張錚,黃曉明,余鑫

(1. 福建理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,福建 福州 350118;2. 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院,福建 福州 350108)

不銹鋼因耐腐蝕性好、力學(xué)性能優(yōu)良及全壽命周期成本低等優(yōu)點,逐漸應(yīng)用于服役環(huán)境嚴苛的各工程結(jié)構(gòu)[1]。鑒于其非線性特征,國內(nèi)外學(xué)者針對其常溫下力學(xué)性能開展了大量研究并提出了適用的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型[2-3]。高溫下不銹鋼力學(xué)性能的研究表明,不銹鋼較碳鋼具有更好的耐火性能[4]。Tao等[5]發(fā)現(xiàn)奧氏體不銹鋼高溫后的塑性和強度優(yōu)于碳鋼,并提出了其高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型。

Ni是穩(wěn)定不銹鋼中奧氏體組織的重要元素并可改善其耐腐蝕性和韌性,但昂貴的Ni增加了不銹鋼成本。以N代替Ni在穩(wěn)定不銹鋼奧氏體組織的同時,還可提高其強度與耐腐蝕性[6]。奧氏體不銹鋼S36950作為一種新型高N節(jié)Ni鋼,在不降低相關(guān)性能的前提下大幅提高了鋼材強度并有效降低了成本[7]。然而高N節(jié)Ni易導(dǎo)致不銹鋼中奧氏體晶粒尺寸增加并降低其熱塑性[8]。既有研究發(fā)現(xiàn)浸水冷卻較自然冷卻方式對S36950不銹鋼的高溫后強度影響較大[9]。

不銹鋼多應(yīng)用于濱海或離岸海洋環(huán)境,遭遇火災(zāi)時往往就近取海水滅火,海水中的氯離子是否對火災(zāi)后不銹鋼造成復(fù)合損傷尚不明確。同時在煉油、航空航天和能源等領(lǐng)域,對鋼材的高溫穩(wěn)定性和耐久性要求較高,研究鹽水冷卻的效果可以幫助改進材料的選擇和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計。鑒于此,本文以S36950不銹鋼為研究對象,對比S30408不銹鋼以探究鹽水冷卻方式對高溫后S36950不銹鋼力學(xué)性能的影響,并分析既有高溫后不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型的適用性,以期為不銹鋼的實際應(yīng)用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件制作

選用奧氏體不銹鋼S36950和S30408制作拉伸試件,兩類不銹鋼均取自熱軋酸洗后的4 mm厚不銹鋼板且均沿鋼板軋制方向以線切割取件,其化學(xué)成分列于表1。由表1可見,S36950不銹鋼的Cr含量與S30408不銹鋼相當,但顯著降低了Ni含量,同時Mn、Cu及N元素的增加不僅穩(wěn)定了S36950不銹鋼的奧氏體組織,還提高了強度及耐酸蝕能力。

表1 S36950與S30408不銹鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of S36950 and S30408 stainless steel

試件尺寸按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗:第1部分:室溫試驗方法》[10]中相關(guān)規(guī)定設(shè)計,尺寸如圖1所示。根據(jù)試驗設(shè)計的歷受溫度,兩類鋼材的拉伸試件均被分為9個溫度組,每組設(shè)置3個平行試件,總計54個。

圖1 拉伸試件尺寸(單位:mm)Fig.1 Dimensions of tensile test piece (unit: mm)

1.2 試驗過程

采用馬弗爐對試件進行升溫試驗。溫度設(shè)置分別為400、500、600、650、700、800、1 000及1 200 ℃。試件以20 ℃/min的速率升溫至指定溫度,并在爐內(nèi)保溫120 min以均勻受熱。隨后將試件移入w氯化鈉為5%的水中冷卻30 min至室溫后取出,晾干并放置14 d,觀察試件的表觀特征變化情況。

