S32001雙相型不銹鋼高溫力學(xué)性能試驗(yàn)

樓國彪，楊 未，陳武龍，陶宇超，王美南

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.遠(yuǎn)大可建科技有限公司，湖南 長沙 430121）

不銹鋼作為建筑材料，造型美觀、耐腐蝕性好、全生命周期成本低、符合可持續(xù)發(fā)展要求，且相較于普通碳素鋼具有更優(yōu)良的耐高溫性能，在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用前景廣闊［1-3］。現(xiàn)今結(jié)構(gòu)用不銹鋼主要是S304 系列、S316 系列，其常溫下屈服強(qiáng)度約為260 MPa［4］，鎳、鉻含量高，價(jià)格昂貴。新研發(fā)的S32001不銹鋼作為雙相型（奧氏體-鐵素體）不銹鋼，既有和奧氏體型不銹鋼相當(dāng)?shù)哪透g性能，又有更高的強(qiáng)度和良好的耐磨性能［4-5］，其常溫下屈服強(qiáng)度約為490 MPa，比S304 系列、S316 系列提高約90 %；同時(shí)鎳元素含量大幅降低，使S32001不銹鋼具有更好的經(jīng)濟(jì)性，作為結(jié)構(gòu)鋼使用優(yōu)勢顯著。

由于建筑火災(zāi)頻發(fā)，為保證火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的安全性，需要研究不銹鋼高溫下的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)抗火性能。目前國內(nèi)外對鋼材的高溫性能研究主要集中于普通鋼和高強(qiáng)鋼［6-7］，并已提出較完整的高溫下鋼材力學(xué)性能指標(biāo)和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型。不銹鋼本構(gòu)關(guān)系與普通碳素鋼不同［8］，具有典型非線性特征，無明顯屈服平臺（取殘余應(yīng)變?yōu)?.2%處應(yīng)力為屈服強(qiáng)度），應(yīng)變硬化顯著且延性高，二者的高溫力學(xué)性能有較大差異。國內(nèi)外學(xué)者對不銹鋼材料常溫下力學(xué)性能已進(jìn)行較為完善的研究［9-15］，提出多種準(zhǔn)確性較高的本構(gòu)關(guān)系模型［11-13］，并在規(guī)范中作了規(guī)定。而不銹鋼材料的高溫下力學(xué)性能，僅歐洲規(guī)范EN 1993-1-2［16］和歐洲不銹鋼設(shè)計(jì)手冊［17］給出了鐵素體不銹鋼EN 1.4003，奧氏體不銹鋼EN 1.4301、EN 1.4318、EN 1.4401/4、EN 1.4571 以及雙相不銹鋼EN 1.4462的建議取值。國內(nèi)外學(xué)者對不銹鋼材料進(jìn)行的高溫下力學(xué)性能試驗(yàn)研究則主要集中在奧氏體和鐵素體不銹鋼［18-25］。

Chen和Young［19］在常溫Rasmussen模型［12］的基礎(chǔ)上，針對EN 1.4462 級雙相不銹鋼和EN 1.4301級奧氏體不銹鋼提出高溫應(yīng)力-應(yīng)變模型。Abdella［20，22］基于Chen 和Young 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出不銹鋼高溫二段式應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的顯函數(shù)形式，并Quach 模型［13］提出了不銹鋼高溫三段式應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的顯函數(shù)形式，但參數(shù)計(jì)算均較為復(fù)雜，應(yīng)用不便。Gardner［11，21］在其提出的不銹鋼常溫本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，針對EN 1.4301 級和EN 1.4401/4 級奧氏體不銹鋼，提出高溫下兩階段本構(gòu)模型。國內(nèi)對不銹鋼材料的高溫力學(xué)性能研究主要有：浙江大學(xué)陳駒［23］對EN 1.4462級雙相不銹鋼和EN 1.4301級奧氏體不銹鋼、東南大學(xué)范圣剛［24］對S30408奧氏體不銹鋼以及同濟(jì)大學(xué)樓國彪［25］對TSZ410 鐵素體不銹鋼進(jìn)行的高溫力學(xué)性能試驗(yàn)，利用試驗(yàn)結(jié)果建立高溫應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系并給出高溫下力學(xué)性能指標(biāo)的折減規(guī)律。

