国产超高强钢Q890高温力学性能试验

李国强，黄 雷，张 超

(1. 同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092； 2. 同济大学 土木工程学院，上海 200092)

0引 言

随着冶金制造工艺的发展及一大批重点工程的兴建，高强钢越来越广泛地应用于建筑工程中[1-3]。作为高强钢结构抗火设计的理论基础，高强钢高温力学研究也随之得到各国学者的重视。Qiang等[4-8]对欧洲高强钢S460N，S690和超高强钢S960进行了试验研究，发现钢材高温力学性能受钢材等级和加工方法影响很大，且各国现行规范并不适用于其所研究的钢材。Chiew等[9]研究了经由淬火和回火工艺得到的RQT-S690钢的高温力学性能，发现当温度低于400 ℃时钢材力学性能并未发生明显变化，温度超过400 ℃后其强度急剧下降而延性增加。

在中国，李国强等[10]对10.9级高强度螺栓常用的20MnTiB钢材进行了高温下的材料性能试验，根据试验结果提出了相关力学参数的高温模型，并将之与其他国家推荐的高温钢材模型进行比较，发现各国所指定的高温下钢材的材料模型有较大差异。王卫永等[11-12]通过对国产高强钢Q460的研究发现，Q460钢在高温下的力学性能与普通钢差别较大，强度和弹性模量随温度升高降低较慢。

由于生产工艺以及化学组成的不同，不同高强钢高温力学性能存在明显差异。本文对国产超高强钢Q890高温力学性能进行试验研究，建立Q890钢高温材料模型，为研究Q890钢结构抗火性能及其计算方法提供理论支持。

1试验概况

1.1试验设备

试验仪器采用同济大学工程结构抗火实验室的300 kN高温电子材料试验机，如图1所示。试验机加载速率可控制在0.001～250 mm·min-1之间，高温炉工作温度范围为200～1 100 ℃，最小分辨率为0.1 ℃。高温试验中由绑扎于试件中部的热电偶来测量及控制试件温度，并由精度为0.001 mm的接触式高温引伸计测量试件变形。

1.2试验方法

试验采用稳态试验法。试验温度点包括20(常温)，200，300，400，450，500，550，600，700，800 ℃。常温下进行3个试件测量，其余每个温度点下进行2个试件测量。试验加载采用应变速率控制，常温加载应变速率为0.015 min-1，高温加载应变速率为0.003 min-1，分别满足GB/T 228.1—2010[13]和GB/T 4338—2006[14]要求。

1.3试验材料和试件设计

本试验所有试件均采用国产Q890钢板制作，板厚20 mm，其化学成分见表1。试件的形状和尺寸符合GB/T 228.1—2010和GB/T 4338—2006要求，如图2所示。

表1Q890钢板化学成分Tab.1Chemical Constitution of Q890 Steel Plate

2试验结果与分析

2.1试验现象

图3为不同温度下Q890钢试件破坏状况。由图3可知，试件在常温试验后表面为灰白色；200 ℃时，表面呈现金黄色金属光泽；300 ℃时表面颜色变化明显，为蓝色；400 ℃和450 ℃时表面转为墨绿色；500 ℃和550 ℃时表面为黑色，局部为棕红色；600 ℃时试件通长呈现棕红色；700 ℃和800 ℃时表面为深灰色，且800 ℃时试件氧化膜剥落现象严重，表面粗糙。

2.2应力-应变关系曲线

图4为不同温度T时Q890钢的应力-应变关系曲线。从图4可以看出，Q890钢在常温时有一极短的屈服平台，高温下平台消失。随温度升高，曲线初始直线段缩短，强化段结束更早，而下降段逐步变得平缓。

2.3力学参数

表2给出了Q890钢高温力学性能参数值及折减系数。折减系数是相应温度的力学性能参数试验值与常温试验值的比值，该表示法为各国钢结构抗火设计规范所采用。由于高温下钢材没有明显的屈服平台，因此需要指定一个强度作为名义屈服强度，本文选用1.0%应变垂直线与应力-应变关系曲线交点所对应的强度值。