采用SANS萬能試驗機進行拉伸試驗,試件平直段設(shè)置電阻應(yīng)變片(縱橫各2片)及初始標距為50 mm的引伸計以測量試件在加載過程中的應(yīng)變及縱向相對變形。加載采用位移控制,前期以1 mm/min的速率加載至0.02應(yīng)變,后以4 mm/min的速率加載直至試件斷裂。

2 試驗結(jié)果

2.1 表觀特征

圖2對比了兩類不銹鋼試件經(jīng)鹽水冷卻并于室溫靜置14 d后的表觀特征。隨著歷受溫度的提高,兩類試件的表觀顏色逐漸由金色轉(zhuǎn)為褐色并加深,且均在1 000 ℃高溫后出現(xiàn)了不同程度的表面碳化現(xiàn)象,這是因為不銹鋼表面的Si、Mn、Cr等元素在高溫下發(fā)生了不同程度的氧化。同時可見兩類不銹鋼試件表面均發(fā)生了局部腐蝕,且局部腐蝕范圍隨歷受溫度提高而擴大。對比兩類不銹鋼發(fā)現(xiàn)S30408不銹鋼在650～800 ℃溫度區(qū)間腐蝕更嚴重,這是因為在該溫度段易發(fā)生敏化,不銹鋼內(nèi)Cr碳化物的析出會導(dǎo)致晶界處的Cr元素減少進而降低晶界處的耐蝕性能。而S36950不銹鋼中高含量的N元素抑制了Cr碳化物的形核進而改善了耐蝕性能[7]。

圖2 鹽水冷卻的高溫后試件表觀特征Fig.2 Appearance characteristics of specimens after high temperatures with brine cooling

2.2 斷口形貌

兩類不銹鋼的斷口形態(tài)沒有明顯區(qū)別,如圖3所示。斷裂后試件的塑性變形與斷口縮頸明顯,屬于典型的韌性斷裂。韌性斷裂根據(jù)斷口的形狀可分為杯錐狀與剪切滑移型斷口,而杯錐狀斷口在其形成過程中能吸收較多的能量所以韌性更高;鹽水冷卻的高溫后試件的韌性斷裂性能隨歷受溫度提高而逐漸減弱。在1 000 ℃前兩類不銹鋼均表現(xiàn)為杯錐狀破壞,而歷受1 200 ℃高溫后試件碳化嚴重導(dǎo)致斷口表現(xiàn)為剪切狀。在相同歷受溫度下對比同類不銹鋼拉伸試件的斷口特征發(fā)現(xiàn)鹽水冷卻對斷口形態(tài)沒有明顯影響[9]。

圖3 兩類不銹鋼拉伸試件的斷裂狀態(tài)Fig.3 Fractures of tensile test pieces for two types of stainless steel

2.3 高溫后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4給出了兩類不銹鋼典型的高溫后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,其中應(yīng)變由應(yīng)變片與引伸計數(shù)據(jù)綜合確定?？梢婝}水冷卻的兩類不銹鋼高溫后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線仍呈現(xiàn)出典型的非線性特征,但是其曲線形狀、強度及延伸率等隨歷受溫度升高而變化。800 ℃前S36950不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線較為接近,而S30408不銹鋼的曲線則在600 ℃前變化不大。但S30408不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線在0.1～0.3的應(yīng)變范圍內(nèi)存在一段明顯的塑性波動,而文獻報道的同類不銹鋼普通水冷的高溫后試件并未出現(xiàn)此類現(xiàn)象[11]。這可能是因為鹽水中氯離子的侵蝕作用導(dǎo)致高溫后不銹鋼晶粒間位錯堆積[7]。1 000 ℃后兩類不銹鋼均出現(xiàn)了強度降低與斷裂應(yīng)變增大的現(xiàn)象。

圖4 高溫后不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Stress-strain curves of stainless steel after high temperature exposure

