Q890高強結(jié)構(gòu)鋼高溫蠕變性能

王謀淵，吳晚博，曾 翔，曹寶珠

（海南大學土木建筑工程學院，海南 海口 570228）

在鋼結(jié)構(gòu)中應用高強結(jié)構(gòu)鋼（屈服應力≥460 MPa，以下簡稱“高強鋼”）有諸多優(yōu)點，如節(jié)約鋼材，降低材料運輸及建造成本，節(jié)能環(huán)保；減小結(jié)構(gòu)自重，進而減少結(jié)構(gòu)地震作用；減少截面尺寸，進而減少焊接工作量及焊接殘余應力等［1］.因而，其已被廣泛地應用于高層、大跨度和橋梁結(jié)構(gòu)中.鋼結(jié)構(gòu)在服役期間，可能會面臨火災的作用.而鋼材耐火、耐熱性能較差，在較高溫度時（通常在600℃以上），鋼材強度會顯著降低，并且在持續(xù)高溫下，鋼材的高溫蠕變會加劇結(jié)構(gòu)的性能退化，從而導致結(jié)構(gòu)破壞，造成人員傷亡以及經(jīng)濟損失［2?3］.因而，高強鋼的高溫力學性能（包括高溫蠕變性能）受到廣泛關注，其對評估結(jié)構(gòu)在火災下的力學性能十分重要.

目前，國內(nèi)外對鋼材的高溫蠕變性能的研究已取得了一些進展.Dorn［4］基于Dorn理論提出了Dorn模型，認為在恒定應力下的蠕變應變是應力、溫度和時間的函數(shù).Harmathy等［5?6］對Dorn理論進行了改進，提出了Harmathy模型，并對ASTM A36和CSAG40.12結(jié)構(gòu)鋼以及ASTM A421預應力筋開展了高溫蠕變試驗，驗證了Harmathy模型的正確性.Williams?Leir［7］分析了Harmathy模型，并通過試驗數(shù)據(jù)擬合提出了Williams?Leir模型.Findley等［8］基于粘彈性力學提出了Burger’s模型，但該模型只適用于初始和穩(wěn)定狀態(tài)下的蠕變階段，無法模擬加速階段的蠕變.Brnic等［9?10］對高強度合金鋼開展了高溫蠕變試驗，分析表明Burger’s模型能較好地描述該鋼材高溫蠕變的發(fā)展.Fields等［11］提出了Field&Field蠕變模型，并給出了A36鋼的蠕變模型參數(shù)取值，通過與試驗數(shù)據(jù)對比驗證了模型的準確性.王衛(wèi)永等［12］通過試驗研究得到了Q345鋼的高溫蠕變?時間曲線，建立了其復合時間強化蠕變模型和Norton蠕變模型.Wang等［13?14］在300℃~900℃溫度范圍內(nèi)對Q460和Q690高強鋼進行了不同應力水平下的高溫蠕變試驗，建立了兩種鋼材考慮溫度、應力和時間影響的蠕變模型.王欣欣等［15］通過對Q550、Q690和Q890三種高強鋼進行了一系列的高溫蠕變試驗，結(jié)果表明：溫度以及應力比對高強度鋼材蠕變的發(fā)展具有顯著影響.

690 MPa的高強鋼已在高層、大跨及橋梁中有所應用，《高強鋼結(jié)構(gòu)設計標準》（JGJ/T 483—2020）已引入了Q690高強鋼結(jié)構(gòu)的相關條文.隨著高強鋼材料及其結(jié)構(gòu)設計理論研究的不斷深入，更高強的Q890鋼將具有良好的應用前景.因而，對其力學性能進行廣泛的研究十分必要.盡管文獻［15?16］已對Q890高強鋼的高溫力學性能及蠕變性能進行了研究，但關于Q890高強鋼的高溫蠕變模型的研究還未見報道.本文通過試驗，得到了Q890高強鋼在不同溫度和不同應力比下的高溫蠕變?時間曲線，通過分析進一步獲得Q890高強鋼的高溫蠕變速率曲線以確定其蠕變發(fā)展的各個階段，然后基于試驗數(shù)據(jù)建立其高溫蠕變模型，為Q890高強鋼結(jié)構(gòu)在高溫下的力學性能的分析提供基礎.

