不銹鋼復合鋼材鋼結構研究進展

班慧勇，梅鐿瀟，石永久

(清華大學土木工程系，北京 100084)

近年，隨著我國社會經濟發展和新型城鎮化建設推進，相關建筑產業不斷轉型升級，以高性能鋼結構為代表的新型材料與結構體系，正快速成為鋼結構領域的研究與應用熱點[1]。高性能鋼是對具有某些特殊力學或使用性能的鋼材的統稱，例如高強鋼、不銹鋼、低屈服點鋼、耐火鋼、耐候鋼、耐磨鋼等[1?7]，通過合理利用其性能優勢，能夠在工程實踐中實現比普通鋼材更優的應用效果。

高性能鋼材種類繁多、各具性能優勢，但其含有的特殊合金成分及相對復雜的生產工藝，也給這類鋼材帶來了較高的生產成本，限制了其工程應用推廣。在這一背景下誕生的新型復合鋼材，通過復合工藝使高性能材料(復材)與基層鋼材達到冶金結合，不但能夠保留高性能材料的性能優勢，同時也能顯著降低貴金屬消耗和生產成本，具有更高的性價比和更優的綜合社會經濟效應；常見的復材高性能材料包括不銹鋼、鈦、銅、鎳、鋯等[8?11]。不銹鋼復合鋼材是目前工程領域研究和應用最多的復合鋼材類型之一，其復材為不銹鋼(包括奧氏體和雙相型不銹鋼等)，基材為低碳鋼或低合金高強度結構鋼，根據產品對耐蝕性能要求的不同又可分為單面復層和雙面復層[12?13]2種形式，如圖1所示。

圖1 不銹鋼復合鋼材(鋼板)示意圖Fig. 1 Illustration of stainless-clad bimetallic steel plates

與純不銹鋼材相比，不銹鋼復合鋼材的鎳、鉻等合金元素的使用量可減少70%以上，因而成本也大幅降低，具有顯著的價格及市場優勢[14]。由于兼具不銹鋼優良的耐蝕性能和傳統結構鋼材的高強度、低成本特點，相比于傳統不銹鋼與結構鋼，不銹鋼復合鋼材在鋼結構工程中具有綜合力學性能更優、施工簡單周期更短、設計使用年限更長、全生命周期成本更低、綜合社會效益更高等顯著優勢，尤其適用于對耐腐蝕性要求較高的工程結構[15]。

不銹鋼復合鋼材在國外的生產于20世紀上半葉就已開始，中國從20世紀60年代起也開展了一系列研發。隨著不銹鋼的普遍應用和成本快速增長，我國對不銹鋼復合鋼材的需求日益突出，早在1988年進口量就已經達到7000 t～8000 t[16]，近年來隨著不銹鋼復合鋼材的應用領域擴展與生產工藝更新，預期需求量更是可能達到190萬噸[17]。不銹鋼復合鋼材早期主要用于壓力容器[18]，經過發展與改進后目前已被廣泛應用于能源鋼結構、化工鋼結構、水工鋼結構、船舶鋼結構等工程結構中[9,14,17]。

在建筑結構工程領域，目前不銹鋼復合鋼材主要應用于高層建筑幕墻和鐵路鋼橋(如圖2所示)，前者如馬來西亞進出口銀行(應用面積：3000 m2)和廣州富力盈凱大廈(應用面積：8000 m2)[15]，因其較傳統不銹鋼板具有更好的整體性和平整性，因而取得了良好的建筑表現效果；鋼結構橋梁具有自重輕、強度高等優點，但其在復雜氣候條件中的腐蝕問題是工程應用中亟待解決的難題，而不銹鋼復合鋼材的耐蝕性可以很好地抵抗腐蝕、延長鋼橋使用壽命。

圖2 不銹鋼復合鋼材在結構工程中的應用Fig. 2 Application of stainless-clad bimetallic steels in structural engineering

張亞軍等[19]較早提出可以將不銹鋼復合鋼材應用于橋梁結構工程領域，隨后眾多學者對橋梁用不銹鋼復合鋼材的微觀組織、力學性能、焊接工藝及焊接接頭性能進行了研究，具體內容及材料見表1。

表1 鐵路橋梁用不銹鋼復合鋼材研究情況Table 1 Summary of tests on stainless-clad bimetallic steels for use in railway bridges

上述試驗研究結果均表明不銹鋼復合鋼材的性能符合各項規范要求，可以使用于橋梁結構中。如今不銹鋼復合鋼材已在“滬漢蓉快速鐵路引入合肥樞紐南環線工程”的南淝河及經開區2座特大橋工程(材料為321-Q345q)[23]、五峰山長江大橋工程(材料為316L+Q370q)和杭紹臺鐵路椒江特大橋[28]中得到成功應用，主要用作鐵路鋼橋上直接與道砟接觸的鋼面板，以提高其耐蝕性能和鋼橋的整體壽命。其他對耐蝕性要求較高的建筑與工程結構也非常適合采用不銹鋼復合鋼材(復層置于外側的閉口截面構件)，如免維護外露結構，包括玻璃幕墻支撐立柱、空間網架結構、橋梁結構等，不僅可以避免防腐防銹涂層的使用，還具有非常好的建筑表現力；如近海、海洋工程結構，隨著我國海洋戰略的實施和南海及其島嶼的開發，高性能耐蝕鋼材需求大，不銹鋼復合鋼材是綜合考慮性能與經濟成本的最優選擇之一；還有除海洋外其他強腐蝕環境下的工業與民用建筑同樣適用。鑒于不銹鋼復合鋼材所具有的多方面優勢，其在很大程度上可在鋼結構工程中替代傳統不銹鋼，在結構工程領域特別是結構受力構件方面具有廣闊的應用前景。

近年不銹鋼復合鋼材受到學者的關注越來越多，相關主題的中、英文期刊文獻發表數量均呈現明顯的上升趨勢，從圖3可以看出該領域已經成為近年來的學術研究熱點之一。

圖3 近40年(1981年?2020年)不銹鋼復合鋼材相關中英文期刊文獻發表數量趨勢Fig. 3 Numbers of published papers in national and international journals between 1981 and 2020

Li等[9]統計了1993年?2009年日本有關復合鋼材的發明專利情況，其中涉及不銹鋼復合鋼材的占近60%。在這些有關復合鋼材的發明專利中，約50%與生產工藝(以熱軋工藝為多數)相關，約40%與復合材料有關，其余10%則多數涉及焊接工藝。由此可見，目前關于不銹鋼復合鋼材的研發重點仍主要集中在材料與工藝方面，從結構受力角度開展的研究還相對較少。因此，本文從結構工程的研究視角，對國內外的相關研究進展進行全面綜述，為不銹鋼復合鋼材在結構工程領域的科學研究與工程應用提供參考。

