45钢高温拉伸性能试验研究

赵 丽 李晋峰(.太原科技大学应用科学学院，山西03004;.太原科技大学材料科学与工程学院，山西03004)

近几十年来，随着一些新型高温材料的研究和应用越来越深入，对于普通材料高温力学性能的研究也越来越受到许多学者的关注。钢材作为建筑结构施工和机械制造的主要材料，以其强度高、性能好等优点得到广泛的应用。但是，它在高温下呈现出与常温下明显不同的材料性能，如何合理的利用这一特点或者有效避免高温下材料性能的缺陷则有待更深入的试验研究。李国强、蒋守超[1]等人对Q345钢高温下的材料性能进行了较为深入的研究，得到基本的高温力学性能指标及用于理论分析的钢材模型。吴海燕、李焕群[2]对A3钢恒温加载和恒载加温的高温性能进行了研究。杨秀英[3]、徐彦和赵金城[4]对Q235钢在不同加载和温度路径下的性能进行了研究等等。现以45钢为研究对象，在600～750℃范围内和0.5、0.7、0.8及0.9倍屈服荷载下进行高温拉伸试验，得到该钢种的力学特性。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料及设备

试验在太原科技大学力学实验室的UTM5305型万能材料试验机上进行。试验机最大加载能力为300 kN，采用可控温度的高温炉设备对试件进行加热，可控温度范围为300～1 100℃，升温速率为10℃/min，通过3个K型热电偶测定炉内温度，以保证试件均匀受热并确定试件的平均温度。由试验机自动记录试件单向拉伸的真实应力-应变关系曲线。试件材料为45钢，试件依照试验机指定的形状制作，其规格、尺寸如图1所示。试验用试件基本符合国家标准[5]试件尺寸要求。

图1 试样几何尺寸Figure 1 The geometric dimension of specimen

1.2 试验目的和方法

1.2.1 试验目的

(1)获得不同温度下45钢的应力-应变关系、屈服强度、极限强度等力学性能指标。

(2)研究45钢在不同应力荷载水平下温度对其性能的影响。

1.2.2 试验方法

由于45钢是一种应变率非常敏感的材料，具有明显的应变率强化效应[6]，试验过程中均采用0.5 mm/min的夹头移动速度，相应的应变速率在(0.016 6～0.016 8)%/min范围内。试验分为A、B、C三组：

(1)A组试验共计3根试件，进行常温下的拉伸试验，以得到试件材料的一些基本力学性能指标。

(2)B组试验主要进行600～750℃范围内不同温度下试件的单向拉伸试验。该组试验为恒温等应变速率试验，试验温度包括610℃、640℃、650℃、660℃、670℃、680℃、700℃、710℃、750℃ 共9个温度点，每个温度下各对2个试件进行试验。实验时，将高温下试件真实的应变通过引伸杆导出来，并采用引伸计和扩展设备求平均值的方法获得。在每一温度下， 先把试件升温至指定温度，恒温5 min再开始加载。同时，为了避免高温对实验设备传感器造成损坏，实验过程中采用不间断循环水冷却。实验结束后不直接打开高温炉，使其自然冷却，以减少空气氧化。试验获得的主要数据包括: 应力-应变关系图，屈服强度，极限强度。本组试验试件共18根。值得说明的是，本组试验所得应变并不包含初始恒温过程中产生的温度应变。

(3)C组实验为试件在恒定荷载下的升温实验。预定的应力水平分别为0.5fs、0.7fs、0.8fs和0.9fs，其中fs为A组试验实测的常温下试件的屈服强度。每个应力水平下测量1根试件， 共计3根试件。试验获得的数据包括温度-应变关系图和试件破坏时的临界温度。试验时采用程控方式，即先将试件加载至预定应力水平，通过设备加载系统自动控制使应力保持恒定， 待变形稳定后进行升温。由于试验所用高温炉只能控制300℃以上温度，在此之前升温较快且有一定温差，所以在升温至300℃时先进行短暂恒温后再继续升温。

