李曉鈺 張明星

【摘要】本文通過闡述硬度試驗的作用，結(jié)合硬度試驗與抗拉強度試驗的對比分析，介紹了硬度試驗在地鐵建設(shè)領(lǐng)域中盾構(gòu)隧道管片螺栓質(zhì)量檢測方面的應(yīng)用研究。在建設(shè)工程實際應(yīng)用中，硬度試驗可以很好地保障盾構(gòu)管片螺栓質(zhì)量檢測的真實性和有效性。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)管片；質(zhì)量檢測；硬度試驗

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.03.030

Application Research of Hardness Test in Quality Inspection of Shield Tunnel Segment Bolts

LI Xiaoyu， ZHANG Mingxing

（Jiangsu Testing Center for Quality of Construction Engineering Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract： This article elaborates on the role of hardness testing， and combines the comparative analysis of hardness testing and tensile strength testing to introduce the application research of hardness testing in the quality inspection of shield tunnel segment bolts in the field of subway construction. In the practical application of construction projects， hardness testing can effectively ensure the authenticity and effectiveness of the quality inspection of shield tunnel segment bolts.

Keywords： shield tunnel segments； quality inspection； hardness test

0引言

近年來，很多研究成果表明，金屬的硬度與其抗拉強度存在正相關(guān)的關(guān)系[1-2]，國家標準中也有硬度與強度的換算標準，如GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》。但是該標準是實驗室標準試件通過標準方法得來的數(shù)據(jù)，對于不同加工工藝的金屬構(gòu)件適用性不強，使用該標準得到的換算值僅能參考。同時有研究表明，對于不同的加工工藝的金屬構(gòu)件，存在硬度相同但是抗拉強度差異較大的現(xiàn)象[3]。在工程實際應(yīng)用中，針對特定產(chǎn)品，想要根據(jù)標準通過其金屬硬度來直接預(yù)測產(chǎn)品的抗拉強度，準確度不高。

金屬材料在建筑工程中具有廣泛的應(yīng)用，在復(fù)雜的環(huán)境條件下，金屬材料需要承受各種形式的載荷，如拉力、壓力、剪切力等。在地鐵建設(shè)領(lǐng)域，拉力是盾構(gòu)管片螺栓需要承受的重要的荷載形式，管片螺栓的抗拉強度對于盾構(gòu)隧道管片拼裝的質(zhì)量和隧道安全性具有重要的意義。但是目前國內(nèi)建設(shè)工程中使用最多的管片螺栓產(chǎn)品是彎曲形狀的，無法直接檢測其抗拉強度。本次研究通過管片螺栓硬度檢測與強度檢測的對比試驗，針對性地分析了管片螺栓產(chǎn)品的硬度與強度的關(guān)系，建立硬度-抗拉強度線性回歸方程，用于預(yù)測管片螺栓產(chǎn)品的抗拉強度，判斷管片螺栓質(zhì)量檢測的真實性和有效性。

1硬度試驗的作用與意義

1.1硬度試驗的作用

硬度試驗是一種常用的材料質(zhì)量檢測方法，可以用于評估金屬材料的冶金質(zhì)量，而冶金質(zhì)量是影響螺栓質(zhì)量和性能的關(guān)鍵因素之一。國家標準GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》在物理性能表中對緊固件的表面硬度做了范圍規(guī)定，限定了明確的最大值和最小值。螺栓的硬度需要達到最小值，以保證其有足夠的強度和耐磨性。但是表面硬度過高，可能會導(dǎo)致螺栓材料的脆化，降低其韌性，從而導(dǎo)致其容易斷裂。此外，在熱處理過程中，過高的加熱溫度以及過長的加熱時間會引起螺栓的脫碳，使其表面變軟，影響其強度和耐磨性。高強螺栓需要更高的表面硬度來保證其強度和耐磨性，而低碳鋼螺栓需要相對較低的表面硬度來保證其韌性和延展性。因此，硬度試驗在螺栓質(zhì)量檢測中具有重要作用，可以有效反映螺栓材料的質(zhì)量。

