鋼鉄を支える科学：硬度と強度

使用中の鋼構造物の品質を正確に評価するには、鋼材の等級と強度を決定する必要があります。これが信頼性の高い試験と評価の基礎となります。

鋼材の強度を測定する従来の方法は、構造物からサンプルを取り出して引張試験を行うことだが、この方法は元の構造物に害を及ぼす可能性があり、構造物によっては実行不可能な場合もある。

したがって、鋼の等級と強度を計算するためには、非破壊検査法を用いることが極めて重要である。

国内外の研究者は、工学現場における鋼材強度を決定するための非破壊検査法を研究してきた。彼らは主に化学組成と硬度に着目し、いくつかの経験式を開発してきた。

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これらの経験式は2つのタイプに分類できる：

最初のタイプは、GB/T 50621-2010 Technical Standard for On-site Testing of Steel Structures（鋼構造物の現場試験に関するGB/T 50621-2010技術標準）の計算式に規定されているように、化学組成に基づいて引張強さを計算するものです。しかし、鋼材の強度は化学成分や製造工程（鋳造、鍛造、圧延、熱処理など）の影響を受けるため、化学成分だけに頼って鋼材の強度を計算すると、大きなずれが生じる可能性があります。

2つ目のタイプは、硬度に基づいて引張強さを計算するものである。研究によると、鋼の硬さと引張強さには正の相関関係がある。引張強さは 材料強度 は、硬さ試験の結果から推定することができ、これは工学的実践で広く用いられている方法である。

現在、この目的に使用できる主な国内規格は、GB/T 33362-2016 硬度値の換算である。 金属材料 および GB/T 1172-1999 鉄金属の硬度と強度の換算に相当する。GB/T 33362-2016はISO 18265:2013 Conversion of Hardness Values of Metallic Materialsと同等です。を参照してください。 硬度換算表 この規格の表A.1における非合金鋼、低合金鋼、鋳鋼の硬度は、ドイツ冶金技術者協会がさまざまな研究所で検証・校正された硬度計との比較試験を通じて得たものです。GB/T 1172-1999は、中国計量研究院などの機関による広範な試験と研究によって得られたものです。規格の表2は、主に低炭素鋼に適用される換算関係を示しています。

しかし、いずれの規格も換算値の不確かさについて統計的有意性を持つ信頼できるデータを提供しておらず、換算結果の偏差範囲は不明である。研究者らは、回帰分析を通じて、鋼構造物の建築に使用される鋼材の硬度と強度の相関関係を研究し、GB/T 33362-2016とGB/T 1172-1999規格の検証および補足となる国家規格と比較した。また、既存のポータブル検出機器を取り入れ、鋼構造プロジェクト現場に適した検出方法について議論した。

1.テストサンプル

本研究の対象は、鋼構造工学で一般的に使用されているQ235とQ345鋼板である。

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代表的なサンプルを確保するため、江蘇省の鋼構造メーカー86社から162枚の鋼板を集め、その内訳はQ235鋼板が82枚、Q345鋼板が80枚である。鋼板の厚さは6、8、10、12、14、18、20、30mmである。

鋼板は20mm×400mmのストリップサンプルに加工され、GB/T 228.1-2010の要求事項に従い、マイクロコンピューター制御の電気油圧サーボ引張試験機を用いて引張試験が実施された。

上部のテスト結果 降伏強度 Q235鋼板とQ345鋼板の引張強さを統計的に分析し、その分布頻度を図1に示した。

図1 Q235の強度分布頻度 鋼板 およびQ345鋼板

図1に示すように、Q235鋼板の上限降伏強度範囲は261〜382MPa、引張強度範囲は404〜497MPaである。Q345鋼板の上限降伏強度範囲は345〜477MPa、引張強度範囲は473〜607MPaである。

強度度数分布はほぼ正規分布で、検査結果は日々の検査データと一致しており、サンプルの代表性が高いことを示している。

2.試験結果と分析

試験サンプルは、規格要求事項に従って採取・加工され、ロックウェル硬さ、ビッカース硬さ、ブリネル硬さ、引張試験を受けた。

硬さおよび強度試験結果の回帰分析には、最小二乗法を用い、SPSSソフトウェアを使用した。

2.1 ロックウェル硬度と強度の相関性

2.1.1 ロックウェル硬さ試験の結果と分析

試料の表面をグラインダーで研磨し、平滑にした。Bスケールを選択し、標準硬さブロックを用いて測定器の校正を行った。ロックウェル硬さ試験は、GB/T 230.1-2018 Metallic Materials Rockwell Hardness Test Part 1: Test Methodの要求事項に従って実施した。各試料について3点を測定し、平均値をとった。

図2 ロックウェル硬さと強さの回帰分析

SPSSソフトウェアを用いて、ロックウェル硬さ、上降伏強さ、引張強さについて線形回帰、二次回帰、べき回帰、指数回帰分析を行った。回帰分析図を図2に、回帰分析結果を表1と表2に示す。

表1 ロックウェル硬さと上部降伏強さの回帰モデルデータ

表2 ロックウェル硬さと引張強さの回帰モデルデータ

表1および表2が示すように、ロックウェル硬さは強度と強い相関があり、引張強さとの相関は上降伏強さに比べて強い。

ロックウェル硬さと強さの間の4つの回帰モデルのうち、すべての回帰モデルの有意水準Pは0.05未満であり、適合度Rは0.05に近い。².

