建筑用熱軋奧氏體304不銹鋼管力學性能

邢佶慧，史一劍，吳 超，楊慶山

(北京交通大學土木建筑工程學院，100044 北京)

建筑用熱軋奧氏體304不銹鋼管力學性能

邢佶慧，史一劍，吳 超，楊慶山

(北京交通大學土木建筑工程學院，100044 北京)

為了解熱軋無縫不銹鋼管材料性能，分別對取材自奧氏體304 Φ216×16 mm熱軋不銹鋼管的光滑和缺口圓棒試件進行單調和循環加載兩類試驗，獲取了應力－應變關系及基本材料參數，得到滯回和骨架曲線，標定鋼材循環強化參數，并觀察了斷面微觀破壞特征.研究表明:國產熱軋不銹鋼管加工工藝對中厚管材性影響不大;奧氏體304不銹鋼在循環荷載作用下具有良好強化效應和耗能性能;宜采用隨動－等向混合強化材料模型描述其行為，所標定循環強化參數可用于復雜應力狀態下的數值模擬;不銹鋼材微觀破壞特征異于普通低合金或低碳鋼.

熱軋鋼管;單向拉伸;循環荷載;材料參數;微觀破壞特征

不銹鋼材料具有優良的耐腐蝕性能和耐久性能，在國內外建筑結構中的應用逐漸增多［1］，尤其不銹鋼屋蓋，已成為諸多大型體育場館的重要組成部分.目前歐洲、美國和澳大利亞均有不銹鋼結構設計規程［2－4］，我國卻缺乏相關設計標準.

建筑結構常用不銹鋼主要是奧氏體和雙相不銹鋼，尤以奧氏體304和奧氏體316不銹鋼應用最為廣泛［5］.不銹鋼是一種復雜的合金材料，其力學性能異于普通低碳或低合金鋼.朱浩川等［6］基于Rasmussen雙相不銹鋼試驗結果，探明Quach三段式應力－應變模型可準確模擬不銹鋼薄板材料單向拉伸性能;舒贛平等［7－8］取材自國產冷加工奧氏體304不銹鋼管，進行了標準試件拉伸、壓縮和轉角區拉伸材性試驗，指出兩階段Ramberg-Osgood模型能很好模擬不銹鋼材料力學性能，不銹鋼材料具有不明顯的拉壓不對稱性，并據此進行了軸心受壓構件穩定承載力研究;王元清等［9－10］曾取材自焊接不銹鋼梁，加工了11個奧氏體316條狀不銹鋼材性試件，對其滯回性能和本構關系進行了系統研究，采用Ramberg-Osgood模型擬合循環骨架曲線，標定出其循環強化參數，并進行了不銹鋼構件性能研究.國外學者Nip等［11］曾分別取材熱軋、冷彎低碳鋼管和冷成型不銹鋼加工材性試件，基于滯回性能試驗，得到歐洲奧氏體不銹鋼(EN 1.4301和 EN 1.4307，接近奧氏體304鋼)的循環硬化指數和低周疲勞壽命預測參數;Ye 等［12］、Roya 等［13］以及 Hong 等［14］亦進行過奧氏體316等不銹鋼材的低周滯回性能研究.

但國內外不銹鋼材的質量和化學成分等存在差異，且Nip等［11］的研究表明，加工工藝亦影響鋼材力學性能.已有文獻中均未考慮大跨空間結構常用熱軋無縫不銹鋼圓管構件，因此，本文取材國產建筑用奧氏體304熱軋不銹鋼圓管，分別加工光滑和缺口圓棒試件，通過單向拉伸試驗獲取其應力應變關系及材料基本參數，觀察不銹鋼延性破壞特征;通過循環加載試驗，獲取不銹鋼試件的滯回和骨架曲線，標定其循環強化參數;觀察延性金屬低周疲勞破壞特征，為后續不銹鋼材微觀損傷模型研究及不銹鋼構件或結構精細化數值模擬打下基礎.

