國(guó)產(chǎn)Q550高強(qiáng)鋼高溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究

李國(guó)強(qiáng)， 黃 雷， 張 超

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

高強(qiáng)鋼與普通鋼相比具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，因此在相同的受力條件下可以采用更小的截面尺寸，達(dá)到降低結(jié)構(gòu)自重，顯著減少單位建筑面積用鋼量、焊接和涂刷工作量的目的[1]，在建筑工程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.高溫下鋼材的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生明顯下降，造成火災(zāi)下建筑結(jié)構(gòu)的破壞.了解高強(qiáng)鋼的高溫力學(xué)性能，是進(jìn)行高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)、保護(hù)火災(zāi)下高強(qiáng)鋼建筑安全性的理論前提與基礎(chǔ).

目前，一些學(xué)者進(jìn)行了火災(zāi)高溫條件下鋼材力學(xué)性能的研究.Schneider與Lange[2-4]對(duì)7種不同化學(xué)成分和交貨狀態(tài)的商業(yè)S460高強(qiáng)鋼進(jìn)行了高溫材性試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)S460鋼高溫屈服強(qiáng)度相較于歐洲規(guī)范明顯偏低.Qiang等[5-7]采用恒溫加載和恒載升溫兩種方式對(duì)高強(qiáng)鋼S460N和S690進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到兩種鋼材在20～700 ℃內(nèi)的力學(xué)性能和破壞模式.通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)研究文獻(xiàn)的比較，發(fā)現(xiàn)各國(guó)規(guī)范并不適用于高強(qiáng)鋼S460N和S690，且多數(shù)偏于不安全，具有相近常溫屈服強(qiáng)度的S690和BISPLATE80鋼高溫力學(xué)性能仍表現(xiàn)出較大不同.Ranawaka[8]和Mahendran[9]分別對(duì)冷軋高強(qiáng)鋼高溫力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.Ranawaka的研究材料包括厚度分別為0.6 mm、0.8 mm、0.9 mm的普通鋼G250和高強(qiáng)鋼G550試件，試驗(yàn)方法包括穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)、瞬態(tài)試驗(yàn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn).研究發(fā)現(xiàn)在200 ℃～500 ℃間高強(qiáng)鋼與普通鋼關(guān)于屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律有明顯區(qū)別，當(dāng)溫度超過(guò)400 ℃后，高強(qiáng)鋼強(qiáng)度降低得更快，且厚度對(duì)鋼材性能影響不大；高強(qiáng)鋼與普通鋼在200 ℃時(shí)延性均為最低，低溫下普通鋼延性更好，但溫度升高到650 ℃后兩者基本一致.Chiew等[10]通過(guò)對(duì)RQT-S690高強(qiáng)鋼的研究發(fā)現(xiàn)，鋼材在400 ℃以下具有良好的抗火性，溫度超過(guò)400 ℃后強(qiáng)度急劇下降而延性增加.

在國(guó)內(nèi)，同濟(jì)大學(xué)的李國(guó)強(qiáng)等[11-13]分別對(duì)用于門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)的16Mn鋼、制作冷彎型鋼的日本標(biāo)準(zhǔn)SM41鋼、10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓常用的20MnTiB鋼進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到不同鋼材高溫下強(qiáng)度與彈性模量的模型.陳駒等[14]對(duì)5 mm厚高強(qiáng)度鋼BISPLATE80進(jìn)行了41組穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和16組瞬態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明相關(guān)規(guī)范對(duì)于屈服強(qiáng)度和穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)得到彈性模量值的預(yù)測(cè)偏于保守，而對(duì)于瞬態(tài)試驗(yàn)得到的彈性模量又不安全；BISPLATE80鋼與普通鋼的彈性模量折減系數(shù)和屈服強(qiáng)度折減系數(shù)在22 ℃～540 ℃之間相近，溫度超過(guò)540 ℃之后兩種鋼材的差別較大.

之前的研究表明，高強(qiáng)鋼的高溫力學(xué)性能和普通鋼存在明顯區(qū)別，不同國(guó)家和地區(qū)生產(chǎn)的不同型號(hào)高強(qiáng)鋼的高溫力學(xué)性能也存在差異，國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼抗火設(shè)計(jì)不宜套用普通鋼或者國(guó)外產(chǎn)高強(qiáng)鋼模型.本文對(duì)國(guó)產(chǎn)Q550高強(qiáng)鋼進(jìn)行試驗(yàn)研究，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立Q550鋼高溫本構(gòu)關(guān)系模型.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)室完成，所用儀器為高溫電子材料試驗(yàn)機(jī)，見(jiàn)圖1.主機(jī)最大負(fù)荷為300 kN，采用交流伺服機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器，加載速率可控制在0.001～250 mm·min-1.加熱爐采用GW900高溫爐，見(jiàn)圖2，工作溫度范圍為200～1 100 ℃，爐溫最小分辨率為0.1 ℃，均溫段長(zhǎng)度為150 mm.加熱爐分上、中、下三段加熱，每段配備一個(gè)側(cè)插K型熱電偶，高溫試驗(yàn)中，將另一K型熱電偶用耐高溫布綁扎于試件中部，用以測(cè)量試件溫度.試件變形測(cè)量選用接觸式高溫引伸計(jì)，測(cè)量精度為0.001 mm.