本文將通過穩(wěn)態(tài)拉伸試驗(yàn)方法對S32001 雙相型不銹鋼高溫下力學(xué)性能展開研究，得到高溫下力學(xué)性能參數(shù)及其變化規(guī)律，通過數(shù)值擬合對比分析Rasmussen 模型和Gardner 模型，并基于Rasmussen模型提出S32001不銹鋼硬化指數(shù)的計(jì)算公式，建立高溫下不銹鋼材料本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式。最后將試驗(yàn)結(jié)果與同為雙相型不銹鋼的EN 1.4462、結(jié)構(gòu)鋼Q235B 及其他不銹鋼的高溫材性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

1 高溫力學(xué)性能試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

S32001 不銹鋼材料高溫力學(xué)性能試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)室完成，采用MTS E45.305型高溫電子材性試驗(yàn)機(jī)（圖1），其最大加載力為300 kN，加載速率區(qū)間為0.001 ～250 mm·min-1；加熱爐采用MTS 653.04 型高溫爐，工作溫度范圍為100 ℃～1 400 ℃，分上、中、下三段加熱，每段配備一個(gè)熱電偶用于監(jiān)測和調(diào)控爐溫。試驗(yàn)測量設(shè)備包括位移傳感器、力傳感器、50 mm標(biāo)距接觸式高溫引伸計(jì)（0.001 mm精度）、K型熱電偶。

圖1 高溫電子材性試驗(yàn)機(jī)Fig.1 High temperature electronic material testing machine

1.2 試驗(yàn)試件

試件取自6 mm 厚國產(chǎn)S32001 不銹鋼板，材料鎳（Ni）元素含量僅為1%～3%，經(jīng)濟(jì)性好。其主要化學(xué)成分與EN 1.4462、TSZ410、S30408 不銹鋼和Q235B的比較見表1。

表1 S32001不銹鋼化學(xué)成分與其他鋼種對比Tab.1 Comparison of chemical composition of S32001 stainless steel and other steels

常溫和高溫下材料拉伸試驗(yàn)的試件尺寸分別根據(jù)GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)：第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》［26］、GB/T 228.2—2015《金屬材料拉伸試驗(yàn)：第2 部分：高溫試驗(yàn)方法》［27］的規(guī)定設(shè)計(jì)制作，采用矩形橫截面。根據(jù)試驗(yàn)溫度的不同，共設(shè)計(jì)10組試件（其中包括一組常溫試件），每組3個(gè)，共計(jì)30個(gè)，常溫及高溫試驗(yàn)的試件編號及相關(guān)尺寸詳見表2。

表2 試驗(yàn)試件編號與尺寸Tab.2 Designations and dimensions of specimens

1.3 試驗(yàn)方法

（1）常溫拉伸試驗(yàn)

按照GB/T228.1—2010，采用兩階段加載控制。第1 階段根據(jù)引伸計(jì)測試結(jié)果，按應(yīng)變速率控制，為2.5×10-4s-1；應(yīng)變達(dá)到0.05后，取下引伸計(jì)，改為試驗(yàn)機(jī)橫梁位移控制，位移速率為1.5 mm·min-1（等同于應(yīng)變速率2.7×10-4s-1），直至試件被拉斷。第1階段加載主要用于測量材料初始彈性模量和名義屈服強(qiáng)度；第2 階段主要用于測量S32001不銹鋼材料抗拉極限強(qiáng)度和變形。

（2）高溫穩(wěn)態(tài)拉伸試驗(yàn)

高溫拉伸采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，即恒溫加載試驗(yàn)方法，在試驗(yàn)過程中先將試件升溫至指定溫度，并恒溫30 min待試件標(biāo)距段溫度均勻后，再采用與常溫拉伸試驗(yàn)相同的兩階段加載控制，拉伸試件直至試件斷裂。試驗(yàn)溫度點(diǎn)包括100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃共9種工況，每種工況包括3個(gè)試件。升溫速率控制在10 ℃·min-1～30 ℃·min-1，且在升溫及恒溫過程中允許試件自由膨脹。參照常溫拉伸試驗(yàn)，采用兩階段加載控制。

