00Cr17Ni14Mo2不銹鋼高溫力學(xué)性能

王新堂，張金一，DU Yingang

（1.寧波大學(xué) 建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315211；2.溫嶺市建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 溫嶺 317500；3.Department of Engineering and Built Environment，Anglia Ruskin University，Chelmsford CM1 1SQ，UK）

對于不銹鋼結(jié)構(gòu)的研究，國外已經(jīng)過了近七八十年的發(fā)展歷程，且從材料本構(gòu)關(guān)系到防火性能設(shè)計均有許多研究成果［1－10］.例如Abdella［4］提出了一種不銹鋼高溫本構(gòu)模型的顯式形式，并針對EN1.4462和EN1.4301不銹鋼進(jìn)行了檢驗.Mills等［5］對處于真空狀態(tài)下的316不銹鋼在不同溫度時的疲勞特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為300℃以下溫度對不銹鋼疲勞特性的影響較小.Ernest等［6］研究了冷彎成型不銹鋼管柱在高溫下的受力性能.Ehab［7－8］對不同火災(zāi)條件下不銹鋼梁柱構(gòu)件的抗火性能進(jìn)行了分析.

目前國內(nèi)學(xué)者對不銹鋼在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究僅見少量文獻(xiàn).如鄭寶峰等［11］對國產(chǎn)0Cr18Ni9（304）不銹鋼開展了常溫拉伸和壓縮試驗；蘇慶田等［12］對3種建筑結(jié)構(gòu)常用不銹鋼（0Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti，00Cr18Ni）強(qiáng)度設(shè)計值的取值及理論依據(jù)進(jìn)行了研究；陳駒等［13］對建筑用不銹鋼（EN1.4462和EN1.4301）在高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并建立了不銹鋼的高溫本構(gòu)關(guān)系；王元清等［14］對不銹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；Han等［15］對不銹鋼鋼管混凝土的火災(zāi)行為進(jìn)行了試驗研究.

綜上所述，國內(nèi)學(xué)者對作為承重構(gòu)件的不銹鋼力學(xué)性能研究還比較薄弱，尤其對國產(chǎn)不銹鋼的高溫力學(xué)性能研究還遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要.因此本文對工程中常用的國產(chǎn)00Cr17Ni14Mo2不銹鋼（以下均簡稱為不銹鋼）開展了一系列高溫下的穩(wěn)態(tài)拉伸試驗、瞬態(tài)拉伸試驗和蠕變試驗，測得了不銹鋼在不同高溫溫度下的彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變、伸長率和蠕變應(yīng)變.利用MATLAB軟件對不銹鋼各力學(xué)性能（彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變，伸長率）與溫度關(guān)系曲線和蠕變曲線進(jìn)行了擬合.

1 試驗

1.1 試驗材料及設(shè)備

不銹鋼由寧波寶新不銹鋼有限公司提供，板材厚2mm.不銹鋼的主要化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表1.

表1 不銹鋼的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition（by mass）of stainless steel %

按高溫加載設(shè)備條件，結(jié)合GB／T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》、GB／T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB／T 2039—1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》的有關(guān)要求，確定不銹鋼試件規(guī)格尺寸如圖1所示.

試驗所用加載設(shè)備為WAW－600C 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)，其最大荷載為600kN.試驗所用的加熱及溫度控制設(shè)備為GW－1200B 型高溫爐，其最高溫度可達(dá)1 100℃.

圖1 試件尺寸Fig.1 Dimension of specimen（size：mm）

1.2 試驗方法

1.2.1 穩(wěn)態(tài)拉伸試驗

分別在20，100，200，300，400，500，550，600，625，650，700，750，800℃條件下進(jìn)行不銹鋼穩(wěn)態(tài)拉伸試驗.每個溫度測2個試件，試驗結(jié)果取平均值.

穩(wěn)態(tài)拉伸試驗步驟為：（1）調(diào)整高溫爐水平位置使試件置于爐內(nèi)中心部位，然后將高溫拉桿的上、下端夾緊，再用耐火石棉將高溫爐密封；（2）安裝應(yīng)變計；（3）以10～15℃／min的速度加熱試件至試驗所需溫度值（期間保持荷載為0.1kN），保溫15 min后再將2個應(yīng)變計清零；（4）以0.005min－1的應(yīng)變速率加載，直到試件斷裂.

1.2.2 瞬態(tài)拉伸試驗

分別在應(yīng)力水平為0.7fy，0.8fy，0.9fy（fy為不銹鋼常溫屈服強(qiáng)度，經(jīng)穩(wěn)態(tài)拉伸試驗確定其值為297.3MPa）的條件下進(jìn)行不銹鋼瞬態(tài)拉伸試驗.