規格で規定されている低炭素鋼のロックウェル硬さと引張強さの換算関係が多項式モデルと類似していることから、換算には2次モデルを使用することが推奨される。

フィッティング後の計算式はこうなる：

どこでR_eH は上限降伏強度、R_m は引張強さ、H_RB はロックウェル硬度である。

2.1.2 変換結果の相対偏差分析

適合させた2次回帰モデルに基づいて、上降伏強さおよび引張強さの換算値と引張試験の結果との間の相対偏差を計算し、統計的に分析した。サンプル数は162で、結果は表3に示されている。

相対偏差は正規分布に従い、その度数分布を図3に示す。

表3 ロックウェル硬さと強度との相対偏差の統計表

図3 ロックウェル硬度から強度への相対偏差

2.1.3 国内標準換算値との比較

図4は、規格に規定された引張強さの換算値、当てはめた二次回帰式の換算値、およびロックウェル硬さと引張強さの対応関係の散布図を、すべて同じグラフ上で比較したものである。

図4 ロックウェル硬さで換算した引張強さの比較表

図 4 から観察されるように、3 つの曲線の全体的な傾向は一致している。GB/T 1172-1999 で示された引張強さの換算値は、筆者のそれと類似しており、平均偏差は 2.7%、最大偏差は 370～630MPa の範囲内で 5.7% であった。

しかし、GB/T 33362-2016に示された引張強さの換算値は、Q235鋼（引張強さが370～500MPaの範囲）では低く、Q345鋼（引張強さが470～630MPaの範囲）では高い。

2.2 ビッカース硬度と強度の相関性

2.2.1 ビッカース硬さ試験のプロセスと結果分析

試料の表面はグラインダーで研磨し、測定器は標準硬さブロックで校正した。ビッカース硬さ試験は、GB/T 4340.1-2009 Metallic Materials Vickers Hardness Test Part 1: Test Methodの要求事項に従って実施した。各試料について3点を測定し、平均値をとった。

SPSSソフトウェアを用いて、ビッカース硬さ、上降伏強さ、引張強さについて、線形回帰、二次回帰、べき回帰、指数回帰分析を行った。回帰分析図を図5に、回帰分析結果を表4と表5に示す。

表4 ビッカース硬さと上部降伏強さの回帰モデルデータ

図5 ビッカース硬度と強度の回帰分析

表5 ビッカース硬さと引張強さの回帰モデルデータ

表4と表5が示すように、ビッカース硬さは強度と強い相関があり、引張強さとの相関は、上降伏強さに比べて強い。

ビッカース硬度と強度の間の4つの回帰モデルのうち、すべての回帰モデルの有意水準Pが0.05未満であり、適合度Rが0.05に近い。².

規格で規定されている低炭素鋼のビッカース硬さと引張強さの換算関係が直線関係に近いことから、換算には直線関係を用いることが推奨される。

フィッティング後の計算式はこうなる：

どこでH_V はビッカース硬度である。

2.2.2 変換結果の相対偏差分析

適合した線形回帰モデルに基づいて、上降伏強さおよび引張強さの換算値と引張試験の結果との間の相対偏差を計算し、統計的に分析した。サンプル数は162で、その結果を表6に示す。

相対偏差は正規分布に従い、その度数分布を図6に示す。

表6 ビッカース硬度と強度の相対偏差の統計表

図6 ビッカース硬度を強度に換算した相対偏差

2.2.3 国内標準換算値との比較

図7は、規格に規定された引張強さの換算値と、筆者が求めた線形回帰式の換算値、およびそれに対応するビッカース硬さと引張強さの関係の散布図を同一図上に比較したものである。

図7 引張強さをビッカース硬さに換算した比較表

図 7 から観察されるように、3 つの曲線の全体的な傾向は一致している。GB/T 1172-1999で規定されている引張強さの換算値は、筆者が求めた換算値に非常に近い。370MPaから630MPaの範囲では、両者の差は硬さ値の増加とともにわずかに増加し、平均偏差は1.2%、最大偏差は3.3%である。しかし、GB/T 33362-2016に示された引張強さの換算値は一般に低い。

