高溫下不銹鋼螺栓的材料性能試驗(yàn)研究

張?bào)? 林輝 胡鷹 楊成博

摘 要： 為了給建筑鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接的抗火性能分析與抗火設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對不銹鋼螺栓高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，開展了兩組不同等級不銹鋼螺栓高溫下的拉伸試驗(yàn)，得到了不同溫度下不銹鋼螺栓的全應(yīng)力 應(yīng)變曲線。對不銹鋼螺栓高溫下的彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度進(jìn)行分析，將試驗(yàn)結(jié)果與不銹鋼母材和耐火鋼螺栓在高溫下力學(xué)性能進(jìn)行了對比，并對比相關(guān)規(guī)范關(guān)于不銹鋼母材的推薦值，提出了不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的折減模型。研究結(jié)果表明：不銹鋼螺栓高溫下的極限強(qiáng)度折減系數(shù)與歐洲規(guī)范EC3中對不銹鋼母材的推薦值相近，彈性模量折減系數(shù)差距較大。溫度低于650 ℃時(shí)，不銹鋼螺栓相比不銹鋼母材屈服強(qiáng)度下降更慢;溫度在500～900 ℃時(shí)，不銹鋼螺栓相比耐火鋼螺栓強(qiáng)度和彈性模量下降更慢。

關(guān)鍵詞： 不銹鋼;螺栓;高溫;彈性模量折減;強(qiáng)度折減

中圖分類號：TU317.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?文章編號：2096-6717（2020）02-0143-06

Mechanical properties of stainless steel bolts at elevated temperatures

Zhang Jun， Lin Hui， Hu Ying， Yang Chengbo

（School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P.R. China）

Abstract：? To provide the basis for the analysis and design of fire-resistance of bolt connections in steel building， the mechanical properties of the stainless steel bolt at elevated temperature were studied.Two groups of stainless steel bolts with different grades were tested to obtain the full stress-strain curve of stainless steel bolts at different temperatures.The Youngs modulus， 0.2% proof strength and tensile strength of stainless steel bolts were derived.The test results were compared with the mechanical properties of the parent materials and fire-resistant bolts at elevated temperatures， and the recommended values for parent materials in relevant design standards.Based on the experimental data， reduction factors models for tensile strength， Youngs modulus and 0.2% proof strength are proposed in this paper for stainless steel bolts at elevated temperatures.The test results shows that the tensile strength degradation of stainless steel bolts at elevated temperatures are found to be rather close to those recommended by Eurocode 3 for their parent materials， but the reduction factors of Youngs modulus are of great discrepancy.When temperatures lower than 650 ℃， the 0.2% proof strength of stainless steel bolts decreases more slowly than that of their parent materials.In the temperature range of 500 to 900 ℃， the stainless steel bolts retain their tensile strength， Youngs modulus and 0.2% proof strength better than fire-resistant bolts.

Keywords： stainless steel; bolts; elevated temperatures; stiffness degradation; strength degradation

不銹鋼是指以不銹、耐腐蝕性為主要特征，且鉻（Cr）含量至少為10.5%，碳（C）含量最大不超過1.2%的鋼[1]。不銹鋼構(gòu)件的抗火性能較碳鋼構(gòu)件要好很多，相同條件下的約束柱，不銹鋼的抗火性能能夠達(dá)到碳鋼的兩倍[2]。此外，不銹鋼結(jié)構(gòu)由于其突出的建筑美學(xué)優(yōu)勢、良好的耐腐蝕性能和較低的全壽命周期成本，迅速在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，成為最得到認(rèn)可的建筑結(jié)構(gòu)材料[3]。

螺栓連接是鋼結(jié)構(gòu)建筑最常見的連接方式之一，作為節(jié)點(diǎn)的基本組成部分，螺栓通常承受著火災(zāi)等災(zāi)害產(chǎn)生的附加荷載，對結(jié)構(gòu)的承載安全至關(guān)重要。不銹鋼螺栓可以由各種不銹合金制得，其極限強(qiáng)度可以達(dá)到480～1 500 MPa。雖然高強(qiáng)度碳鋼螺栓以其更高的強(qiáng)度及新的設(shè)計(jì)方法得到了廣泛應(yīng)用，如8.8級和10.9級螺栓，但其在火災(zāi)中的力學(xué)性能下降速度比普通碳鋼螺栓 更快[4]。Cen[5]肯定了不銹鋼螺栓在建筑鋼結(jié)構(gòu)中潛在的實(shí)用價(jià)值，為不銹鋼螺栓的大力發(fā)展埋下了伏筆。目前，對螺栓高溫下力學(xué)性能的研究，主要針對高強(qiáng)度螺栓。Kodur等[6]對美國的高強(qiáng)螺栓A325、A490在火災(zāi)下的性能劣化進(jìn)行了研究，隨后Lange等[7]研究了10.9級高強(qiáng)螺栓高溫下的力學(xué)性能。Ohlund等[8]嘗試從微觀結(jié)構(gòu)上探討不同類型的超高強(qiáng)螺栓的物理性能。而有關(guān)不銹鋼螺栓高溫下力學(xué)性能的研究，僅有Moreno 等[9]關(guān)于M12不銹鋼螺栓抗火性能的報(bào)道，其研究重點(diǎn)是螺栓的極限強(qiáng)度及其失效機(jī)制，報(bào)道中涉及強(qiáng)度和彈性模量的折減數(shù)據(jù)十分有限。為了給建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)火災(zāi)下的性能分析提供依據(jù)，有必要加強(qiáng)不銹鋼螺栓高溫下的力學(xué)性能研究。

