00Cr17Ni14Mo2不銹鋼高溫力學性能

王新堂，張金一，DU Yingang

（1.寧波大學 建筑工程與環境學院，浙江 寧波 315211；2.溫嶺市建筑工程質量安全監督站，浙江 溫嶺 317500；3.Department of Engineering and Built Environment，Anglia Ruskin University，Chelmsford CM1 1SQ，UK）

對于不銹鋼結構的研究，國外已經過了近七八十年的發展歷程，且從材料本構關系到防火性能設計均有許多研究成果［1－10］.例如Abdella［4］提出了一種不銹鋼高溫本構模型的顯式形式，并針對EN1.4462和EN1.4301不銹鋼進行了檢驗.Mills等［5］對處于真空狀態下的316不銹鋼在不同溫度時的疲勞特性進行了研究，認為300℃以下溫度對不銹鋼疲勞特性的影響較小.Ernest等［6］研究了冷彎成型不銹鋼管柱在高溫下的受力性能.Ehab［7－8］對不同火災條件下不銹鋼梁柱構件的抗火性能進行了分析.

目前國內學者對不銹鋼在建筑結構中的應用研究僅見少量文獻.如鄭寶峰等［11］對國產0Cr18Ni9（304）不銹鋼開展了常溫拉伸和壓縮試驗；蘇慶田等［12］對3種建筑結構常用不銹鋼（0Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti，00Cr18Ni）強度設計值的取值及理論依據進行了研究；陳駒等［13］對建筑用不銹鋼（EN1.4462和EN1.4301）在高溫下的力學性能進行了研究，并建立了不銹鋼的高溫本構關系；王元清等［14］對不銹鋼結構構件的穩定性進行了研究；Han等［15］對不銹鋼鋼管混凝土的火災行為進行了試驗研究.

綜上所述，國內學者對作為承重構件的不銹鋼力學性能研究還比較薄弱，尤其對國產不銹鋼的高溫力學性能研究還遠不能滿足實際需要.因此本文對工程中常用的國產00Cr17Ni14Mo2不銹鋼（以下均簡稱為不銹鋼）開展了一系列高溫下的穩態拉伸試驗、瞬態拉伸試驗和蠕變試驗，測得了不銹鋼在不同高溫溫度下的彈性模量、屈服強度、極限強度、極限應變、伸長率和蠕變應變.利用MATLAB軟件對不銹鋼各力學性能（彈性模量、屈服強度、極限強度、極限應變，伸長率）與溫度關系曲線和蠕變曲線進行了擬合.

1 試驗

1.1 試驗材料及設備

不銹鋼由寧波寶新不銹鋼有限公司提供，板材厚2mm.不銹鋼的主要化學組成（質量分數）見表1.

表1 不銹鋼的化學組成Table 1 Chemical composition（by mass）of stainless steel %

按高溫加載設備條件，結合GB／T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》、GB／T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB／T 2039—1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》的有關要求，確定不銹鋼試件規格尺寸如圖1所示.

試驗所用加載設備為WAW－600C 微機控制電液伺服萬能試驗機，其最大荷載為600kN.試驗所用的加熱及溫度控制設備為GW－1200B 型高溫爐，其最高溫度可達1 100℃.

圖1 試件尺寸Fig.1 Dimension of specimen（size：mm）

1.2 試驗方法

1.2.1 穩態拉伸試驗

分別在20，100，200，300，400，500，550，600，625，650，700，750，800℃條件下進行不銹鋼穩態拉伸試驗.每個溫度測2個試件，試驗結果取平均值.

穩態拉伸試驗步驟為：（1）調整高溫爐水平位置使試件置于爐內中心部位，然后將高溫拉桿的上、下端夾緊，再用耐火石棉將高溫爐密封；（2）安裝應變計；（3）以10～15℃／min的速度加熱試件至試驗所需溫度值（期間保持荷載為0.1kN），保溫15 min后再將2個應變計清零；（4）以0.005min－1的應變速率加載，直到試件斷裂.