1 不銹鋼復合鋼材的制造與標準體系

1.1 生產工藝

20世紀30年代開始，美國、英國、日本等國家相繼開展了不銹鋼復合鋼材的生產與研究。我國的不銹鋼復合鋼材生產可以追溯至20世紀60年代，較早的生產工藝是軋制復合法和鑄造復合法[14]，后來爆炸復合法逐漸發展成熟并成為主流生產工藝之一。目前熱軋復合法因其生產質量穩定可靠已成為國際上的主流生產工藝，但在我國爆炸復合法仍然因其經濟性及實用性而被大量應用。根據李龍等2013年的統計[14]，我國生產的不銹鋼復合板主要為爆炸復合板，復合板厚度為15 mm～30 mm，不銹鋼復層厚度為2 mm～4 mm。下面分別對軋制復合法、爆炸復合法和鑄造復合法這3種目前最主流的生產工藝進行簡要介紹。

軋制復合法(如圖4(a)所示)是最早產生的，也是目前應用最普遍的復合鋼材生產方法[29?31]。軋制復合可分為熱軋復合(通過加熱升溫增大材料活化能，以便在較小壓力下實現復合，適合強度高、塑性低的材料)和冷軋復合(采用更大的軋制力和壓下量直接使材料在較低溫度下產生冶金結合，適合強度低、塑性高的材料)。軋制復合法大概可以分為3個步驟：1) 表面處理[32?33]。對基材和復材的待復合表面進行處理，去除氧化物等可能影響復合效果的雜質，然后按適當方式組合成板迭后四周焊接密封以防止軋制過程中出現界面氧化(也可采用真空軋制[34?35]、填充保護氣體[36]或釬焊[37]等方式)。2) 軋制過程。通過施加壓力使待復合金屬表面破碎，產生塑性形變和熱效應，隨后潔凈而活化的破碎表面在壓力和大壓下量的作用下形成平面狀的冶金結合。同時為減少軋制過程中發生的元素擴散(如基層碳向復層擴散及復層鉻向基層擴散)及生成有害化合物[38]，可通過增加中間層[39?40](如鎳[41]、銀銅鋅合金[42]、純鐵[43]等)的方式保證復合界面的強度與質量。3) 軋制后熱處理[44?50]。目的是改善材料性能(如增加塑性)，減少殘余應力和增加界面強度。軋制復合可以實現經濟穩定的大規模高效生產，產品尺寸規格大、同時適用于薄、中厚板的生產，復合界面均勻且結合性能優異，通過控制軋制過程的初始厚度比與壓下率可以得到復合比較為精確的產品，更適合于結構工程所需復合鋼板的生產；但軋制工藝較為復雜，需要大型軋制設備，因此投資成本相對較高。

圖4 不銹鋼復合鋼材的主流生產工藝Fig. 4 Main production technology of stainless-clad bimetallic steel

爆炸復合法(如圖4(b)所示)是將基層與復層金屬板平行放置并保留間隙，通過放置在復層上方的炸藥對復層施加爆炸能量和高溫高壓，讓復層與基層從引爆位置開始依次碰撞，在高速撞擊下界面處形成塑性變形區和金屬射流，清除表面層雜質并在非常短的時間內完成固相冶金結合[14,51]。其優點是，界面成細波紋狀，剪切強度高，元素擴散范圍小，各層厚度在復合前后基本不變；但缺點是，需要特定爆炸場所，生產效率低、環境污染和噪聲震動大，且不適用于小厚度板材[52?53]。在爆炸復合法基礎上結合軋制復合法產生的爆炸—軋制復合法是以爆炸法制取復合板坯，并通過軋制法最終生產出不銹鋼復合鋼材，這種方法相對于傳統爆炸復合法更為經濟實用，可以生產面積更大、厚度更小、剪切強度更高的不銹鋼復合鋼材[54 ? 56]。

鑄造復合法是將2塊經過表面處理的不銹鋼板涂隔離劑疊合并焊合后，置于包含鋼液(基層)的鑄模內，鋼液在不銹鋼板表面凝固形成復合鋼坯，并通過軋制得到不銹鋼復合鋼板。鑄造復合法工藝簡單，成本低、產量大，但澆鑄時板厚不能太小，因此會限制產品尺寸[57?59]。目前較新的鑄造復合工藝還包括反向凝固法[60](將經過表面處理的低碳鋼基層板自下而上穿過反向凝固器內一定高度的不銹鋼液，使基層板表面附近的不銹鋼液快速降溫，在基層板表面形成凝固復合層，并在其處于半凝固狀態時進行軋制，即可得到表面平整、厚度均勻的薄板)和離心鑄造法[61](先在離心鑄造機上鑄造外層環狀板坯，然后在其結晶時繼續注入內層復材鋼液，形成環狀復合板坯，待其冷卻后再進行加工形成成品管材)。

此外，還有一些生產不銹鋼復合鋼材的工藝如激光熔覆法[62]、堆焊復合法[63]等，但其并不適用于大規模的結構材料生產。

1.2 焊接工藝

陳家本[18]最早引進了日本學者對于不銹鋼復合鋼材焊接工藝的研究，對于坡口加工、焊接材料、施焊順序和焊縫質量檢查都作了相應介紹。常用的焊接順序是先焊基層，然后焊接過渡層，最后焊接復層，然而有研究表明，當焊接順序調換為先焊復層，然后焊接過渡層，最后焊接基層時，如果合理選擇焊材和焊接方式，依然能夠得到較好的焊接效果[64]。Liu等[65]對不銹鋼復合鋼材的焊縫形態與性能進行了研究，于彬[66]對典型的焊接質量問題(如過渡層形成馬氏體組織、擴散層應力集中和焊接殘余應力)進行了歸納。

為保證不銹鋼復合鋼材的性能，應該對基層與復層分別選用與該層材質相似的焊材和相應的焊接工藝。在復合界面處的過渡層則是異種鋼焊接，過渡層焊縫處的金屬元素會受到基層低碳鋼的稀釋，因此需要選用鉻、鎳含量高，具有優良焊接性能的焊材[67]。實際工程中為避免多種焊條混用，可對過渡層和復層采用同種型號焊條。目前有多種焊接方法可供選擇，如焊條電弧焊[68]、鎢極氬弧焊[69]、埋弧自動焊[22]、激光電弧混合焊[70]等，其中焊條電弧焊因焊接速度高、焊接質量好、焊接成本低且易于施焊而應用較多[71]。

