樓國彪，陶宇超，陳武龍，譚永強(qiáng)，王美南，姜 健

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.遠(yuǎn)大科技集團(tuán)有限公司，湖南長沙410138；4.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

不銹鋼結(jié)構(gòu)除具有普通碳素鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有延性高、耐腐蝕性強(qiáng)、表觀性高以及全生命周期維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其是其優(yōu)良的耐腐蝕性能、耐高溫性能，恰好彌補(bǔ)了普通碳素鋼等常用建筑鋼材的缺陷，在建筑工程中具有廣闊的應(yīng)用前景［1-2］。然而，火災(zāi)引起結(jié)構(gòu)破壞也是不銹鋼結(jié)構(gòu)面臨的重要問題。并且，由于具有良好的外觀效果，不銹鋼結(jié)構(gòu)一般不采取任何防火措施。因此，不銹鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的受力性能研究就顯得尤為必要。

目前國內(nèi)外學(xué)者對常溫下不銹鋼力學(xué)性能的研究已經(jīng)較為完善［3-14］，提出了常溫下不銹鋼材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的多種模型［9-11］，其準(zhǔn)確度和便捷性均較好，且相關(guān)規(guī)范［15-19］中也給出了不銹鋼材料力學(xué)性能的參數(shù)值和有關(guān)規(guī)定。然而，國內(nèi)外學(xué)者對于高溫下不銹鋼材料力學(xué)性能研究的報(bào)道并不多，相關(guān)規(guī)范也僅有歐洲規(guī)范EN 1993-1-2［20］和歐洲不銹鋼設(shè)計(jì)手冊［21］中給出了EN 1.4003、EN 1.4301、EN 1.4318、EN 1.4401、EN 1.4404、EN 1.4462、EN 1.4571這7種不銹鋼材料在高溫下力學(xué)性能指標(biāo)折減系數(shù)的取值。

國外學(xué)者通過對不銹鋼材料進(jìn)行高溫下力學(xué)性能的相關(guān)試驗(yàn)研究提出了幾種高溫下不銹鋼的本構(gòu)模型。Chen和Young［22］對牌號(hào)EN 1.4462和EN 1.4301的不銹鋼試件進(jìn)行了高溫穩(wěn)態(tài)、高溫瞬態(tài)2種拉伸試驗(yàn)，并在常溫Rasmussen模型的基礎(chǔ)上提出了高溫下不銹鋼Rasmussen模型的表達(dá)式和關(guān)鍵參數(shù)折減系數(shù)的表達(dá)式，且該模型表達(dá)式簡單，便于應(yīng)用。Abdella［23］基于Chen和Young的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了高溫下不銹鋼材料本構(gòu)模型的顯式表達(dá)式，但模型參數(shù)計(jì)算較復(fù)雜，不便于應(yīng)用。Gardner等［24］通過對牌號(hào)EN 1.4301和EN 1.4401/4不銹鋼試件進(jìn)行高溫材性試驗(yàn)，在其提出的常溫本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，提出了高溫下EN 1.4301和EN 1.4401/4不銹鋼材料的兩階段本構(gòu)模型。該模型表達(dá)式相對復(fù)雜，但精度較高。

國內(nèi)學(xué)者對不銹鋼材料的力學(xué)性能研究成果較少。在高溫材性方面，浙江大學(xué)陳駒等［25］對建筑用不銹鋼（EN 1.4462和EN 1.4301）進(jìn)行了高溫材性試驗(yàn)，提出了不銹鋼高溫下的本構(gòu)模型以及不銹鋼在高溫下力學(xué)性能指標(biāo)的計(jì)算公式，并將不銹鋼、碳素鋼和合金鋼進(jìn)行對比，認(rèn)為不銹鋼具有更為優(yōu)越的抗火性能。東南大學(xué)范圣剛等［26］對奧氏體不銹鋼S30408進(jìn)行了高溫下力學(xué)性能研究，得到了該材料常溫和高溫下的本構(gòu)關(guān)系，驗(yàn)證了Rasmussen模型的準(zhǔn)確性，并對相關(guān)硬化指數(shù)作出修正。

