铜包钢绞线抗拉强度测试：原理、流程与精要指南

铜包钢绞线作为一种复合导线，兼具铜的优良导电性和钢的高机械强度，广泛应用于电力传输(如地线、光纤复合架空地线OPGW)、电气化铁路接触网及高频信号传输等领域。其抗拉强度是评估其机械安全性、结构可靠性及长期服役性能为关键的力学指标。科学的测试不仅能验证产品是否符合标准，更能为工程设计和安全运行提供核心数据支撑。本文将系统阐述其测试原理、标准依据、详细流程及结果解读。

一、抗拉强度的定义与铜包钢绞线的特殊性

1. 抗拉强度的核心定义

对于线材，抗拉强度(Tensile Strength)通常指：在单向静力拉伸条件下，试样在断裂前所能承受的大名义应力。计算公式为：

抗拉强度 (Rm) = 大拉力 (Fm) / 试样的原始横截面积 (S₀)

单位通常为兆帕(MPa)或牛顿/平方毫米(N/mm²)。它是材料抵抗断裂能力的直接量化。

2. 铜包钢绞线的结构特点与测试挑战

复合结构：由一层或多层铜带紧密包覆在高强度钢丝外围，经拉拔、退火和绞合而成。这导致其横截面为异质复合材料，力学行为复杂。

测试对象：测试的是整个绞线的整体性能，而非单独的铜层或钢芯。其强度取决于：

钢丝(芯线)的固有强度(因素)。

铜层的贡献(次要，因铜强度远低于钢)。

绞合工艺质量(绞合角、紧密程度影响整体性)。

横截面积测定难题：由于是复合体，其“原始横截面积”无法通过简单几何尺寸计算得到高度准确值，需采用称重法等间接方法，这是测试准确性的首要关键。

二、测试标准体系与准备工作

测试需要依据权威标准进行，以确保结果的可比性和公信力。

1. 主要参考标准

国际标准：IEC 61232. IEC 60793-1-3(针对光缆用)

中国国家标准：GB/T 17937. GB/T 4909.3-2009(裸电线试验方法 第3部分：拉力试验)

行业标准：TB/T 3111(电气化铁路用)，DL/T 832(电力金具配套用)

ASTM标准：ASTM A363(针对镀锌钢绞线，可参考其机械测试部分)

测试前，需要明确执行哪一标准，并遵循其全部规定。

2. 关键准备工作

试样制备：

取样：从整盘或整卷线缆上，截取直线段，长度应满足试验机夹持距离要求(通常≥600mm)，并确保该段无明显损伤、扭曲或原始缺陷。

校直：对于绞线，允许进行轻柔的机械或手工校直，但不得损伤线材或改变其金属特性。校直段限于夹持区域附近。

端头处理(关键步骤)：为防止在钳口处打滑或过早断裂，试样两端需进行加固。常用方法：

浇铸法：将试样端部插入锥形钢套或专用锚具中，注入低熔点合金(如铅-锡合金)或环氧树脂浇铸料，固化后形成牢固的夹持头。

压制法：使用液压钳和专用压模，在线端压接高强度钢制套管。

缠绕法(适用于较细绞线)：用细软钢丝紧密缠绕试样端部。

三、核心测试流程：从测量到断裂

测试应在恒温恒湿实验室(通常23±5°C, 50±10% RH)进行，使用电脑伺服控制材料试验机。

1：原始横截面积的准确测定(S₀)

这是计算抗拉强度的分母，误差将直接放大到结果中。称重法是国际公认准确的方法。

截取样本：从同批次、同试样上截取一段长度(L)已知且准确测量的直线段，长度建议在300-500mm，便于准确称重。

清洁与称重：用溶剂(如丙酮、乙醇)清除表面油污，干燥后，使用精度至少为0.1%的分析天平称取其质量(m)，单位克(g)。

计算面积：

横截面积 S₀ (mm²) = [m (g) / (ρ (g/cm³)  L (cm))]  100

其中：

ρ 为计算密度，这是难点。对于铜包钢绞线，需采用加权平均密度：

ρ = (A_steel  ρ_steel + A_copper  ρ_copper) / (A_steel + A_copper)

但A_steel和A_copper未知。实践中，通常根据标称结构(铜厚、钢丝直径)计算理论密度，或依据标准(如IEC 61232)给出的参考密度值(例如，典型15%导电率的铜包钢线密度约为7.8 g/cm³)。更严谨的做法是，通过化学方法溶解铜层，分别称量钢芯和铜层的质量来反推实际面积比例。

