鍍鋅鋼管材性試驗(yàn)及吸能性能研究

李 杰，張 婧，王 雷，梁堅(jiān)坤

(凱里學(xué)院 建筑工程學(xué)院，貴州 凱里 556011)

1 引言

鍍鋅鋼管廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、煤礦、化工、電力、鐵道車輛、汽車工業(yè)、公路、橋梁、集裝箱、體育設(shè)施、農(nóng)業(yè)機(jī)械、石油機(jī)械、探礦機(jī)械等制造工業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮較大的作用。

楊春燕[1]提出鍍鋅鋼管混凝土的概念，有望為工程應(yīng)用引入新的方向；蔣希芝等[2～4]人對(duì)溫室大棚常用鍍鋅圓鋼管進(jìn)行應(yīng)用力學(xué)性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，直徑相同的鋼管在相同處理?xiàng)l件下，拉伸強(qiáng)度隨著壁厚增加而降低，斷裂伸長(zhǎng)率增大，且隨著壁厚的增加，高溫高濕作用會(huì)加速鋼管拉伸強(qiáng)度的降低和斷裂伸長(zhǎng)率增大[2]。

現(xiàn)有研究[1,2]表明鍍鋅鋼管的吸能性能在汽車、建筑等領(lǐng)域具有重要作用，因此，本文通過對(duì)鍍鋅鋼管進(jìn)行材性試驗(yàn)，對(duì)鍍鋅鋼管在不同梯度升溫后的吸能性能進(jìn)行研究，為進(jìn)一步應(yīng)用積累參考數(shù)據(jù)。

2 試件制備與測(cè)試

2.1 制備試件

在市場(chǎng)購買規(guī)定尺寸的鍍鋅鋼管上以不同加熱條件加工拉伸試件，試驗(yàn)試件共計(jì)12件，如圖1所示。

圖1 鋼材拉伸試樣

試件加熱使用的是山東順城電爐制造公司生產(chǎn)的鋼殼爐，內(nèi)部最高溫度為1000 ℃。

本實(shí)驗(yàn)以爐內(nèi)最高煅燒溫度為400 ℃、600 ℃和800 ℃作為3個(gè)梯度等級(jí)因素來研究不同溫度條件對(duì)鍍鋅鋼管力學(xué)性能的影響，按操作規(guī)程將待測(cè)試件放入鋼殼爐中，模擬火災(zāi)時(shí)鋼材的升溫曲線為基準(zhǔn)加熱，待升溫結(jié)束后自然冷卻，作為后續(xù)拉伸實(shí)驗(yàn)的待測(cè)試件。

2.2 拉伸測(cè)試實(shí)驗(yàn)

拉伸測(cè)試實(shí)驗(yàn)[3，4]是在山東億宸試驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)的微機(jī)控制力學(xué)萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測(cè)試方向?yàn)檩S向，測(cè)試方法參考的標(biāo)準(zhǔn)是國標(biāo)《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》(GB-T228-2002)[5]。利用位移控制法來加載試件，控制速度為1mm/min，曲線極限以試件破壞或降至載荷峰值的20%為基準(zhǔn)。鋼殼爐升溫曲線如圖2所示。

圖2 鋼殼爐升溫曲線

3 結(jié)果與討論

3.1 鋼材試件表面現(xiàn)象分析

鋼材表面在不同梯度溫度加熱后，顯示的狀態(tài)如圖3。當(dāng)最高加熱溫度處在400 ℃時(shí)，鋼材表面顯示的狀態(tài)與常溫狀態(tài)相比并沒有出現(xiàn)明顯的變化；當(dāng)升高溫度為600 ℃，鋼材試件表面逐漸呈現(xiàn)出淡紅褐色，先前的局部氧化鐵層逐漸脫落，且在高溫下試件在拉伸方向上出現(xiàn)明顯翹曲；在800 ℃時(shí)，鋼材試件表面呈現(xiàn)出明顯的深紅褐色，甚至出現(xiàn)些許藍(lán)黑色，同時(shí)氧化鐵層出現(xiàn)嚴(yán)重脫落，表明鋼材試件內(nèi)部出現(xiàn)碳化趨勢(shì)[6～8]。

