鍍鋅鋼管材性試驗及吸能性能研究

李 杰，張 婧，王 雷，梁堅坤

(凱里學院 建筑工程學院，貴州 凱里 556011)

1 引言

鍍鋅鋼管廣泛應用于建筑、機械、煤礦、化工、電力、鐵道車輛、汽車工業、公路、橋梁、集裝箱、體育設施、農業機械、石油機械、探礦機械等制造工業，在國民經濟中發揮較大的作用。

楊春燕[1]提出鍍鋅鋼管混凝土的概念，有望為工程應用引入新的方向；蔣希芝等[2～4]人對溫室大棚常用鍍鋅圓鋼管進行應用力學性能試驗研究，結果表明，直徑相同的鋼管在相同處理條件下，拉伸強度隨著壁厚增加而降低，斷裂伸長率增大，且隨著壁厚的增加，高溫高濕作用會加速鋼管拉伸強度的降低和斷裂伸長率增大[2]。

現有研究[1,2]表明鍍鋅鋼管的吸能性能在汽車、建筑等領域具有重要作用，因此，本文通過對鍍鋅鋼管進行材性試驗，對鍍鋅鋼管在不同梯度升溫后的吸能性能進行研究，為進一步應用積累參考數據。

2 試件制備與測試

2.1 制備試件

在市場購買規定尺寸的鍍鋅鋼管上以不同加熱條件加工拉伸試件，試驗試件共計12件，如圖1所示。

圖1 鋼材拉伸試樣

試件加熱使用的是山東順城電爐制造公司生產的鋼殼爐，內部最高溫度為1000 ℃。

本實驗以爐內最高煅燒溫度為400 ℃、600 ℃和800 ℃作為3個梯度等級因素來研究不同溫度條件對鍍鋅鋼管力學性能的影響，按操作規程將待測試件放入鋼殼爐中，模擬火災時鋼材的升溫曲線為基準加熱，待升溫結束后自然冷卻，作為后續拉伸實驗的待測試件。

2.2 拉伸測試實驗

拉伸測試實驗[3，4]是在山東億宸試驗儀器有限公司產的微機控制力學萬能試驗機上進行，測試方向為軸向，測試方法參考的標準是國標《金屬材料拉伸試驗方法》(GB-T228-2002)[5]。利用位移控制法來加載試件，控制速度為1mm/min，曲線極限以試件破壞或降至載荷峰值的20%為基準。鋼殼爐升溫曲線如圖2所示。

圖2 鋼殼爐升溫曲線

3 結果與討論

3.1 鋼材試件表面現象分析

鋼材表面在不同梯度溫度加熱后，顯示的狀態如圖3。當最高加熱溫度處在400 ℃時，鋼材表面顯示的狀態與常溫狀態相比并沒有出現明顯的變化；當升高溫度為600 ℃，鋼材試件表面逐漸呈現出淡紅褐色，先前的局部氧化鐵層逐漸脫落，且在高溫下試件在拉伸方向上出現明顯翹曲；在800 ℃時，鋼材試件表面呈現出明顯的深紅褐色，甚至出現些許藍黑色，同時氧化鐵層出現嚴重脫落，表明鋼材試件內部出現碳化趨勢[6～8]。

圖3 鍍鋅鋼材升溫后形態

3.2 鍍鋅鋼材拉伸曲線

根據實驗測試結果繪制出鋼材試件拉伸曲線如圖4。對比不同溫度曲線分析可得，鋼材在400 ℃和600 ℃時的拉伸曲線與20 ℃(常溫情況)下的拉伸曲線變化趨勢一致，明顯出現4個進程：彈性、屈服、強化和斷裂；而最高加熱溫度達到800 ℃時，相比于前面幾個梯度溫度，其拉伸曲線比較平滑，屈服進程不明顯。

圖4 鍍鋅鋼材拉伸曲線

同時發現鍍鋅鋼材屈服強度和極限強度與加熱溫度呈現負相關趨勢，試件的強化進程時長與溫度呈現正相關趨勢，說明鍍鋅鋼材的延展性與溫度呈現正相關趨勢。

3.3 吸能性能

3.3.1 吸能能力

鍍鋅鋼材在室溫、和在400 ℃、600 ℃、800 ℃4種溫度烘烤冷卻后的拉伸試驗，如圖5所示，其吸能能力呈現出以下特點。

圖5 鍍鋅鋼材吸能能力

(1) 應變在5%范圍內，鍍鋅鋼材吸能能力具有開口向上拋物線頂點段型特點；應變在超過5%后，鍍鋅鋼材吸能能力具有向上傾斜直線型特點。

(2) 應變在5%范圍內，四種狀態下的鍍鋅鋼材吸能能力幾乎一致，當應變超過14%之后，隨著溫度提升鍍鋅鋼材吸能能力具有降低的一致性特征。

(3) 400 ℃、600 ℃烘烤后的吸能能力幾乎一致，800 ℃(超過熔點一半值)烘烤后吸能能力迅速降低。

3.3.2 吸能效率

鍍鋅鋼材在室溫和在400 ℃、600 ℃、800 ℃4種溫度烘烤冷卻后的拉伸試驗，如圖6所示，其吸能效率呈現出以下特點。

圖6 鍍鋅鋼材吸能效率

(1) 在彈性進程，鍍鋅鋼材的吸能效率E迅速增大到0.7左右(應變僅僅為0.3%左右)；進入屈服進程后(應變達到0.6%左右)，鍍鋅鋼材的吸能效率達到極值后較快降低(這是因為拉伸σ-ε曲線進入平臺段)；當應變達到5%左右，其吸能效率又開始緩慢提升。

(2) 應變在6%～14%之間時，鍍鋅鋼材的吸能效率隨著溫度提升而提高，應變超過14%之后，鍍鋅鋼材的吸能效率趨于一致。

4 結論

對鍍鋅鋼材進行了拉伸試驗，為了研究不同升溫對鍍鋅鋼材的吸能性能的影響，分別將鍍鋅鋼材加溫到400 ℃、600 ℃、800 ℃后自然冷卻到常溫進行拉伸試驗研究，分析拉伸試驗結果可得到以下3點結論。

(1)鍍鋅鋼材的拉伸曲線在400 ℃、600 ℃的條件下可以呈現經典的四進程，包括彈性、屈服、強化和斷裂；但在800 ℃的進程比較平滑，沒有明顯的屈服過程。

(2)高溫加熱后，鍍鋅鋼材試件的拉伸吸能能力具有降低趨勢。

(3)高溫加熱后，鍍鋅鋼材的拉伸吸能效率沒有顯著變化。