摘要
采用非接触式光学应变测试系统,跟踪测试了2 060 MPa级高强钢丝试件在20~900 ℃下的全过程应力-应变曲线,建立了高温钢丝各力学性能指标的高温函数模型,得到其高温破断参数.结果表明:高温下高强钢丝试件的各力学性能指标均有不同程度折损.当温度低于200 ℃时,试件的力学性能指标折损率不超过10%,破断模式为脆性破坏;当温度超过200 ℃后,试件的各力学性能指标折损率显著增大,破断模式逐渐由脆性破坏转变为塑性破坏.
钢索是大跨度缆索承重桥梁的主要承重与传力构件,一旦发生火灾破坏将对缆索承重桥梁结构安全造成极大威
目前,针对钢丝类材料已建立了较完善的常温力学性能指标体
近年来,更高强度的高强钢丝已应用于缆索承重桥梁上,如南京仙新路长江大桥主缆高强钢丝的强度超过2 000 MPa,此类高强钢丝的高温力学性能尚不明确.此外,目前高强钢丝的高温应变主要通过应变引伸计进行测试,但该方法无法测试高强钢丝全过程的力学本构关系.鉴于此,本文采用非接触式光学应变测试系统测试2 060 MPa级高强钢丝(以下简称高强钢丝)的高温力学性能,建立各力学性能指标的高温函数模型,并探明其高温破断模式,进一步完善了高强钢丝的高温力学性能指标体系.
高强钢丝的高温拉伸试验在万能材料试验机上进行,整个试验装置由加载系统、升温系统及测量系统3部分组成,示意图见

图1 高强钢丝高温力学性能试验示意图
Fig.1 Schematic diagram of high‑temperature mechanical performance test for high‑strength steel wire
高强钢丝由加载至破断全过程的应力-应变(σ‑ε)曲线是本试验的关键测试参数.由于常用的应变引伸计测试方法是通过夹持试件来测试应变的,试件破断会损坏引伸计,因此在试件达到屈服后需要取掉引伸计,导致试件由屈服至断裂阶段的应力-应变数据无法直接测量.对此,本试验采用更为先进的非接触式光学应变测试系统,来测试高强钢丝的全过程应力-应变曲线.
高强钢丝由江苏法尔胜缆索有限公司制作,力学性能较优,成品高强钢丝表面涂有1层镀锌层,主要起防腐作

图2 高强钢丝试件尺寸示意图
Fig.2 Dimensional drawing of high‑strength steel wire specimen (size: mm)
采用稳态试验方法(恒温加载法)测试高强钢丝的高温力学性能指标及破断参数.其中主要力学参数为应力-应变曲线、弹性模量E、比例极限fp、屈服强度fy、极限强度fu、极限应变εu、断裂应变εf、断面收缩率Z及断后伸长率A.试验过程严格按照GB/T 4338—2006《金属材料 高温拉伸试验方法》进行.
试验主要测试过程如下:(1)按要求将高强钢丝试件与试验机端头连接并调整试件位置,使受火核心区(应变测试区)与激光应变仪基本持平.(2)以10 ℃/min的升温速率将试件温度缓慢升高至20、100、200、300、400、500、600、700、800、900 ℃并保温30 min,使其受火核心区温度均匀.需要说明的是,在升温及保温过程中保持试件一端松弛,以消除钢丝热膨胀应变对测试结果的影响.(3)启动加载装置将试件缓慢张拉至破断,加载速率按应变速率控制,试验第一阶段的加载速率设为0.003/min,待试件进入屈服阶段后适当提高加载速率;(4)高温力学性能测试完成后对不同温度水平下的试件断口进行测试,得到其破断参数.
试验测试了20~900 ℃共10组温度水平下高强钢丝试件的力学性能指标,结果如
T/℃ | E/GPa | fp/MPa | fy/MPa | fu/MPa | εu/% | εf/% |
---|---|---|---|---|---|---|
20 | 197.0 | 1 733.5 | 2 058.3 | 2 156.2 | 5.86 | 6.65 |
100 | 198.3 | 1 499.3 | 1 957.3 | 2 077.6 | 5.48 | 5.65 |
200 | 185.2 | 1 253.5 | 1 883.7 | 2 015.2 | 4.52 | 5.02 |
300 | 172.7 | 1 001.2 | 1 691.4 | 1 715.0 | 3.50 | 9.48 |
400 | 142.7 | 646.9 | 1 307.0 | 1 311.7 | 2.44 | 12.23 |
500 | 97.1 | 362.9 | 715.1 | 726.3 | 2.85 | 14.93 |
600 | 50.6 | 101.3 | 312.8 | 322.8 | 3.04 | 24.89 |
700 | 25.8 | 36.1 | 135.8 | 138.2 | 2.93 | 35.39 |
800 | 22.3 | 26.0 | 79.6 | 83.3 | 5.61 | 40.79 |
900 | 25.2 | 22.7 | 45.8 | 57.0 | 12.93 | 54.16 |
采用非接触式光学应变测试系统,测试高强钢丝试件在不同温度水平下的应力-应变发展历程.试验机上的位移传感器及力传感器同步输出加载力-位移发展历程.