1.2.2 瞬態拉伸試驗

分別在應力水平為0.7fy，0.8fy，0.9fy（fy為不銹鋼常溫屈服強度，經穩態拉伸試驗確定其值為297.3MPa）的條件下進行不銹鋼瞬態拉伸試驗.

試件的安裝方法與穩態拉伸試驗相同.試件安裝完畢后，先以0.1kN／s的速度加載到應力水平目標值，然后保持荷載不變.以10～15℃／min的速度升溫直至試件被拉斷.

1.2.3 蠕變試驗

蠕變試驗在恒溫恒載條件下進行.根據不銹鋼的熔點取3 個有代表性的溫度，分別為200，400，600℃.在每個溫度下以3個應力水平0.2fu，0.4fu和0.6fu（fu為不銹鋼常溫極限強度，經穩態拉伸試驗確定其值為629MPa）進行蠕變試驗.

主要試驗步驟為：（1）將試件加熱到目標溫度，恒溫約15min后，以0.1kN／s的速度平穩加載至應力水平目標值，然后將應變計清零；（2）在溫度及荷載保持不變的條件下，持續50min觀測不銹鋼試件的蠕變變形.

2 試驗結果與分析

2.1 高溫拉伸試驗現象

穩態拉伸試驗后不銹鋼的破壞形態見圖2.由圖2可見：

圖2 穩態拉伸試驗后不銹鋼的破壞形態Fig.2 Failure mode of stainless steel after steady tensile test

（1）當溫度為100，200℃時，試件的表觀特征與20℃常溫情況基本相似，試件表面略顯淺黃色，斷口呈銀白色，試件斷裂處出現頸縮現象.

（2）當溫度為300℃時，試件表面呈淡黃色，斷口仍為銀白色；當溫度為400℃時，試件表面為金黃色，斷口呈黃色.300，400℃時，試件斷裂處的頸縮現象明顯.

（3）當溫度為500，550℃時，試件兩端邊緣處為金黃色略帶紫色，標距內部分區域表面顏色較兩端邊緣顏色更深.500 ℃時，試件斷口為紫紅色，而550℃時，試件斷口為紫色.500，550 ℃時，試件斷裂處的頸縮現象很明顯.

（4）溫度為600～700℃時，試件兩端邊緣為紫色，而標距內部分區域表面顏色為紅褐色（600，625℃）或紫黑色（650，700 ℃）.600 ℃時試件斷口為藍靛色，而625，650，700℃時試件斷口為黑色，且逐漸失去金屬光澤.600～700℃時，試件斷裂處的頸縮現象非常明顯.

（5）溫度為750，800℃時，試件大部分表面（包括斷口）均呈黑色，且斷口已完全失去金屬光澤.此時試件的頸縮現象最為明顯，標距內試件的伸長量也很大.

試件在瞬態拉伸試驗后的表觀特征與同樣溫度點的穩態拉伸試驗后的表觀特征相同.

2.2 高溫拉伸試驗結果及分析

由圖3可以看出：

（1）當溫度低于500℃時，隨溫度的升高，不銹鋼彈性模量變化較為平緩，沒有出現明顯的折減；當溫度超過550℃時，不銹鋼彈性模量、屈服強度、極限強度和極限應變的折減均較為明顯，且當溫度到達800℃時，不銹鋼彈性模量降為常溫下的57%，屈服強度降為常溫下的40%，極限強度降為常溫下的31%，極限應變降為常溫下的34%.

（2）不銹鋼屈服強度與極限強度的折減速度變化規律相似，即折減速度均呈先快、后慢、再快的特征.當溫度為200℃時，不銹鋼屈服強度與極限強度均比常溫下的減少了25%左右，說明不銹鋼的承載力受溫度的影響較大；當溫度在200～550℃時，不銹鋼屈服強度和極限強度的折減速度明顯減慢，在此溫度區間屈服強度和極限強度折減幅度均為15%左右，說明不銹鋼存在一個溫度影響平穩段，該階段不銹鋼擁有相對穩定的屈服強度和極限強度；當溫度超過550℃時，不銹鋼屈服強度和極限強度的折減速度加快.

（3）不銹鋼極限應變隨溫度升高整體呈不斷減小趨勢，但當溫度處于300～600℃時，其變化出現一定的波動.

