高強Q960鋼高溫后力學性能試驗研究

王衛(wèi)永，張艷紅，李 翔

（1.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045；2.重慶大學山地城鎮(zhèn)建設與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400045）

與普通鋼類似，高強鋼的耐火性能很差，在高溫下會迅速失去承載能力，造成很大的安全隱患.目前，國內(nèi)外對于高強鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的研究主要集中在高溫下受力性能的研究，不僅對各種高強鋼材開展了一系列高溫材料性能試驗研究［1-5］，還對高溫下的高強鋼構(gòu)件［6-9］（包括高強度鋼柱、梁、節(jié)點）進行了大量的數(shù)值模擬與試驗研究.但是，鋼結(jié)構(gòu)在火災中直接倒塌的概率較低，大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)受火后經(jīng)過鑒定和加固后仍可繼續(xù)使用，因此火災后鋼結(jié)構(gòu)安全評估和修復也是鋼結(jié)構(gòu)抗火設計中至關(guān)重要的一環(huán).其中，科學合理地預測鋼材高溫冷卻后力學性能的變化規(guī)律是鋼結(jié)構(gòu)火災受損評估鑒定的基礎.

目前，對于高強鋼高溫后力學性能的研究已有一定的進展.Qiang等［10-11］通過拉伸試驗對高強S460、S690和S960鋼經(jīng)歷高溫并自然冷卻后的力學性能進行研究，提出一系列公式用以預測高強鋼火災后力學性能.為了研究冷卻方式對高強鋼高溫后力學性能的影響，Li等［12-13］通過拉伸試驗研究了高強Q690鋼在自然冷卻和浸水冷卻條件下的力學性能，結(jié)果表明冷卻方式對高強鋼的彈性模量影響較小，但對強度和伸長率有較大影響.Chiew等［14］通過試驗研究了高強RQT-S690鋼在高溫下和高溫后的力學性能，結(jié)果表明RQT-S690鋼高溫后強度發(fā)生明顯損失的臨界溫度為600℃.Li等［15］從名義屈服應力為700、900 MPa的冷彎管截面中提取了41個拉伸試件來進行高溫后拉伸試驗，得到了冷彎高強鋼材料高溫后的應力-應變曲線以及力學性能參數(shù)，并根據(jù)試驗結(jié)果提出了屈服強度和彈性模量預測公式.

為了研究過火溫度和冷卻方式對高強Q960鋼力學性能的影響，本文采用國產(chǎn)Q960鋼板制作了45個拉伸試件，分別將其加熱到300～900℃，然后進行自然冷卻和浸水冷卻，對高溫冷卻后的試件進行拉伸，得到高強Q960鋼高溫后應力-應變曲線和力學性能參數(shù).將試驗結(jié)果與普通低碳鋼和其他高強鋼進行了對比分析，提出了高強Q960鋼高溫后力學性能折減系數(shù)的擬合公式，為高強Q960鋼結(jié)構(gòu)的抗火設計提供參考.

1 試驗

1.1 試件設計

采用高強Q960鋼板，板厚為12 mm.參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，沿軋制方向?qū)960鋼板切割成尺寸如圖1所示的試件.考慮不同的過火溫度和冷卻方式，一共設計15組試件，其中包括1組常溫（20℃）試件和14組高溫后試件，每組3個，共計45個.

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

1.2 試驗設備

采用SX2-12型箱式電阻升溫爐（額定溫度為1 200℃）對試件進行加熱.加熱及冷卻過程中采用熱電偶及ZTIC-7410遠端熱電偶采集模塊采集試件表面的溫度.采用CMT-5015型微機控制電子萬能試驗機對冷卻后的試件進行拉伸，試驗機的最大加載力為100 kN，通過配套的位移傳感器、常溫引伸計以及力傳感器來測量試件的變形和應力.

1.3 試驗過程

試驗步驟包括加熱過程、冷卻過程和常溫拉伸3個部分.試驗設定的溫度范圍為300～900℃，每隔100℃設定1個目標溫度，每個溫度下設置2組試件.每組取1個試件與熱電偶接觸（用鐵絲將熱電偶綁扎固定在試件上），以監(jiān)測試件表面的溫度變化.為確保試件溫度分布均勻，當熱電偶測得的試件溫度達到目標溫度后，再保溫30 min.保溫結(jié)束后，將試件取出，一組自然冷卻（A），另一組浸水冷卻（W），分別模擬建筑發(fā)生火災后自然滅火和消防滅火2種情況.試件冷卻后，在自然條件下放置3 d以上.試件編號采用溫度+冷卻方式+序號的形式，如300A-1代表300℃后自然冷卻組的第1個試件.

參照GB/T 228.1—2010標準，對試件進行常溫下靜力拉伸試驗，屈服階段采用應變控制進行加載，拉伸速率為0.000 25/s；強化階段采用位移控制進行加載，拉伸速率為2 mm/min.