1.3 標準體系

在較為成熟的生產與焊接工藝基礎之上，各國也針對不銹鋼復合鋼板的生產工藝、化學成分、力學性能、檢測方法和焊接性能等進行了相應規定，制定了一系列相關標準，形成了初具規模的標準體系，如表2所示。李龍等[72]詳細對比了中國、美國和日本的不銹鋼復合板相關標準，包括其規格要求、界面結合率(即復層和基層間呈冶金結合狀態的面積占總界面面積的百分率，其中結合狀態采用超聲波檢驗方法進行確定)、剪切強度的對比等。不同標準的指標要求存在差異，以復合界面抗剪強度為例，GB/T 8165?2008[73]中規定最小值為210 MPa(Ⅰ級、Ⅱ級)和200 MPa(Ⅲ級)，而ASTM A263?12[74]中規定的最小值為140 MPa，JIS G 3601?2012[75]則是200 MPa。

表2 不銹鋼復合鋼材的相關標準Table 2 Standards related to stainless-clad bimetallic steels

2 材料力學性能研究

2.1 拉伸性能

不銹鋼復合鋼材是由兩種拉伸性能不同的鋼材復合而成，因而其宏觀拉伸性能與普通低碳鋼或不銹鋼存在差異；不同復合比(即復層厚度與復合鋼材總厚度的比值)下材料典型的拉伸應力-應變曲線、屈服強度和極限強度對比如圖5所示，可見復合比的影響顯著。

圖5 復合比對不銹鋼復合鋼材拉伸性能的影響Fig. 5 Effects of clad ratios on tensile performance of stainless-clad bimetallic steels

對于雙金屬復合材料的拉伸性能指標與基層和復層材料性能指標的關系，目前學界普遍采用混合法則(Rule of Mixtures)進行預測，例如拉伸強度的混合法則計算公式為：

式中：σu為雙金屬復合材料的整體拉伸強度；σuClad和σuSub分別為基層和復層的拉伸強度；VClad和VSub分別為基層和復層的體積分數。

許多學者通過對不同復合比的不銹鋼復合鋼材進行拉伸試驗，發現拉伸試驗結果也能夠與混合法則得到的預測結果較好吻合，證明了混合法則同樣適用于不銹鋼復合鋼材。例如Motarjemi等[76]驗證了304L+A516Gr60不銹鋼復合鋼材的屈服強度與極限強度滿足混合法則；Dhib等[77]驗證了316+A283不銹鋼復合鋼材的屈服強度、極限強度與彈性模量滿足混合法則；Ban等[78]通過拉伸試驗得到的316+Q235B不銹鋼復合鋼材的屈服強度與極限強度也符合混合法則的趨勢。筆者還提出了常溫與高溫下不銹鋼復合鋼材的彈性模量與強度指標的預測表達式，只要測定基層與復層材料在相應條件下的指標，就可以通過復合比計算出不銹鋼復合鋼材對應指標的預測值，其中彈性模量采用了與混合法則一致的線性表達式，強度指標則采用了基于混合法則進行修正的非線性表達式[79]，后者仍需更廣泛試驗數據的驗證。

對于雙金屬復合板材的拉伸斷裂，趙軍和李碩本[80]較早地提出了破壞模式與判斷方法，認為在界面具有足夠強度的條件下，拉伸斷裂應變較低的材料首先產生頸縮趨勢，但被另一種塑性變形能力更強的材料所抑制，因此將繼續共同變形直到整體頸縮破壞，他們給出了基于Hollomon本構模型的雙金屬復合板極限應力-應變的近似計算公式，并通過鋼-鋁復合板拉伸試驗進行了驗證。不銹鋼復合鋼材中復合界面的強度會顯著影響拉伸斷裂形式，Nambu等[81]從宏觀角度將拉伸斷裂形式分為3類：第一類是當復合界面強度很低時，基層與復層在受拉后很快發生分離，延性較弱的材料先發生斷裂；第二類是當復合界面強度中等時，基層與復層在進入塑性后仍能共同受力，但當變形發展到一定程度時復合界面首先發生分層失效，隨后導致碳鋼層脆斷；第三類是當復合界面強度很高時，基層與復層可以一直協同受力并發生較大的均勻拉伸變形，最終出現類似單一材料的頸縮破壞。針對拉伸斷裂的斷面，Huang等[82]采用掃描電鏡進行了微觀尺度的研究，發現界面處首先出現裂紋發展，且不銹鋼層靠近界面處的滲碳層呈現晶間斷裂形態，但隨著界面裂紋的擴張，其發展方向轉向低碳鋼側，他們對此進行了分析，認為界面出現裂紋是由于不銹鋼與低碳鋼的強度和塑性差異導致界面出現局部高應力應變區，不銹鋼滲碳層的晶間斷裂與碳元素擴散有關。在此基礎上，Li等[83?84]對第三類拉伸斷裂形式進行了更深入的研究，通過對斷面的顯微圖像分析，頸縮破壞時的裂縫產生于不銹鋼滲碳層和界面層之間，該區域發生破壞的原因是兩種材料力學性能差異所導致的界面剪力。Liu等[85]對已有研究進行了總結，概括出界面強度與拉伸斷裂破壞過程的關系，當界面相對較弱時，不銹鋼層靠近界面處的滲碳區首先發生晶間斷裂，并導致局部界面失效分層，使得該區域的低碳鋼層單獨受力并很快發生斷裂；當界面相對較強時，滲碳區晶間斷裂的發生不會導致界面失效，材料呈現出整體性更好的頸縮破壞形式，但頸縮破壞時裂紋依然是在低碳鋼層產生，因為其塑性較差。當拉伸試件中包含焊縫時，如果焊縫強度足夠，拉伸斷裂破壞應該仍然發生在非焊縫區域，Dhib等[86]采用熱軋復合的316+A283不銹鋼復合鋼材設計了3種不同類型的焊接接頭，其拉伸試驗的結果驗證了這一推論。

此外，加工率[87]、熱軋溫度[88]、界面區域分數[89]和翹曲彈性現象[90]對拉伸性能的影響也受到了關注。經研究發現，隨加工率增加，材料拉伸強度增加，但塑性降低；隨熱軋溫度提高，材料拉伸強度降低，但界面剪切強度和材料韌性均提高，且變形協調能力增強，塑性變形更均勻，有利于阻止裂紋擴展；隨界面區域分數增加，屈服強度改變不大，但極限強度和均勻伸長率均有提升，材料的延展性增強。

總體而言，不銹鋼復合鋼材的拉伸應力-應變曲線呈明顯非線性，一般沒有明顯屈服平臺。復合比是影響其彈性模量和強度指標的重要因素，可通過線性或非線性公式進行表達，復合比越大，應力-應變曲線特征越接近不銹鋼的特征，反之越接近基層普通鋼材的特征。不銹鋼復合鋼材的拉伸性能受兩種復合材料共同作用的影響，復合界面強度是確定破壞模式的關鍵因素，對于工程中滿足界面強度要求的不銹鋼復合鋼材，通常拉伸破壞發生在材料明顯頸縮之后，且初始裂紋產生于塑性較差的低碳鋼區域。