（4）不銹鋼伸長率隨溫度變化呈現出與其他力學性能指標完全不同的規律.不銹鋼伸長率隨溫度變化呈現減小—穩定—增大趨勢.當溫度小于300℃時，不銹鋼伸長率隨溫度的升高基本呈直線減小，此時材料基本呈脆斷特征；當溫度處于300～700℃之間時，不銹鋼伸長率基本保持不變；當溫度高于700℃時，不銹鋼伸長率隨溫度的升高不斷增大，當溫度達到800 ℃時，不銹鋼伸長率與常溫下伸長率基本相同.

不銹鋼高溫力學性能與普通結構鋼高溫力學性能［16］有所不同.相同高溫溫度下，不銹鋼彈性模量折減系數大于普通結構鋼.當溫度低于400℃時，隨溫度的升高，普通結構鋼的屈服強度基本不變，而不銹鋼的屈服強度則不斷降低；當溫度高于400℃時，不銹鋼屈服強度的降低幅度低于普通結構鋼.

（a）She bought the computer.Her brother had recommended was really a bargain.

2.3 高溫蠕變試驗結果與分析

不同應力水平和溫度條件下不銹鋼的蠕變曲線分別如圖4和圖5所示.

由圖4可以看出，在400℃條件下，當應力水平為0.6fu時，不銹鋼的蠕變應變（εcr）一開始就急劇增大，表明在此應力水平下不銹鋼趨于斷裂破壞；由圖5可以看出，當應力水平為0.2fu時，不同溫度下不銹鋼的蠕變應變變化規律基本一致，但600℃時的蠕變應變明顯高于200℃時的蠕變應變，前者約為后者的5倍.在低應力水平（0.2fu）下，當溫度為200℃時，不銹鋼在35min內所產生的蠕變應變小于0.001；當溫度較高（600℃）時，不銹鋼的短期蠕變應變相當顯著，在鋼結構抗火計算中應考慮短期蠕變應變對鋼結構響應的影響.

圖3 不銹鋼各力學性能隨溫度的變化Fig.3 Changes of various mechanical properties with temperatures

圖4 不同應力水平下不銹鋼的蠕變曲線Fig.4 Creep curves of stainless steel under different stress levels

圖5 不同溫度下不銹鋼的蠕變曲線Fig.5 Creep curves of stainless steel under different temperatures

3 力學性能與溫度關系曲線及蠕變曲線擬合

采用MATLAB軟件對不銹鋼各力學性能與溫度關系曲線及蠕變曲線進行擬合，結果如下：

（1）彈性模量與溫度關系方程

（2）屈服強度與溫度關系方程

（3）極限強度與溫度關系方程

（4）極限應變與溫度關系方程

（5）伸長率與溫度關系方程

（6）蠕變應變模型

式中：t為時間，min.式（6）僅適用于應力水平為0.2fu的情況.

不銹鋼各力學性能與溫度關系擬合曲線見圖3（a）～（e）.由圖3（a）～（e）可以看出，不銹鋼各力學性能與溫度關系擬合曲線與試驗結果吻合良好.

4 結論

（1）溫度到達800℃時，不銹鋼的彈性模量降為常溫下的57%，屈服強度降為常溫下的40%，極限強度降為常溫下的31%，極限應變降為常溫下的34%.

（2）當應力水平為0.2fu時，不銹鋼在較高溫度（600℃）下的短期蠕變應變應引起重視，在鋼結構抗火計算中應考慮短期蠕變應變對鋼結構響應的影響.

（3）當溫度為400 ℃時，不銹鋼在應力水平為0.6fu下的蠕變應變在短時間內急劇增大，即在此應力水平下不銹鋼趨于斷裂破壞.

（4）不銹鋼伸長率隨溫度的變化存在一個明顯的穩定段，即在300～700℃的溫度區間，不銹鋼伸長率變化不明顯.

（5）所建立的不銹鋼各力學性能（彈性模量、屈服強度、極限強度、極限應變和伸長率）與溫度關系方程均能較好地擬合試驗結果.

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