【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钢材力学性能检测，具体涉及一种基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法。
技术介绍
1、众所周知，当钢结构建筑物改变用途、使用环境或达到使用年限，或因遭受灾害、事故出现较严重的变形、损伤时，需要对这些钢结构进行安全性、可靠性鉴定，而钢材力学性能的确认则是鉴定的基础。传统的钢材力学性能测试方法难以实现对既有钢结构材料的无损或微损力学性能的精确检测。
2、小冲孔试验(small punch test，spt)技术是以微型尺寸试样进行试验来获取材料力学性能的新方法，因为其试样尺寸微小(圆形试样直径或方形试样边长尺寸为3mm～10mm、厚度在0.25mm～0.50mm之间)，可以从既有钢结构构件上直接取样，进行力学性能的微损检测，是一种既有效又经济且安全的检测手段，简言之，既可以获取诸如屈服强度、抗拉强度、伸长率、断裂韧性和蠕变性能等多种材料力学性能，同时具有较高的检测精度，可解决既有钢结构材料力学性能的检测难点。
3、然而，小冲孔试验和传统拉伸试验关联性的研究在国外的发展已经较成熟，但大多停留在实验室研究水平，如何完成将小冲孔试验从理论到实践的转化，用于对材料屈服强度和抗拉强度的测定，甚至将其变成一种和传统拉伸试验一样标准的试验方法是研究的主要内容，同时，研究表明，在加载速率不大于5.0mm/min的情况下，其对小冲孔试验载荷-位移曲线几乎没有影响，各国的学者们通常将加载速率设定在0.10mm/min～1.0mm/min之间，一般情况下，随着加载速率的增大，试样的变形加快，内部孔洞长大，导致
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种全新的基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采取的技术方案如下：
3、一种基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，该评定方法通过对既有钢结构钢材的现场取样，并加工成0.5±0.01mm和0.6±0.01mm厚度的试样后进行小冲孔试验，以获得小冲孔试验载荷-位移曲线上的屈服载荷py、最大载荷pmax、及最大轴向位移umax，然后结合下式获得钢材屈服强度、抗拉强度和伸长率：
4、fy＝2.10874py-0.5-104.29868 式(1)；
5、fy＝1.26539py-0.6-0.41369 式(2)；
6、fu＝0.36263pmax-0.5-10.16497 式(3)；
7、fu＝0.30479pmax-0.6-60.20049 式(4)；
8、δ＝-0.22472umax-0.5+0.82063 式(5)；
9、δ＝-0.2145umax-0.6+0.86741 式(6)；
10、由式(1)和式(2)获得对应厚度下的钢材的屈服强度fy；由式(2)和式(3)获得对应厚度下的钢材的抗拉强度fu；由式(5)和式(6)获得对应厚度下的钢材的伸长率δ。
11、优选地，试验前需要避开材料的腐蚀部位层进行取样，取样后需要对其表面进行打磨以形成圆形试样，其中圆形试样呈薄片状，直径为10±0.1mm，且表面粗糙度ra应小于等于0.4μm，平行度小于等于0.01mm。因此，不仅能够减少试样表面宏观缺陷、组织不均匀等对小冲孔试验结果的影响，而且具有相同的钢材力学性能评定精度。
12、根据本专利技术的又一个具体实施和优选方面，每个检测钢材所形成的圆形试样至少有2个，且对应形成的两条或更多条载荷-位移曲线部分或全部重合，其中各试验载荷-位移曲线均包括弹性阶段、塑性弯曲阶段、薄膜伸张阶段以及断裂失效阶段。一般情况下，所形成的载荷-位移曲线有2～3条，且载荷-位移曲线十分接近(偏差小于5％)，这也验证了试验系统的有效性和小冲孔试验的可重复性。
13、根据本专利技术的又一个具体实施和优选方面，屈服强度评定的式(1)和式(2)，其是以小冲孔试验屈服载荷作为横坐标，对应材料的拉伸试验屈服强度作为纵坐标，且小冲孔试验屈服载荷与拉伸试验屈服强度为线性关系，同时，对小冲孔试验屈服载荷与钢材单向拉伸试验屈服强度进行线性拟合获得。
14、根据本专利技术的又一个具体实施和优选方面，抗拉强度评定的式(3)和式(4)，其是以小冲孔试验最大荷载作为横坐标，对应材料的拉伸试验抗拉强度作为纵坐标，且小冲孔试验最大荷载与拉伸试验抗拉强度为线性关系，同时对小冲孔试验最大荷载与钢材单向拉伸试验抗拉强度进行线性拟合获得。
15、根据本专利技术的又一个具体实施和优选方面，伸长率评定的式(5)和式(6)，其是以小冲孔试验的最大轴向位移与钢材单向拉伸试验断后伸长率进行线性拟合获得，最大轴向位移为试样断裂时的最大位移，且将小冲孔最大轴向位移作为横坐标，与对应材料的单向拉伸断后伸长率作为纵坐标，建立线性方程、并进行线性拟合获得。
16、根据本专利技术的又一个具体实施和优选方面，所述评定方法还包括评定结果验证过程，其中所述评定结果验证过程包括将小冲孔试验载荷-位移曲线的特征参数代入到所建立的各公式中，并与钢材单向拉伸试验结果进行了误差分析，以验证获得厚度分别为0.5±0.01mm和0.6±0.01mm所对应的钢材屈服强度、抗拉强度及伸长率公式的准确性。此外，评定方法还包括评定结果验证过程，其中评定结果验证过程包括将小冲孔试验载荷-位移曲线的特征参数代入到所建立的各公式中，并与钢材单向拉伸试验结果进行了误差分析，以得厚度分别为0.5±0.01mm和0.6±0.01mm所对应的钢材屈服强度、抗拉强度及伸长率。一般情况下，误差率小于10％。
17、由于以上技术方案的实施，本专利技术与现有技术相比具有如下优点：
18、现有的既有钢结构材料的无损或微损力学性能检测和评定中，不仅所获得的结果精度低，而且对取样结构损伤大，同时评定过程复杂等不足，而本专利技术通过基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定巧妙地解决了现有检测和评定中的各种不足。采取该评定方法，通过小冲孔试验所获取的载荷-位移曲线上的屈服载荷py、最大载荷pmax、及最大轴向位移umax，并代入各公式可直接计算获得对应厚度下钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率，从而评估既有钢结构钢材的力学性能，因此，本专利技术不仅可直接根据所计算的结果评估既有钢结构钢材的多种力学性能指标，而且具有取样对结构损伤小，评定方法简单、精度高等优点。