試件的安裝方法與穩(wěn)態(tài)拉伸試驗相同.試件安裝完畢后，先以0.1kN／s的速度加載到應(yīng)力水平目標(biāo)值，然后保持荷載不變.以10～15℃／min的速度升溫直至試件被拉斷.

1.2.3 蠕變試驗

蠕變試驗在恒溫恒載條件下進(jìn)行.根據(jù)不銹鋼的熔點(diǎn)取3 個有代表性的溫度，分別為200，400，600℃.在每個溫度下以3個應(yīng)力水平0.2fu，0.4fu和0.6fu（fu為不銹鋼常溫極限強(qiáng)度，經(jīng)穩(wěn)態(tài)拉伸試驗確定其值為629MPa）進(jìn)行蠕變試驗.

主要試驗步驟為：（1）將試件加熱到目標(biāo)溫度，恒溫約15min后，以0.1kN／s的速度平穩(wěn)加載至應(yīng)力水平目標(biāo)值，然后將應(yīng)變計清零；（2）在溫度及荷載保持不變的條件下，持續(xù)50min觀測不銹鋼試件的蠕變變形.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 高溫拉伸試驗現(xiàn)象

穩(wěn)態(tài)拉伸試驗后不銹鋼的破壞形態(tài)見圖2.由圖2可見：

圖2 穩(wěn)態(tài)拉伸試驗后不銹鋼的破壞形態(tài)Fig.2 Failure mode of stainless steel after steady tensile test

（1）當(dāng)溫度為100，200℃時，試件的表觀特征與20℃常溫情況基本相似，試件表面略顯淺黃色，斷口呈銀白色，試件斷裂處出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象.

（2）當(dāng)溫度為300℃時，試件表面呈淡黃色，斷口仍為銀白色；當(dāng)溫度為400℃時，試件表面為金黃色，斷口呈黃色.300，400℃時，試件斷裂處的頸縮現(xiàn)象明顯.

（3）當(dāng)溫度為500，550℃時，試件兩端邊緣處為金黃色略帶紫色，標(biāo)距內(nèi)部分區(qū)域表面顏色較兩端邊緣顏色更深.500 ℃時，試件斷口為紫紅色，而550℃時，試件斷口為紫色.500，550 ℃時，試件斷裂處的頸縮現(xiàn)象很明顯.

（4）溫度為600～700℃時，試件兩端邊緣為紫色，而標(biāo)距內(nèi)部分區(qū)域表面顏色為紅褐色（600，625℃）或紫黑色（650，700 ℃）.600 ℃時試件斷口為藍(lán)靛色，而625，650，700℃時試件斷口為黑色，且逐漸失去金屬光澤.600～700℃時，試件斷裂處的頸縮現(xiàn)象非常明顯.

（5）溫度為750，800℃時，試件大部分表面（包括斷口）均呈黑色，且斷口已完全失去金屬光澤.此時試件的頸縮現(xiàn)象最為明顯，標(biāo)距內(nèi)試件的伸長量也很大.

試件在瞬態(tài)拉伸試驗后的表觀特征與同樣溫度點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)拉伸試驗后的表觀特征相同.

2.2 高溫拉伸試驗結(jié)果及分析

由圖3可以看出：

（1）當(dāng)溫度低于500℃時，隨溫度的升高，不銹鋼彈性模量變化較為平緩，沒有出現(xiàn)明顯的折減；當(dāng)溫度超過550℃時，不銹鋼彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變的折減均較為明顯，且當(dāng)溫度到達(dá)800℃時，不銹鋼彈性模量降為常溫下的57%，屈服強(qiáng)度降為常溫下的40%，極限強(qiáng)度降為常溫下的31%，極限應(yīng)變降為常溫下的34%.

（2）不銹鋼屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度的折減速度變化規(guī)律相似，即折減速度均呈先快、后慢、再快的特征.當(dāng)溫度為200℃時，不銹鋼屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度均比常溫下的減少了25%左右，說明不銹鋼的承載力受溫度的影響較大；當(dāng)溫度在200～550℃時，不銹鋼屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的折減速度明顯減慢，在此溫度區(qū)間屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度折減幅度均為15%左右，說明不銹鋼存在一個溫度影響平穩(wěn)段，該階段不銹鋼擁有相對穩(wěn)定的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度；當(dāng)溫度超過550℃時，不銹鋼屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的折減速度加快.

（3）不銹鋼極限應(yīng)變隨溫度升高整體呈不斷減小趨勢，但當(dāng)溫度處于300～600℃時，其變化出現(xiàn)一定的波動.