2.3.1弹性模量

图5为Q890钢弹性模量折减系数与钢结构设计规范(CECS 200[15],EC3[16],AS 4100[17],ECCS[18],AISC[19])中材料模型及超高强钢S960[8]，20MnTiB[10]试验结果的比较，其中ET为温度T时的弹性模量，E20为常温时的弹性模量。可见，Q890钢弹性模量随着温度升高而减小。S960，20MnTiB的试验值及规范中模型均低于Q890钢。

表2Q890钢高温力学性能及折减系数Tab.2Mechanical Properties and Reduction Factors of Q890 Steel at Elevated Temperatures

2.3.2屈服强度

图6为Q890钢屈服强度折减系数与规范中材料模型以及超强钢S960，20MnTiB试验值的比较，其中，fy,T为温度T时的屈服强度，fy,20为常温时的屈服强度，CECS 200，EC3分别取1.0%和2.0%应变对应的强度；ECCS规定400 ℃后取0.5%应变对应的强度，低于400 ℃时，在0.2%(20 ℃)和0.5%应变之间线性插值。S960和20MnTiB钢分别采用1.0%和2.0%应变对应的强度。结合表2和图6可知，Q890钢屈服强度随温度升高而减小，且500 ℃后其下降速率明显加快。相比Q890钢试验值，S960钢屈服强度折减系数与其较为接近，而20MnTiB钢明显偏小。CECS 200推荐的屈服强度折减系数用于预测Q890钢时，在450～600 ℃内吻合，其余温度上偏于不安全。AS 4100的屈服强度折减系数在300～600 ℃内偏低，其余温度上偏高。EC3和ECCS模型则分别偏不安全和偏保守。

2.3.3极限强度

由表2可知，Q890钢极限强度折减系数随温度升高而减小。700 ℃时钢材剩余强度仅为常温下的10%。

2.3.4断后伸长率

Q890钢在200 ℃时脆性增强，断后伸长率相对常温下减少17%。300～500 ℃内其伸长率相对常温有较小幅度升高，550～600 ℃时增至常温值1.6倍。此后，断后伸长率迅速增加。

3拟合公式

相关结构抗火设计规范及超高强钢研究文献中的钢材高温性能参数模型并不适用于Q890钢材。本文分别采用多项式和美国国家标准与技术研究院(NIST)提出的钢材高温通用材料模型[20-21]对Q890钢试验结果进行拟合。试验结果与模型拟合曲线对比如图7所示，其中，fu,T为温度T时的极限强度，fu,20为常温时的极限强度，εu,T为温度T时的断后伸长率，εu,20为常温时的断后伸长率。

3.1弹性模量

多项式拟合公式为

3.229×10-4T+0.986 7

20 ℃≤T≤800 ℃

(1)

NIST模型拟合公式为

20 ℃≤T≤800 ℃

(2)

3.2屈服强度

多项式拟合公式为

(3)

NIST模型拟合公式为

20 ℃≤T≤800 ℃

(4)

3.3极限强度

多项式拟合公式为

(5)

NIST模型拟合公式为

20 ℃≤T≤800 ℃

(6)

3.4断后伸长率

多项式拟合公式为

(7)

NIST模型拟合公式为

20 ℃≤T≤800 ℃

(8)

4结语

本文通过稳态拉伸试验，得到不同火灾温度下国产超高强钢Q890的试验现象、力学性能参数值和应力-应变关系曲线，并将所得力学性能参数试验结果与国内外钢结构抗火设计规范及超高强钢研究文献中高温材料模型结果进行对比。研究发现，20～500 ℃内钢材强度和弹性模量下降，而伸长率变化不大；超过500 ℃后，Q890超高强钢内部晶体结构发生改变，强度和弹性模量下降速率明显加快，而断后伸长率急剧增大。已有的钢材高温性能参数模型并不适用于Q890钢。最后根据试验结果，分别采用多项式模型和钢材高温通用材料模型拟合得到Q890钢的高温力学性能参数模型，可用于指导Q890钢结构抗火安全评估与设计。

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