简化且较准确的操作：若已知标称铜层截面积占比(或导电率等价关系)，可使用标准推的固定密度值进行计算。这是工厂质量控制中常用的方法。

2：安装试样与设置参数

安装：将处理好的试样安装在试验机的上下夹头中，确保试样轴线与拉力轴线重合，防止产生弯曲应力。

设置试验机：

选择力传感器量程：预估大拉力，选择使断裂发生在传感器量程的20%-80%之间的档位。

设置拉伸速度：根据标准规定。对于金属绞线，通常采用应力速率控制或位移速率。例如，GB/T 4909.3规定，在达到预期抗拉强度的50%之前，速率可较快，之后应控制在每分钟使标距长度变化0.25~0.5% 的速率，直至断裂。通常整体速度在10-50 mm/min范围内。

装夹引伸计(如需要测量伸长率)：在试样上安装接触式或非接触式引伸计，标距一般为250mm或500mm。

第三步：进行拉伸测试与数据记录

启动试验：开始拉伸，试验机自动记录拉力-位移(或拉力-应变)曲线。

观察过程：注意观察试样是否在夹头内滑动、有无异常声响。理想断裂位置应发生在两夹头之间的自由段中央。

记录关键数据：

大拉力值 (Fm)：从曲线中读取峰值力值，单位牛顿(N)或千牛(kN)。

断裂位置与形态：记录断裂是否在夹具内，观察断口形貌(是否为典型杯锥状，铜层与钢芯是否同步断裂)。

伸长率(如测量)：根据引伸计数据计算。

第四步：计算与结果分析

计算抗拉强度：

抗拉强度 Rm (MPa) = Fm (N) / S₀ (mm²)

结果判定：

将计算出的Rm值与产品标准规定的保证小抗拉强度(GTS) 进行比较。Rm ≥ GTS 即为合格。

例如，某型号铜包钢绞线规定GTS为1200 MPa，测试结果需不低于此值。

有效性判断：如果断裂发生在夹持部位(距夹头1d以内，d为绞线外径) 或夹具内，则试验结果可能无效，需重新取样测试。

四、影响测试准确性的关键因素与注意事项

面积测定的准确性：这是大误差来源。需要严格按照称重法操作，并采用合理的密度值。

夹持方法与端头处理：不牢固的夹持会导致打滑、应力集中和提前断裂。浇铸合金的硬度和浇铸质量至关重要。

拉伸速率：速率过快会使测得的强度值偏高，速率过慢则可能偏低。需要严格遵守标准规定的速率。

试验机校准：力传感器和位移测量系统必须定期由权威计量机构检定，确保其在有效期内且精度符合要求(通常力值精度不低于±1%)。

温度效应：材料的强度受温度影响。测试应在标准温湿度下进行，或记录实际温度以备修正。

五、进阶测试与相关性能

1%伸长时的应力(屈服特性)：对于某些应用(如OPGW)，需测量伸长1%时对应的应力值，以评估其“屈服”行为。这需要高精度的引伸计。

应力-应变曲线分析：完整的曲线可提供弹性模量、屈服强度、均匀伸长率等信息，评估材料的韧性。

扭转后拉伸测试：部分标准要求先对试样进行规定次数的扭转，再进行拉伸，以评估绞线在安装受力(如放线时产生扭转)后的强度保持率。

六、工厂质量控制与现场简易评估

工厂实验室：需要建立完整的测试流程，对每批次原材料和成品进行抽检，并保留详尽的测试报告。

现场验收：虽无法进行完整测试，但可核查出厂检验报告，并可通过硬度计(如里氏硬度)进行间接比对，或使用手持式拉力计对短样进行破坏性抽测(需制作简易夹具)，作为初步验证。

结论

测试铜包钢绞线的抗拉强度，是一项要求严谨性、规范性、准确性的专业技术活动。其核心在于准确获取原始横截面积和在标准条件下获取真实的大拉力值。整个测试链条——从取样、制样、面积测定、设备校准到试验执行——任何环节的疏忽都会导致结果的失真。

可靠的测试结果，不仅是产品合格的“通行证”，更是输电线路力学计算、弧垂张拉设计、安全系数选取的基石。对于电力系统而言，一根地线的断裂可能导致输电塔连锁倒塌的灾难性后果。因此，深入理解并严格执行抗拉强度测试标准，是对工程质量与公共安全的高度负责。

在实践中，建议测试方(无论是制造商、第三方检测机构还是用户)严格遵循“标准优先、准去测量、过程受控、记录可溯” 的原则，确保每一份抗拉强度报告都经得起技术和时间的检验。