减少由于试验方法不同所造成的试验结果的差异。2) 弹性模量 钢绞线的弹性模量在新标准中第7、3、5条的参考值为19510Gpa，但不作为交货条件。实际上作为预应力施工张拉伸长量计算的重要数据，弹性模量是试验中的必测项目。钢绞线的截面积是使用标准中所提供的参考值还是用实测值，这在检测部门一直存有分歧。按GB/T228金属材料室温拉伸试验方法的规定，应该用实测面积，但对于如图3所示的钢绞线截面示意图，如何才能准确地测量出它的截面积呢？方法之一是分别测量7丝的面积，然后相加；文章建议用称重法测量面积，或是先测量图中对角直径D，然后按表1取值作为钢绞线的实测面积。但由于存在间隙，对角直径D难以精确测量。 20060309091018611.gif (902 B)2007-7-31 9:16:20 图3 钢绞线截面示意 表1 钢绞线直径与面积的对照20060309091018235.gif (2.82 K)2007-7-31 9:16:20 由于钢绞线的弹性模量对张拉施工十分重要，建议今后的标准中明确规定钢绞线截面积的测量方法。3) 引伸仪由于标准中未作规定，各检测单位所使用的引伸仪标距从100mm到600mm不等。然而钢绞线结构特殊，捻距约为170mm，因此只有引伸仪标距大于200mm，变形的测量才不会受到钢绞线结构特性的影响，从而提高钢绞线弹性模量测量的准确性。引伸仪的夹持方式也是应该引起注意的，通常引伸仪的刀口是平直的，用橡皮筋固定只能夹持钢绞线7丝中的2丝，由于各丝变形有一定程度的不均匀性，因此对弹性模量的测试还是有一些影响，建议使用用螺纹固定的环形卡式400mm标距的引伸仪。二、锚具、夹具的检测（一）术 语 锚具:在后张法预应力混凝土结构或构件中，为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土上所用的永久性锚固装置。 夹具 :在先张法预应力混凝土构件施工时，为保持预应力筋的拉力并将其固定在生产台座（或设备）上的临时性锚固装置；在后张法预应力混凝土结构或构件施工时，在张拉千斤顶或设备上夹持预应力筋的临时性锚固装置。 （二）性能要求 1) 预应力筋用锚具、夹具和连接器的性能均应符合现行国家标准预应力筋用锚具、夹具和连接器GB/T 14370的规定。在预应力筋强度等级已确定的条件下，预应力筋-锚具组装件的静载锚固性能试验结果，应同时满足锚具效率系数（ ）等于或大于0.95和预应力筋总应变（）等于或大于2.0%两项要求。锚具的静载锚固性能，应由预应力筋-锚具组装件静载试验测定的锚具效率系数（ ）和达到实测极限拉力时组装件受力长度的总应变（）确定。锚具效率系数（ ）应按下计算： （3.0.3） 式中 预应力筋-锚具组装件的实测极限拉力； 应力筋的实际平均极限抗拉力。由预应力钢材试件实测破断荷载平均值计算得出； 预应力筋的效率系数。 应按下列规定取用：预应力筋-锚具组装件中预应力钢材为1至5根时，=1；6至12根时，=0.99；13至19根时，=0.98；20根以上时，=097。 当预应力筋-锚具（或连接器）组装件达到实测极限拉力时，应由预应力筋的断裂，而不应由锚具（或连接器）的破坏导致试验的终结。预应力筋拉应力未超过0.8时，锚具主要受力零件应在弹性阶段工作，脆性零件不得断裂。 2) 用于承受静、动荷载的预应力混凝土结构，其预应力筋-锚具组装件，除应满足静载锚固性能要求外，尚应满足循环次数为200万次的疲劳性能试验要求。疲劳应力上限应为预应力钢丝或钢绞线抗拉强度标准值（）的65（当为精轧螺纹钢筋时，疲劳应力上限为屈服强度的80），应力幅度不应小于80MPa。对于主要承受较大动荷载的预应力混凝土结构，要求所选锚具能承受的应力幅度可适当增加，具体数值可由工程设计单位根据需要确定。 