2 試驗結(jié)果

2.1 試件溫度曲線

通過熱電偶記錄試件在加熱和冷卻過程中的溫度變化.圖2為500、700℃后試件的溫度-時間曲線.由圖2可見：浸水冷卻條件下試件的溫度迅速下降至常溫；自然冷卻條件下，試件冷卻至常溫所需時間約為20 min.

圖2 500、700℃后試件的溫度-時間曲線Fig.2 Temperature-time curves of specimens after 500，700℃

2.2 表觀特征

高強Q960鋼高溫后的表觀特征如圖3所示.由圖3可見：300℃后的試件在自然冷卻后表面呈藍色，在浸水冷卻后表面呈紅褐色帶藍色；400～700℃后的試件表面呈棕色帶藍色，且溫度越高，顏色越深；800℃后的試件表面碳化嚴重，金屬光澤消失，在自然冷卻后表面呈灰藍色，在浸水冷卻后表面呈黑色；900℃后的試件在2種方式冷卻后表面均呈藍黑色，且表面的氧化殼發(fā)生脫落.各試件的拉伸破壞形態(tài)均有明顯的頸縮現(xiàn)象.

圖3 高強Q960鋼高溫后的表觀特征Fig.3 Surface characteristics of high strength Q960 steel after high temperature

2.3 應力-應變曲線

通過拉伸試驗得到各高強Q960鋼試件高溫后的應力-應變（σ-ε）曲線，見圖4.由于試件300A-3和400A-2所得結(jié)果與同組另外2根試件相差過大，結(jié)果舍棄，因此這2根試件的應力-應變曲線在圖4中未顯示.由圖4可知：當過火溫度低于700℃時，無論是自然冷卻還是浸水冷卻，試件的強度均沒有明顯變化，并且都有明顯的屈服平臺；當過火溫度達到700℃時，試件強度下降明顯，但此時仍有屈服平臺；當過火溫度達到800℃以上時，屈服平臺消失，自然冷卻條件下試件強度下降明顯，而在浸水冷卻條件下試件強度顯著提高，但極限應變顯著下降，延性降低.這是由于鋼材經(jīng)歷了高溫和快速冷卻，試件內(nèi)部形成細小的馬氏體組織，其強度顯著提高，也就是所謂的淬火過程.

圖4 高強Q960鋼高溫后的應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of high strength Q960 steel after high temperature

2.4 力學性能參數(shù)

高強Q960鋼高溫后的力學性能參數(shù)（彈性模量ET、屈服強度fy，T、極限強度fu，T）見表1，對應的折減系數(shù)（ET/E、fy，T/fy、fu，T/fu，其中E、fy、fu分別為常溫下鋼材的彈性模量、屈服強度和極限強度）見表2.

表2 高強Q960鋼高溫后的力學性能折減系數(shù)Table 2 Reduction factor of mechanical properties of high strength Q960 steel after high temperature

2.4.1 彈性模量

由表1、2可知：當過火溫度低于700℃時，與常溫下相比，高強Q960鋼高溫后的彈性模量基本保持不變；當過火溫度超過700℃時，自然冷卻條件下彈性模量隨溫度升高而下降，但仍可達到常溫下的76%（900℃時）；浸水冷卻條件下，鋼材彈性模量的變化不大.

2.4.2 屈服強度

當過火溫度不超過800℃時，高強Q960鋼高溫后應力-應變曲線有明顯的屈服平臺，因此取應力-應變曲線屈服應力下限值作為其屈服強度；當溫度達到800℃后，屈服平臺消失，則取0.2%殘余應變對應的應力值作為其屈服強度.

由表1、2可知：當過火溫度不超過600℃時，高強Q960鋼高溫后的屈服強度基本保持不變；600℃是高強Q960鋼屈服強度發(fā)生變化的臨界溫度；當過火溫度超過600℃時，屈服強度顯著降低，在800℃時達到最低值，此時自然冷卻條件下鋼材的屈服強度約為常溫下的49%，浸水冷卻條件下的屈服強度為常溫下的64%；當過火溫度達到900℃時，高強Q960鋼的屈服強度明顯上升，這是由于鋼材經(jīng)過淬火，強度提高.

2.4.3 極限強度

由表1、2可知：當過火溫度不超過600℃時，高強Q960鋼高溫后的極限強度基本不變；當過火溫度達到700℃時，極限強度顯著降低，自然冷卻條件下極限強度為常溫下的74%，浸水冷卻條件下極限強度為常溫下的77%；當過火溫度達到800℃時，極限強度又開始上升，且浸水冷卻條件下極限強度上升幅度明顯高于自然冷卻；當過火溫度為900℃時，浸水冷卻條件下極限強度比常溫下要高23%.