2.2 冷彎性能

不銹鋼復合鋼材在生產制造過程中常常需要進行冷彎加工，如板材的彎曲矯直或圓柱形構件的制造，材料的冷彎性能會直接影響產品的質量，尤其是考慮到不銹鋼復合鋼材的基層材料與復層材料在強度和塑性上都存在差異，其受彎后的截面彈塑性發展與單一材料有較大不同，復合比與彎曲方向會顯著影響其冷彎性能，應力分布在復合界面處因材料性質改變而不連續。雙金屬復合板受彎性能的相關研究開展較早，例如針對平面應變條件下雙金屬復合板的純彎曲性能，有學者進行了數值計算和試驗驗證，得到了以曲率為變量計算彎曲后板厚、彎矩和應力分布的方法[91?92]。類似的分析方法同樣適用于不銹鋼復合鋼材，Li等[93]基于對鋼-鋁復合板受彎性能的研究[94]，通過理論分析、數值計算與試驗驗證結合的方式對不銹鋼復合鋼板的純彎曲性能進行了研究，建立了可以預測彎曲過程中在平面應變條件下厚度方向不同區域和特定平面(應力中性面、幾何中面和復合界面)變形行為的模型，該模型可以給出彎曲過程中的應力分布、相對厚度變化和彎矩發展情況，利用該模型對不同復合比、不同彎曲方向的情況分別進行了理論計算，數值計算和試驗結果均驗證了該模型的有效性。除了純彎曲外，近年來多位學者還就實際生產制造中常用的不銹鋼復合鋼板材彎曲矯直過程展開了研究，王效崗等[95]提出了彎曲分層矯正計算模型，通過迭代方法計算板材在彎曲矯直過程中截面應力-應變分布、中性層偏移量和矯正后殘余應力-應變分布隨曲率的變化，并通過試驗加以驗證，結果表明由于基層材料的屈服強度低，因此在彎曲過程中先屈服，導致彎曲中性層向復層一側偏移，當復合比減小時，中性層偏移減小，但復合界面處的應力突變會增大。李樂毅等[96]進一步研究了該分層計算模型，分情況討論了不同復合比、不同彎曲方向時的計算方法與數學模型，通過試驗驗證了不同復合比下的矯直力計算結果。在彎曲過程中，不銹鋼復合鋼材由于基層與復層的材性差異會經歷復雜的截面彈塑性狀態，張超等[97]對不銹鋼復合板彎曲過程進行了理論推導，對關于彎曲曲率、中性層偏移距離與截面應力分布的方程進行解耦，得到了截面彈塑性狀態演變路徑的解析模型，分析了矯直過程中板件的彎曲回彈特性和截面的反向屈服現象，并將結果與單一材料板件進行了對比。

上述研究為進一步開展有關不銹鋼復合鋼材的板件冷彎性能和構件受彎性能研究提供了基礎；同時，彎曲過程中不銹鋼復合鋼材的復合界面表現出了良好的完整性，材料整體具有良好的冷彎性能，保證了其工程應用中冷彎加工制造的可行性。

2.3 高溫性能

鋼材在高溫下的性能會發生顯著變化，因此鋼結構的高溫及抗火性能研究對于結構安全分析和相應設計有重要意義。不銹鋼復合鋼材在高溫下強度會下降，拉伸斷裂破壞方式也與常溫時不同，如圖6所示。

圖6 不銹鋼復合鋼材高溫拉伸試驗結果[79]Fig. 6 Typical tensile coupon test results of stainless-clad bimetallic steel at elevated temperatures[79]

不銹鋼復合鋼材的高溫性能研究目前主要從高溫下性能和火災后性能2個方向開展，對于高溫下性能，不同學者在不同的溫度區間進行了研究，如Ban等[79]對不銹鋼復合鋼材基層與復層材料高溫下的試驗方法、本構模型及力學性能進行了對比，認為總體上不銹鋼(復層)的耐火性能較普通鋼(基層)更優，并對316L+Q235B不銹鋼復合鋼材進行了200 ℃～900 ℃的系列高溫拉伸試驗，結果表明隨溫度升高，材料的屈服強度和抗拉強度均下降；在此基礎上進一步對該材料在20 ℃～950 ℃范圍內進行了64次穩態拉伸試驗，發現隨溫度升高，材料的強度和彈性模量表現出明顯的下降趨勢，并擬合出以溫度和復合比為變量的高溫下不銹鋼復合鋼材的強度和彈性模量預測方程；Li等[98]研究了2205+AH36不銹鋼復合鋼材在更高溫度區間(950 ℃～1250 ℃)和不同應變率(0.01 s?1～1 s?1)下的拉伸性能，構建了基于高溫下應變硬化、動態恢復和動態重結晶等機制的本構模型，提出了考慮雙相不銹鋼應變分配的應力計算混合法則，并通過試驗和有限元模擬進行了驗證。另一方面，對于不銹鋼復合鋼材的火災后性能，Ban等[99]利用316L+Q235B不銹鋼復合鋼材進行了63次試驗，將相同試件加熱至不同溫度(溫度范圍為100 ℃～1000 ℃)，或將不同復合比的試件加熱到相同溫度(600 ℃)，冷卻后(冷卻方式為水冷或空冷)進行單調拉伸試驗以獲取彈性模量、屈服強度、極限強度、斷后伸長率等力學性能指標，分析了加熱溫度及冷卻方式對各類力學性能指標的影響并與純低碳鋼/不銹鋼進行對比，提出了用于描述不銹鋼復合鋼材火災后各力學性能的方程，并考慮了復合比的影響。

目前針對不銹鋼復合鋼材高溫下力學性能的研究已有一定的積累，也提出了相關力學指標與溫度之間的定量表達公式；后續除進一步豐富不同等級不銹鋼復合鋼材高溫下的材性數據外，還需基于材性研究結論，對構件和結構層面的抗火性能進行基礎理論研究。

2.4 斷裂與疲勞性能

不銹鋼復合鋼材的應用前景廣泛，其適用的工程結構如鋼橋、海洋工程結構等，在使用期間會經歷長期的循環荷載作用，因此了解其斷裂與疲勞性能，對保障結構安全具有重要意義。由于基層與復層具有不同的材料特性，尤其是塑性性能方面差異顯著，同時復合過程會在材料內部產生較大的殘余應力，這些因素都會對不銹鋼復合鋼材的斷裂與疲勞性能產生重要影響，使其明顯區別于普通鋼材。