圖3 鍍鋅鋼材升溫后形態(tài)

3.2 鍍鋅鋼材拉伸曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果繪制出鋼材試件拉伸曲線如圖4。對(duì)比不同溫度曲線分析可得，鋼材在400 ℃和600 ℃時(shí)的拉伸曲線與20 ℃(常溫情況)下的拉伸曲線變化趨勢(shì)一致，明顯出現(xiàn)4個(gè)進(jìn)程：彈性、屈服、強(qiáng)化和斷裂；而最高加熱溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，相比于前面幾個(gè)梯度溫度，其拉伸曲線比較平滑，屈服進(jìn)程不明顯。

圖4 鍍鋅鋼材拉伸曲線

同時(shí)發(fā)現(xiàn)鍍鋅鋼材屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度與加熱溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，試件的強(qiáng)化進(jìn)程時(shí)長(zhǎng)與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，說明鍍鋅鋼材的延展性與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。

3.3 吸能性能

3.3.1 吸能能力

鍍鋅鋼材在室溫、和在400 ℃、600 ℃、800 ℃4種溫度烘烤冷卻后的拉伸試驗(yàn)，如圖5所示，其吸能能力呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

圖5 鍍鋅鋼材吸能能力

(1) 應(yīng)變?cè)?%范圍內(nèi)，鍍鋅鋼材吸能能力具有開口向上拋物線頂點(diǎn)段型特點(diǎn)；應(yīng)變?cè)诔^5%后，鍍鋅鋼材吸能能力具有向上傾斜直線型特點(diǎn)。

(2) 應(yīng)變?cè)?%范圍內(nèi)，四種狀態(tài)下的鍍鋅鋼材吸能能力幾乎一致，當(dāng)應(yīng)變超過14%之后，隨著溫度提升鍍鋅鋼材吸能能力具有降低的一致性特征。

(3) 400 ℃、600 ℃烘烤后的吸能能力幾乎一致，800 ℃(超過熔點(diǎn)一半值)烘烤后吸能能力迅速降低。

3.3.2 吸能效率

鍍鋅鋼材在室溫和在400 ℃、600 ℃、800 ℃4種溫度烘烤冷卻后的拉伸試驗(yàn)，如圖6所示，其吸能效率呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

圖6 鍍鋅鋼材吸能效率

(1) 在彈性進(jìn)程，鍍鋅鋼材的吸能效率E迅速增大到0.7左右(應(yīng)變僅僅為0.3%左右)；進(jìn)入屈服進(jìn)程后(應(yīng)變達(dá)到0.6%左右)，鍍鋅鋼材的吸能效率達(dá)到極值后較快降低(這是因?yàn)槔歃?ε曲線進(jìn)入平臺(tái)段)；當(dāng)應(yīng)變達(dá)到5%左右，其吸能效率又開始緩慢提升。

(2) 應(yīng)變?cè)?%～14%之間時(shí)，鍍鋅鋼材的吸能效率隨著溫度提升而提高，應(yīng)變超過14%之后，鍍鋅鋼材的吸能效率趨于一致。

4 結(jié)論

對(duì)鍍鋅鋼材進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，為了研究不同升溫對(duì)鍍鋅鋼材的吸能性能的影響，分別將鍍鋅鋼材加溫到400 ℃、600 ℃、800 ℃后自然冷卻到常溫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)研究，分析拉伸試驗(yàn)結(jié)果可得到以下3點(diǎn)結(jié)論。

(1)鍍鋅鋼材的拉伸曲線在400 ℃、600 ℃的條件下可以呈現(xiàn)經(jīng)典的四進(jìn)程，包括彈性、屈服、強(qiáng)化和斷裂；但在800 ℃的進(jìn)程比較平滑，沒有明顯的屈服過程。

(2)高溫加熱后，鍍鋅鋼材試件的拉伸吸能能力具有降低趨勢(shì)。

(3)高溫加熱后，鍍鋅鋼材的拉伸吸能效率沒有顯著變化。