1 高溫蠕變試驗

1.1試件設計已有研究［15，17?20］表明，溫度和應力水平是影響鋼材高溫蠕變的主要因素.由于溫度較低時，蠕變變形不明顯，試驗溫度通常在400℃以上，并且在前期試驗過程中發(fā)現(xiàn)，溫度達到800℃時，試驗采用的視頻引伸計無法準確地捕捉到試件上的散斑并進行應變測量，因此最高溫度設計為700℃.當應力水平過低時，試件蠕變變形不明顯，而應力水平過高時，試件在加載階段已經(jīng)發(fā)生斷裂，不符合試驗目的.因而，本文采用表1所示的試驗參數(shù)，試驗溫度T為400℃、500℃、600℃和700℃，每一溫度水平下設計3種應力比α（施加應力σ與該溫度下屈服強度之比，屈服強度參考文獻［16］取1.0%殘余應變對應的應力），以較好地考察溫度與應力對蠕變的影響.因蠕變試驗時間較長，大多數(shù)研究［17?19］中一組參數(shù)通常設計一個試件，較少的研究［15］設計兩個試件.本研究每組試驗設置兩個試件，根據(jù)溫度和應力比的不同共有12組試驗，共計24個試件.蠕變試件的幾何尺寸設計如圖1所示.

表1 試驗參數(shù)

圖1 試件幾何尺寸（單位：mm）

1.2試驗裝置及試驗方法試驗裝置如圖2所示，共由四部分組成：微機控制電子萬能試驗機、高溫爐、視頻引伸計及電腦控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).試驗機加載、高溫爐升溫及視頻引伸計的應變測量均為軟件系統(tǒng)自動控制采集.高溫爐安裝在萬能試驗機中間（圖2a），可控溫度范圍300℃~1 200℃，其內(nèi)部工作環(huán)境如圖2b所示.試件置于爐內(nèi)，其上下兩端通過銷栓與試驗機相連（圖2b）.試驗時高溫爐閉合，利用視頻引伸計通過高溫爐的可視窗口對試件的拉伸應變進行測量.采用高溫漆在試件表面布滿散斑，視頻引伸計可跟蹤散斑的位移變化，從而實現(xiàn)應變的測量.視頻引伸計包括攝像機、藍光燈與配套數(shù)據(jù)采集軟件，其數(shù)據(jù)采集與拉伸試驗機的數(shù)據(jù)采集過程能實現(xiàn)同步.

圖2 試驗裝置

試驗時，先在無應力狀態(tài)下對高溫爐進行升溫（升溫速度為2.6~7.7℃·min?1），達到預設溫度后恒溫10 min，使試件溫度均勻分布，此時試件的熱膨脹應變已完成.然后，繼續(xù)保持恒溫，利用試驗機采用力加載（速度為1~15 N·s?1）的方式對試件施加荷載，至目標荷載后保持力恒定（應力比恒定），此時應力產(chǎn)生的應變也已完成.然后，開始采用視頻引伸計進行應變測量，直至試驗結(jié)束.由于熱膨脹應變與應力產(chǎn)生的應變已完成，視頻引伸計測量的應變?yōu)槿渥儜?試驗結(jié)束條件設置為在恒溫恒載條件下試件發(fā)生蠕變斷裂或蠕變時間達10小時.在鋼材高溫蠕變的相關研究中，閆守海［18］、王康［19］均采用試件斷裂或蠕變時間達到10小時作為試驗結(jié)束條件，而在王欣欣等［15］和李翔等［20］的研究中，采用試件斷裂或蠕變時間達到6小時作為試驗結(jié)束條件.綜上，為在溫度較低、應力比較小時獲取較完整的蠕變?時間曲線，將10小時作為試驗結(jié)束條件.