图3 100、800 ℃下高强钢丝试件的全过程应力-应变曲线
Fig.3 Complete stress‑strain curves of high‑strength steel wire specimens at 100 , 800 ℃

图4 20~900 ℃下高强钢丝试件的全过程应力-应变曲线
Fig.4 Complete stress‑strain curves of high‑strength steel wire specimens at 20-900 ℃
由图
高强钢丝试件的弹性模量根据应力-应变曲线的初始直线段斜率确定,具体取值为比例极限应力与比例极限应变的比值.将高强钢丝的高温弹性模量折减系数定义为高温下的弹性模量E(T)与常温下的弹性模量E(20)之比.采用多项式函数模型对高强钢丝试件的高温弹性模量折减系数进行拟合,得到其拟合函数,如
(1) |
Holmes

图5 不同类型钢材的高温弹性模量折减系数对比结果
Fig.5 Comparison results of elastic modulus reduction coefficients at high‑temperature for different types of steels
由
由于高强钢丝的应力-应变曲线无明显屈服平台,因此采用名义屈服强度作为其屈服强度.文献[
(2) |
(3) |
Holmes

图6 不同类型钢材的高温强度折减系数对比结果
Fig.6 Comparison results of strength reduction coefficients at high‑temperature for different types of steels
由
由
试验结果表明,高强钢丝试件在不同温度水平下具有不同破断特征——室温(20 ℃)下高强钢丝的破断模式为脆性破坏,断口截面不齐平、边缘有撕裂缺口,其破断时可听到清脆的断丝声响;20~200 ℃下,高强钢丝的破断模式仍为脆性破坏,断口截面出现颈缩,断口形态呈杯状,颜色呈暗黑色,但钢丝表面仍保持金属光泽;300~400 ℃下,其断口形态发生明显变化,钢丝表面镀锌层出现部分剥落,裸露出银白色金属表面,此时断口有明显颈缩,形态开始呈现锥形,断口截面较齐平;500~800 ℃下,高强钢丝的破断模式为塑性破坏,钢丝表面镀锌层全部剥落,表面呈暗黄色,断口颈缩更加明显,断口形态锥状化加剧,钢丝破断声音逐渐由清脆变为微弱.
采用扫描电镜(SEM)对不同温度水平下高强钢丝试件的断口进行观察,得到微观破断形态,如

图7 不同温度水平下高强钢丝试件的微观破断形态
Fig.7 Micro fracture morphologies of high‑strength steel wire specimens at different temperatures
高强钢丝的破断参数主要有断后伸长率A及断口截面收缩率Z,可反映其破断模式及特征.高强钢丝在不同温度水平下的破断模式及参数有较大差异.采用多项式函数模型对高强钢丝的断后伸长率A及断口截面收缩率Z随温度的变化曲线进行拟合,拟合函数如式(
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(5) |
高强钢丝试件在20~900 ℃下的断破参数随温度的变化曲线如

图8 高强钢丝试件的破断参数随温度的变化曲线
Fig.8 Variation curves of fracture parameters with temperature for 2 060 MPa grade high‑strength steel wire specimens
(1)2 060 MPa级高强钢丝的高温应力-应变曲线分为弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段.高强钢丝温度越低,弹性阶段越长;高强钢丝温度越高,屈服阶段越长.进入破坏阶段后高强钢丝很快达到极限承载力而破断.
(2)高温下高强钢丝的各力学性能指标均有不同程度折减.20~200 ℃下高强钢丝的各力学性能指标折减均不超过10%;随着钢丝温度的升高,各力学性能指标折减显著增大,温度超过700 ℃后各力学性能指标折减达到90%以上,即钢丝材料基本丧失刚度及强度.本文建立的高强钢丝各力学性能指标高温函数模型具备足够计算精度,可反映高强钢丝的各力学性能参数高温退化规律.高强钢丝各力学性能指标的高温折减规律与钢绞线及普通钢材有较大差异,因此进行缆索体构件抗火分析时,建议采用高强钢丝的高温力学性能指标作为缆索体构件抗火分析的基本力学参数.
(3)20~200 ℃下高强钢丝的破断模式为脆性破断,断口截面呈杯状,断面无明显颈缩,断面收缩率及断后伸长率均较小;当温度超过200 ℃后,高强钢丝的破断模式逐渐由脆性破断转变为塑性破断,断口截面由杯状向锥状转变,断面出现显著颈缩,断面收缩率及断后伸长率参数均快速增大.由此表明,高温下高强钢丝由屈服至最终破断会经历较长的塑性伸长过程.
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