上述研究表明，國外學(xué)者對不同類型不銹鋼材料高溫下的力學(xué)性能已有了一定研究，而國內(nèi)研究則處于起步階段。由于不同類型不銹鋼的化學(xué)成分和熱處理工藝不同，其力學(xué)性能有很大差別［27］。TSZ410鐵素體不銹鋼作為一種新型不銹鋼材料，合金中無鎳（Ni）元素，其高溫下力學(xué)性能有待通過試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步研究。本文通過穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法研究了TSZ410鐵素體不銹鋼（簡稱為TSZ410不銹鋼）的高溫力學(xué)性能，研究不同溫度對其力學(xué)性能的影響規(guī)律，對比分析Rasmussen模型和Gardner模型，并基于Rasmussen模型，提出TSZ410不銹鋼硬化指數(shù)的計(jì)算公式，建立高溫本構(gòu)關(guān)系。將試驗(yàn)結(jié)果與Q235B、其他不銹鋼的高溫材性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，更加全面地分析TSZ410不銹鋼高溫下力學(xué)性能的退化規(guī)律。

1 不銹鋼力學(xué)性能試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)室完成，采用MTS E45.305-B型高溫電子材性試驗(yàn)機(jī)（圖1），其最大加載力為300kN，可進(jìn)行力控制和位移控制加載，加載速率為0.001～250 mm·min-1；加熱爐采用MTS 653.04型高溫爐，工作溫度范圍為100～1 400℃，加熱爐分上、中、下3段加熱，每段配備一個(gè)熱電偶用于監(jiān)測和調(diào)控爐溫。高溫試驗(yàn)時(shí)試件的變形測量采用接觸式高溫引伸計(jì)，精度為0.001mm。

圖1 高溫電子材性試驗(yàn)機(jī)Fig.1 High temperature electronic material testing machine

1.2 試件

試件由6mm厚國產(chǎn)TSZ410不銹鋼板制成，TSZ410不銹鋼不含鎳（Ni），其主要化學(xué)成分與S30408不銹鋼、Q235B的比較見表1。試件根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法：GB/T 228.1—2010》［28］和《金屬材料拉伸試驗(yàn)第2部分：高溫試驗(yàn)方法：GB/T 228.2—2015》［29］的規(guī)定設(shè)計(jì)制作，采用矩形橫截面，形狀及尺寸如圖2所示。根據(jù)試驗(yàn)溫度的不同，共設(shè)計(jì)了8組試件（其中包括一組常溫試件），每組2個(gè)，共計(jì)16個(gè)。

表1 TSZ410不銹鋼化學(xué)成分以及與S30408、Q235B的對比Tab.1 Chemical composition of TSZ410 stainless steel and comparison with S30408 and Q235B

圖2 試件尺寸（單位：mm）Fig.2 Specimen size(unit：mm)

1.3 試驗(yàn)方法

（1）常溫拉伸試驗(yàn)。按照GB/T 228.1—2010，采用兩階段加載控制。第1階段為應(yīng)變速率控制，為2.5×10-4s-1；應(yīng)變達(dá)到0.05后，改為位移控制，位移速率為1.5mm·min-1，直至試件被拉斷。第1階段加載主要用于測量材料初始彈性模量和名義屈服強(qiáng)度；第2階段主要用于測量TSZ410不銹鋼材料抗拉極限強(qiáng)度。常溫拉伸試件的編號(hào)為K-20-1（2）。

（2）高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)。高溫拉伸采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，即恒溫加載試驗(yàn)方法。在試驗(yàn)過程中先將試件升溫至指定溫度，并恒溫15min待試件標(biāo)距段溫度均勻后，再采用與常溫拉伸試驗(yàn)相同的兩階段加載控制，拉伸試件直至試件斷裂。試驗(yàn)溫度點(diǎn)包括100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃共7種工況，每種工況包括2個(gè)試件。各工況試件編號(hào)分別為K-100-1（2）、K-200-1（2）、K-300-1（2）、K-400-1（2）、K-500-1（2）、K-600-1（2）、K-700-1（2）。升溫速率控制在10～30℃·min-1，加熱至指定溫度時(shí)，恒溫15 min，且在升溫及恒溫過程中允許試件自由膨脹。參照常溫拉伸試驗(yàn)，采用兩階段加載控制。