2 常溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1 常溫力學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)Gardner［11］提出的不銹鋼材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果處理方法，得到S32001不銹鋼在常溫下的力學(xué)性能參數(shù)（表3）及應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)結(jié)果（圖2）。表3中，E0表示初始彈性模量；A0表示斷后伸長率；σ0.01、σ0.2及σ1.0分別表示殘余應(yīng)變?yōu)?.01 %、0.2%和1.0%時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力，其中σ0.2為名義屈服強(qiáng)度；σu表示極限強(qiáng)度，εu為σu對應(yīng)的極限應(yīng)變。

表3 S32001不銹鋼常溫下力學(xué)性能參數(shù)Tab.3 Mechanical properties of S32001 stainless steel at room temperature

2.2 常溫應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

采用Rasmussen［12］和Gardner［11］推薦的常溫下不銹鋼材料本構(gòu)模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得應(yīng)變硬化指數(shù)如表4 所示，模型曲線與試驗(yàn)曲線對比見圖2。Rasmussen［12］基于Ramberg-Osgood模型［9］提出的常溫不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線（σ-ε）公式，如式（1）所示：

表4 常溫下S32001不銹鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)Tab.4 Hardening index of mechanical properties of S32001 stainless steel at room temperature

式中：n為第一段硬化指數(shù)，用以考慮不銹鋼材料的應(yīng)變硬化；m為第二段硬化指數(shù)，以改善Ramberg-Osgood 模型后半段應(yīng)力偏高的情況；E0.2表示應(yīng)力σ0.2處的切線模量。

Gardner［11］采用參數(shù)σ1.0代替σu為控制點(diǎn)，提出的常溫不銹鋼本構(gòu)模型如式（2）所示：

式中：εt0.2和εt1.0分別為σ0.2和σ1.0所對應(yīng)的總應(yīng)變；n′0.2，1.0是第二段硬化指數(shù)。

圖2包括4條曲線，其中試驗(yàn)曲線是由試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；Md1是由式（1）擬合的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；Md3是在式（1）基礎(chǔ)上修正硬化參數(shù)n、m為n′、m′獲得的改進(jìn)曲線；由于Gardner模型未給出硬化指數(shù)參考取值，Md2是由式（2）結(jié)合1stOpt（first optimization）非線性擬合軟件擬合出n′、n′0.2，1.0后獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。改進(jìn)前的Rasmussen模型（Md1曲線）與試驗(yàn)結(jié)果相比曲線后半段明顯偏高，Gardner模型（Md2曲線）和改進(jìn)后的Rasmussen模型（Md3曲線）擬合結(jié)果與試驗(yàn)十分貼近，具有較高精度。

圖2 S32001不銹鋼常溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of S32001 stainless steel at room temperature

3 高溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

高溫拉伸試件的破壞現(xiàn)象、特征如圖3、表5所示，不同溫度下試件斷口處均出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，但表面顏色變化明顯；試驗(yàn)溫度越高，試件斷口處的頸縮現(xiàn)象越明顯，且試件拉伸到斷裂有較長的塑性強(qiáng)化區(qū)，表明S32001不銹鋼材料在高溫下仍具有良好的延性。800 ℃、900 ℃溫度下的試件斷裂后伸長明顯，其中900 ℃的試件除斷口處頸縮外，甚至出現(xiàn)另一處頸縮。

表5 試件破壞特征Tab.5 Appearance and damage characteristics of specimens

圖3 S32001不銹鋼高溫拉伸試驗(yàn)試件Fig.3 Specimens of S32001 stainless steel after tensile test at elevated temperature

3.2 高溫下力學(xué)性能參數(shù)及其擬合公式

S32001 不銹鋼在高溫下的力學(xué)性能指標(biāo)及變化情況如表6所示。其中，E0，T、σ0.2，T、σu，T、εu，T和A0，T分別為溫度T下的初始彈性模量、名義屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變和斷后伸長率；α*代表T溫度工況下指標(biāo)與常溫下對應(yīng)指標(biāo)的比值，用αE0=E0，T/E0、ασ0.2=σ0.2，T/σ0.2、ασu=σu，T/σu、αεu=εu，T/εu及αA0=A0，T/A0表示；表中各項(xiàng)指標(biāo)取該溫度工況下三個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果平均值。經(jīng)分析得如下規(guī)律：