表1 高強Q960鋼高溫后的力學性能參數(shù)Table 1 Mechanical property parameters of high strength Q960 steel after high temperature

3 對比分析

3.1 與普通Q235鋼、Q345鋼對比

圖5為 高 強Q960鋼 與 普 通Q235鋼［16-19］、Q345鋼［19］高溫后力學性能對比.由圖5可以看出：對于普通Q235鋼和Q345鋼，過火溫度及冷卻方式對其高溫后彈性模量的影響不明顯；而對于高強Q960鋼，當過火溫度超過700℃且自然冷卻時，其彈性模量隨溫度升高而降低；自然冷卻條件下，當溫度低于600℃時，3種鋼材的強度變化不大，當溫度超過600℃時，高強Q960鋼的屈服強度和極限強度比普通Q235鋼、Q345鋼下降得更快；浸水冷卻條件下，隨著過火溫度的升高，普通Q235鋼和Q345鋼強度衰減幅度不大，并且在文獻［16-17］中Q235鋼的強度隨著溫度的升高而增大；高強Q960鋼在700℃以后，強度先下降，而后由于淬火作用又迅速上升.

圖5 高強Q960鋼與普通Q235鋼、Q345鋼高溫后力學性能對比Fig.5 Comparison of mechanical properties between high strength Q960 steel and ordinary Q235，Q345 steels after high temperature

3.2 與高強Q460鋼、Q690鋼、S960鋼對比

高強S960鋼是指符合歐洲規(guī)范標準DIN EN 10025－6《Hot rolled products of structural steels Part 6：Technical delivery conditions for flat products made of high yield strength structural steels in the quenched and tempered condition》的高強度結(jié)構(gòu)用鋼，與Q960鋼具有相同的名義屈服強度.將本文試驗結(jié)果與高強Q460鋼［20］、Q690鋼［13］和S960鋼［11］的相關(guān)數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果見圖6.由圖6可以看出：自然冷卻條件下，鋼材的強度等級越高，彈性模量折減系數(shù)越小，且S960鋼的彈性模量折減系數(shù)低于Q960鋼；浸水冷卻條件下，鋼材彈性模量的變化不大；當溫度低于600℃時，各高強鋼的屈服強度變化不大；當溫度超過600℃時，不同強度等級的高強鋼強度變化趨勢明顯不同；自然冷卻條件下，Q460鋼屈服強度退化程度低于其他高強鋼，并且Q690鋼和Q960鋼在900℃時屈服強度和極限強度有所回升；浸水冷卻條件下，當溫度超過700℃時，Q690鋼的屈服強度和極限強度提高的幅度明顯高于Q960鋼.

圖6 高強Q960鋼與高強Q460鋼、Q690鋼、S960鋼高溫后力學性能對比Fig.6 Comparison of mechanical properties between high strength Q960 steel and high strength Q460，Q690，S960 steels after high temperature

4 力學性能指標計算公式

綜上可知，不同種類鋼材高溫后力學性能的退化程度有所區(qū)別，因此以往文獻中所提出的計算公式不適用于Q960鋼.結(jié)合本文試驗結(jié)果，利用最小二乘法，對Q960鋼高溫后力學性能折減系數(shù)進行多項式擬合，得到了不同冷卻條件下高強Q960鋼高溫后彈性模量、屈服強度和極限強度折減系數(shù)隨溫度（t）變化的擬合公式，見式（1）～（6）.試驗結(jié)果與擬合公式對比如圖7所示.從圖7可以看出，試驗結(jié)果與擬合結(jié)果吻合良好.

圖7 試驗結(jié)果與擬合公式對比Fig.7 Comparison of proposed equation with test data

自然冷卻條件下：

浸水冷卻條件下：

5 結(jié)論

（1）當過火溫度不超過600℃時，自然冷卻和浸水冷卻條件下高強Q960鋼的應力-應變曲線均無明顯變化；當過火溫度超過800℃時，應力-應變曲線的屈服平臺消失，并且浸水冷卻條件下的極限強度高于自然冷卻條件下，但極限應變顯著下降，延性降低.

（2）600℃是高強Q960鋼強度發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點.當過火溫度超過600℃時，高強Q960鋼的強度先下降，而后由于淬火作用迅速上升，并且浸水冷卻條件下極限強度上升幅度明顯高于自然冷卻條件下.

（3）過火溫度對高強Q960鋼高溫后彈性模量影響不大，僅在過火溫度超過700℃且自然冷卻條件下，其彈性模量有所下降.

（4）與普 通Q235鋼、Q345鋼 和 高 強Q460鋼、Q690鋼、S960鋼的對比分析表明，不同種類鋼材高溫后力學性能的退化程度有所區(qū)別.

（5）根據(jù)試驗結(jié)果，提出了高強Q960鋼高溫后彈性模量、屈服強度和極限強度折減系數(shù)的擬合公式，擬合結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好.