Hanus等[10]對8.8級高強(qiáng)度螺栓火災(zāi)下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)涉及加熱和冷卻兩個(gè)階段，以模擬“自然火災(zāi)”情況。其中，冷卻階段很重要，因?yàn)樵诶鋮s時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)中受到軸向約束的構(gòu)件會產(chǎn)生拉應(yīng)力。筆者研究的目的是不銹鋼螺栓在特定溫度下強(qiáng)度和彈性模量的折減情況，所以，只進(jìn)行恒溫條件下的試驗(yàn)研究。為了獲得高溫下不銹鋼螺栓的彈性模量和強(qiáng)度折減數(shù)據(jù)，給不銹鋼螺栓高溫下的材料性能分析提供依據(jù)，進(jìn)行了不銹鋼螺栓高溫下的單向拉伸試驗(yàn)，獲得了不銹鋼螺栓不同溫度下完整的應(yīng)力 應(yīng)變曲線，提取出了強(qiáng)度和彈性模量折減系數(shù)，并對比了其他文獻(xiàn)報(bào)道的試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)規(guī)范的推薦值?；谠囼?yàn)結(jié)果，提出了不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的折減模型。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用A4-70級和A4-80級[11]不銹鋼螺栓，螺栓直徑均為20 mm，兩組螺栓均按ISO 4014標(biāo)準(zhǔn)[12]加工制造。螺栓原材料化學(xué)成分見表1。螺栓主要由若干鐵基合金制成，如EN 1.4401和EN 1.4404奧氏體鋼。這些鐵基合金含有鉬、鎳和鉻元素，使螺栓具有耐腐蝕性和可焊性。同時(shí)，通過冷鍛，提高了兩組螺栓的極限強(qiáng)度。

原材料力學(xué)性能見表2。

試件均由不銹鋼螺栓按歐規(guī)EN 10002-5[13]規(guī)范或美規(guī)E21-92[14]制備。對于高溫下材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，這兩個(gè)規(guī)范中明確規(guī)定了金屬材料拉伸試驗(yàn)試件的形狀和尺寸。試樣的原始標(biāo)距L0與原始橫截面積S0應(yīng)符合L0=5.65 S0?? 試件的詳細(xì)尺寸如圖1所示。試驗(yàn)溫度變化范圍為20～900 ℃，每組試驗(yàn)溫度包括20、100、200、300、400、500、600、700、800、900 ℃共10個(gè)目標(biāo)溫度點(diǎn)，每個(gè)性能等級和每個(gè)目標(biāo)溫度測試3個(gè)試件。因此，兩組性能等級共測試60個(gè)試件。

1.2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用INSTRON8862電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，最大加載荷載為300 kN。加熱爐最高加熱溫度為1 500 ℃。為了控制加熱爐內(nèi)的升溫速率，將3對熱電偶絲連接到加熱爐上。試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，每分鐘升溫50～80 ℃。雖然相對較快的升溫速率在較低的溫度范圍內(nèi)可能會導(dǎo)致“溫度過沖”問題[15]，但在接近目標(biāo)溫度時(shí)，通過數(shù)字控制系統(tǒng)稍微降低輸入功率，可以防止這種情況的發(fā)生。

每個(gè)試件的兩端都有用于夾持的螺紋，試件下端在拉伸試驗(yàn)開始前加熱時(shí)可以自由膨脹。

試驗(yàn)采用位移控制進(jìn)行加載。在達(dá)到極限強(qiáng)度之前，加載速率為0.03 mm/min。達(dá)到極限強(qiáng)度之后，將加載速率提高到0.75 mm/min，直至斷裂。試驗(yàn)采用的高溫引伸計(jì)標(biāo)距為12.5 mm，測量量測為±2.50 mm。根據(jù)Chen等[15]的研究，在測試過程中，當(dāng)引伸計(jì)達(dá)到量程上限時(shí)，應(yīng)將引伸計(jì)重置并重新開始測量，循環(huán)往復(fù)，得到一個(gè)完整的應(yīng)力 應(yīng)變曲線。