2 不銹鋼常溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

TSZ410不銹鋼在常溫下的力學(xué)性能參數(shù)、應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗(yàn)結(jié)果見表2及圖3，表2中A0為斷后伸長率。材料的本構(gòu)關(guān)系是進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)，因此，眾多學(xué)者對不銹鋼材料的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究，并提出了數(shù)學(xué)模型。其中，最有代表性的是Rasmussen模型和Gardner模型。

表2 TSZ410不銹鋼常溫下力學(xué)性能參數(shù)Tab.2 Mechanical properties of TSZ410 stainless steel at room temperature

Rasmussen［10］在Ramberg-Osgood模型［5］的基礎(chǔ)上，提出了常溫下不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型，如式（1）所示：

圖3 TSZ410不銹鋼常溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of TSZ410 stainless steel at room temperature

式中：ε和σ分別為材料的應(yīng)變和應(yīng)力；σ0.01、σ0.2分別為0.01%和0.2%殘余應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力；σu為極限強(qiáng)度；εu為σu對應(yīng)的極限應(yīng)變；E0為初始彈性模量；E0.2為應(yīng)力應(yīng)變曲線在應(yīng)力σ0.2處的切線模量；n為第一段硬化指數(shù)，以考慮不銹鋼材料的應(yīng)變硬化，保證應(yīng)力-應(yīng)變曲線在σ＞σ0.2段與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合；m為第二段硬化指數(shù)，以改善Ramberg-Osgood模型后半段應(yīng)力偏高的情況。

Gardner［9］在式（1）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用參數(shù)σ1.0代替σu，提出了常溫下不銹鋼本構(gòu)模型，如式（2）所示：

式中：σ0.2和σ1.0為0.2%和1.0%殘余應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力，εt0.2和εt1.0分別為σ0.2和σ1.0所對應(yīng)的總應(yīng)變，n′0.2，1.0是第二段硬化指數(shù)。

采用式（1）和式（2）對TZ410不銹鋼的常溫材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到應(yīng)變硬化指數(shù)如表3所示，模型曲線與試驗(yàn)曲線的對比如圖3所示，其中“試驗(yàn)”曲線是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；Md1和Md2曲線分別是由式（1）和式（2）擬合的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；Md3改進(jìn)曲線為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用麥夸特法和通用全局優(yōu)化法結(jié)合1stOpt（first optimization）非線性擬合軟件將式（1）中的硬化參數(shù)n和m分別修正為n′和m′而獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可知，試驗(yàn)曲線與Rasmussen模型分段擬合得到的理論曲線在Ramberg-Osgood模型前半段偏低，后半段偏高，而Gardner模型和改進(jìn)后的Rasmussen模型曲線與試驗(yàn)曲線相差較小，精度較高。

3 不銹鋼高溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)后各試件的破壞狀況如圖4所示，不同溫度下試件表面顏色變化明顯，具體見表4。

表3 常溫材料的應(yīng)變硬化指數(shù)Tab.3 Hardening index of mechanical properties of materials at room temperature

由表4和圖4可知：

（1）當(dāng)溫度為100℃和200℃時(shí)，試件的表觀特征與常溫相近，無明顯變化，斷口處出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。

（2）當(dāng)溫度為300℃時(shí)，試件表面呈淺黃色，400℃時(shí)試件表面呈金黃色，500℃時(shí)試件表面顏色介于金黃色和紫色之間；300℃、400℃和500℃時(shí)試件斷口處有頸縮現(xiàn)象，但沒有常溫下頸縮明顯。

（3）當(dāng)溫度為600℃時(shí)，試件表面顏色為紅褐色，表面逐漸開始失去光澤，斷口處的頸縮現(xiàn)象非常明顯。

（4）當(dāng)溫度為700℃時(shí)，試件表面為黑色，無金屬光澤，試件伸長量最大、頸縮最明顯。

圖4 TSZ410不銹鋼高溫拉伸試驗(yàn)后的試件Fig.4 Test pieces of TSZ410 stainless steel after elevated temperature tensile test

