班慧勇，梅鐿瀟，石永久

(清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

近年，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和新型城鎮(zhèn)化建設(shè)推進(jìn)，相關(guān)建筑產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，以高性能鋼結(jié)構(gòu)為代表的新型材料與結(jié)構(gòu)體系，正快速成為鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用熱點(diǎn)[1]。高性能鋼是對(duì)具有某些特殊力學(xué)或使用性能的鋼材的統(tǒng)稱，例如高強(qiáng)鋼、不銹鋼、低屈服點(diǎn)鋼、耐火鋼、耐候鋼、耐磨鋼等[1?7]，通過(guò)合理利用其性能優(yōu)勢(shì)，能夠在工程實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)比普通鋼材更優(yōu)的應(yīng)用效果。

高性能鋼材種類繁多、各具性能優(yōu)勢(shì)，但其含有的特殊合金成分及相對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，也給這類鋼材帶來(lái)了較高的生產(chǎn)成本，限制了其工程應(yīng)用推廣。在這一背景下誕生的新型復(fù)合鋼材，通過(guò)復(fù)合工藝使高性能材料(復(fù)材)與基層鋼材達(dá)到冶金結(jié)合，不但能夠保留高性能材料的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能顯著降低貴金屬消耗和生產(chǎn)成本，具有更高的性價(jià)比和更優(yōu)的綜合社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)；常見的復(fù)材高性能材料包括不銹鋼、鈦、銅、鎳、鋯等[8?11]。不銹鋼復(fù)合鋼材是目前工程領(lǐng)域研究和應(yīng)用最多的復(fù)合鋼材類型之一，其復(fù)材為不銹鋼(包括奧氏體和雙相型不銹鋼等)，基材為低碳鋼或低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，根據(jù)產(chǎn)品對(duì)耐蝕性能要求的不同又可分為單面復(fù)層和雙面復(fù)層[12?13]2種形式，如圖1所示。

圖1 不銹鋼復(fù)合鋼材(鋼板)示意圖Fig. 1 Illustration of stainless-clad bimetallic steel plates

與純不銹鋼材相比，不銹鋼復(fù)合鋼材的鎳、鉻等合金元素的使用量可減少70%以上，因而成本也大幅降低，具有顯著的價(jià)格及市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)[14]。由于兼具不銹鋼優(yōu)良的耐蝕性能和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼材的高強(qiáng)度、低成本特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)不銹鋼與結(jié)構(gòu)鋼，不銹鋼復(fù)合鋼材在鋼結(jié)構(gòu)工程中具有綜合力學(xué)性能更優(yōu)、施工簡(jiǎn)單周期更短、設(shè)計(jì)使用年限更長(zhǎng)、全生命周期成本更低、綜合社會(huì)效益更高等顯著優(yōu)勢(shì)，尤其適用于對(duì)耐腐蝕性要求較高的工程結(jié)構(gòu)[15]。

不銹鋼復(fù)合鋼材在國(guó)外的生產(chǎn)于20世紀(jì)上半葉就已開始，中國(guó)從20世紀(jì)60年代起也開展了一系列研發(fā)。隨著不銹鋼的普遍應(yīng)用和成本快速增長(zhǎng)，我國(guó)對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材的需求日益突出，早在1988年進(jìn)口量就已經(jīng)達(dá)到7000 t～8000 t[16]，近年來(lái)隨著不銹鋼復(fù)合鋼材的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展與生產(chǎn)工藝更新，預(yù)期需求量更是可能達(dá)到190萬(wàn)噸[17]。不銹鋼復(fù)合鋼材早期主要用于壓力容器[18]，經(jīng)過(guò)發(fā)展與改進(jìn)后目前已被廣泛應(yīng)用于能源鋼結(jié)構(gòu)、化工鋼結(jié)構(gòu)、水工鋼結(jié)構(gòu)、船舶鋼結(jié)構(gòu)等工程結(jié)構(gòu)中[9,14,17]。

在建筑結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，目前不銹鋼復(fù)合鋼材主要應(yīng)用于高層建筑幕墻和鐵路鋼橋(如圖2所示)，前者如馬來(lái)西亞進(jìn)出口銀行(應(yīng)用面積：3000 m2)和廣州富力盈凱大廈(應(yīng)用面積：8000 m2)[15]，因其較傳統(tǒng)不銹鋼板具有更好的整體性和平整性，因而取得了良好的建筑表現(xiàn)效果；鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但其在復(fù)雜氣候條件中的腐蝕問題是工程應(yīng)用中亟待解決的難題，而不銹鋼復(fù)合鋼材的耐蝕性可以很好地抵抗腐蝕、延長(zhǎng)鋼橋使用壽命。

圖2 不銹鋼復(fù)合鋼材在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用Fig. 2 Application of stainless-clad bimetallic steels in structural engineering

張亞軍等[19]較早提出可以將不銹鋼復(fù)合鋼材應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，隨后眾多學(xué)者對(duì)橋梁用不銹鋼復(fù)合鋼材的微觀組織、力學(xué)性能、焊接工藝及焊接接頭性能進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容及材料見表1。

表1 鐵路橋梁用不銹鋼復(fù)合鋼材研究情況Table 1 Summary of tests on stainless-clad bimetallic steels for use in railway bridges

上述試驗(yàn)研究結(jié)果均表明不銹鋼復(fù)合鋼材的性能符合各項(xiàng)規(guī)范要求，可以使用于橋梁結(jié)構(gòu)中。如今不銹鋼復(fù)合鋼材已在“滬漢蓉快速鐵路引入合肥樞紐南環(huán)線工程”的南淝河及經(jīng)開區(qū)2座特大橋工程(材料為321-Q345q)[23]、五峰山長(zhǎng)江大橋工程(材料為316L+Q370q)和杭紹臺(tái)鐵路椒江特大橋[28]中得到成功應(yīng)用，主要用作鐵路鋼橋上直接與道砟接觸的鋼面板，以提高其耐蝕性能和鋼橋的整體壽命。其他對(duì)耐蝕性要求較高的建筑與工程結(jié)構(gòu)也非常適合采用不銹鋼復(fù)合鋼材(復(fù)層置于外側(cè)的閉口截面構(gòu)件)，如免維護(hù)外露結(jié)構(gòu)，包括玻璃幕墻支撐立柱、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等，不僅可以避免防腐防銹涂層的使用，還具有非常好的建筑表現(xiàn)力；如近海、海洋工程結(jié)構(gòu)，隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施和南海及其島嶼的開發(fā)，高性能耐蝕鋼材需求大，不銹鋼復(fù)合鋼材是綜合考慮性能與經(jīng)濟(jì)成本的最優(yōu)選擇之一；還有除海洋外其他強(qiáng)腐蝕環(huán)境下的工業(yè)與民用建筑同樣適用。鑒于不銹鋼復(fù)合鋼材所具有的多方面優(yōu)勢(shì)，其在很大程度上可在鋼結(jié)構(gòu)工程中替代傳統(tǒng)不銹鋼，在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域特別是結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

近年不銹鋼復(fù)合鋼材受到學(xué)者的關(guān)注越來(lái)越多，相關(guān)主題的中、英文期刊文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，從圖3可以看出該領(lǐng)域已經(jīng)成為近年來(lái)的學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)之一。

圖3 近40年(1981年?2020年)不銹鋼復(fù)合鋼材相關(guān)中英文期刊文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量趨勢(shì)Fig. 3 Numbers of published papers in national and international journals between 1981 and 2020

Li等[9]統(tǒng)計(jì)了1993年?2009年日本有關(guān)復(fù)合鋼材的發(fā)明專利情況，其中涉及不銹鋼復(fù)合鋼材的占近60%。在這些有關(guān)復(fù)合鋼材的發(fā)明專利中，約50%與生產(chǎn)工藝(以熱軋工藝為多數(shù))相關(guān)，約40%與復(fù)合材料有關(guān)，其余10%則多數(shù)涉及焊接工藝。由此可見，目前關(guān)于不銹鋼復(fù)合鋼材的研發(fā)重點(diǎn)仍主要集中在材料與工藝方面，從結(jié)構(gòu)受力角度開展的研究還相對(duì)較少。因此，本文從結(jié)構(gòu)工程的研究視角，對(duì)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行全面綜述，為不銹鋼復(fù)合鋼材在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的科學(xué)研究與工程應(yīng)用提供參考。