張亞軍等[19,21]對321+Q370q不銹鋼復合鋼材及其焊接接頭進行了脈動拉伸疲勞試驗，其中復合鋼材斷裂試樣中，絕大部分的疲勞裂紋萌生于基層，少數起源于復層；焊接接頭斷裂試樣同樣大部分起裂于基層焊接部位，少數從復層焊接部位開始裂紋擴展；結合斷裂力學分析，由于材性不同，不銹鋼的裂紋擴展阻力高于低碳鋼，因此在相同條件下裂紋更容易在低碳鋼層萌生和擴展。已有的疲勞裂紋擴展速率會受到應力強度因子的影響，后者與材料性能差異[100]、殘余應力分布[101]及裂紋尖端應變分布[102]等因素有關。爆炸復合法產生的殘余應力也會對不銹鋼復合鋼材的疲勞性能產生不利影響，隨著爆炸率增加，材料的疲勞壽命會縮短[103]，經適當退火處理可以減弱殘余應力的影響[104]。疲勞裂紋擴展規律是不銹鋼復合鋼材斷裂與疲勞性能研究中的重點，裂紋的位置與方向會顯著影響其擴展規律。Ogura等[102]就發現從不銹鋼到普通鋼時裂紋沿厚度方向擴展，從普通鋼到低碳鋼時裂紋沿平行于界面方向擴展。為了進一步探究裂紋擴展規律及其機理，Sugimura等對不銹鋼復合鋼材進行了多種裂紋位置與方向的疲勞試驗，包括裂紋垂直于界面[105]和與界面呈任意角度[106]，試驗發現因為不銹鋼與低碳鋼塑性性能存在差異，疲勞裂紋在復合鋼材中的發展會因其初始位置及方向而變化；當初始裂紋發生在塑性更好的不銹鋼側時，疲勞裂紋會穿過復合界面加速擴展；反之，當初始裂紋發生在塑性更差的低碳鋼側時，疲勞裂紋擴展會在靠近界面時受到阻礙而減緩或停止，甚至發生轉向而在低碳鋼層內擴展；當初始裂紋恰好位于復合界面處時，會偏向低碳鋼側擴展。Sugimura等[107]應用J積分理論對這一規律進行了分析，江峰等[108?109]后來開展的研究也得到了相似的規律。不銹鋼復合鋼材的裂紋擴展規律對于其他雙金屬復合材料同樣適用，例如純鐵-鐵素體鋼復合材料[110?112]或銅-鋼復合材料[113]。復合界面存在較大的殘余應力且可能有結合缺陷，因此其斷裂與疲勞性能會受到影響，Ohji等[114]和江峰等[115]就發現復合界面的裂紋擴展阻力顯著低于基層和復層材料，這可能給結構帶來破壞隱患，不過在生產過程中加入鎳中間層是提高復合界面的抗裂性能的一種有效手段[114,116]。在已有研究的基礎上，基于對內部、表面和貫穿裂紋的考慮，Andreikiv等[117]提出了雙金屬復合板在循環拉伸荷載下的剩余壽命評估方法。

從以上研究可以發現，基層與復層材料塑性性能的差異和復合界面性能都對不銹鋼復合鋼材的裂紋發展與抗裂性能有重要影響，尤其是初始裂紋發生在不銹鋼側或復合界面處時，相比于在低碳鋼側，會對不銹鋼復合鋼材結構的安全性產生更不利的影響，在工程應用中尤其需要注意。

2.5 滯回性能

地震作用下結構承受巨大的往復力，結構材料可能在大應變循環下發生低周疲勞行為，因此鋼材在循環荷載下的力學性能研究能夠為抗震設計的彈塑性分析提供基礎[118]。班慧勇等[119?121]對復合比為0.375和0.5的316L+Q235B不銹鋼復合鋼材，各進行了17種加載制度下共23次試驗，分析了材料的單調與滯回性能及破壞形態，采用Ramberg-Osgood(R-O)模型擬合了循環骨架曲線，基于Chaboche模型對循環本構模型參數進行了標定并代入有限元驗算，證明該模型能有效模擬不銹鋼復合鋼材的滯回行為，試驗與有限元模擬得到的循環應力-應變曲線如圖7所示；研究對比了不同復合比下材料的單調及循環骨架曲線，發現材料表現出明顯的循環強化特性，基層與復層在循環荷載作用下有良好的抗震耗能能力和協調變形能力，且復合比會明顯影響材料在循環荷載下的力學性能。筆者還基于試驗結果做了更系統的數值計算，提出了本構模型。

圖7 不銹鋼復合鋼材與基層、復層材料循環應力-應變曲線對比[120]Fig. 7 Comparison of cyclic stress-strain curves for stainlessclad bimetallic steel and its substrate as well as cladding metal[120]

以上研究指出復層和基層的循環強化特征不同，而不銹鋼復合鋼材介于二者之間，修正后的Chaboche模型和R-O模型可以分別較好地模擬不銹鋼復合鋼材的滯回本構關系和骨架曲線。

2.6 動態力學性能

高應變率下結構材料的應變硬化、應變率硬化等效應也是材料的重要力學性能之一，是研究結構在沖擊、爆炸等荷載下受力性能的基礎。文潮和關錦清等[122?123]使用分離式霍普金森拉桿和壓桿(SHTB、SHPB)對0Cr18Ni9Ti+16MnR不銹鋼復合鋼材進行了沖擊拉伸與壓縮試驗，其中沖擊拉伸應變率為270 s?1～1650 s?1，沖擊壓縮應變率為350 s?1～1000 s?1，試驗證明不銹鋼復合鋼材具有明顯的應變硬化和應變率硬化效應，拉伸試驗伸長率也隨應變率增大而增大。Mei和Ban[124]利用分離式霍普金森壓桿對11組不同復合比、加載方向的316L+Q235B不銹鋼復合鋼材試件，進行了從準靜態(0.0005 s?1)到高應變率(1000 s?1～4000 s?1)共6種應變率下總計123次沖擊壓縮試驗，對試驗結果采用Johnson-Cook(J-C)本構方程能夠較準確地進行擬合；研究發現，材料在高應變率下具有明顯的應變率硬化現象，且隨著復合比增加，強度略微提升的同時應變硬化性和應變率敏感性降低，此外在高應變率下該材料可視作各向同性，如圖8所示；提出以復合比和應變率為變量的動態增強因子方程和通用本構方程。張心金等[125]

圖8 準靜態與高應變率下不銹鋼復合鋼材的應力-塑性應變曲線對比[124]Fig. 8 Comparison of stress-plastic strain curves for stainlessclad bimetallic steel at quasi-static and high strain rate state[124]