3) 在抗震结构中，预应力筋猫具组装件还应满足循环次数为50次的周期荷载试验。组装件用钢丝或钢绞线时，试验应力上限应为0.8；用精轧螺纹钢筋时，应力上限应为其屈服强度的90。应力下限均应为相应强度的40。 4) 锚具尚应满足分级张拉、补张拉和放松拉力等张拉工艺的要求。锚固多根预应力筋的锚具，除应具有整束张拉的性能外，尚宜具有单根张拉的可能性。 5) 夹具的静载性能，应由预应力筋-夹具组装件静载试验测定的夹具效率系数（ ）确定。夹具效率系数（ ）应按下式计算： (3.0.7) 式中预应力筋-夹具组装件的实测极限拉力。 试验结果应满足夹具效率系数（ ）等于或大于0.92的要求。 当预应力筋-夹具组装件达到实测极限拉力时，应由预应力筋的断裂，而不应由夹具的破坏导致试验终结。 6) 夹具应具有良好的自锚性能、松锚性能和安全的重复使用性能。主要锚固零件宜采取镀膜防锈。 7) 永久留在混凝土结构或构件中的预应力筋连接器，应符合锚具的性能要求；用于先张法施工且在张拉后还将放张和拆卸的连接器，应符合夹具的性能要求。顶应力混凝土结构工程用锚具在锚固部位的布置，应根据锚具型号、顶应力筋数量、混凝土强度等级等条件，进行局部承压验算。锚具间距应满足最小间距的要求。当锚具下的锚垫板要求采用喇叭管时，宜选用钢制或铸铁的产品，锚垫板下应设置足够的螺旋钢筋或网状分布钢筋。 8）锚垫板与预应力筋（或孔道）在锚固区及其附近应相互垂直。锚垫板上宜设灌浆孔，此孔还可用于排气或安设水泥浆泌水补偿器。选用锚具时，应根据张拉设备的要求，使现场有足够的操作空间。 9）工程设计选定的锚具或连接器，应在设计图纸上注明型式、规格及性能要求，不得指定生产厂名或以独家产品型号间接指定生产厂名。能够适用于高强度预应力钢材的锚具（或连接器），也可用于较低强度的预应力钢材；仅适用于低强度预应力钢材的锚具（或连接器），则不得用于高强度的预应力钢材。在施工中，锚具需要代换时，应经工程设计责任方审核同意。 10）夹具和先张法预应力筋连接器的选用，应根据预应力筋的品种、规格、张拉设备型式以及工艺操作要求，由构件的生产单位或生产线的设计单位确定（三）试验方法a) 布氏硬度试验（HB）1) 基本原理将载荷P和直径为D的淬火钢球压入试样的表面，并保持一定时间，然后去除载荷P，测量压痕直径d（见图一所示）。最后计算出布氏硬度值。计算公式化如下：若压痕的深度为h，则压痕的面积为： 图一 布氏硬度实验原理图FDh HBHB式中：P施加的栽荷kg F压痕的表面积，mm2 D钢球的直径，mm B压痕直径，mm在P和D一定的情况下，布氏硬度的高低取决于压痕的直径d，d越大，表明材料的HB值越低即材料越软；反之材料硬度高即HB越大。在具体测量时，并不是每次都按上述公式去算，而是根据D与P值大小，测量出压痕的直径d，然后查表即得。这种表格就是根据上述公式计算制出的，可参考压痕直径与布氏硬度表由于材料有硬有软，工件有厚、薄、大、小之分，为适应不同情况，其压头有2.5mm、5mm、10mm三种钢球。载荷有15.6kg、62.5kg、187.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种。在具体测量时只要满足P/D2为常数，则对同一材料来说，布氏硬度值都是相同的；而对不同材料，所得的布氏硬度值是可进行比较的。国家标准规定P/D2比值为30、10、2.5三种。按表一布氏硬度试验的规范来选择钢球直径D和加压负荷P以及保压时间。在试样截面大小和厚度允许的情况下，尽可能选用直径大的钢球和大的载荷，这样更接近于材料的真实性能；同时，测量的压痕大，误差也小。所以测定钢的硬度时，尽可能用10mm钢球和3000kg的载荷。试验后，压痕直径应在0.25Db0.6D的范围内，否则试验结果无效。应选其他规范重做试验。