1 不銹鋼復(fù)合鋼材的制造與標(biāo)準(zhǔn)體系

1.1 生產(chǎn)工藝

20世紀(jì)30年代開始，美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家相繼開展了不銹鋼復(fù)合鋼材的生產(chǎn)與研究。我國(guó)的不銹鋼復(fù)合鋼材生產(chǎn)可以追溯至20世紀(jì)60年代，較早的生產(chǎn)工藝是軋制復(fù)合法和鑄造復(fù)合法[14]，后來(lái)爆炸復(fù)合法逐漸發(fā)展成熟并成為主流生產(chǎn)工藝之一。目前熱軋復(fù)合法因其生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定可靠已成為國(guó)際上的主流生產(chǎn)工藝，但在我國(guó)爆炸復(fù)合法仍然因其經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性而被大量應(yīng)用。根據(jù)李龍等2013年的統(tǒng)計(jì)[14]，我國(guó)生產(chǎn)的不銹鋼復(fù)合板主要為爆炸復(fù)合板，復(fù)合板厚度為15 mm～30 mm，不銹鋼復(fù)層厚度為2 mm～4 mm。下面分別對(duì)軋制復(fù)合法、爆炸復(fù)合法和鑄造復(fù)合法這3種目前最主流的生產(chǎn)工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

軋制復(fù)合法(如圖4(a)所示)是最早產(chǎn)生的，也是目前應(yīng)用最普遍的復(fù)合鋼材生產(chǎn)方法[29?31]。軋制復(fù)合可分為熱軋復(fù)合(通過(guò)加熱升溫增大材料活化能，以便在較小壓力下實(shí)現(xiàn)復(fù)合，適合強(qiáng)度高、塑性低的材料)和冷軋復(fù)合(采用更大的軋制力和壓下量直接使材料在較低溫度下產(chǎn)生冶金結(jié)合，適合強(qiáng)度低、塑性高的材料)。軋制復(fù)合法大概可以分為3個(gè)步驟：1) 表面處理[32?33]。對(duì)基材和復(fù)材的待復(fù)合表面進(jìn)行處理，去除氧化物等可能影響復(fù)合效果的雜質(zhì)，然后按適當(dāng)方式組合成板迭后四周焊接密封以防止軋制過(guò)程中出現(xiàn)界面氧化(也可采用真空軋制[34?35]、填充保護(hù)氣體[36]或釬焊[37]等方式)。2) 軋制過(guò)程。通過(guò)施加壓力使待復(fù)合金屬表面破碎，產(chǎn)生塑性形變和熱效應(yīng)，隨后潔凈而活化的破碎表面在壓力和大壓下量的作用下形成平面狀的冶金結(jié)合。同時(shí)為減少軋制過(guò)程中發(fā)生的元素?cái)U(kuò)散(如基層碳向復(fù)層擴(kuò)散及復(fù)層鉻向基層擴(kuò)散)及生成有害化合物[38]，可通過(guò)增加中間層[39?40](如鎳[41]、銀銅鋅合金[42]、純鐵[43]等)的方式保證復(fù)合界面的強(qiáng)度與質(zhì)量。3) 軋制后熱處理[44?50]。目的是改善材料性能(如增加塑性)，減少殘余應(yīng)力和增加界面強(qiáng)度。軋制復(fù)合可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的大規(guī)模高效生產(chǎn)，產(chǎn)品尺寸規(guī)格大、同時(shí)適用于薄、中厚板的生產(chǎn)，復(fù)合界面均勻且結(jié)合性能優(yōu)異，通過(guò)控制軋制過(guò)程的初始厚度比與壓下率可以得到復(fù)合比較為精確的產(chǎn)品，更適合于結(jié)構(gòu)工程所需復(fù)合鋼板的生產(chǎn)；但軋制工藝較為復(fù)雜，需要大型軋制設(shè)備，因此投資成本相對(duì)較高。

圖4 不銹鋼復(fù)合鋼材的主流生產(chǎn)工藝Fig. 4 Main production technology of stainless-clad bimetallic steel

爆炸復(fù)合法(如圖4(b)所示)是將基層與復(fù)層金屬板平行放置并保留間隙，通過(guò)放置在復(fù)層上方的炸藥對(duì)復(fù)層施加爆炸能量和高溫高壓，讓復(fù)層與基層從引爆位置開始依次碰撞，在高速撞擊下界面處形成塑性變形區(qū)和金屬射流，清除表面層雜質(zhì)并在非常短的時(shí)間內(nèi)完成固相冶金結(jié)合[14,51]。其優(yōu)點(diǎn)是，界面成細(xì)波紋狀，剪切強(qiáng)度高，元素?cái)U(kuò)散范圍小，各層厚度在復(fù)合前后基本不變；但缺點(diǎn)是，需要特定爆炸場(chǎng)所，生產(chǎn)效率低、環(huán)境污染和噪聲震動(dòng)大，且不適用于小厚度板材[52?53]。在爆炸復(fù)合法基礎(chǔ)上結(jié)合軋制復(fù)合法產(chǎn)生的爆炸—軋制復(fù)合法是以爆炸法制取復(fù)合板坯，并通過(guò)軋制法最終生產(chǎn)出不銹鋼復(fù)合鋼材，這種方法相對(duì)于傳統(tǒng)爆炸復(fù)合法更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可以生產(chǎn)面積更大、厚度更小、剪切強(qiáng)度更高的不銹鋼復(fù)合鋼材[54 ? 56]。

鑄造復(fù)合法是將2塊經(jīng)過(guò)表面處理的不銹鋼板涂隔離劑疊合并焊合后，置于包含鋼液(基層)的鑄模內(nèi)，鋼液在不銹鋼板表面凝固形成復(fù)合鋼坯，并通過(guò)軋制得到不銹鋼復(fù)合鋼板。鑄造復(fù)合法工藝簡(jiǎn)單，成本低、產(chǎn)量大，但澆鑄時(shí)板厚不能太小，因此會(huì)限制產(chǎn)品尺寸[57?59]。目前較新的鑄造復(fù)合工藝還包括反向凝固法[60](將經(jīng)過(guò)表面處理的低碳鋼基層板自下而上穿過(guò)反向凝固器內(nèi)一定高度的不銹鋼液，使基層板表面附近的不銹鋼液快速降溫，在基層板表面形成凝固復(fù)合層，并在其處于半凝固狀態(tài)時(shí)進(jìn)行軋制，即可得到表面平整、厚度均勻的薄板)和離心鑄造法[61](先在離心鑄造機(jī)上鑄造外層環(huán)狀板坯，然后在其結(jié)晶時(shí)繼續(xù)注入內(nèi)層復(fù)材鋼液，形成環(huán)狀復(fù)合板坯，待其冷卻后再進(jìn)行加工形成成品管材)。

此外，還有一些生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合鋼材的工藝如激光熔覆法[62]、堆焊復(fù)合法[63]等，但其并不適用于大規(guī)模的結(jié)構(gòu)材料生產(chǎn)。

1.2 焊接工藝

陳家本[18]最早引進(jìn)了日本學(xué)者對(duì)于不銹鋼復(fù)合鋼材焊接工藝的研究，對(duì)于坡口加工、焊接材料、施焊順序和焊縫質(zhì)量檢查都作了相應(yīng)介紹。常用的焊接順序是先焊基層，然后焊接過(guò)渡層，最后焊接復(fù)層，然而有研究表明，當(dāng)焊接順序調(diào)換為先焊復(fù)層，然后焊接過(guò)渡層，最后焊接基層時(shí)，如果合理選擇焊材和焊接方式，依然能夠得到較好的焊接效果[64]。Liu等[65]對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材的焊縫形態(tài)與性能進(jìn)行了研究，于彬[66]對(duì)典型的焊接質(zhì)量問題(如過(guò)渡層形成馬氏體組織、擴(kuò)散層應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力)進(jìn)行了歸納。

為保證不銹鋼復(fù)合鋼材的性能，應(yīng)該對(duì)基層與復(fù)層分別選用與該層材質(zhì)相似的焊材和相應(yīng)的焊接工藝。在復(fù)合界面處的過(guò)渡層則是異種鋼焊接，過(guò)渡層焊縫處的金屬元素會(huì)受到基層低碳鋼的稀釋，因此需要選用鉻、鎳含量高，具有優(yōu)良焊接性能的焊材[67]。實(shí)際工程中為避免多種焊條混用，可對(duì)過(guò)渡層和復(fù)層采用同種型號(hào)焊條。目前有多種焊接方法可供選擇，如焊條電弧焊[68]、鎢極氬弧焊[69]、埋弧自動(dòng)焊[22]、激光電弧混合焊[70]等，其中焊條電弧焊因焊接速度高、焊接質(zhì)量好、焊接成本低且易于施焊而應(yīng)用較多[71]。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)體系