由于筆者的目的是研究不銹鋼螺栓在高溫下強(qiáng)度和彈性模量的折減情況，因此，僅進(jìn)行穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，即每個(gè)試件在加熱至目標(biāo)溫度后，繼續(xù)恒溫15 min，以確保整個(gè)試件均勻地達(dá)到目標(biāo)溫度，然后再加載至破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

圖3列出了各溫度下材性試件拉伸破壞后的形式（從左至右分別為20～900 ℃的材性試件），由圖3可以看出，在100～300 ℃溫度范圍內(nèi)，試件拉伸形變量隨溫度的升高而降低，而在溫度超過300 ℃后，形變量隨溫度的升高而增大。另外，當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，由于強(qiáng)氧化作用，材性試件的斷口顏色開始改變并逐漸加深，且隨著溫度的升高，試件頸縮現(xiàn)象逐漸明顯。

2.2 應(yīng)力 應(yīng)變曲線

圖4為兩個(gè)性能等級的螺栓在各個(gè)目標(biāo)溫度下的應(yīng)力 應(yīng)變曲線（圖中數(shù)據(jù)為3個(gè)試件的平均值）。由圖4可以看出，在屈服之前，不銹鋼螺栓的應(yīng)力 應(yīng)變曲線都表現(xiàn)為線彈性，屈服后便呈現(xiàn)出明顯的非線性行為。兩組不銹鋼螺栓在高溫下仍然表現(xiàn)出良好的變形能力，且延性變化相似，均是隨著溫度的升高有明顯的下降，而300 ℃后則顯著上升。

2.3 彈性模量

試驗(yàn)得到的各個(gè)溫度下不銹鋼螺栓彈性模量折減系數(shù)變化情況如圖5所示（不銹鋼螺栓的彈性模量E為應(yīng)力 應(yīng)變曲線線性彈性范圍的斜率）。其中，彈性模量折減系數(shù)定義為某一特定溫度下的彈性模量與常溫下彈性模量之比。由于兩個(gè)等級的不銹鋼螺栓實(shí)測彈性模量折減情況差距極小，因此，取A4-70和A4-80兩個(gè)等級不銹鋼螺栓的均值。

圖5將試驗(yàn)結(jié)果與其他學(xué)者的報(bào)道進(jìn)行了對比。由圖5可以看出，溫度大于600 ℃時(shí)，不銹鋼螺栓的彈性模量急劇下降，這與Sakumoto等[16]和Ala-Outinen[17]關(guān)于SUS316 （EN 1.4401）和SUS316Ti （EN 1.4571）不銹鋼母材的高溫試驗(yàn)結(jié)果相似。溫度超過500 ℃時(shí)，相比于不銹鋼螺栓，Sakumoto等[18]試驗(yàn)用耐火鋼螺栓的彈性模量下降更為迅速。因此，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，相比耐火鋼螺栓，不銹鋼螺栓可以更好地維持彈性模量。

圖5還將試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)規(guī)范推薦值進(jìn)行了對比。從整體上看，歐洲規(guī)范EC 3[19]中對于不銹鋼母材高溫彈性模量折減系數(shù)推薦值偏大，推薦值不能很好地適用于不銹鋼螺栓。

2.4 屈服強(qiáng)度

試驗(yàn)得到的各個(gè)溫度下不銹鋼螺栓屈服強(qiáng)度折減系數(shù)變化情況如圖6所示?？梢钥吹?，對于不銹鋼螺栓，屈服強(qiáng)度折減系數(shù)趨勢與彈性模量相似，兩者都在溫度超過600 ℃時(shí)出現(xiàn)大幅度下降。

圖6將試驗(yàn)結(jié)果與其他學(xué)者的報(bào)道和規(guī)范推薦值進(jìn)行了對比。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，Sakumoto等[16]和Ala-Outinen[17]關(guān)于SUS316 （EN 1.4401）和SUS316Ti （EN 1.4571）不銹鋼母材的高溫試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。但是，在溫度低于650 ℃的較低范圍內(nèi)，不銹鋼螺栓相比不銹鋼母材屈服強(qiáng)度退化更慢。與不銹鋼螺栓不同的是，當(dāng)溫度超過500 ℃時(shí)，耐火鋼螺栓的屈服強(qiáng)度再次表現(xiàn)出更大幅度的下降。