表6 S32001不銹鋼高溫下力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of mechanical properties of S32001 stainless steel at elevated temperatures

（1）S32001 不銹鋼的初始彈性模量，在溫度低于400 ℃時(shí)變化很小，在高于400 ℃時(shí)，下降明顯加快，900 ℃時(shí)僅為常溫時(shí)的25%。

（2）S32001 不銹鋼的屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度隨溫度下降的變化規(guī)律類似，呈現(xiàn)先快、后慢、再快的特征；600 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度均小于常溫時(shí)的50%。

（3）與大部分鋼材斷后伸長率（延性）隨溫度升高而增大的規(guī)律不同，試驗(yàn)表明S32001不銹鋼的斷后伸長率隨溫度升高呈先減小后增大的特點(diǎn)。當(dāng)?shù)陀?00 ℃時(shí)，斷后伸長率隨溫度升高基本線性減小，300 ℃時(shí)為常溫下的43%；當(dāng)高于300 ℃時(shí)，斷后伸長率開始增大，900 ℃時(shí)增長至大約常溫下的值。

通過最小二乘法對高溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，提出S32001不銹鋼彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變和斷后伸長率在高溫下的簡化計(jì)算公式，溫度范圍為20 ℃～900 ℃，均采用如下表達(dá)形式：

公式系數(shù)a、b取值如表7 所示。各力學(xué)性能指標(biāo)的公式計(jì)算值和試驗(yàn)結(jié)果的對比見圖4。

圖4 高溫力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算公式與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.4 Comparison of mathematical model of S32001 stainless steel with test results at elevated temperatures

表7 力學(xué)性能指標(biāo)公式系數(shù)表Tab.7 Coefficients of mechanical properties formula

3.3 高溫下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

試驗(yàn)得到的各溫度下S32001 不銹鋼在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，高溫下無明顯屈服平臺，當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)800 ℃以上時(shí)，不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力波動(dòng)。材料延性隨溫度升高先降低后升高，其原因可能是S32001不銹鋼在升溫過程中組織、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化［28］，拉伸時(shí)因此產(chǎn)生的局部強(qiáng)化。

圖5 高溫下S32001不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of S32001 stainless steel at elevated temperatures

用Chen 和Young 基 于Rasmussen 模 型［12，19］和Gardner［21］提出的高溫下不銹鋼材料本構(gòu)模型（以下簡稱Rasmussen模型和Gardner模型）對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立S32001 不銹鋼高溫下應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型，兩種模型表達(dá)式分別為式（4）和式（5）。

式中：E0.2，T為溫度為T時(shí)應(yīng)力σ0.2，T對應(yīng)的切線模量；εt0.2，T是溫度為T時(shí)應(yīng)力為σ0.2，T對應(yīng)的總應(yīng)變；nT為溫度T時(shí)的第一段硬化指數(shù)；mT為溫度T時(shí)的第二段硬化指數(shù)。

式中：σt0.2，T是溫度為T時(shí)不銹鋼材料2%總應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力；n′T為溫度T時(shí)的第二段硬化指數(shù)。

由于Chen 和Young 以及Gardner 有關(guān)nT、mT和n′T的取值建議是針對部分不銹鋼研究的，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析表明，推薦硬化指數(shù)取值不能準(zhǔn)確地模擬S32001 不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。因此本文采用麥夸特法、通用全局優(yōu)化法并應(yīng)用1stOpt（first optimization）非線性擬合軟件得到應(yīng)變硬化指數(shù)（表8），模型曲線與試驗(yàn)曲線對比結(jié)果見圖6、圖6 包括三條曲線，其中試驗(yàn)曲線是由試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；Md1 和Md2 曲線是分別基于式（4）和式（5）擬合的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

表8 高溫下S32001不銹鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)Tab.8 Hardening index of mechanical properties of S32001 stainless steel at elevated temperatures