在較為成熟的生產(chǎn)與焊接工藝基礎(chǔ)之上，各國(guó)也針對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼板的生產(chǎn)工藝、化學(xué)成分、力學(xué)性能、檢測(cè)方法和焊接性能等進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定，制定了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，形成了初具規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)體系，如表2所示。李龍等[72]詳細(xì)對(duì)比了中國(guó)、美國(guó)和日本的不銹鋼復(fù)合板相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括其規(guī)格要求、界面結(jié)合率(即復(fù)層和基層間呈冶金結(jié)合狀態(tài)的面積占總界面面積的百分率，其中結(jié)合狀態(tài)采用超聲波檢驗(yàn)方法進(jìn)行確定)、剪切強(qiáng)度的對(duì)比等。不同標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求存在差異，以復(fù)合界面抗剪強(qiáng)度為例，GB/T 8165?2008[73]中規(guī)定最小值為210 MPa(Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí))和200 MPa(Ⅲ級(jí))，而ASTM A263?12[74]中規(guī)定的最小值為140 MPa，JIS G 3601?2012[75]則是200 MPa。

表2 不銹鋼復(fù)合鋼材的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standards related to stainless-clad bimetallic steels

2 材料力學(xué)性能研究

2.1 拉伸性能

不銹鋼復(fù)合鋼材是由兩種拉伸性能不同的鋼材復(fù)合而成，因而其宏觀拉伸性能與普通低碳鋼或不銹鋼存在差異；不同復(fù)合比(即復(fù)層厚度與復(fù)合鋼材總厚度的比值)下材料典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度對(duì)比如圖5所示，可見復(fù)合比的影響顯著。

圖5 復(fù)合比對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材拉伸性能的影響Fig. 5 Effects of clad ratios on tensile performance of stainless-clad bimetallic steels

對(duì)于雙金屬?gòu)?fù)合材料的拉伸性能指標(biāo)與基層和復(fù)層材料性能指標(biāo)的關(guān)系，目前學(xué)界普遍采用混合法則(Rule of Mixtures)進(jìn)行預(yù)測(cè)，例如拉伸強(qiáng)度的混合法則計(jì)算公式為：

式中：σu為雙金屬?gòu)?fù)合材料的整體拉伸強(qiáng)度；σuClad和σuSub分別為基層和復(fù)層的拉伸強(qiáng)度；VClad和VSub分別為基層和復(fù)層的體積分?jǐn)?shù)。

許多學(xué)者通過(guò)對(duì)不同復(fù)合比的不銹鋼復(fù)合鋼材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)拉伸試驗(yàn)結(jié)果也能夠與混合法則得到的預(yù)測(cè)結(jié)果較好吻合，證明了混合法則同樣適用于不銹鋼復(fù)合鋼材。例如Motarjemi等[76]驗(yàn)證了304L+A516Gr60不銹鋼復(fù)合鋼材的屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度滿足混合法則；Dhib等[77]驗(yàn)證了316+A283不銹鋼復(fù)合鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度與彈性模量滿足混合法則；Ban等[78]通過(guò)拉伸試驗(yàn)得到的316+Q235B不銹鋼復(fù)合鋼材的屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度也符合混合法則的趨勢(shì)。筆者還提出了常溫與高溫下不銹鋼復(fù)合鋼材的彈性模量與強(qiáng)度指標(biāo)的預(yù)測(cè)表達(dá)式，只要測(cè)定基層與復(fù)層材料在相應(yīng)條件下的指標(biāo)，就可以通過(guò)復(fù)合比計(jì)算出不銹鋼復(fù)合鋼材對(duì)應(yīng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)值，其中彈性模量采用了與混合法則一致的線性表達(dá)式，強(qiáng)度指標(biāo)則采用了基于混合法則進(jìn)行修正的非線性表達(dá)式[79]，后者仍需更廣泛試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

對(duì)于雙金屬?gòu)?fù)合板材的拉伸斷裂，趙軍和李碩本[80]較早地提出了破壞模式與判斷方法，認(rèn)為在界面具有足夠強(qiáng)度的條件下，拉伸斷裂應(yīng)變較低的材料首先產(chǎn)生頸縮趨勢(shì)，但被另一種塑性變形能力更強(qiáng)的材料所抑制，因此將繼續(xù)共同變形直到整體頸縮破壞，他們給出了基于Hollomon本構(gòu)模型的雙金屬?gòu)?fù)合板極限應(yīng)力-應(yīng)變的近似計(jì)算公式，并通過(guò)鋼-鋁復(fù)合板拉伸試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。不銹鋼復(fù)合鋼材中復(fù)合界面的強(qiáng)度會(huì)顯著影響拉伸斷裂形式，Nambu等[81]從宏觀角度將拉伸斷裂形式分為3類：第一類是當(dāng)復(fù)合界面強(qiáng)度很低時(shí)，基層與復(fù)層在受拉后很快發(fā)生分離，延性較弱的材料先發(fā)生斷裂；第二類是當(dāng)復(fù)合界面強(qiáng)度中等時(shí)，基層與復(fù)層在進(jìn)入塑性后仍能共同受力，但當(dāng)變形發(fā)展到一定程度時(shí)復(fù)合界面首先發(fā)生分層失效，隨后導(dǎo)致碳鋼層脆斷；第三類是當(dāng)復(fù)合界面強(qiáng)度很高時(shí)，基層與復(fù)層可以一直協(xié)同受力并發(fā)生較大的均勻拉伸變形，最終出現(xiàn)類似單一材料的頸縮破壞。針對(duì)拉伸斷裂的斷面，Huang等[82]采用掃描電鏡進(jìn)行了微觀尺度的研究，發(fā)現(xiàn)界面處首先出現(xiàn)裂紋發(fā)展，且不銹鋼層靠近界面處的滲碳層呈現(xiàn)晶間斷裂形態(tài)，但隨著界面裂紋的擴(kuò)張，其發(fā)展方向轉(zhuǎn)向低碳鋼側(cè)，他們對(duì)此進(jìn)行了分析，認(rèn)為界面出現(xiàn)裂紋是由于不銹鋼與低碳鋼的強(qiáng)度和塑性差異導(dǎo)致界面出現(xiàn)局部高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)，不銹鋼滲碳層的晶間斷裂與碳元素?cái)U(kuò)散有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，Li等[83?84]對(duì)第三類拉伸斷裂形式進(jìn)行了更深入的研究，通過(guò)對(duì)斷面的顯微圖像分析，頸縮破壞時(shí)的裂縫產(chǎn)生于不銹鋼滲碳層和界面層之間，該區(qū)域發(fā)生破壞的原因是兩種材料力學(xué)性能差異所導(dǎo)致的界面剪力。Liu等[85]對(duì)已有研究進(jìn)行了總結(jié)，概括出界面強(qiáng)度與拉伸斷裂破壞過(guò)程的關(guān)系，當(dāng)界面相對(duì)較弱時(shí)，不銹鋼層靠近界面處的滲碳區(qū)首先發(fā)生晶間斷裂，并導(dǎo)致局部界面失效分層，使得該區(qū)域的低碳鋼層單獨(dú)受力并很快發(fā)生斷裂；當(dāng)界面相對(duì)較強(qiáng)時(shí)，滲碳區(qū)晶間斷裂的發(fā)生不會(huì)導(dǎo)致界面失效，材料呈現(xiàn)出整體性更好的頸縮破壞形式，但頸縮破壞時(shí)裂紋依然是在低碳鋼層產(chǎn)生，因?yàn)槠渌苄暂^差。當(dāng)拉伸試件中包含焊縫時(shí)，如果焊縫強(qiáng)度足夠，拉伸斷裂破壞應(yīng)該仍然發(fā)生在非焊縫區(qū)域，Dhib等[86]采用熱軋復(fù)合的316+A283不銹鋼復(fù)合鋼材設(shè)計(jì)了3種不同類型的焊接接頭，其拉伸試驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了這一推論。

此外，加工率[87]、熱軋溫度[88]、界面區(qū)域分?jǐn)?shù)[89]和翹曲彈性現(xiàn)象[90]對(duì)拉伸性能的影響也受到了關(guān)注。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨加工率增加，材料拉伸強(qiáng)度增加，但塑性降低；隨熱軋溫度提高，材料拉伸強(qiáng)度降低，但界面剪切強(qiáng)度和材料韌性均提高，且變形協(xié)調(diào)能力增強(qiáng)，塑性變形更均勻，有利于阻止裂紋擴(kuò)展；隨界面區(qū)域分?jǐn)?shù)增加，屈服強(qiáng)度改變不大，但極限強(qiáng)度和均勻伸長(zhǎng)率均有提升，材料的延展性增強(qiáng)。