2.5 極限強(qiáng)度

圖7將試驗(yàn)結(jié)果與其他研究結(jié)果和規(guī)范推薦值進(jìn)行了對比。與彈性模量和屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果一樣，在溫度超過600 ℃時(shí)，不銹鋼螺栓的極限強(qiáng)度劇烈下降。而耐火鋼螺栓的極限強(qiáng)度在500 ℃或者更低溫度時(shí)便發(fā)生劇烈下降，且下降速度更快。同時(shí)，雖然耐火鋼螺栓在幾乎整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有比高強(qiáng)螺栓更高的極限強(qiáng)度，但溫度超過500 °C時(shí)，耐火鋼螺栓的極限強(qiáng)度不如不銹鋼螺栓。不銹鋼螺栓高溫下極限強(qiáng)度折減系數(shù)與歐洲規(guī)范EC3[19]給出的不銹鋼母材推薦值基本相同。

3 折減模型

試驗(yàn)得到的不銹鋼螺栓高溫下彈性模量折減系數(shù)比歐洲規(guī)范EC3[19]給出的關(guān)于不銹鋼母材屈服強(qiáng)度折減系數(shù)的推薦值小。另一方面，在溫度低于600 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度的折減系數(shù)明顯大于歐洲規(guī)范EC3[19]給出的關(guān)于不銹鋼母材屈服強(qiáng)度折減系數(shù)的推薦值，但在更高溫度時(shí)則相反。因此，有必要提出新的折減模型。

基于Chen等[20]的研究成果，提出了改進(jìn)的不銹鋼螺絲高溫下的折減模型。

根據(jù)不同試驗(yàn)溫度下的折減系數(shù)，利用最小二乘法對擬合公式中系數(shù)a、b、c和n進(jìn)行擬合，得到不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的折減模型

Eθ/E20=α-（θ-b）n/c

f0.2，θ/f0.2=α-（θ-b）n/c

fu，θ/fu=α-（θ-b）n/c

由擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在溫度低于600 ℃時(shí)，可以使用共同的系數(shù)對不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度折減系數(shù)進(jìn)行擬合，如表3所示。但當(dāng)溫度大于600 ℃時(shí)，則需要不同的系數(shù)進(jìn)行擬合，如表4所示。

圖8給出了不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度折減模型與試驗(yàn)結(jié)果以及歐洲規(guī)范EC3[19]推薦值的對比。由圖8可以看出，對于試驗(yàn)所用的不銹鋼螺栓，相比新提出的預(yù)測模型，歐洲規(guī)范EC3[19]關(guān)于彈性模量折減系數(shù)的推薦值偏于保守，而關(guān)于極限強(qiáng)度折減系數(shù)的推薦值在700 ℃之前則偏于不安全。對于極限強(qiáng)度折減系數(shù)，折減模型的預(yù)測值與歐洲規(guī)范EC3[19]推薦值相當(dāng)接近。

4 結(jié)論

研究了A4-70級和A4-80級不銹鋼螺栓在20～900 ℃溫度范圍內(nèi)相關(guān)性能試驗(yàn)結(jié)果，包括彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。共測試了60個(gè)試件，得到了以下結(jié)論：

1）溫度高于500 ℃時(shí)，相比于耐火鋼螺栓，不銹鋼螺栓可以更好地維持彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度。

2）溫度低于650 ℃時(shí)，與歐洲規(guī)范關(guān)于不銹鋼母材的推薦值相比，不銹鋼螺栓的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)偏大。

3）不銹鋼螺栓高溫下極限強(qiáng)度折減系數(shù)與歐洲規(guī)范關(guān)于不銹鋼母材的推薦值基本保持一致。

4）不銹鋼螺栓高溫下彈性模量的折減趨勢與歐洲規(guī)范關(guān)于不銹鋼母材的推薦值基本相同，但折減速度比較緩慢。

5）溫度低于600 ℃時(shí)，不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度折減系數(shù)相同，可以使用同樣的折減模型。

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（編輯 胡玲）

收稿日期：2019-09-24

基金項(xiàng)目：? 國家自然科學(xué)基金（51578092）;重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃（cstc2016jcyjA1097）

作者簡介：? 張?bào)蓿?965- ），女，主要從事金屬材性研究，E-mail：zhang_jun99@163.com。

胡鷹（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：y.hu@cqu.edu.cn。

Received： 2019-09-24

Foundation items：? National Natural Science Foundation of China （No. 51578092）; Chongqing Science and Technology for Fundamental Science and Leading Technology （No. cstc2016jcyjA1097）

Author brief：? Zhang Jun （1965- ）， main research interest： mechanical properties of metal material， E-mail： zhang_jun99@163.com.

Hu Ying （corresponding author）， professor， doctoral supervisor， E-mail： y.hu@cqu.edu.cn.