表4 試件破壞特征Tab.4 Appearance and damage characteristics of test pieces

3.2 力學(xué)性能指標(biāo)及其擬合計(jì)算公式

表5和表6分別給出了TSZ410不銹鋼高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其變化情況。表中，E0，T、σ0.2，T、σu，T、εu，T、A0，T分別為溫度T下的初始彈性模量、名義屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變和斷后伸長率，E0、σ0.2、σu、εu、A0分別為常溫下不銹鋼的初始彈性模量、名義屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變和斷后伸長率。分析以上試驗(yàn)結(jié)果，有以下規(guī)律：

（1）當(dāng)溫度低于400℃時(shí)，TSZ410不銹鋼的初始彈性模量變化很??；當(dāng)溫度高于500℃時(shí)，初始彈性模量下降明顯加快，700℃時(shí)，初始彈性模量僅為常溫下的44%。

（2）TSZ410不銹鋼的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變隨溫度的變化規(guī)律相似，即呈現(xiàn)先慢、后快的特征。當(dāng)溫度低于200℃時(shí)，不銹鋼的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度以及極限應(yīng)變比常溫下的值略微降低；當(dāng)溫度在200～700℃時(shí)，不銹鋼的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度以及極限應(yīng)變的下降明顯加快；700℃時(shí)，不銹鋼的屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度約為常溫下的15%，極限應(yīng)變約為常溫下的10%。

（3）絕大部分鋼材的斷后伸長率（延性）是隨著溫度的升高而有明顯的增大，但是本文試驗(yàn)結(jié)果表明TSZ410不銹鋼的斷后伸長率呈現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律，其斷后伸長率隨溫度變化呈現(xiàn)先減小后增大的特點(diǎn)。當(dāng)溫度低于400℃時(shí)，斷后伸長率隨溫度的升高基本呈線性減小，400℃時(shí)約為常溫下的59%；當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，斷后伸長率開始增大，600℃時(shí)，斷后伸長率與常溫下的值相當(dāng)，600℃以后，斷后伸長率遠(yuǎn)大于常溫下的值。其原因是TSZ410不銹鋼在升溫的過程中會(huì)發(fā)生固態(tài)相變，引起組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化［30］。

表5 TSZ410不銹鋼高溫下力學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of mechanical properties of TSZ410 stainless steel at elevated temperature

表6 TSZ410不銹鋼高溫力學(xué)指標(biāo)Tab.6 Change of mechanical parameters of TSZ410 stainless steel at elevated temperature

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，利用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，得到高溫下TSZ410不銹鋼力學(xué)性能的簡化計(jì)算公式（詳見式（3）～（6）），公式與試驗(yàn)結(jié)果的對比見圖5。

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖6為TSZ410不銹鋼在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可見其在常溫和高溫下均無明顯屈服平臺(tái)。在200℃之前，TSZ410不銹鋼的初始彈性模量和屈服強(qiáng)度幾乎沒有變化；超過200℃后，隨著溫度升高，初始彈性模量和屈服強(qiáng)度不斷降低。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本文采用Rasmussen模型［10，22］和Gardner模型［24］來建立TSZ410不銹鋼高溫下應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型，這2種模型的表達(dá)式分別如式（7）和式（8）所示。對高溫下試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7所示，限于篇幅，圖中僅給出了部分試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在圖7中每個(gè)試件對應(yīng)有3條應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中“試驗(yàn)”曲線是由試驗(yàn)結(jié)果獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，Md1曲線是由式（7）獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，Md2曲線是由式（8）獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其硬化參數(shù)nT、mT、n′T的計(jì)算結(jié)果詳見表7。

圖5 不銹鋼力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與簡化計(jì)算公式的對比Fig.5 Comparison of mechanical parameter test results and mathematical model of TSZ410 stainless steel

圖6 高溫下TSZ410不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of TSZ410 stainless steel at elevated temperature

