高溫下不銹鋼螺栓的材料性能試驗研究

張筠，林輝，胡鷹，楊成博

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

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，其極限強度可以達(dá)到480～1 500 MPa。雖然高強度碳鋼螺栓以其更高的強度及新的設(shè)計方法得到了廣泛應(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)中潛在的實用價值，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，主要針對高強度螺栓。Kodur等[6]對美國的高強螺栓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道，其研究重點是螺栓的極限強度及其失效機制，報道中涉及強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)點火災(zāi)下的性能分析提供依據(jù)，有必要加強不銹鋼螺栓高溫下的力學(xué)性能研究。

Hanus等[10]對8.8級高強度螺栓火災(zāi)下的性能進(jìn)行了試驗研究，試驗涉及加熱和冷卻兩個階段，以模擬“自然火災(zāi)”情況。其中，冷卻階段很重要，因為在冷卻時，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研究。為了獲得高溫下不銹鋼螺栓的彈性模量和強度折減數(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，獲得了不銹鋼螺栓不同溫度下完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提取出了強度和彈性模量折減系數(shù)，并對比了其他文獻(xiàn)報道的試驗結(jié)果和相關(guān)規(guī)范的推薦值?；谠囼灲Y(jié)果，提出了不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強度和極限強度的折減模型。

1 試驗研究

1.1 試件設(shè)計

試驗采用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，通過冷鍛，提高了兩組螺栓的極限強度。

原材料力學(xué)性能見表2。

表1 不銹鋼螺栓原材料化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of stainless steel bolts

表2 螺栓原材料力學(xué)性能和試驗溫度Table 2 Material properties at room temperature and testing temperatures

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)性能試驗研究，這兩個規(guī)范中明確規(guī)定了金屬材料拉伸試驗試件的形狀和尺寸。試樣的原始標(biāo)距L0與原始橫截面積S0應(yīng)符合

試件的詳細(xì)尺寸如圖1所示。試驗溫度變化范圍為20～900 ℃，每組試驗溫度包括20、100、200、300、400、500、600、700、800、900 ℃共10個目標(biāo)溫度點，每個性能等級和每個目標(biāo)溫度測試3個試件。因此，兩組性能等級共測試60個試件。

圖1 試件尺寸Fig.1 Geometry of tension coupon specimens

1.2 試驗裝置和試驗方法

試驗采用INSTRON8862電液伺服萬能試驗機，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。試驗裝置如圖2所示。試驗時，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，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。

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

試驗采用位移控制進(jìn)行加載。在達(dá)到極限強度之前，加載速率為0.03 mm/min。達(dá)到極限強度之后，將加載速率提高到0.75 mm/min，直至斷裂。試驗采用的高溫引伸計標(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)引伸計達(dá)到量程上限時，應(yīng)將引伸計重置并重新開始測量，循環(huán)往復(fù)，得到一個完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖2 試驗裝置Fig.2 Tensile test set-up

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

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(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，由于強氧化作用，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。

圖3 高溫材性試件破壞Fig.3 Failure modes of test specimens

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4為兩個性能等級的螺栓在各個目標(biāo)溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖中數(shù)據(jù)為3個試件的平均值)。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。

圖4 不銹鋼螺栓的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of stainless steel bolts

2.3 彈性模量

試驗得到的各個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。由于兩個等級的不銹鋼螺栓實測彈性模量折減情況差距極小，因此，取A4-70和A4-80兩個等級不銹鋼螺栓的均值。

圖5 彈性模量折減系數(shù)Fig.5 Reduction factors of Young’s modulus at elevated temperatures

圖5將試驗結(jié)果與其他學(xué)者的報道進(jìn)行了對比。由圖5可以看出，溫度大于600 ℃時，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結(jié)果相似。溫度超過500 ℃時，相比于不銹鋼螺栓，Sakumoto等[18]試驗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，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 屈服強度

試驗得到的各個溫度下不銹鋼螺栓屈服強度折減系數(shù)變化情況如圖6所示。可以看到，對于不銹鋼螺栓，屈服強度折減系數(shù)趨勢與彈性模量相似，兩者都在溫度超過600 ℃時出現(xiàn)大幅度下降。

圖6將試驗結(jié)果與其他學(xué)者的報道和規(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結(jié)果與試驗結(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度退化更慢。與不銹鋼螺栓不同的是，當(dāng)溫度超過500 ℃時，耐火鋼螺栓的屈服強度再次表現(xiàn)出更大幅度的下降。

圖6 屈服強度折減系數(shù)Fig.6 Reduction factors of 0.2% proof strength strength at elevated temperatures

2.5 極限強度

圖7將試驗結(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度的試驗結(jié)果一樣，在溫度超過600 ℃時，不銹鋼螺栓的極限強度劇烈下降。而耐火鋼螺栓的極限強度在500 ℃或者更低溫度時便發(fā)生劇烈下降，且下降速度更快。同時，雖然耐火鋼螺栓在幾乎整個溫度范圍內(nèi)具有比高強螺栓更高的極限強度，但溫度超過500 °C時，耐火鋼螺栓的極限強度不如不銹鋼螺栓。不銹鋼螺栓高溫下極限強度折減系數(shù)與歐洲規(guī)范EC3[19]給出的不銹鋼母材推薦值基本相同。

圖7 極限強度折減系數(shù)Fig.7 Reduction factors of tensile strength at elevated temperatures

3 折減模型

試驗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度折減系數(shù)的推薦值小。另一方面，在溫度低于600 ℃時，屈服強度的折減系數(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度折減系數(shù)的推薦值，但在更高溫度時則相反。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、屈服強度和極限強度的折減模型

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

表3 600 ℃以下折減模型擬合系數(shù)Table 3 Common coefficients for the reduction models for temperatures up to 600 ℃

圖8給出了不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強度和極限強度折減模型與試驗結(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。

表4 600 ℃以上折減模型擬合系數(shù)Table 4 Coefficients for the reduction models for temperatures above 600 ℃

圖8 折減模型與試驗折減系數(shù)以及歐規(guī)的對比Fig.8 Comparison among proposed, experimental and EC3’s reduction factors

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)性能試驗結(jié)果，包括彈性模量、屈服強度和抗拉強度。共測試了60個試件，得到了以下結(jié)論：

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

2)溫度低于650 ℃時，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度折減系數(shù)偏大。

3)不銹鋼螺栓高溫下極限強度折減系數(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，不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強度和極限強度折減系數(shù)相同，可以使用同樣的折減模型。