熱風釬焊S30403 奧氏體不銹鋼高溫下及高溫冷卻后的力學性能試驗研究

摘要：以S30403奧氏體不銹鋼為原材料的熱風釬焊不銹鋼芯板具有突出的力學特性和環境友好性. 相較于傳統熱輻射釬焊，熱風銅釬焊技術提高了生產效率，并將加工成本降低了30%以上. 熱風釬焊時，不銹鋼經過銅釬焊爐高速高溫（1 100 ℃）熱風處理，會影響不銹鋼力學性能. 本文對熱風釬焊S30403奧氏體不銹鋼進行了高溫下和高溫冷卻后拉伸試驗，得到彈性模量、名義屈服強度、極限強度、斷后伸長率等主要力學性能數據，建立高溫下主要力學性能指標計算模型，并基于Rasmussen模型建立高溫應力-應變本構關系. 研究表明，熱風釬焊S30403奧氏體不銹鋼在高溫下的初始彈性模量、名義屈服強度、極限強度隨溫度升高而下降，900 ℃時，彈性模量約為常溫時39%，名義屈服強度約為常溫時20%，極限強度約為常溫時10%. 采用不同的冷卻方式時，熱風釬焊S30403奧氏體不銹鋼的名義屈服強度、極限強度區別不大，但彈性模量和斷后伸長率會發生較明顯的變化.

關鍵詞：奧氏體不銹鋼；釬焊；高溫；本構模型；冷卻方式；力學性能

中圖分類號：TU511.3 文獻標志碼：A

不銹鋼作為一種新型建筑材料，外形美觀、維保簡單，且整個生命周期的成本效益高；特別是其卓越的抗腐蝕和耐高溫特性有效地彌補了普通碳鋼等傳統建筑材料的不足［1-3］. 因此，無論是在國內還是國外，不銹鋼在建筑結構中的使用都越發普遍.與傳統鋼筋混凝土板相比，不銹鋼芯板具有極高的強度重量比、良好的韌性和突出的環境友好性；與其他不銹鋼蜂窩板相比，節約鋼耗30%～60%，整體成本顯著降低.

熱風銅釬焊時，不銹鋼經過銅釬焊爐約1 100 ℃高速高溫熱風處理，高溫力學性能會受到影響. 為了研究不銹鋼芯板結構抗火性能，評估火災后的結構安全性，需要研究熱風釬焊不銹鋼在高溫下及高溫過火冷卻后的力學性能.

對于不銹鋼結構抗火性能研究，國外學者從材料的本構關系到結構的抗火設計均有一定的研究成果［4-12］. Rasmussen［4］對常溫下用奧氏體、雙相體和鐵素體不銹鋼材料制成的平板區和轉角區試件進行了大量拉伸試驗，基于R-O模型提出改進后的材料本構模型. Gardner等［5-6］基于EN 1.4301和EN 1.4401/4常溫應力-應變模型及高溫試驗數據，提出了高溫雙階段本構模型. Ellobody［7，13］基于已有的相關火災試驗結果，建立無保護簡支碳鋼和不銹鋼組合梁的非線性3D有限元模型，研究發現不銹鋼組合梁比碳素鋼組合梁在高溫條件下具有更好的承載能力.

近年來，我國有相關學者開始對不銹鋼材料的高溫和高溫冷卻后材性進行研究，經過分析及模型擬合，陳駒等［14］提出兩階段本構模型，可用于高溫下的EN 1.4301 和EN 1.4401/4；范圣剛等［15-16］研究了S30408奧氏體不銹鋼常溫、高溫以及經過高溫冷卻后的應力-應變關系；郭兆軍等［17］以鐵素體不銹鋼為研究對象，創新性地提出一種估算冷卻過程后的力學特性的數學模型.

目前，針對不銹鋼材料高溫及高溫后本構模型的研究較少，且S30403奧氏體不銹鋼與已有研究中的研究對象存在化學成分（特別是碳含量）上的明顯區別. 因此，本文對熱風釬焊［18］S30403奧氏體不銹鋼進行了高溫及高溫冷卻后的拉伸試驗，總結其力學性能的變化規律，建立本構模型.

1 試驗設計

1.1 試驗設備

本研究中試驗機和高溫爐型號分別為MTSE45.305和MTS 653.04（圖1），量測設備為MF接觸式高溫引伸計，設備主要性能參數如下：最大加載力300 kN；加載速率0.001～250 mm/min；溫度100～1 400 ℃；變形量測精度0.001 mm.