1 試驗方案

1.1 試驗材料及試件制作

取材建筑中常用的國產奧氏體304(簡稱A304)Φ216×16 mm熱軋不銹鋼管，設計光滑和缺口兩類圓棒試件，分別進行單調和循環加載兩類試驗，A304化學參數見表1.

表1 A304鋼材化學成分質量分數 %

單向拉伸加載試件尺寸見圖1.光滑試件(標記為SS)有效區直徑8 mm，缺口試件缺口半徑分別取1、2、4 mm(分別標記為 SR1，SR2 和 SR4)，最小截面直徑均為4 mm，用以得到不同水平的應力三軸度.每類試件各加工3個，取試驗結果平均值.

循環加載試驗試件尺寸依據國標GB/T 15248－94設計，詳細尺寸見圖2.光滑試件有效區直徑為6 mm，制作3個;缺口試件的缺口半徑為2 mm，最小截面直徑3 mm，制作2個.為區分單調加載試件，光滑和缺口試件分別標記為CSS和CSR2.

圖1 單向拉伸加載試件尺寸(mm)

圖2 循環加載試驗試件尺寸(mm)

光滑試件編號及其實測標距段直徑尺寸見表2.試件加工精度可滿足試驗要求.

表2 光滑試件編號和實測尺寸

1.2 試驗方法

試驗采用INSTRON 8801－100kN疲勞試驗機(圖3)在室溫狀態下完成.單調加載試驗通過夾頭位移控制加載，參照ASTM標準，光滑和缺口試件加載速率分別取0.3 mm/min和0.12 mm/min;循環加載試驗通過引伸計應變控制加載，按照等應變增幅0.4%進行變幅往復加載，每級加載3次，加載頻率0.1 Hz.試件的縱向變形采用標距為12.5 mm的引伸計進行記錄，試驗機自動記錄加載歷程中的荷載和位移.

文化創意產業園區發展評價指標體系的建立是一項系統工程，由于文化創意產業屬于精神類服務產業，園區的產品不止是有形的物質產品，更多的成果體現為無形的精神食糧，價值很難量化.此外,園區發展考量中存在許多環境與制度性因素也難以量化，所以指標設置中要兼顧定性和定量指標.

圖3 試驗設備

2 單向拉伸試驗結果

2.1 光滑圓棒拉伸試驗

在單軸拉伸試驗中得到的數據是以工程應變εn和工程應力σn表示的，為了準確描述大變形過程中截面面積的改變，需要使用真實應變εt和真實應力σt.兩者之間的換算關系為

真實應變由塑性應變εp和彈性應變εe組成，塑性應變可由下式求得:

圖4是光滑試件測得的工程應力－應變曲線.A304不銹鋼應力－應變曲線沒有明顯屈服平臺，但其塑性應變遠高于建筑常用低碳鋼和低合金鋼，說明不銹鋼具有更好的延性.

圖5是根據圖4曲線轉換得到的真實應力－應變曲線.通常可采用Ramberg-Osgood曲線來描述該關系［15］，即

式中:εp表示塑性應變，ε0表示屈服應變，ˉσ表示流動應力，σy表示屈服應力，α和n分別為鋼材的硬化系數和硬化指數.基于圖5曲線，采用Origin軟件可算得A304不銹鋼的α和n值.

圖4 工程應力－應變曲線

圖5 真實應力－應變曲線

單向拉伸試驗所得的鋼材彈性模量E、屈服強度 fy、極限強度 fu、破壞應力 ful、彈性應變 ε0、強化系數α和強化指數n結果列于表3.值得注意的是，所測A304鋼材屈服強度介于210～240 MPa，與國外規范規定值接近，但較文獻［7］中冷加工管件材料屈服強度和極限強度小，這與每批鋼材的化學成分、冶煉過程略有差異有關，同時亦與輥軋冷加工工藝有關，輥軋可使金屬組織密實，且鋼材經過冷加工后屈服強度有提高，因此，加工工藝不同時管件材料力學性能確實存在差異，本文雖選用16 mm厚熱軋無縫管進行試驗，材料強度沒有顯著變化，說明熱軋不銹鋼管加工工藝對中厚管鋼材性能改變不大.