2 試驗結(jié)果分析

2.1試驗現(xiàn)象試驗中，部分試件發(fā)生斷裂，包括500℃下應力比為0.85、600℃下應力比為0.65及700℃下的全部試件.斷裂試件可見明顯的頸縮現(xiàn)象.試件經(jīng)高溫蠕變冷卻后，其表面顏色變化明顯.溫度為400℃時，試件局部呈現(xiàn)紅褐色并帶有金屬光澤，即使應力比較大（α=0.95）時，試件也未發(fā)生斷裂，試件變形較小.500℃時，試件失去金屬光澤，整個試件遍布紅褐色，并且局部帶有黑色，斷裂試件變形明顯大于未斷裂試件.600℃時，碳化現(xiàn)象明顯，試件整體呈黑色略帶紅褐色和白色，試件變形較大.700℃時，試件整體呈灰色略帶紅褐色和黑色，應力比越大，試件斷裂越快.

2.2高溫蠕變?時間曲線Q890高強鋼在相同溫度不同應力比下和相同應力比不同溫度下的蠕變?時間曲線如圖3和圖4所示.圖3和圖4中，橫坐標為時間（t），縱坐標為蠕變應變（εcr），試件編號的含義：受熱溫度—應力比—試件序號.如400?0.65?01表示：受熱溫度為400℃，應力比為0.65的01號試件.

圖3 相同溫度不同應力比下Q890高強鋼高溫蠕變?時間曲線

圖4 相同應力比不同溫度下Q890高強鋼高溫 蠕變?時間曲線

圖3和圖4所示的蠕變發(fā)展規(guī)律可總結(jié)為圖5所示的典型蠕變曲線.其中，ε為應變增加總量，t為時間.鋼材在高溫下的應變增加總量（ε）由熱膨脹應變（εe）、應力產(chǎn)生的應變（εp）和蠕變應變（εcr）組成.蠕變隨時間的發(fā)展大致可以分為3個階段：1）第Ⅰ階段（圖5中AB段）又稱瞬時蠕變階段，該階段蠕變增長速率隨時間增長而減小；2）第Ⅱ階段（圖5中BC段），又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段，該階段蠕變增長速率基本保持恒定；3）第Ⅲ階段（圖5中CD段），又稱加速蠕變階段，該階段蠕變增長速率急劇增大，直至試件斷裂.根據(jù)試驗參數(shù)的不同，蠕變曲線包含Ⅰ—Ⅱ階段或者同時包含3個階段.當溫度較低，應力比較小時，蠕變發(fā)展較慢，主要發(fā)展Ⅰ—Ⅱ階段蠕變；當溫度較高，應力比較大時，蠕變發(fā)展快，可能進入第Ⅲ階段蠕變.

圖5 鋼材典型的高溫蠕變曲線

如圖3所示，相同溫度下隨應力比增加，第Ⅰ階段蠕變發(fā)展更快更大，第二階段蠕變來得更早.700℃下應力比α達到0.45時、600℃下應變比α達到0.55時和500℃下應變比α達到0.85時，蠕變均發(fā)展到第Ⅲ階段.從圖4可見，溫度是影響蠕變的非常重要因素.在溫度較低時（如400℃），即使應力比較大，蠕變發(fā)展也相對小很多.

由圖3、圖4可知，在相同試驗條件下，部分蠕變曲線表現(xiàn)出較大的離散性.從微觀上解釋，這可能是由于蠕變在發(fā)展的過程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷有較強的隨機性，因而導致在宏觀上蠕變的發(fā)展有明顯差異.但是在相同試驗條件下，兩條蠕變曲線的發(fā)展趨勢基本相同.通常在相同試驗條件下取蠕變發(fā)展程度較大的試件進行分析，因無更多的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其他已有的相關研究也是采用該方式處理.表2為同組試件中所測蠕變?時間曲線的最大蠕變應變.

從表2看出，在相同應力比不同溫度的條件下，最大蠕變應變會隨溫度的升高而增加.應力比α為0.45和0.65時，應力比越高，相同應力比下溫度從600℃增加到700℃導致的最大蠕變差異越小.

表2 Q890高強鋼高溫蠕變應變最大值

2.3蠕變速率?時間曲線及發(fā)展階段劃分圖6為Q890高強鋼各溫度及應力比下蠕變速率（ε＇cr）?時間（t）曲線（紅色虛線、對應右縱坐標）.