式中：σ0.2，T是溫度為T時(shí)不銹鋼材料0.2%殘余應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力；σt2.0，T是溫度為T時(shí)不銹鋼材料2%總應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力；σu，T是溫度為T時(shí)抗拉極限強(qiáng)度；ET和E0.2，T分別為溫度為T時(shí)初始彈性模量和應(yīng)力為σ0.2，T對應(yīng)的切線模量；εt0.2，T是溫度為T時(shí)應(yīng)力為σ0.2，T對應(yīng)的總應(yīng)變；εu，T是溫度為T時(shí)σu，T對應(yīng)的極限應(yīng)變；nT為溫度T時(shí)本構(gòu)模型的第一段硬化指數(shù)；mT為溫度T時(shí)Rasmussen本構(gòu)模型第二段的硬化指數(shù)；n′T為溫度T時(shí)Gardner本構(gòu)模型第二段的硬化指數(shù)。

圖7 高溫下TSZ410不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.7 Stress-strain fitting curve of TSZ410 stainless steel at elevated temperature

對于EN 1.4031奧氏體不銹鋼、EN 1.4462雙相體不銹鋼，Chen和Young給出了硬化指數(shù)nT、mT的取值公式；對于EN 1.4031不銹鋼和EN 1.4401/4不銹鋼，Gardner只給出了硬化指數(shù)n′T的取值，并建議nT按取值。分析表明，以上硬化指數(shù)取值用于TSZ410不銹鋼時(shí)，不能準(zhǔn)確地模擬TSZ410不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因此本文采用麥夸特法、通用全局優(yōu)化法并應(yīng)用1stOpt非線性擬合軟件得到以上硬化指數(shù)取值，如表7所示。

由圖7可以看出Gardner模型和Rasmussen模型的精度均較高，都可以很好地用來模擬TSZ410不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，但Rasmussen模型更為簡單，精度也滿足設(shè)計(jì)需要。因此本文采用Rasmussen模型來模擬TSZ410不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

根據(jù)表7中TSZ410不銹鋼高溫下力學(xué)性能的硬化指數(shù)值，對式（7）中的硬化指數(shù)nT、mT擬合，得到TSZ410不銹鋼的硬化指數(shù)計(jì)算公式，如式（9）、式（10）所示：

根據(jù)式（3）～（10），可得到任意溫度下采用Rasmussen模型建立的TSZ410不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以便用于結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析。

4 TSZ410不銹鋼與其他鋼材的高溫力學(xué)性能比較

圖8給出了TSZ410不銹鋼、S30408奧氏體不銹鋼［26］、EN 1.4003［20］（鐵素體的一種）、普通結(jié)構(gòu)鋼Q235B［31］的高溫下力學(xué)性能參數(shù)變化情況，以更加全面地分析TSZ410不銹鋼高溫下的力學(xué)性能。由圖8可知：

（1）高溫下初始彈性模量。當(dāng)溫度低于500℃時(shí)，高溫下TSZ410不銹鋼的初始彈性模量變化系數(shù)明顯大于Q235B、S30408奧氏體不銹鋼和EN 1.4003不銹鋼；當(dāng)溫度為500℃時(shí)，TSZ410不銹鋼的初始彈性模量變化系數(shù)與Q235B、S30408奧氏體不銹鋼和EN 1.4003不銹鋼分別相差20%、15%和20%；當(dāng)溫度高于500℃時(shí)，TSZ410不銹鋼的初始彈性模量變化系數(shù)顯著大于Q235B、低于EN 1.4003不銹鋼，與S30408奧氏體不銹鋼相近；當(dāng)溫度為700℃時(shí)，TSZ410不銹鋼的初始彈性模量變化系數(shù)與Q235B和EN 1.4003不銹鋼分別相差20%和30%。

表7 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)材料力學(xué)性能的硬化參數(shù)Tab.7 Hardening parameters of mechanical properties of materials in steady state test

（2）高溫下屈服強(qiáng)度?？傮w上，TSZ410不銹鋼的屈服強(qiáng)度變化規(guī)律與EN 1.4003不銹鋼、Q235B類似，但是前者強(qiáng)度下降幅度大于后二者，特別是在200～500℃溫度段。當(dāng)溫度低于500℃時(shí)，TSZ410不銹鋼的屈服強(qiáng)度損失顯著小于S30408奧氏體不銹鋼，在200℃時(shí)，屈服強(qiáng)度損失相差最大，達(dá)25%；當(dāng)溫度高于500℃后，TSZ410不銹鋼的屈服強(qiáng)度損失大于S30408不銹鋼。