1.2金屬材料硬度與抗拉強度的關(guān)系

金屬硬度值與其抗拉強度值具有明確的正相關(guān)性[4]。因此，在有條件的適用范圍內(nèi)，確立硬度與抗拉強度二者的經(jīng)驗關(guān)系參數(shù)是可行的。但是由于材料應(yīng)力的影響，不同種類材料的硬度試驗與拉伸試驗之間存在明顯差異，難以用一種模型直接在兩個參數(shù)之間建立可靠的轉(zhuǎn)換關(guān)系。特別是對于工程中使用的各種金屬構(gòu)件，其生產(chǎn)工藝各不相同，存在各種成形后處理的情況，工程金屬構(gòu)件的抗拉強度，其與相應(yīng)金屬材料本身的強度有顯著區(qū)別。實踐研究表明，試圖直接在金屬硬度與抗拉強度之間直接建立可靠的換算關(guān)系而對于材料本身的特性不加考慮，可能性非常低。因此，對于特定金屬構(gòu)件，如盾構(gòu)管片螺栓，其金屬材料硬度與抗拉強度有明確的正相關(guān)性，但是想要對國家標準中強度和硬度的換算關(guān)系進行實踐應(yīng)用，需要通過對管片螺栓的針對性試驗研究分析加以驗證。

1.3硬度試驗對于盾構(gòu)管片螺栓質(zhì)量檢測的意義

拉力是盾構(gòu)管片螺栓需要承受的重要的荷載形式，在工程實踐中，管片螺栓的抗拉強度是重要的檢測參數(shù)，對于產(chǎn)品質(zhì)量的判定具有決定性的意義。GB/T 50299—2018《地下鐵道工程施工質(zhì)量驗收標準》將管片螺栓的最小抗拉強度檢驗列為主控項目，要求按批抽檢。但是在地鐵工程實際應(yīng)用中，施工現(xiàn)場使用的管片螺栓通常是弧形的，而螺栓抗拉強度檢測需要樣品是直形的。這就導(dǎo)致了管片螺栓抗拉強度檢測無法對工程實際使用的產(chǎn)品進行檢測，其檢測的是通常為廠家提供的替代品，俗稱“小樣”。因此，管片螺栓質(zhì)量檢測中存在天然的漏洞，廠家可能出于工程質(zhì)檢的壓力，提供抗拉強度高于實際產(chǎn)品的小樣，致使施工過程中管片螺栓的質(zhì)量存在不受控的風(fēng)險。而利用硬度試驗對于金屬材料冶金質(zhì)量的評估以及與抗拉強度的正相關(guān)性，通過針對管片螺栓硬度與抗拉強度的研究分析，可以有效控制管片螺栓的質(zhì)量風(fēng)險。通過關(guān)系曲線，對實際管片螺栓樣品所測的硬度進行換算得出抗拉強度，與直棒樣品所測抗拉強度進行對比，即可驗證檢測結(jié)果的真實性。當(dāng)直棒樣品所測值偏離過多且偏大時，直棒樣品（小樣）的抗拉強度檢測結(jié)果可信度不足。

2管片螺栓硬度試驗研究及結(jié)果分析

2.1管片螺栓維氏硬度與洛氏硬度試驗對比

維氏硬度與洛氏硬度對比數(shù)據(jù)見表1。

維氏硬度：標準差1.85；平均值293；變異系數(shù)0.0063。

洛氏硬度：標準差0.95；平均值26.8；變異系數(shù)0.0354。

筆者對同一批管片螺栓樣品經(jīng)表面處理合格后檢測維氏硬度與洛氏硬度，維氏硬度數(shù)據(jù)的變異系數(shù)明顯低于洛氏硬度。由此可見，維氏硬度檢測方法較洛氏硬度檢測方法更加穩(wěn)定，準確性更高。因此，本次研究活動所采用的硬度試驗方法是維氏硬度法。

2.2管片螺栓維氏硬度與抗拉強度試驗研究及對比分析

本次試驗分為維氏硬度試驗和抗拉強度試驗，試驗的試件來自某大型工程一段時間內(nèi)所提供的直棒管片螺栓樣品（抗拉強度）和實際進場的同生產(chǎn)批次管片螺栓樣品（維氏硬度），金屬材質(zhì)為45#碳素結(jié)構(gòu)鋼。