表3 材料基本性能

2.2 缺口圓棒試件試驗結果

3種缺口圓棒試件測得的荷載位移曲線見圖6.曲線下降段的斜率突變點為延性裂紋開展點，可以此作為依據來證明微觀損傷模型對延性鋼材裂紋開展的預測能力，并識別 A304材料損傷參數.

圖6 缺口圓棒試件的荷載－位移曲線

2.3 試驗現象

對于光滑試件，當縱向變形達到一定數值時，試件中間部分開始出現頸縮，直至最后斷裂，斷口呈杯口狀;缺口試件變形則主要發生在缺口范圍內，見圖7.

圖7 單向拉伸試件破壞模式

3 循環加載試驗結果

3.1 光滑圓棒循環加載試驗

光滑試件在未達到斷裂之前已發生失穩(圖8)，所以為防止引伸計破壞，試件失穩后即停止加載，改為單調拉伸直至試件斷裂.

圖8 光滑試件的失穩

圖9 光滑試件滯回曲線

將循環骨架曲線與單向受拉時的應力－應變曲線一并列入圖10.對比表明，循環荷載作用下鋼材應力高于單軸受拉狀態，在應變1.8%時，循環荷載較單向受拉時的應力提高了66.4%.因此，以單軸受拉應力-應變曲線識別出來的α、n等參數及材料損傷參數難以準確模擬鋼材的滯回性能.

這些試驗現象與文獻［9］對奧氏體316的研究成果相符.

圖10 循環加載骨架曲線與單調加載應力應變曲線對比

3.2 缺口圓棒試件循環加載試驗結果

缺口試件在循環加載過程中未發生失穩，因而往復加載至斷裂破壞，圖11為其循環荷載下的滯回曲線.可看出，兩個缺口試件滯回曲線和斷裂點吻合良好，均在第10個循環斷裂，且呈現材料強化特征，說明A304鋼材在復雜應力作用下亦具有良好滯回耗能性能，但在破壞前一圈有明顯的退化現象直至斷裂，這對其斷裂點預測具有重要意義.與圖9對比，缺口試件滯回曲線具有明顯不對稱性，受壓側強化顯著高于受拉側，說明高應力三軸度試件在循環加載作用下，鋼材的抗拉性能會有所削弱.

圖11 缺口試件循環荷載下的滯回曲線

4 掃描電鏡實驗

對試件斷口進行掃描電鏡實驗，觀察其形貌特征，對比分析鋼材在單向拉伸和循環加載下斷口微觀形態的區別.實驗所用儀器為JSM－5800掃描電子顯微鏡.

4.1 單向拉伸試件斷口掃描結果

圖12分別為光滑試件和缺口半徑2 mm的缺口試件斷口觀察結果.

根據微觀損傷斷裂理論，延性金屬材料的破壞都是由內部雜質導致微孔洞的形核，微孔洞長大、聚合，從而產生裂縫［17］.從斷口的低倍照片(300倍)可以看出，斷口由很多尺寸為 34～135 μm的長條形的溝壑和很小近似圓形小韌窩構成，并且截面比較平坦.從高倍照片可看出，近似圓形的小韌窩內部有第二相粒子存在，韌窩尺寸在1.5～22 μm，并且缺口半徑減小，長條溝壑尺寸變化不大，韌窩尺寸有明顯的增大.而通過與低合金鋼斷面［18］的對比可看出，不同鋼材的微觀破壞形態有很大區別，低合金鋼的一次大韌窩呈圓形或橢圓形，而不銹鋼的一次大韌窩呈長條形，說明兩種材料孔洞聚合方式不同.

圖12 單向拉伸試件的斷口電鏡掃描結果(18、300、1000和3000倍)

4.2 循環加載試件斷口掃描結果

圖13為循環荷載下光滑試件和缺口半徑2 mm的缺口試件的斷口觀察結果.循環加載下的光滑試件(CSS)是失穩后單向拉伸至斷裂，所以與單向拉伸試件有類似斷口特點，但缺口試件是在循環加載下斷裂，其斷口相對平整，韌窩較淺.

