高溫處理后高強鋼絲性能變化試驗研究

梁兆佳，盧文良，方繼偉，謝玲兒

（1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京　100044；2.寧波市交通建設(shè)工程試驗檢測中心有限公司，浙江寧波　315000）

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高溫處理后高強鋼絲性能變化試驗研究

梁兆佳1，盧文良1，方繼偉2，謝玲兒2

（1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044；2.寧波市交通建設(shè)工程試驗檢測中心有限公司，浙江寧波315000）

摘要對3種不同直徑的高強鋼絲經(jīng)不同高溫作用后的力學(xué)性能進行試驗，分析其表觀特征、極限強度、頸縮率及應(yīng)力-應(yīng)變曲線與溫度的關(guān)系。試驗結(jié)果表明：加熱溫度400～500℃時，試件表面變暗紅；溫度達到600℃以上時，試件表面發(fā)黑；加熱溫度超過500℃以后，3種鋼絲的極限強度隨溫度的升高均明顯下降；3種鋼絲的頸縮率隨溫度變化的趨勢基本相同，在溫度達700℃時頸縮率最大；3種鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在溫度達700℃時有明顯的屈服臺階，其他溫度無明顯屈服臺階。

關(guān)鍵詞高強鋼絲；試驗溫度；表觀特征；力學(xué)性能；應(yīng)力-應(yīng)變曲線

隨著我國交通運輸和橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)的現(xiàn)象逐漸增多。燃料的運輸［1］、易燃易爆物品的輸送［2］以及在施工與使用階段的用火不善［3］都有可能使橋梁結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)?；馂?zāi)的高溫作用會對橋梁的建筑材料造成損傷，進一步影響結(jié)構(gòu)的正常使用和承載能力，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的功能退化，甚至失效。對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋、斜拉橋等橋梁，高強鋼絲是其結(jié)構(gòu)承載能力的重要組成部分之一，火災(zāi)過后高強鋼絲力學(xué)性能的劣化與變異將給橋梁結(jié)構(gòu)的安全留下隱患。有些火災(zāi)過后的預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)存在變形過大和承載能力下降的現(xiàn)象，已有學(xué)者開展高溫作用后高強鋼絲力學(xué)性能研究［4-14］。本文選取3種不同直徑的高強鋼絲經(jīng)不同溫度的高溫并冷卻后，進行力學(xué)性能試驗。研究了高強鋼絲在經(jīng)受不同高溫作用后表觀特征、力學(xué)性能的變化規(guī)律，分析溫度對鋼絲性能影響的機理。本文研究結(jié)果可為火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)的安全評估及結(jié)構(gòu)加固修補提供有益的參考。

1　試驗方案

1. 1試件

本試驗采用了3種不同直徑的高強鋼絲，直徑分別為7. 0，5. 2，5. 1 mm。其中，直徑7. 0 mm鋼絲在斜拉橋平行鋼絲束中應(yīng)用較多，直徑5. 2 mm和5. 1 mm的鋼絲為高強鋼絞線的中絲和邊絲。直徑7. 0 mm鋼絲的強度等級為1 570 MPa，直徑5. 2 mm，5. 1 mm鋼絲的強度等級為1 860 MPa。試件長度為15. 0 cm，每3個試件為1組，每種直徑鋼絲有9組試件，共27組。

1. 2加熱及冷卻方式

試件的高溫加熱設(shè)備采用SX-12-10型箱式電阻爐和配套的TDW溫度控制儀來升溫和控溫。從常溫加熱到預(yù)定溫度，自動保持恒溫30 min后，隨爐冷卻至常溫。本試驗所采用溫度工況有9種，為20，300，400，500，600，700，800，900，1 000℃。3種直徑鋼絲的每個溫度工況用1組試件試驗。

1. 3力學(xué)性能試驗

對經(jīng)歷高溫并冷卻后的試件進行拉伸力學(xué)性能試驗。加載前，把試件的兩端夾持在試驗機兩端的夾頭上，并確保夾頭夾緊。隨后，加載設(shè)備以5 MPa/s的加載速度進行拉伸加載直至拉斷。測量控制系統(tǒng)自動記錄下加載的荷載-位移曲線。

