摘要
通过对TSZ410铁素体不锈钢进行高温稳态试验研究,得到了高温下初始弹性模量、名义屈服强度、抗拉强度、断后伸长率等主要力学性能指标,对比分析了Rasmussen模型和Gardner模型,并基于Rasmussen模型,提出了TSZ410不锈钢硬化指数的计算公式,建立了高温应力-应变本构关系,并与Q235B、S30408奥氏体不锈钢、EN 1.4003不锈钢进行了对比,研究揭示了温度对其力学性能的影响规律。研究表明,TSZ410不锈钢的初始弹性模量、名义屈服强度、抗拉强度随着温度的升高而逐渐下降,特别是在400~700℃温度段的下降速度最为显著;温度700℃时,初始弹性模量约为常温下的40%,名义屈服强度和抗拉强度降为常温下的15%左右。TSZ410不锈钢在高温下强度损失明显大于Q235B,而刚度损失明显小于Q235B;在温度低于500℃时,TSZ410不锈钢的强度损失显著小于S30408奥氏体不锈钢;当温度高于500℃后,则相反。
不锈钢结构除具有普通碳素钢结构的优点外,还具有延性高、耐腐蚀性强、表观性高以及全生命周期维护成本低等优点,尤其是其优良的耐腐蚀性能、耐高温性能,恰好弥补了普通碳素钢等常用建筑钢材的缺陷,在建筑工程中具有广阔的应用前
目前国内外学者对常温下不锈钢力学性能的研究已经较为完
国外学者通过对不锈钢材料进行高温下力学性能的相关试验研究提出了几种高温下不锈钢的本构模型。Chen和Youn
国内学者对不锈钢材料的力学性能研究成果较少。在高温材性方面,浙江大学陈驹
上述研究表明,国外学者对不同类型不锈钢材料高温下的力学性能已有了一定研究,而国内研究则处于起步阶段。由于不同类型不锈钢的化学成分和热处理工艺不同,其力学性能有很大差
试验在同济大学工程结构抗火试验室完成,采用MTS E45.305-B型高温电子材性试验机(

图1 高温电子材性试验机
Fig. 1 High temperature electronic material testing machine
试件由6mm厚国产TSZ410不锈钢板制成,TSZ410不锈钢不含镍(Ni),其主要化学成分与S30408不锈钢、Q235B的比较见

图2 试件尺寸(单位:mm)
Fig.2 Specimen size (unit:mm)
(1) 常温拉伸试验。按照GB/T228.1—2010,采用两阶段加载控制。第1阶段为应变速率控制,为2.5×1
(2) 高温稳态试验。高温拉伸采用稳态试验,即恒温加载试验方法。在试验过程中先将试件升温至指定温度,并恒温15min待试件标距段温度均匀后,再采用与常温拉伸试验相同的两阶段加载控制,拉伸试件直至试件断裂。试验温度点包括100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃共7种工况,每种工况包括2个试件。各工况试件编号分别为K-100-1(2)、K-200-1(2) 、K-300-1(2) 、K-400-1(2) 、K-500-1(2) 、K-600-1(2)、 K-700-1(2)。升温速率控制在10 ~ 30℃·mi
TSZ410不锈钢在常温下的力学性能参数、应力-应变曲线试验结果见

图3 TSZ410不锈钢常温下的应力-应变曲线
Fig. 3 Stress-strain curve of TSZ410 stainless steel at room temperature
研究,并提出了数学模型。其中,最有代表性的是Rasmussen模型和Gardner模型。
Rasmusse
(1) |
式中:ε和σ分别为材料的应变和应力;σ0.01、σ0.2分别为0.01%和0.2%残余应变对应的应力;σu为极限强度;εu为σu对应的极限应变;E0为初始弹性模量;E0.2为应力应变曲线在应力σ0.2处的切线模量;n为第一段硬化指数,以考虑不锈钢材料的应变硬化,保证应力-应变曲线在σ>σ0.2段与试验数据相吻合;m为第二段硬化指数,以改善Ramberg-Osgood模型后半段应力偏高的情况。
Gardne
(2) |
式中:σ0.2和σ1.0为0.2%和1.0%残余应变对应的应力,εt0.2和εt1.0分别为σ0.2和σ1.0所对应的总应变,是第二段硬化指数。
采用
高温稳态试验后各试件的破坏状况如