这是因为d值太小，灵敏度和准确性将降低，若d值太大，压痕的几何形状不能保持相似的关系，影响准确性。布氏硬度计的压头，是淬火的高碳工具钢制的钢球，为了避免钢球压裂或变形，不能测太硬的材料。表一：布氏硬度试验规范金属类 型布氏硬度范围（HB）试件厚度（mm）负荷P与压头直径D的关系钢球直径D（mm）负荷P（kgf）载荷保持时间（秒）黑色金属14045063P=30D210.0300010425.075022.5189.51406P=10D210.0100010635.025032.562.5有色金属13063P=30D210.0300030425.075022.5187.53613093P=10D210.0100030635.025032.562.58356P=2.5D210.025060635.062.532.515.62) 布氏硬度计构造和操作常见布氏硬度计有油压式和杠杆式两种，油压式是通过液体来传递压力，是比较早期的硬度计的类型，容易产生过载等缺点。目前多采用杠杆式硬度计，它是通过杠杆来传递压力，是较完善的硬度计。现以HB3000型布氏硬度计为例，介绍其主要结构，如图二所示。图二 HB-3000型布氏硬度计结构图1-电源开关；2-加力指示灯；3-电源指示灯；4-加力开关；5-压紧螺钉；6-圆盘；7-减速器；8-曲柄；9-换向开关；10-砝码；11-连杆；12-大杠杆；13-吊环；14-机体；15-小杠杆；16-弹簧；17-压轴；18-主轴衬；19-摇杆；20-压头；21-可更换工作台；22-工作台立柱；23-螺杆；24-升降手轮；25-螺母；26-套筒；27-电动机1、 载物台：放置试样的地方；2、 升降丝杆：合载物台上升或下降的机构；3、 手轮：使丝杆产生上下旋转；4、 压头：是由淬火后钢球制成；5、 指示灯：用于表示加载过程；6、 时间定位器：用于控制加载时间；7、 压紧螺钉；用于固定时间定位器；8、 加载按钮：用于施加载荷；1) 试验步骤： 安装压头和载物台； 选择载荷：按表一选择载荷。 选择载荷的保持时间：载荷保持时间按表一规定。松开压紧螺纹，把圆盘内弹簧定位器旋转到所需的时间位置上，压紧螺钉松开的程度应能使圆盘作回转调整即可； 将试样放于载物台上； 测量开始：打开电源，指示灯发亮。转动手轮使试件与压头接触。然后启动按钮开关并立即做好拧紧螺钉的准备，在加载荷指示灯燃亮的同时迅速拧紧，使圆盘随曲柄一起回转直到自动反向和停止转动为止。从加载指示灯燃亮到熄灭为全载荷保持时间； 硬度测量结果：测量完毕，转动手轮，取下试样，用测量显微镜测量试件表面的压痕直径，从互相垂直方向各测一次，取其平均值，查压痕直径与布氏硬度对照表即得硬度值。例如用5mm直径钢球，在750kg载荷下保持10s，压痕直径d=3.3mm测量的硬度值为341。 硬度计的校验方法及注意事项：一般采用标准压块，对硬度读数的正确性进行校核。在标准块上三个不同位置测量硬度，取其算术平均值，该值不应超过标准硬度值的3%。 平均值标准块值即：硬度计的误差值= 3% 标准块值例如标准块的硬度刻度为HB320，在硬度计上测得为HB328时，说明硬度计计数比标准块高8个单位，所以试件测得的硬度应相应减去8。对硬度计的载荷，可用标准测力计进行测量，载荷误差不应超过1%，否则应进行修理后才能使用。压痕中心到试件边缘的距离不应小于压痕直径2.5倍，而相邻的压痕中心距离不应小于压痕直径的四倍。b) 洛式硬度试验1) 测试原理洛式硬度法克服了布氏法的缺点，它的压痕较小，可测量较高硬度，可直接读数，操作方便、效率高，洛氏硬度法也采用压入法，它用金刚石和钢球作压头。但它是以压痕的陷凹深度作为计量硬度指标。为了可以用一个试验机测定从软到硬的材料的硬度，采用了不同的压头和总负荷，组成了15种不同的洛氏硬度标度，见表二所示为各种洛氏硬度符号、试验条件及其应用。