（3）高溫下極限強(qiáng)度。TSZ410不銹鋼的高溫下極限強(qiáng)度變化規(guī)律與其屈服強(qiáng)度基本一致，與S30408奧氏體不銹鋼、Q235B之間的差異性也相似，但與EN 1.4003不銹鋼有較大的不同（EN 1.4003不銹鋼的高溫極限強(qiáng)度變化規(guī)律不同于其屈服強(qiáng)度）。

5 結(jié)論

對TSZ410不銹鋼進(jìn)行了高溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究，建立了高溫下彈性模量、名義屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率等主要力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算公式，對比分析了Rasmussen模型和Gardner模型，并基于Rasmussen模型，提出了TSZ410不銹鋼硬化指數(shù)的計(jì)算公式，建立了高溫應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。為進(jìn)一步了解TSZ410不銹鋼的高溫力學(xué)性能，還將其與S30408奧氏體不銹鋼、EN 1.4003不銹鋼、Q235B的高溫力學(xué)性能進(jìn)行了比較，主要結(jié)論如下：

圖8 TSZ410不銹鋼與其他鋼材的高溫力學(xué)性能比較Fig.8 Comparison of mechanical properties of different steels at elevated temperature

（1）TSZ410不銹鋼的名義屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高而逐漸下降，特別是在400℃～700℃溫度段的下降速度最為顯著；700℃時(shí)，名義屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降為常溫下的15%左右。TSZ410不銹鋼在高溫下強(qiáng)度損失比普通結(jié)構(gòu)鋼大。在溫度低于500℃時(shí)，TSZ410不銹鋼的強(qiáng)度損失顯著小于S30408奧氏體不銹鋼；當(dāng)溫度高于500℃后，則相反。

（2）TSZ410不銹鋼的初始彈性模量在溫度低于400℃時(shí)變化很?。辉跍囟瘸^500℃后，初始彈性模量下降明顯加快，700℃時(shí)，初始彈性模量約為常溫下的40%。TSZ410不銹鋼在高溫下的剛度損失遠(yuǎn)小于普通結(jié)構(gòu)鋼。另外，溫度對TSZ410不銹鋼、S30408奧氏體不銹鋼、EN 1.4003不銹鋼這3種不銹鋼初始彈性模量的影響有較大的不同。

（3）TSZ410不銹鋼斷后伸長率隨溫度變化呈現(xiàn)先減小后增大的特點(diǎn)。當(dāng)溫度低于400℃時(shí)，斷后伸長率隨溫度的升高基本呈直線減小，400℃時(shí)，斷后伸長率約為常溫下的59%；當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，斷后伸長率開始增大，600℃時(shí)，斷后伸長率與常溫下的值相當(dāng)，600℃以后，斷后伸長率遠(yuǎn)大于常溫下的值。

（4）基于Rasmussen模型和Gardner模型，建立了TSZ410不銹鋼高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，并與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，這2個(gè)模型均具有很好的精度，但Rasmussen模型更為簡潔，因此，基于該模型進(jìn)一步提出了TSZ410不銹鋼硬化指數(shù)的計(jì)算公式，以便于工程應(yīng)用。

作者貢獻(xiàn)申明：

樓國彪：課題負(fù)責(zé)人，提出了研究方案，設(shè)計(jì)了論文的框架，負(fù)責(zé)論文審定。

陶宇超：試驗(yàn)實(shí)施，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)結(jié)果分析和解釋，撰寫論文初稿和終稿。

陳武龍：試驗(yàn)實(shí)施，試驗(yàn)結(jié)果初步處理，并參與了論文初稿的撰寫。

譚永強(qiáng)：協(xié)助制定研究方案，負(fù)責(zé)試件制作。

王美南：協(xié)助制定研究方案，試件制作實(shí)施，提出論文修改意見和建議。

姜 ?。簠f(xié)助制定研究方案，提出論文修改意見和建議。