2.4 高溫后的力學(xué)性能變化

根據(jù)高溫后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可獲得不銹鋼各力學(xué)性能指標,平均值列于表2。其中T是歷受溫度、ET為彈性模量、fyT為鋼材0.002殘余應(yīng)變時應(yīng)力作為屈服強度、δT為斷后伸長率、nT為應(yīng)變硬化系數(shù)、fuT和εuT分別為極限強度和對應(yīng)的極限應(yīng)變。20℃時的S36950不銹鋼的屈服強度約為S30408不銹鋼的1.3倍。為探究鹽水冷卻對高溫后S36950不銹鋼力學(xué)性能的影響,引用文獻報道的高溫后浸水冷卻的S36950不銹鋼[9]與S30408不銹鋼[11]的試驗結(jié)果進行對比分析。

表2 高溫鹽水冷卻后不銹鋼力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of stainless steel after high temperature with brine cooling

2.4.1 彈性模量

各類不銹鋼高溫后彈性模量(ET)與其20 ℃時彈性模量(E20)的比值隨歷受溫度的變化情況如圖5所示。高溫后S36950與S30408兩類不銹鋼的彈性模量隨歷受溫度的升高而略有降低。而鹽水冷卻的兩類不銹鋼高溫后彈性模量在600～800 ℃的歷受溫度區(qū)間出現(xiàn)了明顯的下降,采用普通水冷的不銹鋼未出現(xiàn)此現(xiàn)象。這是因為不銹鋼在該溫度區(qū)間的“敏化”效應(yīng),敏化容易導(dǎo)致不銹鋼晶界處析出以Cr23C6為主的碳化物進而降低不銹鋼的耐腐蝕性[7],使得鹽水冷卻后不銹鋼在該溫度區(qū)段因腐蝕而導(dǎo)致彈性模量出現(xiàn)下降。對比鹽水冷卻的兩類不銹鋼,可見在“敏化”效應(yīng)作用溫度區(qū)間內(nèi),S36950表現(xiàn)出更大的彈性模量降低幅度。這是因為Cr2N的析出敏感性隨著N元素的增加而增加[12],從而導(dǎo)致S36950的彈性模量較S30408下降幅度更大。

圖5 ET/E20隨歷受溫度T變化情況Fig.5 Variation of ET/E20 with the temperature T

2.4.2 屈服強度

圖6對比了各類不銹鋼高溫后屈服強度(fyT)與20 ℃時屈服強度(fy20)的比值隨歷受溫度的變化情況?？梢婝}水冷卻后S30408不銹鋼屈服強度的折減幅度要高于S36950不銹鋼,這歸因于高溫后S36950不銹鋼晶界有氮化物析出進而阻礙了晶界的相對滑動,從而在一定程度上提高了不銹鋼的屈服強度[8]。特別是S36950不銹鋼的屈服強度在800 ℃高溫后有所恢復(fù),這是因為該類不銹鋼因敏化所致的晶間腐蝕敏感性在800 ℃時明顯降低使得其力學(xué)性能有所恢復(fù)[7]。對比冷卻方式發(fā)現(xiàn)鹽水冷卻對其屈服強度的影響更不利,采用鹽水冷卻的兩類不銹鋼,在600 ℃高溫后的屈服強度下降幅度要高于采用普通水冷的相應(yīng)鋼種。這是因為高溫后不銹鋼的晶粒有所增大且晶界有相應(yīng)碳化物析出,更易受鹽水中氯離子的腐蝕進而降低其力學(xué)性能。

圖6 fyT/fy20隨歷受溫度T變化情況Fig.6 Variation of fyT/fy20 with the temperature T

2.4.3 極限強度

各類不銹鋼高溫后抗拉極限強度(fuT)與20 ℃時極限強度(fu20)的比值隨歷受溫度的變化情況如圖7所示。當歷受溫度低于800 ℃,普通水與鹽水冷卻對兩類不銹鋼極限強度的影響不大,但當歷受溫度超過800 ℃時,采用鹽水冷卻的不銹鋼其極限強度的折減幅度明顯增大。特別是采用鹽水冷卻的S36950不銹鋼在歷受溫度超過800 ℃后,其極限強度下降幅度較S30408顯著,這是因為二者Ni元素含量的差異導(dǎo)致金屬原子間結(jié)合力不同,以及N元素的晶粒尺寸強化作用隨歷受溫度升高而減弱[7]。