通過夏比沖擊試驗研究了316+Q345不銹鋼復合鋼材在不同復合比及溫度條件下的沖擊韌性，研究發現，無論缺口位于基層表面、復層表面或側面時，材料的沖擊吸收能均隨復合比增大和溫度升高而增大。宜亞麗等[126]通過模擬冰荷載(海冰對船體的沖擊荷載)研究了316L+EH40不銹鋼復合鋼材的抗沖擊性能，發現隨復合比增加，材料在沖擊荷載下的撓度-時間曲線基本不變，最大撓度值略微上升，抗沖擊性能稍有下降。

2.7 耐腐蝕性能

由于不銹鋼復層的存在，不銹鋼復合鋼材的耐腐蝕性能遠優于普通低碳鋼[127]，優異的耐腐蝕性能是其應用于結構工程中最重要的優勢之一。已經有很多學者對不銹鋼復合鋼材及其焊接接頭在各種環境下的耐腐蝕性能進行了試驗研究，具體材料、試驗方法、腐蝕環境和研究結論見表3。

表3 不銹鋼復合鋼材耐腐蝕性能試驗研究情況Table 3 Summary of tests on corrosion behavior of stainless-clad bimetallic steels

劉會云等[134]對不銹鋼復合鋼材的復層晶間腐蝕試驗方法及標準規定進行了概述，對已有文獻中的復層晶間腐蝕試驗進行了歸納，認為不銹鋼復合鋼材與單一不銹鋼材料不同，采用傳統不銹鋼晶間腐蝕檢驗方法(如草酸浸蝕、硫酸-硫酸銅腐蝕、硫酸-硫酸鐵腐蝕等)將會因無法準確反映復合材料整體耐腐蝕性能、取樣難度大等原因而受到局限，而新的檢測方法如電化學動電位再活化法(EPR法)也存在標準不統一、檢驗不全面的問題，因此對不銹鋼復合鋼材的晶間腐蝕檢驗應當制定專門的方法與標準。

復合工藝中的熱處理過程可能影響不銹鋼復合鋼材的耐腐蝕性能，白允強等[104]對爆炸復合生產的2205+Q345不銹鋼復合鋼材進行了硝酸侵蝕試驗，研究了熱處理對耐腐蝕性能的影響，試驗表明爆炸復合產生的殘余應力會加快材料的腐蝕，而適當的退火處理釋放殘余應力可以有效提高材料的耐腐蝕性能，但退火溫度過高則會導致不銹鋼析出有害沉淀相，反而嚴重削弱耐腐蝕性能。Paula等[135]的研究也表明，爆炸復合后的316L不銹鋼相比于爆炸復合前，其腐蝕電勢降低、鈍化電流密度升高、極化電阻降低，耐腐蝕性能變弱。楊海波[136]對比分析了6種熱處理工藝對晶間腐蝕的影響，王春雨等[137]研究了3種復層不銹鋼材料304、321及316L在熱處理后的晶間腐蝕特性，結果表明需要采用合適的熱處理工藝使不銹鋼復合鋼材達到最優的耐腐蝕性能。

表3中的多項研究結果都表明，在實際腐蝕環境中，基層碳鋼與復層不銹鋼的相互作用可能會導致腐蝕加速，電偶的形成會加速陽極金屬(低碳鋼)的腐蝕[129]，板材側面的碳鋼與不銹鋼形成的電位差會加速基層碳鋼的腐蝕[130]，基層、復層與側面的腐蝕形貌如圖9所示。Li等[138]對不銹鋼復合鋼材和純不銹鋼復層材進行了電化學腐蝕法對比試驗，前者的耐腐蝕性能不如后者，分析原因可能是基層低碳鋼釋放的鐵離子導致蝕刻液中鐵離子濃度上升，加劇了不銹鋼的局部晶間腐蝕。基于上述研究，建議在近?；蚝Ｑ蠊こ探Y構中使用不銹鋼復合鋼材作為耐腐蝕材料時，應當采用閉口截面構件并將復層置于外側，避免板件側面外露，形成電偶或釋放鐵離子而導致更嚴重的腐蝕，以保護工程結構，增加使用壽命。

圖9 不銹鋼復合鋼材不同暴露位置試件48 h后腐蝕形貌[130]Fig. 9 Corroded surfaces of stainless-clad bimetallic steel after 48 h[130]

2.8 復合界面性能

復合界面的存在是不銹鋼復合鋼材的重要特點，相關研究已較為豐富，許多學者[139?142]都對熱軋復合界面的組織形貌、界面特征、結合特點等進行了研究，Li等[143]將復合界面及周圍區域劃分為不銹鋼增碳層、擴散層和低碳鋼失碳層3層，這些分層主要是由復合過程中的元素擴散引起的；測量了熱軋復合的304+Q235不銹鋼復合鋼材中這3層的厚度，分別為80 μm、20 μm和150 μm；發現3個中間層與基層和復層的強度與延性在厚度方向上呈現出漸變趨勢，有利于不銹鋼和碳鋼之間的牢固結合以及厚度方向上力學性能的穩定轉變；不過從整體上來看，復合界面處的強度和硬度仍然會因為材料不同而發生較明顯的突變，一系列沿厚度方向不同位置取樣進行的微型平板拉伸試驗和顯微硬度試驗證實了這一結論[76]。Zhang等[144]對304+Q235熱軋復合界面進行了宏觀與微觀尺度的研究，發現在宏觀尺度上，復合界面因304不銹鋼的影響而具有高屈強比；在微觀尺度上，復合界面因Q235低碳鋼的影響而具有更高的屈服強度。

有關不銹鋼復合鋼材界面結合性能的評價方法，李龍等[9,145]進行了較為詳細的綜述，分為定性評價如彎曲試驗、沖擊試驗，以及定量評價如剪切試驗、剝離試驗、界面結合度試驗、壓痕試驗及粘結拉伸試驗，還有包括超聲波檢測、紅外熱波成像檢測、聲-超聲檢測和微波檢測等無損檢測方法。現有標準已經對各項定量評價指標作出了要求，在此基礎上一些學者對界面結合性能的評價方法和指標進行了討論，如界面剪切強度標準取值[146]、薄板的剪切試驗方法[147?148]、彎曲試驗中彎曲方向對結果的影響[149]等。界面剪切強度是不銹鋼復合鋼材最重要的力學性能指標之一，目前常規的測試方法是以宏觀界面的剪切強度作為材料的剪切強度，但大量更加精細化的試驗[150?151]表明，低碳鋼失碳層的剪切強度低于宏觀界面的剪切強度，這一現象受到元素擴散及殘余應力的影響，因此有學者提出應當以該區域的剪切強度代替宏觀界面的剪切強度來作為復合界面的剪切強度檢測依據[152]。祝志超等[153]對剪切試驗進行了有限元模擬，分析了復層凸臺尺寸各參數變化對剪切試驗中復合界面應力分布的影響。除此之外，取樣位置也會影響界面剪切強度，馮雪楠等[154]對熱軋復合法生產的304+Q235不銹鋼復合鋼卷板在板中和板尾分別取樣進行了剪切強度測試，板尾處試件剪切強度明顯低于板中處，分析原因為板尾處復合界面存在空隙，導致界面處元素擴散距離縮短，因而對界面的冶金結合造成不利影響?；诖罅垦芯砍晒?，鄒德寧等[155]采用人工神經網絡和遺傳算法對總計177組不銹鋼復合鋼材剪切試驗數據進行了擬合，提出了以不銹鋼鎳鉻當量和復合比等為變量的界面剪切強度預測模型，為理論計算與數值模擬提供了參考。