图4 TSZ410不锈钢高温拉伸试验后的试件
Fig. 4 Test pieces of TSZ410 stainless steel after elevated temperature tensile test
(1)当温度为100℃和200℃时,试件的表观特征与常温相近,无明显变化,断口处出现颈缩现象。
(2)当温度为300℃时,试件表面呈浅黄色,400℃时试件表面呈金黄色,500℃时试件表面颜色介于金黄色和紫色之间;300℃、400℃和500℃时试件断口处有颈缩现象,但没有常温下颈缩明显。
(3)当温度为600℃时,试件表面颜色为红褐色,表面逐渐开始失去光泽,断口处的颈缩现象非常明显。
(4)当温度为700℃时,试件表面为黑色,无金属光泽,试件伸长量最大、颈缩最明显。
(1)当温度低于400℃时,TSZ410不锈钢的初始弹性模量变化很小;当温度高于500℃时,初始弹性模量下降明显加快,700℃时,初始弹性模量仅为常温下的44%。
(2)TSZ410不锈钢的屈服强度、极限强度和极限应变随温度的变化规律相似,即呈现先慢、后快的特征。当温度低于200℃时,不锈钢的屈服强度、极限强度以及极限应变比常温下的值略微降低;当温度在200~700℃时,不锈钢的屈服强度、极限强度以及极限应变的下降明显加快;700℃时,不锈钢的屈服强度与极限强度约为常温下的15%,极限应变约为常温下的10%。
(3)绝大部分钢材的断后伸长率(延性)是随着温度的升高而有明显的增大,但是本文试验结果表明TSZ410不锈钢的断后伸长率呈现出了不同的变化规律,其断后伸长率随温度变化呈现先减小后增大的特点。当温度低于400℃时,断后伸长率随温度的升高基本呈线性减小,400℃时约为常温下的59%;当温度高于400℃时,断后伸长率开始增大,600℃时,断后伸长率与常温下的值相当,600℃以后,断后伸长率远大于常温下的值。其原因是TSZ410不锈钢在升温的过程中会发生固态相变,引起组织、结构和性能的变
根据试验结果,利用最小二乘法进行回归分析,得到高温下TSZ410不锈钢力学性能的简化计算公式(详见式(
(3) |
(4) |
(5) |
(6) |

图5 不锈钢力学参数试验结果与简化计算公式的对比
Fig. 5 Comparison of mechanical parameter test results and mathematical model of TSZ410 stainless steel

图6 高温下TSZ410不锈钢的应力-应变曲线
Fig. 6 Stress-strain curve of TSZ410 stainless steel at elevated temperature
根据试验结果,本文采用Rasmussen模
(7) |
(8) |
式中:σ0.2,T是温度为T时不锈钢材料0.2%残余应变对应的应力;σt2.0,T是温度为T时不锈钢材料2%总应变对应的应力;σu,T是温度为T时抗拉极限强度;ET和E0.2,T分别为温度为T时初始弹性模量和应力为σ0.2,T对应的切线模量;εt0.2,T是温度为T时应力为σ0.2,T对应的总应变;εu,T是温度为T时σu,T对应的极限应变;nT为温度T时本构模型的第一段硬化指数;mT为温度T时Rasmussen本构模型第二段的硬化指数;n'T为温度T时Gardner本构模型第二段的硬化指数。

图7 高温下TSZ410不锈钢的应力-应变拟合曲线与试验结果对比
Fig. 7 Stress-strain fitting curve of TSZ410 stainless steel at elevated temperature
对于EN 1.4031奥氏体不锈钢、EN 1.4462双相体不锈钢,Chen和Young给出了硬化指数nT、mT的取值公式;对于EN 1.4031不锈钢和EN 1.4401/4不锈钢,Gardner只给出了硬化指数n'T的取值,并建议nT按取值。分析表明,以上硬化指数取值用于TSZ410不锈钢时,不能准确地模拟TSZ410不锈钢的应力-应变关系,因此本文采用麦夸特法、通用全局优化法并应用1stOpt非线性拟合软件得到以上硬化指数取值,如
由
根据
(9) |
(10) |
根据式(