钢铁材料最常用HRB和HRC两种标度测定。各种洛氏硬度计测量原理都是相似的，现以测量HRB、HRC为例说明。图三洛氏硬度测量原理。一般较硬的金属材料（如淬火后的工件）用金刚石压头；较软的金属材料用钢球压头。总载荷P分为两次加到压头上。首先加入预载荷P0，使压头与试样的表面接触良好，此时，压痕深度为h1（见图三a）；然后加入主载荷P1，这时总载荷P= P0+ P1，此时压痕深度增加到h2位置（见图三b）；随后将主载荷卸除，此时压痕由于加载时所产生的弹性变形已恢复，此时压痕深度h= h2h1，（见图三c）作为测量的依据。如果直接以压痕深度h来作计算硬度指标，那么就会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值大的现象，这和布氏硬度值大小相反，不符合人们的习惯。因此用一常数K来减去所得的压痕深度值作为洛氏硬度的指标。 即：HR=kh当以钢球为压头时，k=0.26；以金刚石锥体为压头时，k=0.2。此外，在读数上又规定以压入深度0.002mm作为标尺刻度的一格，这样前者的0.26常数相当于130格，后者0.2常数相当于100格，因此洛氏常数硬度值可由下式确定：HRB=130h0.02 （红色表盘）HRC=100h0.02 （黑色表盘）因此可知当压痕深度h=0.2mm时则：HRC=0 HRB=30这也说明为什么HRB要取0.26作为常数的原因，因为HRB是测定较软的金属材料的，测试时有的压痕深度可能超过0.2mm以上，若取0.2作为常数，硬度将会得负值，为此HRB把常数取得大些。表二： 各种洛氏硬度符号、试验条件及其应用标度符号采用压头总负荷（kg）表盘指示器上刻度的颜色常用范围应用举例HRA金刚石圆锥60黑色7085碳化物、硬质合金、钢材表面硬化HRB1.588mm钢球100红色25100软钢、退火钢、铜合金等HRC金刚石圆锥150黑色2067淬火钢、调质钢、白口铁、较硬材料HRD金刚石圆锥100黑色4077薄钢板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.157mm钢球100红色70100铸铁、铝、镁合金、轴承合金等HRF1.588mm钢球60红色40100薄软钢板、退火铜合金等HRG1.588mm钢球150红色3194磷青铜、铍青铜等HRH3.157mm钢球60红色铝、锌、铅等HRK6.350mm钢球150红色40100轴承合金及其他极软较薄的金属材料。试验时，应尽可能选用较小钢球及较大负荷，但须避免载物台的背衬作用HRL6.350mm钢球60红色HRM6.350mm钢球100红色HRP6.350mm钢球150红色HRQ12.70mm钢球60红色HRS12.70mm钢球100红色HRV12.70mm钢球150红色图三 洛氏硬度计测量原理2) 洛氏硬度机的构造与操作洛氏硬度计类型较多，外形构造也不相同，但构造原理及主要部件相同。见图四： 图四 HR-150型洛氏硬度计结构图1-指示器；2-加载手柄；3-缓冲器；4-砝码座；5、6-砝码；7-吊杆；8-吊套；9-机体；10-加载杠杆；11-顶杆；12-刻度盘；13-主轴；14-压头；15-试样；16-工作台；17-升降丝杠；18-手轮实验时试样6放在工作台5上，按顺时针方向转动手轮3，使工作台上升至试样与压头7接触。实验时试样6放在工作台5上，按顺时针方向转动手轮3，使工作台上升至试样与压头7接触。继续转动手轮，通过压头和压轴8顶起杠杆10，并带动指示器表盘9的指针转动，待小指针指到黑点时，试样即已加上98N的强载荷，随后转动指示器表盘使大指针对准“O”（测HRB时对准“30”），按下按钮1释放转盘4。在砝码11的作用下，顶杆12在缓冲器15的控制下匀缓下降。