復合工藝參數對于不銹鋼復合鋼材的界面組織及性能有顯著影響，Liu等[85]就對此進行相當了全面的綜述，包括表面處理、氣氛條件、真空度、軋制溫度、壓下率、中間層、熱處理等參數對材料的微觀結構、界面性能與力學性能的影響，并對各類有關界面生成與結合的理論進行了歸納。在這些影響因素中，最受關注方面之一的是熱軋壓下率，大量學者[156?163]通過試驗研究了熱軋壓下率對不銹鋼復合鋼材復合界面組織及性能的影響，試驗及分析結果總體表現為隨熱軋壓下率增大，不銹鋼復合鋼材的拉伸強度和伸長率均提高。熱軋壓下率增大使得更多原子被激活，原子擴散、滲透、嵌合程度增加，復合界面的厚度、剪切強度和變形協調性均顯著提高。當熱軋壓下率較小時，剪切斷裂發生在界面處，隨著壓下率增高，界面強度增加，剪切斷裂在脫碳層處發生。除了熱軋壓下率，對其他影響因素的研究也已經較為豐富，部分相關研究成果見表4。

表4 不銹鋼復合鋼材界面性能研究情況Table 4 Summary of research on interface properties of stainless-clad bimetallic steels

不銹鋼復合鋼材復合界面的切向抗剪性能和法向粘結性能是影響基層和復層金屬材料共同工作的重要力學指標，同時對結構連接和節點的受力性能至關重要，可能引發結構新的破壞模式(如界面分層失效)；因此該性能是不銹鋼復合鋼材鋼結構研究的重要課題。

3 結構構件與連接節點受力性能研究

3.1 穩定性能

構件穩定性能是鋼結構的研究與設計中最重要內容之一，對于不銹鋼復合鋼材受壓構件整體與局部穩定性能的研究已經得到了初步開展。Zhao等[168?169]對不銹鋼復合鋼柱的整體穩定性能進行了試驗及數值模擬研究(如圖10所示)，對13根長細比不同、采用不銹鋼復合鋼材制作的焊接長柱(4根圓柱，9根箱形截面柱)進行了軸壓試驗，所有試件均發生一階屈曲模態的整體失穩，且隨長細比增大，整體穩定承載力呈下降趨勢；不銹鋼復合鋼材長柱的整體穩定承載力相比較現有鋼結構設計標準和不銹鋼結構技術規程的計算結果明顯偏大，說明現有標準規范不能準確描述不銹鋼復合鋼材的受力性能；此外還對316L+Q235不銹鋼復合鋼材箱形截面柱進行了有限元計算，分析了長細比、復合比、殘余應力、幾何初始缺陷和界面缺陷的影響，給出了考慮復合比影響的穩定系數計算公式和設計曲線。筆者所在的團隊目前正在針對不銹鋼復合鋼材的局部穩定和相關穩定進行研究；相關穩定長柱試驗的破壞過程均為柱端附近的板件先發生局部屈曲，隨后長柱整體失穩提前發生、承載力很快下降發生破壞；短柱試驗試件均發生明顯的局部失穩破壞。

圖10 不銹鋼復合鋼材長柱整體失穩形態[169]Fig. 10 Overall buckling mode of stainless-clad bimetallic steel column[169]

除了試驗研究外，板件穩定性能的理論研究也已經有所進展。宜亞麗等[126]基于Kirchhoff經典板理論假設和von Karman大變形幾何關系，考慮了復合板兩種材料的不同性能，推導出了用位移分量表示的不銹鋼復合板非線性平衡微分方程。筆者所在團隊基于小撓度理論板件平衡方程，推導出不銹鋼復合鋼板的彈性屈曲荷載，考慮復合比的影響重新定義了復合鋼板的抗彎剛度表達式，并用有限元計算對理論推導結果進行驗證，理論計算和數值模擬得到的屈曲荷載對比如圖11所示。

圖11 不銹鋼復合鋼材板件屈曲荷載理論計算與數值模擬結果對比Fig. 11 Comparison of critical stress of stainless-clad bimetallic steel plates

3.2 殘余應力

殘余應力是影響鋼結構受壓構件穩定性能的重要因素[170]；作者所在團隊已針對10個焊接不銹鋼復合鋼管的縱向殘余應力進行了試驗研究，典型的分布結果如圖12所示。試驗結果表明，與普通鋼材構件相比，不銹鋼復合鋼材焊接截面殘余應力數值偏小，內、外側殘余應力存在一定差別；對于焊接箱形截面，焊接殘余應力的形成原因主要有2個，一是復合鋼板熱軋后不均勻冷卻，二是構件焊接后不均勻冷卻，而對于焊接圓形截面，還包括冷彎過程產生的殘余應力。

圖12 不銹鋼復合鋼材焊接截面殘余應力實測分布Fig. 12 Distribution of residual stresses within stainless-clad bimetallic steel welded sections