從圖6可見，蠕變發(fā)展初始階段，速率從快到慢衰減很快，然后進入較穩(wěn)定的速率階段，部分試件最后進入加速發(fā)展階段，對應圖5所示的3個階段.根據(jù)蠕變速率（ε＇cr）?時間（t）曲線，將各參數(shù)下的蠕變曲線分成3個階段，如圖6所示.在溫度較低時（T=400℃所有曲線以及T=500℃，α＜0.85曲線），蠕變曲線只有第Ⅰ階段和第Ⅱ階段，其余情況均進入第Ⅲ階段蠕變.

圖6 Q890高強鋼高溫蠕變速率曲線及蠕變3個階段劃分

3 蠕變模型

現(xiàn)有 的蠕 變模 型 有Dorn模型［4］、Harmathy模 型［5?6］、G.Williams?Leir模 型［7］、Burger’s模 型［8?10］和Field&Field模型［11］等.本文采用Field&Field蠕變模型描述Q890高強鋼的高溫蠕變的發(fā)展.Field&Field蠕變模型包含3個參數(shù)，且每個參數(shù)都是溫度的函數(shù)，適用于第Ⅰ蠕變階段和第Ⅱ蠕變階段.基于高溫蠕變試驗數(shù)據(jù)，可擬合得到3個參數(shù)取值.該模型的表達式為：

式中：εcr為蠕變應變，t為時間；σ為應力；a、b、c分別為與溫度有關的參數(shù).

表3為通過數(shù)據(jù)擬合后得到的各個溫度下的Field&Field蠕變模型參數(shù)值，其關于溫度（T）的參數(shù)模型見式（2）~（4）.去除第Ⅲ蠕變階段，將Field&Field蠕變模型曲線與試驗曲線進行對比（圖7），結(jié)果表明，二者吻合良好.

圖7 Field&Field蠕變模型曲線與試驗曲線對比

表3 Q890高強鋼Field&Field高溫蠕變模型參數(shù)

圖8為本文Field&Field蠕變模型曲線與文獻［15］蠕變曲線的對比，可見存在明顯差異.表4和表5分別為本文和文獻［15］中Q890鋼的化學成分和強度的比較.從表4和表5可以看出，本文與文獻［15］的Q890鋼的化學成分及強度存在明顯差異.相關研究［21?27］表明，一些化學元素及其含量對鋼或合金的高溫蠕變存在明顯影響.受試驗條件的限制，目前針對元素變化對建筑結(jié)構(gòu)鋼高溫蠕變性能影響的研究極少，這一問題值得進一步探討.在缺乏大量蠕變試驗數(shù)據(jù)和Q890鋼高溫蠕變模型的情況下，本文僅結(jié)合文中的試驗結(jié)果提出相應的蠕變模型，其可靠性有待進一步研究，但該模型仍能為描述Q890高強鋼蠕變行為提供一定參考.

表4 本文與文獻［15］Q890鋼化學成分比較

表5 本文與文獻［15］Q890鋼強度比較

圖8 Field&Field蠕變模型曲線與文獻［15］試驗曲線對

4 結(jié) 論

（1）溫度和應力比對高溫蠕變發(fā)展的程度影響顯著.相同應力比不同溫度下，溫度越高，高溫蠕變發(fā)展越充分.相同溫度不同應力比下，應力比越大，高溫蠕變發(fā)展越充分.

（2）Q890高強鋼在400℃且應力比小于0.95時和500℃且應力比小于0.85時，高溫蠕變發(fā)展僅包含第Ⅰ和Ⅱ階段蠕變.500℃且應力比達到0.85時及溫度達到600℃且應力比達到0.45時，高溫蠕變發(fā)展包含完整的3個蠕變階段.

（3）400℃時，即使應力比達到0.95，Q890鋼的高溫蠕變發(fā)展也相對較小.溫度達到600℃時，在0.45的應力比下，其高溫蠕變也有很大的發(fā)展.

（4）基于本文試驗數(shù)據(jù)，擬合得到Q890高強鋼的Field&Field高溫蠕變模型，模型與試驗曲線吻合良好.