圖7 fuT/fu20隨歷受溫度T變化情況Fig.7 Variation of fuT/fu20 with the temperature T

2.4.4 延伸率

高溫后各類不銹鋼的延伸率(δT)與其20 ℃時延伸率(δ20)的比值隨歷受溫度的變化情況如圖8所示。與普通水冷卻不同,采用鹽水冷卻的兩類不銹鋼在其“敏化”溫度段的延伸率出現(xiàn)了較明顯的波動,這是因為敏化效應(yīng)導(dǎo)致不銹鋼形成晶間貧Cr區(qū)進而使得其塑性下降[6]。同時鹽水冷卻的兩類不銹鋼延伸率在1 000 ℃高溫后均呈現(xiàn)出明顯的提高。這是因為1 000 ℃高溫已脫離不銹鋼的敏化溫度段使得塑性有所恢復(fù),但1 000 ℃后隨著溫度再升高導(dǎo)致不銹鋼碳化嚴重使得延伸率又有所下降。對比鹽水冷卻后兩類不銹鋼高溫后延伸率的變化情況可以發(fā)現(xiàn),歷受溫度低于600 ℃時,S30408的高溫后延伸率高于S36950不銹鋼,但當歷受溫度超過600 ℃后,S36950不銹鋼的延伸率要優(yōu)于S30408。這是因為S36950不銹鋼中添加的Mn元素對其高溫后塑性有明顯的改善作用[13]。

圖8 δT/δ20隨歷受溫度T變化情況Fig.8 Variation of δT/δ20 with temperature T

3 高溫后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

Tao等[5]提出了具有峰值后下降段的高溫后不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型(下文簡稱Tao模型),模型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如下:

(1)

式(1)中:ET為彈性模量,GPa;fyT為屈服強度,MPa;fuT為極限強度,MPa;εuT為極限應(yīng)變;nT為應(yīng)變硬化系數(shù)。由于鹽水冷卻對高溫后S36950不銹鋼的彈性模量影響不大,如圖9(a)所示,可沿用Tao模型的相關(guān)推薦公式。同時由圖9(b-e)可知Tao模型對800 ℃高溫前S36950不銹鋼的fyT、fuT、εuT及nT的預(yù)測較為準確,而對其800 ℃高溫后的預(yù)測誤差較大。

圖9 模型參數(shù)修正Fig.9 Modification of model parameters

根據(jù)既有試驗數(shù)據(jù)對相關(guān)參數(shù)表達式進行修正,修正后的相關(guān)表達式如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

模型其余參數(shù):p為應(yīng)變軟化系數(shù);mT為屈服階段應(yīng)變硬化系數(shù);εupT為屈服階段極限應(yīng)變;EyT為屈服階段彈性模量,GPa;下降段相關(guān)指標(ffT,εfT及EfT)的計算方法詳見文獻[5]。圖10表明,修正后800 ℃高溫后的模型有較大改善,具有更高的預(yù)測精度。

圖10 S36950不銹鋼采用修正后模型的預(yù)測曲線與試驗曲線對比Fig.10 Comparison between predicted curves with modified model and test curves for S36950 stainless steel

4 結(jié)論

1)不銹鋼敏化效應(yīng)使得鹽水冷卻的S36950與S30408不銹鋼在600～800 ℃高溫后的彈性模量及延伸率較普通水冷有所下降。

2)鹽水冷卻使得高溫后不銹鋼的強度較普通水冷有所下降,特別是800 ℃高溫后采用鹽水冷卻的S36950不銹鋼屈服與極限強度顯著折減。

3)基于試驗數(shù)據(jù)修正了Tao等提出的高溫后不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變模型,以提高模型對采用鹽水冷卻的S36950不銹鋼高溫后力學(xué)性能的預(yù)測精度。