圖13 循環加載試件的斷口電鏡掃描結果(18、300、1000和3000倍)

5 等向－隨動混合強化參數

對鋼構件、節點進行往復加載下的性能分析時，需要定義鋼材的強化準則.鑒于3.1中試驗結果，宜采用等向－隨動混合強化材料模型進行A304鋼材的數值模擬.參照ABAQUS幫助文件，利用光滑試件試驗數據對A304不銹鋼材循環強化參數進行標定，并輔以缺口試件實測滯回數據對其進行驗證.所標定強化參數結果見表4，與試驗數據的對比見圖14.有限元曲線與試驗曲線吻合較好，所得混合強化參數可用于精細化數值分析.

表4 A304鋼材混合強化參數

圖14 循環強化參數校核結果

6 結 論

1)通過單向拉伸試驗得到A304熱軋不銹鋼管鋼材彈性模量、屈服強度、極限強度、破壞應力、彈性應變、強化系數和強化指數等基本材料參數，證明熱軋不銹鋼管加工工藝對中厚鋼管材料性能改變不大.

2)A304不銹鋼在循環荷載作用下具有良好的強化效應和滯回耗能性能.雖有拉壓不對稱性，但在滯回和骨架曲線中體現不明顯，在應變范圍±2%之內，A304鋼材滯回曲線呈現出等向強化特性，宜采用等向－隨動混合強化材料模型對不銹鋼構件或體系進行數值模擬.

3)循環荷載作用下A304鋼材應力高于單軸受拉狀態，在應變1.8%時，循環荷載應力較單向受拉應力提高了66.4%.因此，以單軸受拉應力－應變曲線識別出來的α、n等參數及材料損傷參數，難以準確模擬其滯回性能.

4)根據實測數據，標定A304熱軋不銹鋼管材料等向－隨動混合強化參數，可用于其復雜應力狀態下的滯回性能研究.

5)A304單向拉伸試件斷口由很多尺寸34～135 μm的長條形溝壑和1.5～22 μm的近似圓形小韌窩構成，小韌窩內部有第二相粒子存在，并且隨著應力三軸度的增加，長條形溝壑尺寸變化不大，韌窩尺寸有明顯增大，其材料孔洞聚合方式異于普通低合金鋼或低碳鋼.

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Mechanics properties of hot-rolled seamless Austenitic 304 stainless steel pipe

XING Jihui，SHI Yijian，WU Chao，YANG Qingshan
(School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，100044 Beijing，China)

To study the material behaviors of hot-rolled circle hollow austenitic 304 stainless steel members applied widely in large-span roofs，both smooth and notched round specimens were cut from Φ216×16 mm tubes and tested under monotonic tensile and cyclic axial loadings.Stress-strain curves were obtained to determine basic material parameters as well as load-displacement hysteretic responses and skeleton curves.In addition，fracture micromorphology of the specimens was observed.It is shown that the properties of middle thick austenitic 304 stainless steel are not significantly influenced by hot-rolled forming process.The stainless steel exhibits extensive strain-hardening and higher energy dissipation capabilities under cyclic loadings.As a result，kinematic-isotropic composite hardening material model should be adopted to simulate nonlinear response of this material.Cyclic hardening material parameters are calibrated by test results and used well in the numerical simulations.However，the fracture micromorphology characteristic of the stainless steel is quite different from that of low alloy or carbon steel.

hot-rolled circle hollow section member;monotonic tension;cyclic loading;material parameter;fracture micromorphology characteristic

TU391

A

0367－6234(2014)02－0078－07

2013－04－30.

國家自然科學基金資助項目(51278036);中國鐵路總公司科技研發計劃項目(2013T002－A－2);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2010JBZ011).

邢佶慧(1975—)，女，博士，副教授;

楊慶山(1968—)，男，博士生導師，長江學者特聘教授.

邢佶慧，jhxing@bjtu.edu.cn.

(編輯 趙麗瑩)