高溫處理后高強(qiáng)鋼絲性能變化試驗(yàn)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(yàn)檢測(cè)中心有限公司，浙江寧波　315000）

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高溫處理后高強(qiáng)鋼絲性能變化試驗(yàn)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(yàn)檢測(cè)中心有限公司，浙江寧波315000）

摘要對(duì)3種不同直徑的高強(qiáng)鋼絲經(jīng)不同高溫作用后的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，分析其表觀特征、極限強(qiáng)度、頸縮率及應(yīng)力-應(yīng)變曲線與溫度的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：加熱溫度400～500℃時(shí)，試件表面變暗紅；溫度達(dá)到600℃以上時(shí)，試件表面發(fā)黑；加熱溫度超過(guò)500℃以后，3種鋼絲的極限強(qiáng)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(shì)基本相同，在溫度達(dá)700℃時(shí)頸縮率最大；3種鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在溫度達(dá)700℃時(shí)有明顯的屈服臺(tái)階，其他溫度無(wú)明顯屈服臺(tái)階。

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

隨著我國(guó)交通運(yùn)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(yùn)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)。火災(zāi)的高溫作用會(huì)對(duì)橋梁的建筑材料造成損傷，進(jìn)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(duì)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(qiáng)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(guò)后高強(qiáng)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(guò)后的預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)存在變形過(guò)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(qiáng)鋼絲力學(xué)性能研究［4-14］。本文選取3種不同直徑的高強(qiáng)鋼絲經(jīng)不同溫度的高溫并冷卻后，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。研究了高強(qiáng)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(duì)鋼絲性能影響的機(jī)理。本文研究結(jié)果可為火災(zāi)后橋梁結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估及結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)提供有益的參考。

1　試驗(yàn)方案

1. 1試件

本試驗(yàn)采用了3種不同直徑的高強(qiáng)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(qiáng)鋼絞線的中絲和邊絲。直徑7. 0 mm鋼絲的強(qiáng)度等級(jí)為1 570 MPa，直徑5. 2 mm，5. 1 mm鋼絲的強(qiáng)度等級(jí)為1 860 MPa。試件長(zhǎng)度為15. 0 cm，每3個(gè)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(lái)升溫和控溫。從常溫加熱到預(yù)定溫度，自動(dòng)保持恒溫30 min后，隨爐冷卻至常溫。本試驗(yàn)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(gè)溫度工況用1組試件試驗(yàn)。

1. 3力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)經(jīng)歷高溫并冷卻后的試件進(jìn)行拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)。加載前，把試件的兩端夾持在試驗(yàn)機(jī)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(jìn)行拉伸加載直至拉斷。測(cè)量控制系統(tǒng)自動(dòng)記錄下加載的荷載-位移曲線。

2　試驗(yàn)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(jiǎn)介如下：

1）20～300℃時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，金屬表面焦黑，并伴有較嚴(yán)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(qiáng)度

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

圖1　3種直徑鋼絲強(qiáng)度保留率隨溫度變化曲線

2. 2. 1直徑7. 0 mm鋼絲

20℃時(shí)鋼絲實(shí)測(cè)極限強(qiáng)度平均值為1 622 MPa。在300℃時(shí)，極限強(qiáng)度平均值為常溫下的97. 0％；400℃時(shí)為96. 4％；500℃時(shí)為96. 5％；600℃時(shí)為61. 2％；700℃時(shí)為47. 0％；800℃時(shí)為59. 0％；900℃時(shí)為61. 8％；1 000℃時(shí)為59. 2％。

2. 2. 2直徑5. 2 mm鋼絲

20℃時(shí)鋼絲實(shí)測(cè)極限強(qiáng)度平均值為1 938 MPa。在300℃時(shí)，極限強(qiáng)度平均值為常溫下的97. 0％；400℃時(shí)為85. 9％；500℃時(shí)為72. 8％；600℃時(shí)為53. 7％；700℃時(shí)為36. 9％；800℃時(shí)為51. 2％；900℃時(shí)為50. 8％；1 000℃時(shí)為46. 6％。

2. 2. 3直徑5. 1 mm鋼絲

20℃時(shí)鋼絲實(shí)測(cè)極限強(qiáng)度平均值為1 967 MPa。在300℃時(shí)，極限強(qiáng)度平均值為常溫下的97. 8％；400℃時(shí)為86. 1％；500℃時(shí)為86. 3％；600℃時(shí)為49. 7％；700℃時(shí)為40. 2％；800℃時(shí)為51. 3％；900℃時(shí)為50. 9％；1 000℃時(shí)為47. 6％。

2. 3高溫后鋼絲頸縮率

測(cè)量各試件拉伸前后的直徑，計(jì)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(shí)鋼絲頸縮率平均值為34. 2％；400℃時(shí)為24. 0％；500℃時(shí)為22. 5％；600℃時(shí)為19. 7％；700℃時(shí)為57. 2％；800℃時(shí)為18. 3％；900℃時(shí)為19. 0％；1 000℃時(shí)為22. 0％。

2. 3. 2直徑5. 2 mm鋼絲

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

2. 3. 3直徑5. 1 mm鋼絲

300℃時(shí)鋼絲頸縮率平均值為30. 2％；400℃時(shí)為25. 8％；500℃時(shí)為26. 0％；600℃時(shí)為39. 1％；700℃時(shí)為56. 6％；800℃時(shí)為17. 5％；900℃時(shí)為19. 4％；1 000℃時(shí)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(shí)鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖3。