圖1 試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Testingmachine圖2 高溫爐Fig.2 Heatingfurnace

1.2 試驗(yàn)材料及試件

試驗(yàn)所需試件由20 mm厚國(guó)產(chǎn)Q550鋼板制成，化學(xué)成分如表1所示.試件所采用形狀和尺寸按中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 228.1—2010 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》[15]和《GB/T4338—2006 金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》[16]執(zhí)行，見(jiàn)圖3.

表1 Q550高強(qiáng)鋼板化學(xué)成分表Tab.1 Chemical constitution of high strength Q550 steel in the tests

圖3 試驗(yàn)試件尺寸(單位：mm)Fig.3 Geometry of the specimens(Unit: mm)

1.3 試驗(yàn)方法與流程

試驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法，選擇10 ℃·min-1的恒定升溫速率將試件加熱到指定溫度，然后保溫15 min，待試件溫度通長(zhǎng)均勻后開(kāi)始加載，直至斷裂.加載過(guò)程中采用應(yīng)變速率控制，常溫試驗(yàn)參考GB/T 228.1-2010，應(yīng)變速率為0.015 min-1；高溫試驗(yàn)參考GB/T4338-2006，應(yīng)變速率采用0.003 min-1.試驗(yàn)溫度點(diǎn)包括20(常溫)，200，300，400，450，500，550，600，700和800 ℃.常溫下進(jìn)行3個(gè)試件測(cè)量，其余每個(gè)溫度點(diǎn)下進(jìn)行2個(gè)試件測(cè)量，試件共計(jì)21根.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件破壞狀況如圖4所示，不同溫度下試件表面顏色變化明顯：200 ℃時(shí)，試件表面呈現(xiàn)金黃色金屬光澤；300 ℃時(shí)表面為藍(lán)色；400～450 ℃時(shí)為墨綠色；500～600 ℃時(shí)變?yōu)楹谏?00 ℃和800 ℃時(shí)鋼材氧化現(xiàn)象明顯，表皮剝落嚴(yán)重，呈深灰色.

圖4 不同溫度下Q550鋼試件破壞狀況Fig.4 Failure modes of Q550 specimens at variouselevated temperatures

試件斷口形貌如圖5所示.200 ℃時(shí)試件沿45°方向斷裂，其余20～500 ℃各溫度點(diǎn)上斷口呈現(xiàn)明顯杯口狀，550～800 ℃時(shí)斷口為錐形杯狀.所有試件在斷裂時(shí)均出現(xiàn)明顯頸縮現(xiàn)象；700～800 ℃斷口縮至極小.

a20℃b200℃c300℃d400℃e450℃f500℃g550℃h600℃i700℃j800℃

圖5不同溫度下Q550鋼試件斷口形貌

Fig.5FracturemorphologyofQ550specimensat

variouselevatedtemperatures

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

圖6為Q550高強(qiáng)鋼在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn).其中20～550 ℃的曲線(xiàn)包括開(kāi)始加載到斷裂全過(guò)程，600～800 ℃的曲線(xiàn)由于斷裂時(shí)延伸率過(guò)大，只繪制到應(yīng)變0.3.從圖6中可知，Q550高強(qiáng)鋼應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)在常溫與高溫下均無(wú)明顯屈服平臺(tái).曲線(xiàn)基本形狀隨溫度升高發(fā)生明顯變化.300 ℃后隨溫度升高，曲線(xiàn)彈性段和強(qiáng)化段縮短，下降段趨于平緩.

圖6 Q550鋼應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Stress-strain curves of Q550 steel atelevated temperatures

2.3 力學(xué)性能參數(shù)

Q550高強(qiáng)鋼高溫力學(xué)性能參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果平均值及其折減系數(shù)如表2所示.折減系數(shù)是該溫度下力學(xué)性能參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果平均值與常溫試驗(yàn)結(jié)果平均值的比值.試驗(yàn)中同一溫度下不同試件所得結(jié)果偏差不超過(guò)2%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性小，故每個(gè)試件數(shù)據(jù)不一一列出.