（4）不銹鋼伸長率隨溫度變化呈現(xiàn)出與其他力學(xué)性能指標(biāo)完全不同的規(guī)律.不銹鋼伸長率隨溫度變化呈現(xiàn)減小—穩(wěn)定—增大趨勢.當(dāng)溫度小于300℃時，不銹鋼伸長率隨溫度的升高基本呈直線減小，此時材料基本呈脆斷特征；當(dāng)溫度處于300～700℃之間時，不銹鋼伸長率基本保持不變；當(dāng)溫度高于700℃時，不銹鋼伸長率隨溫度的升高不斷增大，當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時，不銹鋼伸長率與常溫下伸長率基本相同.

不銹鋼高溫力學(xué)性能與普通結(jié)構(gòu)鋼高溫力學(xué)性能［16］有所不同.相同高溫溫度下，不銹鋼彈性模量折減系數(shù)大于普通結(jié)構(gòu)鋼.當(dāng)溫度低于400℃時，隨溫度的升高，普通結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度基本不變，而不銹鋼的屈服強(qiáng)度則不斷降低；當(dāng)溫度高于400℃時，不銹鋼屈服強(qiáng)度的降低幅度低于普通結(jié)構(gòu)鋼.

（a）She bought the computer.Her brother had recommended was really a bargain.

2.3 高溫蠕變試驗結(jié)果與分析

不同應(yīng)力水平和溫度條件下不銹鋼的蠕變曲線分別如圖4和圖5所示.

由圖4可以看出，在400℃條件下，當(dāng)應(yīng)力水平為0.6fu時，不銹鋼的蠕變應(yīng)變（εcr）一開始就急劇增大，表明在此應(yīng)力水平下不銹鋼趨于斷裂破壞；由圖5可以看出，當(dāng)應(yīng)力水平為0.2fu時，不同溫度下不銹鋼的蠕變應(yīng)變變化規(guī)律基本一致，但600℃時的蠕變應(yīng)變明顯高于200℃時的蠕變應(yīng)變，前者約為后者的5倍.在低應(yīng)力水平（0.2fu）下，當(dāng)溫度為200℃時，不銹鋼在35min內(nèi)所產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變小于0.001；當(dāng)溫度較高（600℃）時，不銹鋼的短期蠕變應(yīng)變相當(dāng)顯著，在鋼結(jié)構(gòu)抗火計算中應(yīng)考慮短期蠕變應(yīng)變對鋼結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響.

圖3 不銹鋼各力學(xué)性能隨溫度的變化Fig.3 Changes of various mechanical properties with temperatures

圖4 不同應(yīng)力水平下不銹鋼的蠕變曲線Fig.4 Creep curves of stainless steel under different stress levels

圖5 不同溫度下不銹鋼的蠕變曲線Fig.5 Creep curves of stainless steel under different temperatures

3 力學(xué)性能與溫度關(guān)系曲線及蠕變曲線擬合

采用MATLAB軟件對不銹鋼各力學(xué)性能與溫度關(guān)系曲線及蠕變曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如下：

（1）彈性模量與溫度關(guān)系方程

（2）屈服強(qiáng)度與溫度關(guān)系方程

（3）極限強(qiáng)度與溫度關(guān)系方程

（4）極限應(yīng)變與溫度關(guān)系方程

（5）伸長率與溫度關(guān)系方程

（6）蠕變應(yīng)變模型

式中：t為時間，min.式（6）僅適用于應(yīng)力水平為0.2fu的情況.

不銹鋼各力學(xué)性能與溫度關(guān)系擬合曲線見圖3（a）～（e）.由圖3（a）～（e）可以看出，不銹鋼各力學(xué)性能與溫度關(guān)系擬合曲線與試驗結(jié)果吻合良好.

4 結(jié)論

（1）溫度到達(dá)800℃時，不銹鋼的彈性模量降為常溫下的57%，屈服強(qiáng)度降為常溫下的40%，極限強(qiáng)度降為常溫下的31%，極限應(yīng)變降為常溫下的34%.

（2）當(dāng)應(yīng)力水平為0.2fu時，不銹鋼在較高溫度（600℃）下的短期蠕變應(yīng)變應(yīng)引起重視，在鋼結(jié)構(gòu)抗火計算中應(yīng)考慮短期蠕變應(yīng)變對鋼結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響.

（3）當(dāng)溫度為400 ℃時，不銹鋼在應(yīng)力水平為0.6fu下的蠕變應(yīng)變在短時間內(nèi)急劇增大，即在此應(yīng)力水平下不銹鋼趨于斷裂破壞.

（4）不銹鋼伸長率隨溫度的變化存在一個明顯的穩(wěn)定段，即在300～700℃的溫度區(qū)間，不銹鋼伸長率變化不明顯.

（5）所建立的不銹鋼各力學(xué)性能（彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變和伸長率）與溫度關(guān)系方程均能較好地擬合試驗結(jié)果.

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