總體而言，不銹鋼復(fù)合鋼材的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈明顯非線性，一般沒有明顯屈服平臺(tái)。復(fù)合比是影響其彈性模量和強(qiáng)度指標(biāo)的重要因素，可通過(guò)線性或非線性公式進(jìn)行表達(dá)，復(fù)合比越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征越接近不銹鋼的特征，反之越接近基層普通鋼材的特征。不銹鋼復(fù)合鋼材的拉伸性能受兩種復(fù)合材料共同作用的影響，復(fù)合界面強(qiáng)度是確定破壞模式的關(guān)鍵因素，對(duì)于工程中滿足界面強(qiáng)度要求的不銹鋼復(fù)合鋼材，通常拉伸破壞發(fā)生在材料明顯頸縮之后，且初始裂紋產(chǎn)生于塑性較差的低碳鋼區(qū)域。

2.2 冷彎性能

不銹鋼復(fù)合鋼材在生產(chǎn)制造過(guò)程中常常需要進(jìn)行冷彎加工，如板材的彎曲矯直或圓柱形構(gòu)件的制造，材料的冷彎性能會(huì)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是考慮到不銹鋼復(fù)合鋼材的基層材料與復(fù)層材料在強(qiáng)度和塑性上都存在差異，其受彎后的截面彈塑性發(fā)展與單一材料有較大不同，復(fù)合比與彎曲方向會(huì)顯著影響其冷彎性能，應(yīng)力分布在復(fù)合界面處因材料性質(zhì)改變而不連續(xù)。雙金屬?gòu)?fù)合板受彎性能的相關(guān)研究開展較早，例如針對(duì)平面應(yīng)變條件下雙金屬?gòu)?fù)合板的純彎曲性能，有學(xué)者進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了以曲率為變量計(jì)算彎曲后板厚、彎矩和應(yīng)力分布的方法[91?92]。類似的分析方法同樣適用于不銹鋼復(fù)合鋼材，Li等[93]基于對(duì)鋼-鋁復(fù)合板受彎性能的研究[94]，通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方式對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼板的純彎曲性能進(jìn)行了研究，建立了可以預(yù)測(cè)彎曲過(guò)程中在平面應(yīng)變條件下厚度方向不同區(qū)域和特定平面(應(yīng)力中性面、幾何中面和復(fù)合界面)變形行為的模型，該模型可以給出彎曲過(guò)程中的應(yīng)力分布、相對(duì)厚度變化和彎矩發(fā)展情況，利用該模型對(duì)不同復(fù)合比、不同彎曲方向的情況分別進(jìn)行了理論計(jì)算，數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了該模型的有效性。除了純彎曲外，近年來(lái)多位學(xué)者還就實(shí)際生產(chǎn)制造中常用的不銹鋼復(fù)合鋼板材彎曲矯直過(guò)程展開了研究，王效崗等[95]提出了彎曲分層矯正計(jì)算模型，通過(guò)迭代方法計(jì)算板材在彎曲矯直過(guò)程中截面應(yīng)力-應(yīng)變分布、中性層偏移量和矯正后殘余應(yīng)力-應(yīng)變分布隨曲率的變化，并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，結(jié)果表明由于基層材料的屈服強(qiáng)度低，因此在彎曲過(guò)程中先屈服，導(dǎo)致彎曲中性層向復(fù)層一側(cè)偏移，當(dāng)復(fù)合比減小時(shí)，中性層偏移減小，但復(fù)合界面處的應(yīng)力突變會(huì)增大。李樂毅等[96]進(jìn)一步研究了該分層計(jì)算模型，分情況討論了不同復(fù)合比、不同彎曲方向時(shí)的計(jì)算方法與數(shù)學(xué)模型，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了不同復(fù)合比下的矯直力計(jì)算結(jié)果。在彎曲過(guò)程中，不銹鋼復(fù)合鋼材由于基層與復(fù)層的材性差異會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的截面彈塑性狀態(tài)，張超等[97]對(duì)不銹鋼復(fù)合板彎曲過(guò)程進(jìn)行了理論推導(dǎo)，對(duì)關(guān)于彎曲曲率、中性層偏移距離與截面應(yīng)力分布的方程進(jìn)行解耦，得到了截面彈塑性狀態(tài)演變路徑的解析模型，分析了矯直過(guò)程中板件的彎曲回彈特性和截面的反向屈服現(xiàn)象，并將結(jié)果與單一材料板件進(jìn)行了對(duì)比。

上述研究為進(jìn)一步開展有關(guān)不銹鋼復(fù)合鋼材的板件冷彎性能和構(gòu)件受彎性能研究提供了基礎(chǔ)；同時(shí)，彎曲過(guò)程中不銹鋼復(fù)合鋼材的復(fù)合界面表現(xiàn)出了良好的完整性，材料整體具有良好的冷彎性能，保證了其工程應(yīng)用中冷彎加工制造的可行性。

2.3 高溫性能

鋼材在高溫下的性能會(huì)發(fā)生顯著變化，因此鋼結(jié)構(gòu)的高溫及抗火性能研究對(duì)于結(jié)構(gòu)安全分析和相應(yīng)設(shè)計(jì)有重要意義。不銹鋼復(fù)合鋼材在高溫下強(qiáng)度會(huì)下降，拉伸斷裂破壞方式也與常溫時(shí)不同，如圖6所示。

圖6 不銹鋼復(fù)合鋼材高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果[79]Fig. 6 Typical tensile coupon test results of stainless-clad bimetallic steel at elevated temperatures[79]

不銹鋼復(fù)合鋼材的高溫性能研究目前主要從高溫下性能和火災(zāi)后性能2個(gè)方向開展，對(duì)于高溫下性能，不同學(xué)者在不同的溫度區(qū)間進(jìn)行了研究，如Ban等[79]對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材基層與復(fù)層材料高溫下的試驗(yàn)方法、本構(gòu)模型及力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為總體上不銹鋼(復(fù)層)的耐火性能較普通鋼(基層)更優(yōu)，并對(duì)316L+Q235B不銹鋼復(fù)合鋼材進(jìn)行了200 ℃～900 ℃的系列高溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明隨溫度升高，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均下降；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)該材料在20 ℃～950 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行了64次穩(wěn)態(tài)拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨溫度升高，材料的強(qiáng)度和彈性模量表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，并擬合出以溫度和復(fù)合比為變量的高溫下不銹鋼復(fù)合鋼材的強(qiáng)度和彈性模量預(yù)測(cè)方程；Li等[98]研究了2205+AH36不銹鋼復(fù)合鋼材在更高溫度區(qū)間(950 ℃～1250 ℃)和不同應(yīng)變率(0.01 s?1～1 s?1)下的拉伸性能，構(gòu)建了基于高溫下應(yīng)變硬化、動(dòng)態(tài)恢復(fù)和動(dòng)態(tài)重結(jié)晶等機(jī)制的本構(gòu)模型，提出了考慮雙相不銹鋼應(yīng)變分配的應(yīng)力計(jì)算混合法則，并通過(guò)試驗(yàn)和有限元模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。另一方面，對(duì)于不銹鋼復(fù)合鋼材的火災(zāi)后性能，Ban等[99]利用316L+Q235B不銹鋼復(fù)合鋼材進(jìn)行了63次試驗(yàn)，將相同試件加熱至不同溫度(溫度范圍為100 ℃～1000 ℃)，或?qū)⒉煌瑥?fù)合比的試件加熱到相同溫度(600 ℃)，冷卻后(冷卻方式為水冷或空冷)進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)以獲取彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能指標(biāo)，分析了加熱溫度及冷卻方式對(duì)各類力學(xué)性能指標(biāo)的影響并與純低碳鋼/不銹鋼進(jìn)行對(duì)比，提出了用于描述不銹鋼復(fù)合鋼材火災(zāi)后各力學(xué)性能的方程，并考慮了復(fù)合比的影響。

目前針對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材高溫下力學(xué)性能的研究已有一定的積累，也提出了相關(guān)力學(xué)指標(biāo)與溫度之間的定量表達(dá)公式；后續(xù)除進(jìn)一步豐富不同等級(jí)不銹鋼復(fù)合鋼材高溫下的材性數(shù)據(jù)外，還需基于材性研究結(jié)論，對(duì)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)層面的抗火性能進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究。