2　試驗結(jié)果與分析

2. 1表觀現(xiàn)象

在經(jīng)歷不同溫度工況后，3種鋼絲在相同溫度作用后的表觀特征、斷面特征基本相似，簡介如下：

1）20～300℃時，試件表面有金屬光澤，有輕微銹痕，斷口集中于試件中部，斷口處有金屬光澤，呈銀灰色，斷面凹凸不平。

2）400～500℃時，金屬表面變暗紅，斷口集中于試件中部，斷口呈深灰黑色，斷面凹凸不平。

3）600℃時，金屬表面開始發(fā)黑，斷口集中于試件中部，斷口呈深灰黑色，斷面凹凸不平。

4）700～800℃時，金屬表面發(fā)黑，斷口集中于試件夾頭位置處，斷口呈灰色，斷面平整。

5）900℃時，金屬表面焦黑，夾頭位置處有掉皮現(xiàn)象，斷口集中于試件夾頭位置處，斷口呈灰白色，斷面平整。

6）1 000℃時，金屬表面焦黑，并伴有較嚴重的掉皮現(xiàn)象，斷口集中于試件夾頭位置處，斷口呈灰白色，斷面平整。

2. 2高溫后鋼絲極限強度

將每個試件的拉斷荷載除以截面面積得到試件極限強度，本文取每組試件極限強度的平均值作為該溫度工況下試件極限強度的代表值進行分析。將20℃工況下試件極限強度作為標準值，其他溫度工況下試件極限強度與之相比，得到不同溫度作用后鋼絲極限強度的保留率，以此來表示各試件極限強度隨溫度的變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1　3種直徑鋼絲強度保留率隨溫度變化曲線

2. 2. 1直徑7. 0 mm鋼絲

20℃時鋼絲實測極限強度平均值為1 622 MPa。在300℃時，極限強度平均值為常溫下的97. 0％；400℃時為96. 4％；500℃時為96. 5％；600℃時為61. 2％；700℃時為47. 0％；800℃時為59. 0％；900℃時為61. 8％；1 000℃時為59. 2％。

2. 2. 2直徑5. 2 mm鋼絲

20℃時鋼絲實測極限強度平均值為1 938 MPa。在300℃時，極限強度平均值為常溫下的97. 0％；400℃時為85. 9％；500℃時為72. 8％；600℃時為53. 7％；700℃時為36. 9％；800℃時為51. 2％；900℃時為50. 8％；1 000℃時為46. 6％。

2. 2. 3直徑5. 1 mm鋼絲

20℃時鋼絲實測極限強度平均值為1 967 MPa。在300℃時，極限強度平均值為常溫下的97. 8％；400℃時為86. 1％；500℃時為86. 3％；600℃時為49. 7％；700℃時為40. 2％；800℃時為51. 3％；900℃時為50. 9％；1 000℃時為47. 6％。

2. 3高溫后鋼絲頸縮率

測量各試件拉伸前后的直徑，計算各試件的頸縮率。以每組試件的平均頸縮率作為該組試件高溫作用后的頸縮率，如圖2所示。

圖2　3種直徑鋼絲頸縮率隨溫度變化曲線

2. 3. 1直徑7. 0 mm鋼絲

300℃時鋼絲頸縮率平均值為34. 2％；400℃時為24. 0％；500℃時為22. 5％；600℃時為19. 7％；700℃時為57. 2％；800℃時為18. 3％；900℃時為19. 0％；1 000℃時為22. 0％。

2. 3. 2直徑5. 2 mm鋼絲

300℃時鋼絲頸縮率平均值為33. 5％；400℃時為21. 1％；500℃時為29. 7％；600℃時為41. 8％；700℃時為56. 0％；800℃時為21. 0％；900℃時為20. 4％；1 000℃時為29. 0％。

2. 3. 3直徑5. 1 mm鋼絲

300℃時鋼絲頸縮率平均值為30. 2％；400℃時為25. 8％；500℃時為26. 0％；600℃時為39. 1％；700℃時為56. 6％；800℃時為17. 5％；900℃時為19. 4％；1 000℃時為25. 6％。

2. 4應(yīng)力-應(yīng)變曲線

整理了各組試件經(jīng)歷高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。限于篇幅，只取700℃時鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖3。

圖3　700℃時3種直徑鋼絲應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可知，溫度在700℃時，這3種類型鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均存在明顯的屈服臺階。溫度在800℃時，雖然3種直徑鋼絲也都存在屈服臺階，但臺階的明顯程度已不如700℃時。其他溫度下鋼絲均不存在屈服臺階。