試驗?zāi)康氖墙⒐こ虒嶋H使用管片螺栓的金屬硬度與直棒管片螺栓樣品的抗拉強度之間的關(guān)系，模擬工程中管片螺栓質(zhì)量檢測的實際情況。試驗首先對實際管片螺栓樣品的表面進行打磨處理，使之符合維氏硬度檢測的要求，再對試件進行維氏硬度（HV30）試驗，每組試件測量6點，取平均值；然后對直棒管片螺栓樣品進行抗拉強度試驗，取平均值。本次試驗共17組樣品，其中3組樣品（編號15、16、17）的抗拉強度值明顯高于大量樣本的強度區(qū)間，因此對數(shù)據(jù)進行回歸分析時未采用，并通過建立的關(guān)系曲線對這3組數(shù)據(jù)進行真實性判斷，見表2。

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制管片螺栓維氏硬度與抗拉強度散布圖，見圖1。（編號15、16、17數(shù)據(jù)未在本圖中顯示）。圖1中，抗拉強度分布在830 MPa至880 MPa之間，維氏硬度分布在260至295之間。在表3所示回歸分析結(jié)果中，不同回歸類型擬合優(yōu)度差別很小，筆者采用簡單的線性擬合作出趨勢線，其數(shù)學(xué)表達式為y = 1.074x + 559.24；擬合優(yōu)度R2= 0.5742。

本次試驗出現(xiàn)3組異常數(shù)據(jù)15號、16號、17號，其抗拉強度超過900 MPa，均遠超出普通樣本范圍。對于15號數(shù)據(jù)，按照實驗線性回歸方程計算驗證，當(dāng)維氏硬度（HV30）達到324時，抗拉強度計算值為907 MPa，略高于實際測量值904 MPa，誤差小于1%。由此可見，該組異常數(shù)據(jù)15號所代表批次的管片螺栓，其直棒樣品（小樣，用于檢測抗拉強度）與實際樣品符合程度較高，抗拉強度檢測結(jié)果可信度高。對于16號和17號數(shù)據(jù)，當(dāng)維氏硬度（HV30）達到275時，抗拉強度計算值為855 MPa，低于試驗數(shù)值超過50 MPa，誤差大于10%。由此可見，16號、17號兩組異常數(shù)據(jù)所代表批次的管片螺栓，其直棒樣品與實際樣品符合程度較低，抗拉強度檢測結(jié)果可信度不足。

2.3管片螺栓硬度—抗拉強度關(guān)系曲線與標準換算關(guān)系曲線對比

圖1中標準換算趨勢線為利用GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》中關(guān)于調(diào)質(zhì)鋼的硬度-抗拉強度的換算表所繪制的散點圖進行線性擬合，其數(shù)學(xué)表達式為y = 3.1964x - 19，擬合優(yōu)度R2= 0.9999[5]。GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》中的換算關(guān)系是完全線性的，且與本次研究所得到的關(guān)系曲線差別較大。對于數(shù)據(jù)15號，當(dāng)維氏硬度為324時，根據(jù)標準換算材料抗拉強度應(yīng)為1017 MPa，與實測904 MPa相差較大，誤差超過10%。由此可見，對于特定金屬產(chǎn)品，其硬度與抗拉強度呈明確的正相關(guān)性，但是這種關(guān)系比較復(fù)雜，標準提供的換算依據(jù)僅能參考。

3結(jié)束語

金屬硬度與抗拉強度具有正相關(guān)性，但是對于特定產(chǎn)品，不能簡單地通過標準對硬度與抗拉強度進行換算，需要通過實驗進行驗證。通過本次研究可以得出管片螺栓金屬硬度—抗拉強度的關(guān)系與GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》存在差異。

本次研究得到某工程使用的管片螺栓硬度-抗拉強度關(guān)系曲線，可以通過該特定產(chǎn)品的金屬硬度預(yù)測其抗拉強度。在建設(shè)工程質(zhì)量檢測活動中，可以通過檢測管片螺栓的金屬硬度來判斷其抗拉強度檢測結(jié)果的真實性和有效性。

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[4]陳冰川，李光福，楊武.奧氏體不銹鋼里氏硬度、維氏硬度及強度之間的換算關(guān)系[J].機械工程材料，2009，33（9）：37-40.

[5]金屬材料硬度值的換算：GB/T 33362—2016[S].

【作者簡介】

李曉鈺，男，1992年出生，工程師，研究方向為建筑工程質(zhì)量檢測。

（編輯：劉一童）