2.4 斷裂與疲勞性能

不銹鋼復(fù)合鋼材的應(yīng)用前景廣泛，其適用的工程結(jié)構(gòu)如鋼橋、海洋工程結(jié)構(gòu)等，在使用期間會(huì)經(jīng)歷長(zhǎng)期的循環(huán)荷載作用，因此了解其斷裂與疲勞性能，對(duì)保障結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。由于基層與復(fù)層具有不同的材料特性，尤其是塑性性能方面差異顯著，同時(shí)復(fù)合過(guò)程會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，這些因素都會(huì)對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材的斷裂與疲勞性能產(chǎn)生重要影響，使其明顯區(qū)別于普通鋼材。

張亞軍等[19,21]對(duì)321+Q370q不銹鋼復(fù)合鋼材及其焊接接頭進(jìn)行了脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)，其中復(fù)合鋼材斷裂試樣中，絕大部分的疲勞裂紋萌生于基層，少數(shù)起源于復(fù)層；焊接接頭斷裂試樣同樣大部分起裂于基層焊接部位，少數(shù)從復(fù)層焊接部位開始裂紋擴(kuò)展；結(jié)合斷裂力學(xué)分析，由于材性不同，不銹鋼的裂紋擴(kuò)展阻力高于低碳鋼，因此在相同條件下裂紋更容易在低碳鋼層萌生和擴(kuò)展。已有的疲勞裂紋擴(kuò)展速率會(huì)受到應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，后者與材料性能差異[100]、殘余應(yīng)力分布[101]及裂紋尖端應(yīng)變分布[102]等因素有關(guān)。爆炸復(fù)合法產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也會(huì)對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材的疲勞性能產(chǎn)生不利影響，隨著爆炸率增加，材料的疲勞壽命會(huì)縮短[103]，經(jīng)適當(dāng)退火處理可以減弱殘余應(yīng)力的影響[104]。疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律是不銹鋼復(fù)合鋼材斷裂與疲勞性能研究中的重點(diǎn)，裂紋的位置與方向會(huì)顯著影響其擴(kuò)展規(guī)律。Ogura等[102]就發(fā)現(xiàn)從不銹鋼到普通鋼時(shí)裂紋沿厚度方向擴(kuò)展，從普通鋼到低碳鋼時(shí)裂紋沿平行于界面方向擴(kuò)展。為了進(jìn)一步探究裂紋擴(kuò)展規(guī)律及其機(jī)理，Sugimura等對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材進(jìn)行了多種裂紋位置與方向的疲勞試驗(yàn)，包括裂紋垂直于界面[105]和與界面呈任意角度[106]，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)因?yàn)椴讳P鋼與低碳鋼塑性性能存在差異，疲勞裂紋在復(fù)合鋼材中的發(fā)展會(huì)因其初始位置及方向而變化；當(dāng)初始裂紋發(fā)生在塑性更好的不銹鋼側(cè)時(shí)，疲勞裂紋會(huì)穿過(guò)復(fù)合界面加速擴(kuò)展；反之，當(dāng)初始裂紋發(fā)生在塑性更差的低碳鋼側(cè)時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展會(huì)在靠近界面時(shí)受到阻礙而減緩或停止，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)向而在低碳鋼層內(nèi)擴(kuò)展；當(dāng)初始裂紋恰好位于復(fù)合界面處時(shí)，會(huì)偏向低碳鋼側(cè)擴(kuò)展。Sugimura等[107]應(yīng)用J積分理論對(duì)這一規(guī)律進(jìn)行了分析，江峰等[108?109]后來(lái)開展的研究也得到了相似的規(guī)律。不銹鋼復(fù)合鋼材的裂紋擴(kuò)展規(guī)律對(duì)于其他雙金屬?gòu)?fù)合材料同樣適用，例如純鐵-鐵素體鋼復(fù)合材料[110?112]或銅-鋼復(fù)合材料[113]。復(fù)合界面存在較大的殘余應(yīng)力且可能有結(jié)合缺陷，因此其斷裂與疲勞性能會(huì)受到影響，Ohji等[114]和江峰等[115]就發(fā)現(xiàn)復(fù)合界面的裂紋擴(kuò)展阻力顯著低于基層和復(fù)層材料，這可能給結(jié)構(gòu)帶來(lái)破壞隱患，不過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中加入鎳中間層是提高復(fù)合界面的抗裂性能的一種有效手段[114,116]。在已有研究的基礎(chǔ)上，基于對(duì)內(nèi)部、表面和貫穿裂紋的考慮，Andreikiv等[117]提出了雙金屬?gòu)?fù)合板在循環(huán)拉伸荷載下的剩余壽命評(píng)估方法。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，基層與復(fù)層材料塑性性能的差異和復(fù)合界面性能都對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材的裂紋發(fā)展與抗裂性能有重要影響，尤其是初始裂紋發(fā)生在不銹鋼側(cè)或復(fù)合界面處時(shí)，相比于在低碳鋼側(cè)，會(huì)對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生更不利的影響，在工程應(yīng)用中尤其需要注意。

2.5 滯回性能

地震作用下結(jié)構(gòu)承受巨大的往復(fù)力，結(jié)構(gòu)材料可能在大應(yīng)變循環(huán)下發(fā)生低周疲勞行為，因此鋼材在循環(huán)荷載下的力學(xué)性能研究能夠?yàn)榭拐鹪O(shè)計(jì)的彈塑性分析提供基礎(chǔ)[118]。班慧勇等[119?121]對(duì)復(fù)合比為0.375和0.5的316L+Q235B不銹鋼復(fù)合鋼材，各進(jìn)行了17種加載制度下共23次試驗(yàn)，分析了材料的單調(diào)與滯回性能及破壞形態(tài)，采用Ramberg-Osgood(R-O)模型擬合了循環(huán)骨架曲線，基于Chaboche模型對(duì)循環(huán)本構(gòu)模型參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定并代入有限元驗(yàn)算，證明該模型能有效模擬不銹鋼復(fù)合鋼材的滯回行為，試驗(yàn)與有限元模擬得到的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示；研究對(duì)比了不同復(fù)合比下材料的單調(diào)及循環(huán)骨架曲線，發(fā)現(xiàn)材料表現(xiàn)出明顯的循環(huán)強(qiáng)化特性，基層與復(fù)層在循環(huán)荷載作用下有良好的抗震耗能能力和協(xié)調(diào)變形能力，且復(fù)合比會(huì)明顯影響材料在循環(huán)荷載下的力學(xué)性能。筆者還基于試驗(yàn)結(jié)果做了更系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算，提出了本構(gòu)模型。

圖7 不銹鋼復(fù)合鋼材與基層、復(fù)層材料循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比[120]Fig. 7 Comparison of cyclic stress-strain curves for stainlessclad bimetallic steel and its substrate as well as cladding metal[120]

以上研究指出復(fù)層和基層的循環(huán)強(qiáng)化特征不同，而不銹鋼復(fù)合鋼材介于二者之間，修正后的Chaboche模型和R-O模型可以分別較好地模擬不銹鋼復(fù)合鋼材的滯回本構(gòu)關(guān)系和骨架曲線。

2.6 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

高應(yīng)變率下結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化等效應(yīng)也是材料的重要力學(xué)性能之一，是研究結(jié)構(gòu)在沖擊、爆炸等荷載下受力性能的基礎(chǔ)。文潮和關(guān)錦清等[122?123]使用分離式霍普金森拉桿和壓桿(SHTB、SHPB)對(duì)0Cr18Ni9Ti+16MnR不銹鋼復(fù)合鋼材進(jìn)行了沖擊拉伸與壓縮試驗(yàn)，其中沖擊拉伸應(yīng)變率為270 s?1～1650 s?1，沖擊壓縮應(yīng)變率為350 s?1～1000 s?1，試驗(yàn)證明不銹鋼復(fù)合鋼材具有明顯的應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化效應(yīng)，拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率也隨應(yīng)變率增大而增大。Mei和Ban[124]利用分離式霍普金森壓桿對(duì)11組不同復(fù)合比、加載方向的316L+Q235B不銹鋼復(fù)合鋼材試件，進(jìn)行了從準(zhǔn)靜態(tài)(0.0005 s?1)到高應(yīng)變率(1000 s?1～4000 s?1)共6種應(yīng)變率下總計(jì)123次沖擊壓縮試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果采用Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)方程能夠較準(zhǔn)確地進(jìn)行擬合；研究發(fā)現(xiàn)，材料在高應(yīng)變率下具有明顯的應(yīng)變率硬化現(xiàn)象，且隨著復(fù)合比增加，強(qiáng)度略微提升的同時(shí)應(yīng)變硬化性和應(yīng)變率敏感性降低，此外在高應(yīng)變率下該材料可視作各向同性，如圖8所示；提出以復(fù)合比和應(yīng)變率為變量的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子方程和通用本構(gòu)方程。張心金等[125]