由 圖6 知，Rasmussen 模 型 和Gardner 模 型（Md1和Md2）模擬S32001不銹鋼的本構(gòu)關(guān)系都與試驗(yàn)結(jié)果十分吻合，由于Rasmussen模型的表達(dá)形式更為簡潔，所需參數(shù)更少，因此本文采用Rasmussen模型來模擬S32001不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

圖6 高溫下本構(gòu)模型擬合曲線與試驗(yàn)曲線對比Fig.6 Comparison of stress-strain fitting curve of S32001 stainless steel with test results at elevated temperatures

根據(jù)表8結(jié)果，對式（4）中S32001不銹鋼高溫下的硬化指數(shù)nT、mT進(jìn)行數(shù)值模擬，得到S32001不銹鋼的硬化指數(shù)計(jì)算公式，如下式（6）—（7）所示：

將表6數(shù)據(jù)和式（6）—（7）計(jì)算結(jié)果代入Rasmussen模型，可建立S32001不銹鋼任意溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比見圖7。實(shí)線表示計(jì)算結(jié)果，虛線表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，二者貼合程度較高，即上述硬化指數(shù)計(jì)算公式擬合效果較好。

圖7 不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.7 Comparison of stress-strain curves of S32001 stainless steel with test results at different temperatures

4 S32001 不銹鋼材料與其他鋼材的高溫力學(xué)性能對比

S32001 不銹鋼與EN 1.4462 雙相型不銹鋼［29］、TSZ410 鐵素體不銹鋼［25］、結(jié)構(gòu)鋼Q235B［30-31］的高溫下初始彈性模量、名義屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)的比較，見圖8a～圖8c。S32001 不銹鋼與常見結(jié)構(gòu)用S304 系不銹鋼（如S30408 奧氏體不銹鋼［24］）高溫下屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的比較，見圖8d。

圖8 S32001不銹鋼與其他鋼材的高溫力學(xué)性能比較Fig.8 Comparison of mechanical properties of different steels at elevated temperatures

有以下結(jié)論：

（1）S32001與EN 1.4462同為雙相型不銹鋼，高溫下各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)變化趨勢基本一致，但EN 1.4462高溫下力學(xué)性能略優(yōu)于S32001。

（2）S32001 不銹鋼的高溫下初始彈性模量折減情況與TSZ410 大致相同，20 ℃～400 ℃溫度段彈性模量基本維持不變，而Q235B 隨溫度升高彈性模量下降明顯。溫度低于500 ℃時(shí)，S32001 不銹鋼的屈服強(qiáng)度的折減系數(shù)明顯低于TSZ410 及Q235B，在300 ℃時(shí)其折減系數(shù)與Q235B 最大相差為0.32；溫度高于500 ℃時(shí)，反之。

（3）與S30408不銹鋼的對比。S32001不銹鋼高溫下材料強(qiáng)度明顯高于S30408不銹鋼，特別是20 ℃～600 ℃溫度段，其中300 ℃時(shí)S32001的名義屈服強(qiáng)度是S30408的2.03倍。

5 結(jié)論

本文主要結(jié)論如下：

（1）S32001 不銹鋼的名義屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨著溫度升高呈現(xiàn)先快、后慢、再快的下降趨勢；600 ℃時(shí)分別為常溫下46%和45%，900 ℃時(shí)均不足常溫下10%。

（2）Rasmussen 模型和Gardner 模型分別擬合S32001 不銹鋼高溫下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對比結(jié)果表明，兩種模型均具有較高精度。由于Rasmussen 模型表達(dá)形式更為簡潔，在該模型基礎(chǔ)上提出S32001不銹鋼硬化指數(shù)的計(jì)算公式，便于實(shí)際工程應(yīng)用。

（3）當(dāng)溫度低于500 ℃時(shí)，S32001不銹鋼的高溫下強(qiáng)度損失明顯大于TSZ410 不銹鋼和結(jié)構(gòu)鋼Q235B，高于500 ℃時(shí)則相反；S32001不銹鋼高溫下材料強(qiáng)度明顯高于S30408 不銹鋼，在20 ℃～600 ℃溫度段，S32001 的名義屈服強(qiáng)度至少是S30408 的1.8倍，具有更加優(yōu)越的抗火性能。