圖3　700℃時(shí)3種直徑鋼絲應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可知，溫度在700℃時(shí)，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(tái)階。溫度在800℃時(shí)，雖然3種直徑鋼絲也都存在屈服臺(tái)階，但臺(tái)階的明顯程度已不如700℃時(shí)。其他溫度下鋼絲均不存在屈服臺(tái)階。

2. 5高溫對(duì)鋼絲性能影響的分析

2. 5. 1表層特征

通過(guò)對(duì)比加熱前和加熱后試件的表面特征發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度到達(dá)400～500℃時(shí)，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(dāng)溫度到達(dá)600℃以上時(shí)，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(qiáng)度變化

高強(qiáng)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(qiáng)度較高，具有一定的塑性。在加熱的條件下，溫度達(dá)臨界溫度時(shí)（約600 ～700℃）并經(jīng)足夠長(zhǎng)時(shí)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(gè)軟而富有塑性的相，強(qiáng)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(xì)。

本試驗(yàn)中，加熱溫度不超過(guò)臨界溫度時(shí)，3種試件的極限強(qiáng)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(shí)，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(cuò)的攀移、異號(hào)位錯(cuò)的合并等回復(fù)作用。而回復(fù)作用降低了位錯(cuò)的密度，消除了位錯(cuò)對(duì)鋼材強(qiáng)度的有利影響。隨著溫度的升高，回復(fù)作用加強(qiáng)，鋼材的強(qiáng)度不斷下降。

溫度高于臨界溫度時(shí)，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(xì)化，層間距也得以減少。珠光體的強(qiáng)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(qiáng)度越高。故在700℃以后強(qiáng)度有所回升。

3　結(jié)論

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

1）加熱溫度300℃以下時(shí)，試件表觀現(xiàn)象變化不大；溫度在300～500℃時(shí)，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(qiáng)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(shí)，極限強(qiáng)度受高溫作用的影響不大；當(dāng)溫度超過(guò)500℃后，強(qiáng)度下降明顯；當(dāng)溫度超過(guò)700℃時(shí)，極限強(qiáng)度有所回升。直徑5. 2 mm鋼絲在400℃以下時(shí)，極限強(qiáng)度受高溫作用的影響不大；當(dāng)溫度超過(guò)400℃后，強(qiáng)度下降明顯；當(dāng)溫度超過(guò)700℃時(shí)，極限強(qiáng)度有所回升。直徑5. 1 mm鋼絲在500℃以下時(shí)，極限強(qiáng)度受高溫作用的影響不大；當(dāng)溫度超過(guò)500℃后，強(qiáng)度下降明顯；當(dāng)溫度超過(guò)700℃時(shí)，極限強(qiáng)度有所回升。

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

4）3種高強(qiáng)鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在700℃時(shí)，有明顯屈服臺(tái)階；800℃時(shí)，無(wú)明顯屈服臺(tái)階；其他溫度時(shí)，高強(qiáng)鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線無(wú)屈服臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)

［1］張宏，邵永軍.火災(zāi)后混凝土橋梁損傷評(píng)估方法與應(yīng)用［J］.四川建筑科學(xué)研究，2011，37（3）：95-99.

［2］謝勇，雷振明.關(guān)于火災(zāi)對(duì)橋梁的損害［J］.黑龍江科技信息，2009（4）：209.

［3］馮志南，陳愛萍.高速公路通道橋火災(zāi)后的檢測(cè)與評(píng)估［J］.世界橋梁，2009（2）：65-67.

［4］張昊宇，鄭文忠. 1860級(jí)低松弛鋼絞線高溫下力學(xué)性能［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39（6）：861-865.

［5］宗鐘凌，何永福，李世歌.基于高溫下鋼絞線力學(xué)性能的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)抗火分析［J］.四川建筑科學(xué)研究，2013，39 （5）：47-51.

［6］范進(jìn)，呂志濤.高溫（火災(zāi)）下預(yù)應(yīng)力鋼絲性能的試驗(yàn)研究［J］.建筑技術(shù)，2001，32（12）：833-834.

［7］周煥廷，李國(guó)強(qiáng).高溫下鋼絞線材料力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2008，40（5）：106-110.

［8］范進(jìn)，呂志濤.受高溫作用時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線性能的試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2001，32（12）：833-834.

［9］鄭文忠，胡瓊，張昊宇.高溫下及高溫后1770級(jí)φP5低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006，27（2）：120-128.

［10］張繼祥，朱明，高波，等.高溫受熱后82B預(yù)應(yīng)力鋼絞線力學(xué)性能退化規(guī)律研究［J］.上海金屬，2013，35（3）：12-19.

［11］范進(jìn).高溫后預(yù)應(yīng)力鋼絞線性能的試驗(yàn)研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，28（2）：186-189.

［12］袁廣林，李慶濤，呂志濤，等.高溫下無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土中鋼絞線預(yù)應(yīng)力的損失［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34（1）：88-91.

［13］侯煒.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)抗火性能研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014：28-33.

［14］劉揚(yáng).火災(zāi)全過(guò)程多梁式預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁橋整體抗火性能研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014：28-36.

（責(zé)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(hào)U448. 35

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

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

文章編號(hào)：1003-1995（2016）05-0166-04

收稿日期：2015-11-10；修回日期：2016-02-22

作者簡(jiǎn)介：梁兆佳（1991—），男，碩士研究生。