圖8 準(zhǔn)靜態(tài)與高應(yīng)變率下不銹鋼復(fù)合鋼材的應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線對(duì)比[124]Fig. 8 Comparison of stress-plastic strain curves for stainlessclad bimetallic steel at quasi-static and high strain rate state[124]

通過(guò)夏比沖擊試驗(yàn)研究了316+Q345不銹鋼復(fù)合鋼材在不同復(fù)合比及溫度條件下的沖擊韌性，研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論缺口位于基層表面、復(fù)層表面或側(cè)面時(shí)，材料的沖擊吸收能均隨復(fù)合比增大和溫度升高而增大。宜亞麗等[126]通過(guò)模擬冰荷載(海冰對(duì)船體的沖擊荷載)研究了316L+EH40不銹鋼復(fù)合鋼材的抗沖擊性能，發(fā)現(xiàn)隨復(fù)合比增加，材料在沖擊荷載下的撓度-時(shí)間曲線基本不變，最大撓度值略微上升，抗沖擊性能稍有下降。

2.7 耐腐蝕性能

由于不銹鋼復(fù)層的存在，不銹鋼復(fù)合鋼材的耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通低碳鋼[127]，優(yōu)異的耐腐蝕性能是其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程中最重要的優(yōu)勢(shì)之一。已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材及其焊接接頭在各種環(huán)境下的耐腐蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，具體材料、試驗(yàn)方法、腐蝕環(huán)境和研究結(jié)論見表3。

表3 不銹鋼復(fù)合鋼材耐腐蝕性能試驗(yàn)研究情況Table 3 Summary of tests on corrosion behavior of stainless-clad bimetallic steels

劉會(huì)云等[134]對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材的復(fù)層晶間腐蝕試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行了概述，對(duì)已有文獻(xiàn)中的復(fù)層晶間腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行了歸納，認(rèn)為不銹鋼復(fù)合鋼材與單一不銹鋼材料不同，采用傳統(tǒng)不銹鋼晶間腐蝕檢驗(yàn)方法(如草酸浸蝕、硫酸-硫酸銅腐蝕、硫酸-硫酸鐵腐蝕等)將會(huì)因無(wú)法準(zhǔn)確反映復(fù)合材料整體耐腐蝕性能、取樣難度大等原因而受到局限，而新的檢測(cè)方法如電化學(xué)動(dòng)電位再活化法(EPR法)也存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、檢驗(yàn)不全面的問題，因此對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材的晶間腐蝕檢驗(yàn)應(yīng)當(dāng)制定專門的方法與標(biāo)準(zhǔn)。

復(fù)合工藝中的熱處理過(guò)程可能影響不銹鋼復(fù)合鋼材的耐腐蝕性能，白允強(qiáng)等[104]對(duì)爆炸復(fù)合生產(chǎn)的2205+Q345不銹鋼復(fù)合鋼材進(jìn)行了硝酸侵蝕試驗(yàn)，研究了熱處理對(duì)耐腐蝕性能的影響，試驗(yàn)表明爆炸復(fù)合產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)加快材料的腐蝕，而適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚磲尫艢堄鄳?yīng)力可以有效提高材料的耐腐蝕性能，但退火溫度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致不銹鋼析出有害沉淀相，反而嚴(yán)重削弱耐腐蝕性能。Paula等[135]的研究也表明，爆炸復(fù)合后的316L不銹鋼相比于爆炸復(fù)合前，其腐蝕電勢(shì)降低、鈍化電流密度升高、極化電阻降低，耐腐蝕性能變?nèi)?。楊海波[136]對(duì)比分析了6種熱處理工藝對(duì)晶間腐蝕的影響，王春雨等[137]研究了3種復(fù)層不銹鋼材料304、321及316L在熱處理后的晶間腐蝕特性，結(jié)果表明需要采用合適的熱處理工藝使不銹鋼復(fù)合鋼材達(dá)到最優(yōu)的耐腐蝕性能。

表3中的多項(xiàng)研究結(jié)果都表明，在實(shí)際腐蝕環(huán)境中，基層碳鋼與復(fù)層不銹鋼的相互作用可能會(huì)導(dǎo)致腐蝕加速，電偶的形成會(huì)加速陽(yáng)極金屬(低碳鋼)的腐蝕[129]，板材側(cè)面的碳鋼與不銹鋼形成的電位差會(huì)加速基層碳鋼的腐蝕[130]，基層、復(fù)層與側(cè)面的腐蝕形貌如圖9所示。Li等[138]對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材和純不銹鋼復(fù)層材進(jìn)行了電化學(xué)腐蝕法對(duì)比試驗(yàn)，前者的耐腐蝕性能不如后者，分析原因可能是基層低碳鋼釋放的鐵離子導(dǎo)致蝕刻液中鐵離子濃度上升，加劇了不銹鋼的局部晶間腐蝕?；谏鲜鲅芯?，建議在近?；蚝Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)中使用不銹鋼復(fù)合鋼材作為耐腐蝕材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用閉口截面構(gòu)件并將復(fù)層置于外側(cè)，避免板件側(cè)面外露，形成電偶或釋放鐵離子而導(dǎo)致更嚴(yán)重的腐蝕，以保護(hù)工程結(jié)構(gòu)，增加使用壽命。

圖9 不銹鋼復(fù)合鋼材不同暴露位置試件48 h后腐蝕形貌[130]Fig. 9 Corroded surfaces of stainless-clad bimetallic steel after 48 h[130]

2.8 復(fù)合界面性能

復(fù)合界面的存在是不銹鋼復(fù)合鋼材的重要特點(diǎn)，相關(guān)研究已較為豐富，許多學(xué)者[139?142]都對(duì)熱軋復(fù)合界面的組織形貌、界面特征、結(jié)合特點(diǎn)等進(jìn)行了研究，Li等[143]將復(fù)合界面及周圍區(qū)域劃分為不銹鋼增碳層、擴(kuò)散層和低碳鋼失碳層3層，這些分層主要是由復(fù)合過(guò)程中的元素?cái)U(kuò)散引起的；測(cè)量了熱軋復(fù)合的304+Q235不銹鋼復(fù)合鋼材中這3層的厚度，分別為80 μm、20 μm和150 μm；發(fā)現(xiàn)3個(gè)中間層與基層和復(fù)層的強(qiáng)度與延性在厚度方向上呈現(xiàn)出漸變趨勢(shì)，有利于不銹鋼和碳鋼之間的牢固結(jié)合以及厚度方向上力學(xué)性能的穩(wěn)定轉(zhuǎn)變；不過(guò)從整體上來(lái)看，復(fù)合界面處的強(qiáng)度和硬度仍然會(huì)因?yàn)椴牧喜煌l(fā)生較明顯的突變，一系列沿厚度方向不同位置取樣進(jìn)行的微型平板拉伸試驗(yàn)和顯微硬度試驗(yàn)證實(shí)了這一結(jié)論[76]。Zhang等[144]對(duì)304+Q235熱軋復(fù)合界面進(jìn)行了宏觀與微觀尺度的研究，發(fā)現(xiàn)在宏觀尺度上，復(fù)合界面因304不銹鋼的影響而具有高屈強(qiáng)比；在微觀尺度上，復(fù)合界面因Q235低碳鋼的影響而具有更高的屈服強(qiáng)度。