图8 TSZ410不锈钢与其他钢材的高温力学性能比较
Fig. 8 Comparison of mechanical properties of different steels at elevated temperature
(1)高温下初始弹性模量。当温度低于500℃时,高温下TSZ410不锈钢的初始弹性模量变化系数明显大于Q235B、S30408奥氏体不锈钢和EN 1.4003不锈钢;当温度为500℃时,TSZ410不锈钢的初始弹性模量变化系数与Q235B、S30408奥氏体不锈钢和EN 1.4003不锈钢分别相差20%、15%和20%;当温度高于500℃时,TSZ410不锈钢的初始弹性模量变化系数显著大于Q235B、低于EN 1.4003不锈钢,与S30408奥氏体不锈钢相近;当温度为700℃时,TSZ410不锈钢的初始弹性模量变化系数与Q235B和EN 1.4003不锈钢分别相差20%和30%。
(2)高温下屈服强度。总体上,TSZ410不锈钢的屈服强度变化规律与EN 1.4003不锈钢、Q235B类似,但是前者强度下降幅度大于后二者,特别是在200~500℃温度段。当温度低于500℃时,TSZ410不锈钢的屈服强度损失显著小于S30408奥氏体不锈钢,在200℃时,屈服强度损失相差最大,达25%;当温度高于500℃后,TSZ410不锈钢的屈服强度损失大于S30408不锈钢。
(3)高温下极限强度。TSZ410不锈钢的高温下极限强度变化规律与其屈服强度基本一致,与S30408奥氏体不锈钢、Q235B之间的差异性也相似,但与EN 1.4003不锈钢有较大的不同(EN 1.4003不锈钢的高温极限强度变化规律不同于其屈服强度)。
对TSZ410不锈钢进行了高温力学性能试验研究,建立了高温下弹性模量、名义屈服强度、抗拉强度、断后伸长率等主要力学性能指标计算公式,对比分析了Rasmussen模型和Gardner模型,并基于Rasmussen模型,提出了TSZ410不锈钢硬化指数的计算公式,建立了高温应力-应变本构关系。为进一步了解TSZ410不锈钢的高温力学性能,还将其与S30408奥氏体不锈钢、EN 1.4003不锈钢、Q235B的高温力学性能进行了比较,主要结论如下:
(1)TSZ410不锈钢的名义屈服强度、抗拉强度随着温度的升高而逐渐下降,特别是在400℃~700℃温度段的下降速度最为显著;700℃时,名义屈服强度和抗拉强度降为常温下的15%左右。TSZ410不锈钢在高温下强度损失比普通结构钢大。在温度低于500℃时,TSZ410不锈钢的强度损失显著小于S30408奥氏体不锈钢;当温度高于500℃后,则相反。
(2)TSZ410不锈钢的初始弹性模量在温度低于400℃时变化很小;在温度超过500℃后,初始弹性模量下降明显加快,700℃时,初始弹性模量约为常温下的40%。TSZ410不锈钢在高温下的刚度损失远小于普通结构钢。另外,温度对TSZ410不锈钢、S30408奥氏体不锈钢、EN 1.4003不锈钢这3种不锈钢初始弹性模量的影响有较大的不同。
(3)TSZ410不锈钢断后伸长率随温度变化呈现先减小后增大的特点。当温度低于400℃时,断后伸长率随温度的升高基本呈直线减小,400℃时,断后伸长率约为常温下的59%;当温度高于400℃时,断后伸长率开始增大,600℃时,断后伸长率与常温下的值相当,600℃以后,断后伸长率远大于常温下的值。
(4)基于Rasmussen模型和Gardner模型,建立了TSZ410不锈钢高温下的应力-应变本构关系,并与试验曲线进行对比分析。结果表明,这2个模型均具有很好的精度,但Rasmussen模型更为简洁,因此,基于该模型进一步提出了TSZ410不锈钢硬化指数的计算公式,以便于工程应用。
作者贡献声明
楼国彪:课题负责人,提出了研究方案,设计了论文的框架,负责论文审定。
陶宇超:试验实施,试验数据处理,试验结果分析和解释,撰写论文初稿和终稿。
陈武龙:试验实施,试验结果初步处理,并参与了论文初稿的撰写。
谭永强:协助制定研究方案,负责试件制作。
王美南:协助制定研究方案,试件制作实施,提出论文修改意见和建议。
姜 健:协助制定研究方案,提出论文修改意见和建议。
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