主载荷通过杠杆、压轴和压头作用于试样上。停留规定时间后，扳动手柄2，使转盘顺时针方向转动至原来被锁住的位置。由于转盘上齿轮使扇齿轮13、齿条14同时运动而将顶杆顶起卸掉主载荷。这时指针所指的读数（HRC、HRA读C标尺，HRB读B标尺）即为所求的洛氏硬度值。3) 测量方法： 按表二选择压头及载荷； 根据试件大小和形状选择载物台； 将试件上下两面磨平，然后置于载物台上； 加预载荷。按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试样与压头接触，并观察读数百分表上小针移动到小红点为止； 调整读数表盘，使百分表盘上的长针对准硬度值的起点。如测量HRC、HRA硬度时，把长针与表盘上黑字G处对准。测量HRB时，使长针与表盘上红字B处对准； 加主载荷。平稳地扳动加载手柄，手柄自动升高到停止位置（时间为57秒），并停留10秒； 卸除主载荷。扳回加载手柄至原来位置。 读数。表上长针指示的数字为硬度的读数。HRC、HRA读黑数字，HRB读红数字； 下降载物台，取出试件； 用同样方法在试件的不同位置测三个数据，取其算术平均植为试件的硬度值。各种洛氏硬度硬度值之间，洛氏硬度与布氏硬度间都有一定的换算关系。对钢铁材料而言，大致有下列关系式：HB2HRBHB10HRC（只当HRC=4060范围）HRC2HRA1044) 洛氏硬度测量注意事项1. 试件的准备：试件表面应磨平、且无氧化皮和油污等；试件形状应能保证试验面与压头轴线相垂直；测试过程应无滑动。2. 试件的最小厚度应不小于压入深度的8倍，测量后试件的支撑面上不应有变形前迹。3. 压痕间距或压痕与试件边缘距离：HRA2.5mm；HRC2.5mm；HRB4mm。4. 不同的洛氏硬度有不同的适用范围，应按表二选择压头及载荷。这是因为超出规定的测量范围时，准确性较差。例如HRB102，HRB18等的写法是不准确的，是不宜使用的。（三）对硬度试验的讨论 在产品出厂标准GB/T14370和进场标准JGJ85中，锚具和夹片的硬度都是必检项目，然而标准中并未规定具体的合格范围，只是提出“按产品设计规定的表面位置和硬度范围”作硬度检验。对于锚板各个生产厂家设计允许的硬度范围虽有不同，但通常都比较宽。对这种检验合格范围由生产厂家所提供的检验项目，检验结果都是100%合格，检验标准缺乏统一性和科学性。虽然硬度与强度有一定的相关性，但对强度与锚固性能之间的联系缺少研究，对硬度范围究竟应该是多少缺乏权威和统一的标准，作为国家的产品标准应该对此做出规定。 相对于锚板，夹片的硬度检验更是在检测单位存在诸多分歧。首先是检测标尺，有用HRC，也有用HRA的，因为生产厂家的出厂标准不一致，造成检测指标的混乱；其次是检测部位的不同，有检测夹片端面硬度的，也有检测夹片圆锥面硬度的。 对于这些分歧，我认为，就检测指标而言，以HRA为宜。夹片的表面有一层硬化层，厚度约为0.2mm，显然不能满足GB/T230洛氏硬度C标尺对硬化层厚度的最低要求，而A标尺则可以满足实验标准对试样的要求。对于检测部位，检测夹片端面硬度的方法是不符合GB/T230的要求的。如图4所示。由于夹片小端支撑面小，硬度计压头的压力作用线很容易超出支撑面，造成夹片在压力作用下倾斜，从而引起测量误差和数据的分散，另外夹片大端端面的加工刀痕也使得端面的光洁度不能满足GB/T230对试样表面光洁度的要求，使测试数据重复性较差。如此看来，只有检测夹片圆锥面的硬度才是合理的，但必须使用专用的辅助工具（如图5所示）才可能较为准确地进行夹片硬度的检测。20060309091018236.gif (38.53 K)2007-7-31 9:16:20 图4 夹片硬度试验示意图 20060309091018581.gif (874 B)20