有關(guān)不銹鋼復(fù)合鋼材界面結(jié)合性能的評(píng)價(jià)方法，李龍等[9,145]進(jìn)行了較為詳細(xì)的綜述，分為定性評(píng)價(jià)如彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，以及定量評(píng)價(jià)如剪切試驗(yàn)、剝離試驗(yàn)、界面結(jié)合度試驗(yàn)、壓痕試驗(yàn)及粘結(jié)拉伸試驗(yàn)，還有包括超聲波檢測(cè)、紅外熱波成像檢測(cè)、聲-超聲檢測(cè)和微波檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)方法。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)對(duì)各項(xiàng)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)作出了要求，在此基礎(chǔ)上一些學(xué)者對(duì)界面結(jié)合性能的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)進(jìn)行了討論，如界面剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)取值[146]、薄板的剪切試驗(yàn)方法[147?148]、彎曲試驗(yàn)中彎曲方向?qū)Y(jié)果的影響[149]等。界面剪切強(qiáng)度是不銹鋼復(fù)合鋼材最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，目前常規(guī)的測(cè)試方法是以宏觀界面的剪切強(qiáng)度作為材料的剪切強(qiáng)度，但大量更加精細(xì)化的試驗(yàn)[150?151]表明，低碳鋼失碳層的剪切強(qiáng)度低于宏觀界面的剪切強(qiáng)度，這一現(xiàn)象受到元素?cái)U(kuò)散及殘余應(yīng)力的影響，因此有學(xué)者提出應(yīng)當(dāng)以該區(qū)域的剪切強(qiáng)度代替宏觀界面的剪切強(qiáng)度來(lái)作為復(fù)合界面的剪切強(qiáng)度檢測(cè)依據(jù)[152]。祝志超等[153]對(duì)剪切試驗(yàn)進(jìn)行了有限元模擬，分析了復(fù)層凸臺(tái)尺寸各參數(shù)變化對(duì)剪切試驗(yàn)中復(fù)合界面應(yīng)力分布的影響。除此之外，取樣位置也會(huì)影響界面剪切強(qiáng)度，馮雪楠等[154]對(duì)熱軋復(fù)合法生產(chǎn)的304+Q235不銹鋼復(fù)合鋼卷板在板中和板尾分別取樣進(jìn)行了剪切強(qiáng)度測(cè)試，板尾處試件剪切強(qiáng)度明顯低于板中處，分析原因?yàn)榘逦蔡帍?fù)合界面存在空隙，導(dǎo)致界面處元素?cái)U(kuò)散距離縮短，因而對(duì)界面的冶金結(jié)合造成不利影響?；诖罅垦芯砍晒u德寧等[155]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對(duì)總計(jì)177組不銹鋼復(fù)合鋼材剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，提出了以不銹鋼鎳鉻當(dāng)量和復(fù)合比等為變量的界面剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，為理論計(jì)算與數(shù)值模擬提供了參考。

復(fù)合工藝參數(shù)對(duì)于不銹鋼復(fù)合鋼材的界面組織及性能有顯著影響，Liu等[85]就對(duì)此進(jìn)行相當(dāng)了全面的綜述，包括表面處理、氣氛條件、真空度、軋制溫度、壓下率、中間層、熱處理等參數(shù)對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)、界面性能與力學(xué)性能的影響，并對(duì)各類有關(guān)界面生成與結(jié)合的理論進(jìn)行了歸納。在這些影響因素中，最受關(guān)注方面之一的是熱軋壓下率，大量學(xué)者[156?163]通過(guò)試驗(yàn)研究了熱軋壓下率對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材復(fù)合界面組織及性能的影響，試驗(yàn)及分析結(jié)果總體表現(xiàn)為隨熱軋壓下率增大，不銹鋼復(fù)合鋼材的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均提高。熱軋壓下率增大使得更多原子被激活，原子擴(kuò)散、滲透、嵌合程度增加，復(fù)合界面的厚度、剪切強(qiáng)度和變形協(xié)調(diào)性均顯著提高。當(dāng)熱軋壓下率較小時(shí)，剪切斷裂發(fā)生在界面處，隨著壓下率增高，界面強(qiáng)度增加，剪切斷裂在脫碳層處發(fā)生。除了熱軋壓下率，對(duì)其他影響因素的研究也已經(jīng)較為豐富，部分相關(guān)研究成果見表4。

表4 不銹鋼復(fù)合鋼材界面性能研究情況Table 4 Summary of research on interface properties of stainless-clad bimetallic steels

不銹鋼復(fù)合鋼材復(fù)合界面的切向抗剪性能和法向粘結(jié)性能是影響基層和復(fù)層金屬材料共同工作的重要力學(xué)指標(biāo)，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)連接和節(jié)點(diǎn)的受力性能至關(guān)重要，可能引發(fā)結(jié)構(gòu)新的破壞模式(如界面分層失效)；因此該性能是不銹鋼復(fù)合鋼材鋼結(jié)構(gòu)研究的重要課題。

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件與連接節(jié)點(diǎn)受力性能研究

3.1 穩(wěn)定性能

構(gòu)件穩(wěn)定性能是鋼結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)中最重要內(nèi)容之一，對(duì)于不銹鋼復(fù)合鋼材受壓構(gòu)件整體與局部穩(wěn)定性能的研究已經(jīng)得到了初步開展。Zhao等[168?169]對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼柱的整體穩(wěn)定性能進(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究(如圖10所示)，對(duì)13根長(zhǎng)細(xì)比不同、采用不銹鋼復(fù)合鋼材制作的焊接長(zhǎng)柱(4根圓柱，9根箱形截面柱)進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，所有試件均發(fā)生一階屈曲模態(tài)的整體失穩(wěn)，且隨長(zhǎng)細(xì)比增大，整體穩(wěn)定承載力呈下降趨勢(shì)；不銹鋼復(fù)合鋼材長(zhǎng)柱的整體穩(wěn)定承載力相比較現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的計(jì)算結(jié)果明顯偏大，說(shuō)明現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不能準(zhǔn)確描述不銹鋼復(fù)合鋼材的受力性能；此外還對(duì)316L+Q235不銹鋼復(fù)合鋼材箱形截面柱進(jìn)行了有限元計(jì)算，分析了長(zhǎng)細(xì)比、復(fù)合比、殘余應(yīng)力、幾何初始缺陷和界面缺陷的影響，給出了考慮復(fù)合比影響的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式和設(shè)計(jì)曲線。筆者所在的團(tuán)隊(duì)目前正在針對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材的局部穩(wěn)定和相關(guān)穩(wěn)定進(jìn)行研究；相關(guān)穩(wěn)定長(zhǎng)柱試驗(yàn)的破壞過(guò)程均為柱端附近的板件先發(fā)生局部屈曲，隨后長(zhǎng)柱整體失穩(wěn)提前發(fā)生、承載力很快下降發(fā)生破壞；短柱試驗(yàn)試件均發(fā)生明顯的局部失穩(wěn)破壞。

圖10 不銹鋼復(fù)合鋼材長(zhǎng)柱整體失穩(wěn)形態(tài)[169]Fig. 10 Overall buckling mode of stainless-clad bimetallic steel column[169]

除了試驗(yàn)研究外，板件穩(wěn)定性能的理論研究也已經(jīng)有所進(jìn)展。宜亞麗等[126]基于Kirchhoff經(jīng)典板理論假設(shè)和von Karman大變形幾何關(guān)系，考慮了復(fù)合板兩種材料的不同性能，推導(dǎo)出了用位移分量表示的不銹鋼復(fù)合板非線性平衡微分方程。筆者所在團(tuán)隊(duì)基于小撓度理論板件平衡方程，推導(dǎo)出不銹鋼復(fù)合鋼板的彈性屈曲荷載，考慮復(fù)合比的影響重新定義了復(fù)合鋼板的抗彎剛度表達(dá)式，并用有限元計(jì)算對(duì)理論推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，理論計(jì)算和數(shù)值模擬得到的屈曲荷載對(duì)比如圖11所示。

圖11 不銹鋼復(fù)合鋼材板件屈曲荷載理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig. 11 Comparison of critical stress of stainless-clad bimetallic steel plates

3.2 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力是影響鋼結(jié)構(gòu)受壓構(gòu)件穩(wěn)定性能的重要因素[170]；作者所在團(tuán)隊(duì)已針對(duì)10個(gè)焊接不銹鋼復(fù)合鋼管的縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，典型的分布結(jié)果如圖12所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，與普通鋼材構(gòu)件相比，不銹鋼復(fù)合鋼材焊接截面殘余應(yīng)力數(shù)值偏小，內(nèi)、外側(cè)殘余應(yīng)力存在一定差別；對(duì)于焊接箱形截面，焊接殘余應(yīng)力的形成原因主要有2個(gè)，一是復(fù)合鋼板熱軋后不均勻冷卻，二是構(gòu)件焊接后不均勻冷卻，而對(duì)于焊接圓形截面，還包括冷彎過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

圖12 不銹鋼復(fù)合鋼材焊接截面殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)分布Fig. 12 Distribution of residual stresses within stainless-clad bimetallic steel welded sections