現有的其他相關研究主要針對復合鋼板以及焊接接頭的殘余應力分布開展。復合過程(尤其是爆炸復合)會使得生產出的板材本身就具有較高的殘余應力，如日本學者[171]早在1976年就利用X射線對爆炸復合的不銹鋼復合鋼材進行了殘余應力測量，殘余應力分布情況為不銹鋼復層受拉、低碳鋼受壓，而界面區的拉伸殘余應力尤其高，這種分布特征可能爆炸結合的特殊機理有關。Rogerio等[172?173]通過X射線衍射法測定了AL-6XN和ZERON100兩種不銹鋼分別與ASME SA516-70碳鋼爆炸復合后的殘余應力，同樣發現因爆炸復合過程產生了較高的拉伸殘余應力，且經過熱處理依然無法有效改善。還有一些學者對堆焊復合法得到的不銹鋼復合鋼材的殘余應力分布進行了分析，認為堆焊過程中兩種材料的材性差異也會導致材料內部存在較復雜的殘余應力分布情況[174?175]，但是適當的熱處理可以降低殘余應力水平[176]。焊接過程是另一個導致不銹鋼復合鋼材產生殘余應力的主要原因，Pan等[177]研究了在煤化工廠服役8年的不銹鋼復合鋼板，其焊接區域因拉伸殘余應力導致的應力腐蝕而出現開裂。Hu等[178]對304+Q345R不銹鋼復合鋼材焊接接頭的焊后殘余應力分布進行了研究，通過盲孔法測量和有限元模擬對比驗證，發現橫向拉伸殘余應力主要集中在熔合線附近，縱向拉伸殘余應力最大值出現在靠近基層的焊縫區和熱影響區，殘余應力還使基層板發生了彎曲變形。

3.3 有限元數值分析

雖然目前不銹鋼復合鋼材鋼構件的試驗研究還處于起步階段，但已有不少學者開展了有限元建模與分析的研究。李龍等[179]對有限元分析在金屬層狀復合材料研究中的應用進行了綜述，認為近年來有限元分析在金屬層狀復合材料領域的應用也越來越多，目前有限元主要被用于復合過程模擬、工藝優化及性能評價：一方面，復合過程模擬可以考慮材料性能和復合條件，得到復合過程中各階段的應力場、速度場、溫度場以及組織場等信息，從而幫助生產者對設計尺寸、工藝參數進行優化；另一方面，有限元模擬也可以對復合材料的界面性能(殘余應力、剪切強度、界面結合情況等)、拉伸性能、彎曲性能、焊接性能(主要是焊接殘余應力)和斷裂行為進行分析研究，從而幫助使用者對材料性能進行評價，為工程應用提供的定量參考。通過有限元模擬還可以對不銹鋼復合鋼材力學性能進行研究，如常溫和高溫下單軸拉伸模擬[98,180]、彎曲變形模擬[93]、剪切試驗模擬[153]、沖壓成形模擬[181]、殘余應力分布模擬[182]和動態荷載作用的撓度響應模擬[126]等。最近Li等[83]根據其提出的分層理論[143]建立了不銹鋼復合鋼材的精細化有限元模型，包含不銹鋼層、不銹鋼增碳層、擴散層、低碳鋼失碳層和低碳鋼層，并通過試驗驗證其單軸拉伸的模擬結果。

3.4 焊接接頭性能

焊接接頭性能對鋼結構的安全與可靠性有重要影響，圖13為不銹鋼復合鋼材的焊接過程中完成各道焊接后的焊縫形貌對比照片。工程應用中為發揮不銹鋼復合鋼材的耐腐蝕性能，更傾向于使用閉口截面構件，因此焊接的影響尤為突出。已有大量學者對不銹鋼復合鋼材焊接接頭進行了研究，如焊縫、熔合區和熱影響區的宏觀與微觀形貌[65,68?69]，拉伸性能[86]、疲勞性能[19]、耐腐蝕性能[131?133]、殘余應力分布[178,183]和雙面復合焊接接頭性能[184]等。整體而言，當焊接工藝與質量合格時，焊接接頭的各類性能均能夠滿足不低于不銹鋼復合鋼材本身性能的要求。

圖13 焊接過程中完成各道焊接后的焊縫形貌Fig. 13 Welding passes of stainless-clad bimetallic steel members

還有很多學者[66,71,185]分析了現場焊接時存在的問題和焊接工藝要點，對焊接質量控制方法進行了總結，這些經驗和方法能夠為不銹鋼復合鋼材在實際工程應用中的焊接質量保障與焊接接頭性能提升提供幫助。Ban等[186]針對不銹鋼復合鋼材焊接接頭進行了焊接工藝評定，并對其在循環往復荷載下的力學性能和本構模型開展了系統研究，驗證了現有標準所推薦焊接工藝在結構工程中的適用性，為結構層面的加工制造和滯回性能研究提供了基礎。

3.5 構件缺陷及修復

在制造和使用過程中，不銹鋼復合鋼材構件可能會出現裂縫等缺陷，對構件性能產生不利影響。Tahara等[187]介紹了煉油廠加氫反應器使用的不銹鋼復合鋼材的缺陷修復方法，包括缺陷尺寸評估、工程適用性評估和維修方法。目前常用不銹鋼復合板缺陷修復手段是補焊，Jiang等[188?190]通過試驗和有限元研究發現對不銹鋼復合鋼材的補焊會導致焊縫和熱影響區產生較高的殘余應力，復層和基層的強度差異導致界面處產生了不連續的殘余應力分布，尤其是當復合比較小時，基層的約束作用會導致較高的殘余應力；但隨著焊縫層數增加，部分殘余應力因變形而得以釋放，補焊長度與寬度的增加也會降低殘余應力水平；在此基礎上提出了通過高壓水射流降低補焊殘余應力的方法，該方法可以在金屬表面引入壓應力，從而減小甚至消除補焊產生的殘余拉應力[191]。

4 結論

不銹鋼復合鋼材兼具低成本與高性能的雙重優勢，其應用不僅具有顯著的經濟效應，更能夠有效提高結構的耐久性和安全性，同時減少貴金屬的消耗，這些獨特的綜合優勢帶來了廣闊的應用前景，將使其成為未來重點發展和研究的高性能鋼材之一，也是實現鋼鐵和建筑行業轉型升級的供給側改革手段之一。本文對國內外關于不銹鋼復合鋼材鋼結構的制造、應用及基礎力學性能的研究進行了全面綜述，從多方面總結了不銹鋼復合鋼材及其構件的性能特點，可以看出目前針對該材料已有較豐富的研究基礎，但在結構工程領域的相關研究還亟待更深入開展，需要補充更多的理論及試驗研究以更全面地推進不銹鋼復合鋼材在鋼結構領域的設計方法發展、計算理論研究和工程應用推廣。

相比于傳統鋼結構，不銹鋼復合鋼材由兩種性能不同的鋼材復合而成，將其作為結構材料，需要解決許多關鍵技術問題，例如受壓板件在兩種材料共同作用下的失穩機理、殘余應力分布模型、復合界面的缺陷影響機理、關鍵連接節點的受力性能等。為此，筆者所在團隊正在圍繞不銹鋼復合鋼材鋼結構的受壓穩定性能、受彎性能、關鍵連接節點性能等開展系統理論和設計方法研究，并正在主編CECS標準《不銹鋼復合鋼材結構技術規程》，以期更全面解決不銹鋼復合鋼材在結構工程中應用所面臨的技術問題，為推動其廣泛應用提供堅實基礎。