建筑用不銹鋼應(yīng)用及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

李顯輝

（山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

1 不銹鋼材料的發(fā)展及應(yīng)用

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，我國水體和大氣污染問題嚴(yán)重，大氣中的硫化物和水中氯化物加快了鋼材的腐蝕速率，鋼材腐蝕不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)對建筑結(jié)構(gòu)的安全也造成了嚴(yán)重的影響，尤其對化工場、游泳館、污水處理廠、大壩船閘、跨海大橋和核設(shè)施等處于高腐蝕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)目前采用防腐涂料進(jìn)行防腐處理，但防腐涂料的壽命僅為15 年，后期維護(hù)費(fèi)用較大[1]。

與傳統(tǒng)碳素鋼相比，不銹鋼材料外表美觀，而且具有較好耐久性、耐腐蝕性和維修方便等特點(diǎn)。如果能在處于強(qiáng)腐蝕環(huán)境建筑當(dāng)中大規(guī)模運(yùn)用不銹鋼，可以有效地降低經(jīng)濟(jì)損失。我國不銹鋼產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅猛，到2014 年底，我國不銹鋼年產(chǎn)量超過世界不銹鋼年產(chǎn)量的50%[2]，形成了以山西太鋼、上海寶鋼、張家港浦項(xiàng)、寧波寶新、鞍鋼聯(lián)眾、甘肅酒鋼、上海克虜伯為支柱，以江蘇興化、廣東佛山、浙江寧波等民營企業(yè)為特色的不銹鋼生產(chǎn)制造新格局，隨著不銹鋼產(chǎn)量的大幅提升，不銹鋼制品逐漸深化應(yīng)用，在建筑、汽車、化工、能源、環(huán)境和醫(yī)療器械制等方面應(yīng)用廣泛。

目前，常用不銹鋼按金相組織分類可分為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼五大類，其中沉淀硬化和馬氏缽不銹鋼的冷加工性能及焊接性能較差，無法應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中；鐵素體不銹鋼主要用于電梯、屋面板等；適用于一般建筑結(jié)構(gòu)的為奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼。迄今為止不銹鋼在建筑結(jié)構(gòu)中的主要運(yùn)用為不銹鋼建筑物幕墻、不銹鋼屋蓋、不銹鋼橋梁、不銹鋼鋼筋混凝土和不銹鋼鋼管混凝土等結(jié)構(gòu)。

2 不銹鋼材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)也在蓬勃發(fā)展，建筑物不可避免地會(huì)遭受偶然荷載的撞擊，像飛機(jī)撞擊建筑物、火車脫軌撞擊站房柱、輪船撞擊橋墩等的事件。因此有必要研究不銹鋼動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，這也受到了國內(nèi)外學(xué)者的重視。

目前不銹鋼材料動(dòng)力力學(xué)性能研究還比較分散，尚未達(dá)成模型上的共同認(rèn)識(shí)。尚兵等[3]利用霍普金森桿測定了0CrlTMn5Ni4Mo3Al 不銹鋼在3 種應(yīng)變率(300、1000、2700 s-1)、4 種溫度(25、300、500、700℃) 下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。王彥莉等[4]在高溫環(huán)境下，采用分離式霍普金森桿裝置對高氮不銹鋼試樣進(jìn)行了動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)，結(jié)合靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，分析了溫度和應(yīng)變率對材料塑性流動(dòng)特性的影響。張紅等[5]利用Hopkinson 壓桿對在溫度20～800℃下對某不銹鋼材料應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行測試；汪志福[6]從應(yīng)變硬化指數(shù)、應(yīng)變速率敏感指數(shù)兩方面研究了應(yīng)變率對304 不銹鋼材料硬化行為的影響。黃超等[7]分別進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)、中應(yīng)變率和高應(yīng)變率試驗(yàn)以及斷裂韌性試驗(yàn)，研究了316L 不銹鋼在不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明不銹鋼有明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)（圖1），并且不銹鋼本構(gòu)可以參照J(rèn)ohnson-Cook 模型進(jìn)行修正。綜上所述，不銹鋼動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究主要集中在航空不銹鋼領(lǐng)域，建筑用不銹鋼材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究仍需加強(qiáng)。

圖1 不銹鋼應(yīng)變率效應(yīng)

3 結(jié)語

1） 不銹鋼材料由于具有耐腐蝕、耐高溫、綠色環(huán)保、外表美觀等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展迅速而且應(yīng)用更加廣泛。某些類型不銹鋼由于其自身特點(diǎn)無法在建筑結(jié)構(gòu)使用，建筑結(jié)構(gòu)用不銹鋼一般為奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼。

2） 不銹鋼材料動(dòng)力力學(xué)性能的研究對象和工況還比較分散，尚未達(dá)成模型上的共同認(rèn)識(shí)。目前不銹鋼動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究對象主要集中于航空工程常用不銹鋼材，針對土木工程領(lǐng)域廣泛使用的304 奧氏體不銹鋼材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究還不充分。