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1.一种基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，该评定方法通过对既有钢结构钢材的现场取样，并加工成0.5±0.01mm和0.6±0.01mm厚度的试样后进行小冲孔试验，以获得小冲孔试验载荷-位移曲线上的屈服载荷Py、最大载荷Pmax、及最大轴向位移Umax，然后结合下式获得钢材屈服强度、抗拉强度和伸长率：
2.根据权利要求1所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，现场取样并加工成圆形试样，圆形试样呈薄片状且直径为10±0.1mm，同时，圆形试样需要去除腐蚀层。
3.根据权利要求2所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，取样时避开腐蚀部位层、并对其试样表面进行打磨，以形成所述圆形试样的表面粗糙度Ra小于等于0.4μm，平行度小于等于0.01mm。
4.根据权利要求1所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，在试验速率为0.5±0.1mm/min加载中进行小冲孔试验，并记录试样从加载到破裂全过程的载荷和位移数据，以形成小冲孔试验的载荷-位移曲线。
6.根据权利要求1所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，屈服强度评定的式(1)和式(2)，其是以小冲孔试验屈服载荷作为横坐标，对应材料的拉伸试验屈服强度作为纵坐标，且小冲孔试验屈服载荷与拉伸试验屈服强度为线性关系，同时，对小冲孔试验屈服载荷与钢材单向拉伸试验屈服强度进行线性拟合获得。
7.根据权利要求1所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，抗拉强度评定的式(3)和式(4)，其是以小冲孔试验最大荷载作为横坐标，对应材料的拉伸试验抗拉强度作为纵坐标，且小冲孔试验最大荷载与拉伸试验抗拉强度为线性关系，同时，对小冲孔试验最大荷载与钢材单向拉伸试验抗拉强度进行线性拟合获得。
8.根据权利要求1所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，伸长率评定的式(5)和式(6)，其是以小冲孔试验的最大轴向位移与钢材单向拉伸试验断后伸长率进行线性拟合获得，最大轴向位移为试样断裂时的最大位移，且将小冲孔最大轴向位移作为横坐标，与对应材料的单向拉伸断后伸长率作为纵坐标，建立线性方程、并进行线性拟合获得。
9.据权利要求1所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，所述评定方法还包括评定结果验证过程，其中所述评定结果验证过程包括将小冲孔试验载荷-位移曲线的特征参数代入到所建立的各公式中，并与钢材单向拉伸试验结果进行了误差分析，以验证获得厚度分别为0.5±0.01mm和0.6±0.01mm所对应的钢材屈服强度、抗拉强度及伸长率公式的准确性。
10.据权利要求9所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，小冲孔试验屈服强度、抗拉强度的评定结果与单向拉伸试验、仪器化压痕法试验误差小于10％。
...【技术特征摘要】
1.一种基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，该评定方法通过对既有钢结构钢材的现场取样，并加工成0.5±0.01mm和0.6±0.01mm厚度的试样后进行小冲孔试验，以获得小冲孔试验载荷-位移曲线上的屈服载荷py、最大载荷pmax、及最大轴向位移umax，然后结合下式获得钢材屈服强度、抗拉强度和伸长率：
2.根据权利要求1所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，现场取样并加工成圆形试样，圆形试样呈薄片状且直径为10±0.1mm，同时，圆形试样需要去除腐蚀层。
3.根据权利要求2所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，取样时避开腐蚀部位层、并对其试样表面进行打磨，以形成所述圆形试样的表面粗糙度ra小于等于0.4μm，平行度小于等于0.01mm。
4.根据权利要求1所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，在试验速率为0.5±0.1mm/min加载中进行小冲孔试验，并记录试样从加载到破裂全过程的载荷和位移数据，以形成小冲孔试验的载荷-位移曲线。
5.根据权利要求4所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，每个检测钢材所形成的圆形试样至少有2个，且对应形成的两条或更多条载荷-位移曲线部分或全部重合，其中各所述试验载荷-位移曲线均包括弹性阶段、塑性弯曲阶段、薄膜伸张阶段以及断裂失效阶段。
6.根据权利要求1所述基于小冲孔试验的既有钢结构钢材力学性能评定方法，其特征在于，屈服强度评定的式(1)和式(2)，其是以小冲孔试验屈...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄炳生，王顺华，葛乔乔，秦新宇，傅正，郑雷纲，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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