2.3 ブリネル硬度と強度の相関性

2.3.1 ブリネル硬度 テストプロセスと結果の分析

試料の表面は、グラインダーで研磨された。 表面粗さ μmを超えない。測定器は標準硬さブロックで校正され、ブリネル硬さ試験はGB/T 231.1-2018 Metallic Materials Brinell Hardness Test Part 1: Test Methodの要件に従って実施された。A 超硬合金 直径10mmの圧子を使用し、試験力は29.42kNであった。各サンプルについて3点を測定し、平均値をとった。

SPSSソフトウェアを使用して、ブリネル硬さ、上降伏強さ、引張強さについて、線形回帰、二次回帰、べき回帰、指数回帰分析を行った。回帰分析図を図8に、回帰分析結果を表7と表8に示す。

図8 ブリネル硬さと強さの回帰分析

表7 ブリネル硬さと上部降伏強さの回帰モデルデータ

表8 ブリネル硬さと引張強さの回帰モデルデータ

表7と表8が示すように、ブリネル硬さは強度と強い相関があり、引張強さとの相関は上降伏強さに比べて強い。

ブリネル硬さと強度の間の4つの回帰モデルのうち、すべての回帰モデルの有意水準Pは0.05未満であり、適合度Rは0.05に近い。².

との間に変換関係があることを考えると 炭素鋼 ブリネル硬度 規格で規定されている引張強さとの関係は直線関係に近いので、換算には直線関係を用いることが推奨される。

適合式はこうだ：

どこでH_白黒 はブリネル硬度である。

2.3.2 変換結果の相対偏差分析

適合した線形回帰モデルに従って、上降伏強さおよび引張強さの換算値と引張試験結果との間の相対偏差をそれぞれ計算し、その相対偏差を統計的に分析する。

統計は162で、結果は表9の通り。

相対偏差は基本的に正規分布であり、その度数分布を図9に示す。

表9 ブリネル硬さと強度との相対偏差の統計表

図9 ブリネル硬さを強さに換算した相対偏差

2.3.3 国内標準換算値との比較

GB/T 1172-1999規格では、ブリネル硬さ試験の圧子球径に対する試験力の比は10である。

筆者の試験は GB/T 231.1-2018 に従って実施した。規格の規定を参照し、圧子ボール直径に対する試験力の比は 30 である。

従って、国家標準の換算値との比較において、GB/T 1172-1999と比較されることはなくなった。

図10に示すように、GB/T 33362-2016に示された引張強さの標準換算値、筆者が当てはめた線形回帰式の換算値、およびブリネル硬さと引張強さの対応関係の散布図を同じグラフ上で比較した。

図10 引張強さをブリネル硬さで換算した比較表

図10からわかるように、GB/T 33362-2016に示された引張強さの換算値は、筆者がフィッティングした引張強さの回帰曲線とほぼ一致しており、370～630MPaの範囲内で平均偏差は0.4%、最大偏差は1.2%である。

近年、さまざまな携帯型硬度計が急速に発展し、現場での検査に大きな利便性がもたらされている。

現在、多くの種類のポータブルロックウェル硬度計とポータブルブリネル硬度計は、市場で購入することができます。

本装置はポータブルで、操作が簡単で、測定が速く、検出精度も国家規格の要件を満たしており、現場での工学的検出に適している。

また、サンプル用の様々なポータブル処理装置もある。 表面処理試験要件を満たすことができる。

したがって、鋼構造物の現場検査において、ロックウェル硬さとブリネル硬さを用いて鋼材強度を計算することは可能である。

3.鉄金属の硬度から強度への換算 (GB/T 1172-1999)

3.結論

(1)ロックウェル硬さ、ビッカース硬さ、ブリネル硬さは強度と良い相関を示す。材料試験に基づき、ロックウェル硬さ、ビッカース硬さ、ブリネル硬さと強度の換算式が得られ、換算の相対偏差はプロジェクトの許容範囲内である。

ブリネル硬さと引張強さの相対偏差は、ロックウェル硬さやビッカース硬さよりも明らかに小さい。

(2) GB/T 33362-2016に示されたロックウェル硬度の換算引張強さは、Q235鋼では低く、Q345鋼では高い。

ビッカース硬度に換算した引張強度は若干低くなる。

ブリネル硬度に換算した引張強さは、試験結果と一致している。

GB/T 1172-1999に示されているロックウェル硬さおよびビッカース硬さで換算した引張強さの値は、試験結果に近い。

(3) ロックウェル硬さとブリネル硬さを用いて鋼の強度を計算することは、既存の携帯型硬さ試験機と試料処理装置を組み合わせることで、実用的なプロジェクトで運用可能であり、工学的な実践に適用することができる。