2. 5高溫對鋼絲性能影響的分析

2. 5. 1表層特征

通過對比加熱前和加熱后試件的表面特征發(fā)現(xiàn)，當溫度到達400～500℃時，試件表面開始變暗紅，原因是高溫作用加快了鋼絲的銹蝕作用，使試件的表面生成了鐵銹（Fe2O3），使試件表面變暗紅。當溫度到達600℃以上時，試件的表面開始發(fā)黑，主要原因是高溫作用促使了鐵與氧氣反應(yīng)生成了Fe3O4，使試件表面發(fā)黑。

2. 5. 2強度變化

高強鋼絲的金屬晶體為顆粒粗大的珠光體。珠光體是鐵素體與滲碳體的混合物，其強度較高，具有一定的塑性。在加熱的條件下，溫度達臨界溫度時（約600 ～700℃）并經(jīng)足夠長時間后，珠光體轉(zhuǎn)化為均勻的奧氏體組織。奧氏體是碳溶解在γ—Fe中形成的間隙固溶體，是一個軟而富有塑性的相，強度不高。高溫作用后，隨爐冷卻的冷卻速度較快，形成的珠光體晶粒較細。

本試驗中，加熱溫度不超過臨界溫度時，3種試件的極限強度都隨溫度的升高而降低。原因是鋼材溫度在臨界溫度以下時，鋼材只是發(fā)生組織上的轉(zhuǎn)變而并沒有發(fā)生金屬的相變。高溫只是促使組織內(nèi)部發(fā)生位錯的攀移、異號位錯的合并等回復(fù)作用。而回復(fù)作用降低了位錯的密度，消除了位錯對鋼材強度的有利影響。隨著溫度的升高，回復(fù)作用加強，鋼材的強度不斷下降。

溫度高于臨界溫度時，金相組織已發(fā)生明顯變化。珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)化已經(jīng)較為完全，隨之的冷卻作用使晶粒得到細化，層間距也得以減少。珠光體的強度與晶粒直徑和片層間距有關(guān)，粒徑和片層間距越小，其強度越高。故在700℃以后強度有所回升。

3　結(jié)論

通過對3種不同直徑鋼絲受熱冷卻后的外觀分析和拉伸試驗，可得如下結(jié)論：

1）加熱溫度300℃以下時，試件表觀現(xiàn)象變化不大；溫度在300～500℃時，試件表面開始變暗紅；600℃以后試件表面逐漸變黑；900℃以后伴有掉皮現(xiàn)象。

2）3種鋼絲的極限強度總體上隨溫度的升高而下降。直徑7. 0 mm鋼絲在500℃以下時，極限強度受高溫作用的影響不大；當溫度超過500℃后，強度下降明顯；當溫度超過700℃時，極限強度有所回升。直徑5. 2 mm鋼絲在400℃以下時，極限強度受高溫作用的影響不大；當溫度超過400℃后，強度下降明顯；當溫度超過700℃時，極限強度有所回升。直徑5. 1 mm鋼絲在500℃以下時，極限強度受高溫作用的影響不大；當溫度超過500℃后，強度下降明顯；當溫度超過700℃時，極限強度有所回升。

3）3種高強鋼絲高溫后斷裂時均有頸縮現(xiàn)象，700℃左右頸縮率最大。

4）3種高強鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在700℃時，有明顯屈服臺階；800℃時，無明顯屈服臺階；其他溫度時，高強鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線無屈服臺階。

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（責任審編趙其文）

Experimental Study on Mechanical Performance of High Strength Steel Wire Through High Temperature Treatment

LIANG Zhaojia1，LU Wenliang1，F(xiàn)ANG Jiwei2，XIE Linger2
（1. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2. Ningbo Traffic Construction Engineering Test Center Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315000，China）

AbstractT he paper looked into the mechanical performance of three high strength steel wires of different radius subject to different high temperatures. Afterwards，it studieed the apparent features，strength limit，necking ratio and the relation between temperature changes and stress-strain curves. T he results indicate that the specimens change into a dark red color under the temperature of 400～500℃. As the temperature climbs up to 600℃，the specimens turn black. W hile under 500℃，the strength limits of all three specimens drop sharply with the rise in temperature. All three wires bear resemblance in terms of the development trend of necking ratios，which reach their limits at the temperature of 700℃. T he stress-strain curves in all cases display a yield terrace at the temperature of 700℃，which are not noticed at other temperature.

Key wordsHigh strength steel wire；Experimental temperature；Apparent features；M echanical performance；Stressstrain curve

中圖分類號U448. 35

文獻標識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 38

文章編號：1003-1995（2016）05-0166-04

收稿日期：2015-11-10；修回日期：2016-02-22

作者簡介：梁兆佳（1991—），男，碩士研究生。