2.3.1彈性模量

從表2中可知，Q550高強(qiáng)鋼常溫彈性模量值略高于普通鋼；400 ℃以?xún)?nèi)，隨著溫度升高，彈性模量值緩慢減??；當(dāng)鋼材溫度高于500 ℃，其折減系數(shù)下降速率明顯加快.圖7比較了本文得到的Q550高強(qiáng)鋼彈性模量折減系數(shù)與部分規(guī)范中材料模型(如CECS200[17]、EC3[18]、AS4100[19]、ECCS[20]、AISC[21])以及其他文獻(xiàn)[5-6,12,14]中試驗(yàn)結(jié)果.圖中ET為溫度T時(shí)彈性模量，E20為常溫時(shí)彈性模量.可見(jiàn)，不同鋼材彈性模量試驗(yàn)值具有很強(qiáng)的離散性.與Q550鋼相比，SM41[12]鋼結(jié)果較為接近，BISPLATE80[14]偏大而S460N[6]和S690[5]均偏小.國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范[17-21]中高溫彈性模量的材料模型基本上是基于普通鋼試驗(yàn)得到，均低于本文試驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.3.2屈服強(qiáng)度

鋼材高溫屈服強(qiáng)度定義尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，CECS200、EC3分別取1%和2%應(yīng)變對(duì)應(yīng)強(qiáng)度；ECCS規(guī)定400℃后取0.5%應(yīng)變作為名義應(yīng)變，當(dāng)溫度低于400 ℃時(shí)，則在0.2%(20℃時(shí))和0.5%應(yīng)變之間線(xiàn)性差值；AS4100對(duì)于屈服強(qiáng)度的應(yīng)變水平?jīng)]有具體規(guī)定.本試驗(yàn)屈服強(qiáng)度采用1.0%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度.圖8顯示Q550鋼屈服強(qiáng)度折減系數(shù)試驗(yàn)值與部分規(guī)范中材料模型(如CECS200、EC3、AS4100、ECCS)以及其他文獻(xiàn)[5-6,14]的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，其中S460N、S690和BISPLATE80屈服強(qiáng)度均采用2.0%應(yīng)變對(duì)應(yīng)強(qiáng)度.fy,T為溫度T時(shí)屈服強(qiáng)度，fy,20為常溫時(shí)屈服強(qiáng)度.

表2 Q550高強(qiáng)鋼高溫力學(xué)性能參數(shù)值及折減系數(shù)Tab.2 Mechanical properties and reduction factors of high strength Q550 steel at elevated temperatures

圖7 高溫彈性模量折減系數(shù)比較Fig.7 Comparison of elastic modulus reductionfactors at elevated temperatures

圖8 高溫屈服強(qiáng)度折減系數(shù)比較Fig.8 Comparison of yield strength reduction factorsat elevated temperatures

結(jié)合表2和圖8可知，200 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度值相對(duì)于常溫值有一定程度增加；300 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度值則與常溫結(jié)果相當(dāng)；此后，隨著溫度升高，折減系數(shù)逐步減小.S460N和BISPLATE80屈服強(qiáng)度折減系數(shù)在300～800 ℃內(nèi)比本文試驗(yàn)值偏大；當(dāng)溫度低于500 ℃時(shí)，S690值小于Q550，600～800 ℃內(nèi)兩種鋼材折減系數(shù)接近.與Q550試驗(yàn)值相比，CECS200規(guī)范值較為接近，EC3規(guī)范值相對(duì)偏大，而AS4100和ECCS規(guī)范值明顯偏小.

2.3.3極限強(qiáng)度

由表2可知，200～300 ℃內(nèi)，Q550鋼極限強(qiáng)度相較于常溫值有一定程度增加.400～800 ℃內(nèi)，極限強(qiáng)度折減系數(shù)隨溫度升高而減小，700 ℃后損失絕大部分強(qiáng)度.圖9顯示Q550鋼極限強(qiáng)度折減系數(shù)試驗(yàn)值和部分學(xué)者[5-6, 10, 12, 14]的研究結(jié)果對(duì)比.其中，fu,T和fu,20分別為溫度T時(shí)和常溫時(shí)的極限強(qiáng)度.從圖中可以看出，300 ℃后，SM41、S460N、S690的極限強(qiáng)度折減系數(shù)曲線(xiàn)與本文高強(qiáng)鋼試驗(yàn)值較接近.400～700 ℃內(nèi)，與Q550極限強(qiáng)度折減系數(shù)相比，BISPLATE80鋼試驗(yàn)結(jié)果偏大，而RQT-S690鋼偏小.

圖9 極限強(qiáng)度折減系數(shù)比較Fig.9 Comparison of ultimate strengthreduction factors

2.3.4斷后伸長(zhǎng)率

由表2可知，Q550鋼常溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率約為17%，體現(xiàn)常溫下具有較好的延性.溫度升高到200 ℃時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率出現(xiàn)了明顯下降，約為常溫值的85%，鋼材脆性增強(qiáng).300～450 ℃內(nèi)斷后伸長(zhǎng)率與常溫值相當(dāng).此后，隨溫度升高，斷后伸長(zhǎng)率急劇增大.700 ℃后，斷后伸長(zhǎng)率可達(dá)到常溫的5倍以上，表明鋼材在此溫度上具有極高的延性.