現(xiàn)有的其他相關(guān)研究主要針對(duì)復(fù)合鋼板以及焊接接頭的殘余應(yīng)力分布開展。復(fù)合過(guò)程(尤其是爆炸復(fù)合)會(huì)使得生產(chǎn)出的板材本身就具有較高的殘余應(yīng)力，如日本學(xué)者[171]早在1976年就利用X射線對(duì)爆炸復(fù)合的不銹鋼復(fù)合鋼材進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)量，殘余應(yīng)力分布情況為不銹鋼復(fù)層受拉、低碳鋼受壓，而界面區(qū)的拉伸殘余應(yīng)力尤其高，這種分布特征可能爆炸結(jié)合的特殊機(jī)理有關(guān)。Rogerio等[172?173]通過(guò)X射線衍射法測(cè)定了AL-6XN和ZERON100兩種不銹鋼分別與ASME SA516-70碳鋼爆炸復(fù)合后的殘余應(yīng)力，同樣發(fā)現(xiàn)因爆炸復(fù)合過(guò)程產(chǎn)生了較高的拉伸殘余應(yīng)力，且經(jīng)過(guò)熱處理依然無(wú)法有效改善。還有一些學(xué)者對(duì)堆焊復(fù)合法得到的不銹鋼復(fù)合鋼材的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，認(rèn)為堆焊過(guò)程中兩種材料的材性差異也會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部存在較復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布情況[174?175]，但是適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢越档蜌堄鄳?yīng)力水平[176]。焊接過(guò)程是另一個(gè)導(dǎo)致不銹鋼復(fù)合鋼材產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因，Pan等[177]研究了在煤化工廠服役8年的不銹鋼復(fù)合鋼板，其焊接區(qū)域因拉伸殘余應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕而出現(xiàn)開裂。Hu等[178]對(duì)304+Q345R不銹鋼復(fù)合鋼材焊接接頭的焊后殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，通過(guò)盲孔法測(cè)量和有限元模擬對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)橫向拉伸殘余應(yīng)力主要集中在熔合線附近，縱向拉伸殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在靠近基層的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)，殘余應(yīng)力還使基層板發(fā)生了彎曲變形。

3.3 有限元數(shù)值分析

雖然目前不銹鋼復(fù)合鋼材鋼構(gòu)件的試驗(yàn)研究還處于起步階段，但已有不少學(xué)者開展了有限元建模與分析的研究。李龍等[179]對(duì)有限元分析在金屬層狀復(fù)合材料研究中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，認(rèn)為近年來(lái)有限元分析在金屬層狀復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多，目前有限元主要被用于復(fù)合過(guò)程模擬、工藝優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)：一方面，復(fù)合過(guò)程模擬可以考慮材料性能和復(fù)合條件，得到復(fù)合過(guò)程中各階段的應(yīng)力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及組織場(chǎng)等信息，從而幫助生產(chǎn)者對(duì)設(shè)計(jì)尺寸、工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；另一方面，有限元模擬也可以對(duì)復(fù)合材料的界面性能(殘余應(yīng)力、剪切強(qiáng)度、界面結(jié)合情況等)、拉伸性能、彎曲性能、焊接性能(主要是焊接殘余應(yīng)力)和斷裂行為進(jìn)行分析研究，從而幫助使用者對(duì)材料性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為工程應(yīng)用提供的定量參考。通過(guò)有限元模擬還可以對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材力學(xué)性能進(jìn)行研究，如常溫和高溫下單軸拉伸模擬[98,180]、彎曲變形模擬[93]、剪切試驗(yàn)?zāi)M[153]、沖壓成形模擬[181]、殘余應(yīng)力分布模擬[182]和動(dòng)態(tài)荷載作用的撓度響應(yīng)模擬[126]等。最近Li等[83]根據(jù)其提出的分層理論[143]建立了不銹鋼復(fù)合鋼材的精細(xì)化有限元模型，包含不銹鋼層、不銹鋼增碳層、擴(kuò)散層、低碳鋼失碳層和低碳鋼層，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其單軸拉伸的模擬結(jié)果。

3.4 焊接接頭性能

焊接接頭性能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全與可靠性有重要影響，圖13為不銹鋼復(fù)合鋼材的焊接過(guò)程中完成各道焊接后的焊縫形貌對(duì)比照片。工程應(yīng)用中為發(fā)揮不銹鋼復(fù)合鋼材的耐腐蝕性能，更傾向于使用閉口截面構(gòu)件，因此焊接的影響尤為突出。已有大量學(xué)者對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材焊接接頭進(jìn)行了研究，如焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的宏觀與微觀形貌[65,68?69]，拉伸性能[86]、疲勞性能[19]、耐腐蝕性能[131?133]、殘余應(yīng)力分布[178,183]和雙面復(fù)合焊接接頭性能[184]等。整體而言，當(dāng)焊接工藝與質(zhì)量合格時(shí)，焊接接頭的各類性能均能夠滿足不低于不銹鋼復(fù)合鋼材本身性能的要求。

圖13 焊接過(guò)程中完成各道焊接后的焊縫形貌Fig. 13 Welding passes of stainless-clad bimetallic steel members

還有很多學(xué)者[66,71,185]分析了現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)存在的問題和焊接工藝要點(diǎn)，對(duì)焊接質(zhì)量控制方法進(jìn)行了總結(jié)，這些經(jīng)驗(yàn)和方法能夠?yàn)椴讳P鋼復(fù)合鋼材在實(shí)際工程應(yīng)用中的焊接質(zhì)量保障與焊接接頭性能提升提供幫助。Ban等[186]針對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材焊接接頭進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，并對(duì)其在循環(huán)往復(fù)荷載下的力學(xué)性能和本構(gòu)模型開展了系統(tǒng)研究，驗(yàn)證了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)所推薦焊接工藝在結(jié)構(gòu)工程中的適用性，為結(jié)構(gòu)層面的加工制造和滯回性能研究提供了基礎(chǔ)。

3.5 構(gòu)件缺陷及修復(fù)

在制造和使用過(guò)程中，不銹鋼復(fù)合鋼材構(gòu)件可能會(huì)出現(xiàn)裂縫等缺陷，對(duì)構(gòu)件性能產(chǎn)生不利影響。Tahara等[187]介紹了煉油廠加氫反應(yīng)器使用的不銹鋼復(fù)合鋼材的缺陷修復(fù)方法，包括缺陷尺寸評(píng)估、工程適用性評(píng)估和維修方法。目前常用不銹鋼復(fù)合板缺陷修復(fù)手段是補(bǔ)焊，Jiang等[188?190]通過(guò)試驗(yàn)和有限元研究發(fā)現(xiàn)對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材的補(bǔ)焊會(huì)導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，復(fù)層和基層的強(qiáng)度差異導(dǎo)致界面處產(chǎn)生了不連續(xù)的殘余應(yīng)力分布，尤其是當(dāng)復(fù)合比較小時(shí)，基層的約束作用會(huì)導(dǎo)致較高的殘余應(yīng)力；但隨著焊縫層數(shù)增加，部分殘余應(yīng)力因變形而得以釋放，補(bǔ)焊長(zhǎng)度與寬度的增加也會(huì)降低殘余應(yīng)力水平；在此基礎(chǔ)上提出了通過(guò)高壓水射流降低補(bǔ)焊殘余應(yīng)力的方法，該方法可以在金屬表面引入壓應(yīng)力，從而減小甚至消除補(bǔ)焊產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力[191]。

4 結(jié)論

不銹鋼復(fù)合鋼材兼具低成本與高性能的雙重優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用不僅具有顯著的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，更能夠有效提高結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，同時(shí)減少貴金屬的消耗，這些獨(dú)特的綜合優(yōu)勢(shì)帶來(lái)了廣闊的應(yīng)用前景，將使其成為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展和研究的高性能鋼材之一，也是實(shí)現(xiàn)鋼鐵和建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的供給側(cè)改革手段之一。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于不銹鋼復(fù)合鋼材鋼結(jié)構(gòu)的制造、應(yīng)用及基礎(chǔ)力學(xué)性能的研究進(jìn)行了全面綜述，從多方面總結(jié)了不銹鋼復(fù)合鋼材及其構(gòu)件的性能特點(diǎn)，可以看出目前針對(duì)該材料已有較豐富的研究基礎(chǔ)，但在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的相關(guān)研究還亟待更深入開展，需要補(bǔ)充更多的理論及試驗(yàn)研究以更全面地推進(jìn)不銹鋼復(fù)合鋼材在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方法發(fā)展、計(jì)算理論研究和工程應(yīng)用推廣。

相比于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，不銹鋼復(fù)合鋼材由兩種性能不同的鋼材復(fù)合而成，將其作為結(jié)構(gòu)材料，需要解決許多關(guān)鍵技術(shù)問題，例如受壓板件在兩種材料共同作用下的失穩(wěn)機(jī)理、殘余應(yīng)力分布模型、復(fù)合界面的缺陷影響機(jī)理、關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)的受力性能等。為此，筆者所在團(tuán)隊(duì)正在圍繞不銹鋼復(fù)合鋼材鋼結(jié)構(gòu)的受壓穩(wěn)定性能、受彎性能、關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)性能等開展系統(tǒng)理論和設(shè)計(jì)方法研究，并正在主編CECS標(biāo)準(zhǔn)《不銹鋼復(fù)合鋼材結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，以期更全面解決不銹鋼復(fù)合鋼材在結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用所面臨的技術(shù)問題，為推動(dòng)其廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。