3 擬合公式

目前，對(duì)于評(píng)估鋼材高溫力學(xué)性能尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)方法，不同學(xué)者根據(jù)自身研究成果提出不同模型，但由上文分析可知，國(guó)產(chǎn)Q550高強(qiáng)鋼并不適用.為方便工程應(yīng)用，本文分別采用多項(xiàng)式和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員提出的鋼材高溫通用材料模型[22-23]進(jìn)行擬合.

3.1 彈性模量

多項(xiàng)式擬合公式為

ET/E20=-8.132×10-10T3-1.062×10-6T2+

3.167×10-4T+0.988 320 °C≤T≤800 °C

(1)

NIST通用材料模型擬合公式為

20 °C≤T≤800 °C

(2)

彈性模量試驗(yàn)值和模型擬合曲線(xiàn)對(duì)比如圖10所示.

圖10 彈性模量試驗(yàn)值和擬合公式曲線(xiàn)比較Fig.10 Comparison between the proposed equationsand test data of elastic modulus

3.2 屈服強(qiáng)度

多項(xiàng)式擬合公式為

(3)

NIST通用材料模型擬合公式為

20 °C≤T≤800 °C

(4)

屈服強(qiáng)度試驗(yàn)值和模型擬合曲線(xiàn)對(duì)比如圖11所示.

圖11 屈服強(qiáng)度試驗(yàn)值和擬合公式曲線(xiàn)比較Fig.11 Comparison between the proposed equationsand tests data of yield strength

3.3 極限強(qiáng)度

多項(xiàng)式擬合公式為

20 °C≤T≤800 °C

(5)

NIST通用材料模型擬合公式為

20 °C≤T≤800 °C

(6)

極限強(qiáng)度試驗(yàn)值和模型擬合曲線(xiàn)對(duì)比如圖12所示.

3.4 斷后伸長(zhǎng)率

多項(xiàng)式擬合公式為

(7)

NIST通用材料模型擬合公式

20 °C≤T≤800 °C

(8)

式中，εu,T為溫度T時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率，εu,20為常溫時(shí)斷后伸長(zhǎng)率.

斷后伸長(zhǎng)率試驗(yàn)值和模型擬合曲線(xiàn)對(duì)比如圖13所示.

圖12 極限強(qiáng)度試驗(yàn)值和擬合公式曲線(xiàn)比較Fig.12 Comparison between the proposed equationsand tests data of ultimate strength

圖13 斷后伸長(zhǎng)率試驗(yàn)值和擬合公式曲線(xiàn)比較Fig.13 Comparison between the proposed equationsand tests data of elongation

3.5 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院提出鋼材高溫通用材料模型來(lái)模擬高強(qiáng)鋼的高溫本構(gòu)關(guān)系，模型表達(dá)式如式9.此模型屈服前采用直線(xiàn)表示，屈服點(diǎn)后表達(dá)式為5參數(shù)(k1、k2、k3、k4、n)模型.本文利用此公式對(duì)Q550高強(qiáng)鋼高溫應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到不同溫度的擬合參數(shù)值如表3所示.圖14將模型曲線(xiàn)與試驗(yàn)所得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)比.從圖中可以看出，模型曲線(xiàn)在彈性段和強(qiáng)化段擬合效果很好；高強(qiáng)鋼試驗(yàn)曲線(xiàn)在屈服段呈現(xiàn)弧形，模型曲線(xiàn)在此區(qū)間內(nèi)近似兩直線(xiàn)變化，略高于試驗(yàn)曲線(xiàn).

(9)表3 Q550高強(qiáng)鋼通用材料模型擬合參數(shù)值Tab.3 Fitting parameters of generalmaterial model of Q550

圖14 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系試驗(yàn)曲線(xiàn)與通用模型曲線(xiàn)比較Fig.14 Comparison of the stress-strain curvesand the general model curves

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用穩(wěn)態(tài)拉伸法對(duì)國(guó)產(chǎn)Q550高強(qiáng)鋼進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到20～800 ℃鋼材的彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)和試驗(yàn)現(xiàn)象.通過(guò)試驗(yàn)值與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范以及相關(guān)高強(qiáng)鋼研究成果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有鋼材高溫性能參數(shù)模型對(duì)國(guó)產(chǎn)Q550高強(qiáng)鋼并不適用.因此，本文分別采用多項(xiàng)式模型和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的鋼材高溫通用材料模型進(jìn)行擬合，得到高溫下Q550鋼力學(xué)性能參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，可用于應(yīng)用Q550鋼材的鋼結(jié)構(gòu)抗火安全評(píng)估與設(shè)計(jì).

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