2 实验结果及分析

2.1 A组试验

进行A组试验得到该批45钢试件常温下拉伸的真实应力-应变曲线图，如图2所示。从图2可以看到，屈服平台不明显。其力学性能指标为：屈服强度为352.5 MPa，极限强度为667.4 MPa，极限应变为0.259，伸长率为19.6%，断面收缩率为47.1%。

2.2 B组试验

(1)应力-应变关系

通过B组试验得到钢材在不同温度下的应力-应变关系曲线，如图3所示。从图3可以看出，45钢在600～750℃温度下变化趋势相对一致。高温下屈服平台消失且没有明显的屈服极限，但是应力-应变曲线中仍存在一段较小的弹性阶段，且随着温度的升高，屈服强度、极限强度逐渐下降，在达到极限强度之后，以较小的斜率近似斜直线下降，直至拉断。

(2)强度分析

由于没有明显的屈服平台，本试验数据采用设备软件自动记录的规定非比例延伸强度作为屈服强度。表1所示为不同试验温度下45钢的屈服强度和极限强度，变化趋势如图4所示。

图2 室温拉伸应力-应变曲线图Figure 2 The tensile curve of stress and strain at room temperature

图3 45钢不同温度下应力-应变曲线Figure 3 The curve of stress and strain of 45 steel at different temperatures

温度/℃20610640650660670680700710750Re/MPa352.5489.8374.1169.8566.0258.2354.0845.4343.9137.56Rm/MPa667.4497.9880.6673.7768.9162.1656.8347.9845.2539.12

图4 45钢不同温度下屈服强度和极限强度曲线图Figure 4 The curve of yield strength and limit strength of 45 steel at different temperatures

图5 屈服强度理论模型与试验值对比Figure 5 Comparison between theoretical model and test values of yield strength

图6 极限强度理论模型与试验值对比Figure 6 Comparison between theoretical model and test values of limit strength

高温下材料力学性能的变化是对钢材结构分析和实际应用影响最大的，这又取决于屈服强度、极限强度这几项关键力学指标的确定。本文对高温下屈服强度和极限强度试验数据进行回归分析，得到了45钢在600～750℃下的屈服强度和极限强度模型，拟合曲线的对比如图5、图6所示。

屈服强度模型为：

fS/fS0=5.1×10-8×T8-9.8×10-5×T2

+0.062×T-12

(1)

式中fS——温度为T时材料的屈服强度(均为0.2%应变)，单位为MPa；

fS0——常温下材料的屈服强度，单位为MPa；

T——试验温度，单位为℃。

对屈服强度与试验值进行统计分析得到模型的残差为0.72%。

极限强度模型为：

fb/fb0=-2.4×10-10×T4+6.6×10-7-

0.000 7×T2+0.32×T-55

(2)

式中fb——温度为T时材料的极限强度，单位为MPa；

fb0——常温下材料的极限强度，单位为MPa；

T——试验温度，单位为℃。

对极限强度与试验值进行统计分析得到模型的残差为0.15%。

2.3 C组试验

进行C组试验，得到了不同应力荷载下材料应变随温度的变化关系。在20～300℃范围内，设备升温速率较快且材料变形较小，以每50℃的间隔记录一次变形数据。在300℃以后，变形相对较快，每隔25℃记录一次数据。本组试验得到不同荷载应力水平下的温度-应变关系图，如图7所示。

从图7可以看出，当t≤300℃时，不同应力荷载下的温度-应变曲线变化比较平缓，趋势相似，基本上都是随温度升高应变有微小幅度的减小；当t>300℃时，应变开始逐渐增大，呈近似指数形式，在同一温度下，应力水平越高，试件变形越大，0.9fs应力水平下变形增大最快，0.5fs应力水平下变形最缓，幅度较小；在500℃以后，0.7fs、0.8fs、0.9fs应力水平下的试件变形开始急剧增大，分别在600℃、590℃和575℃时发生破坏，而0.5fs应力水平下增幅相对较小，相应破坏温度也较高，在650℃左右。

C组试验结果表明，在0.5fs应力载荷下，颈缩温度大概在630℃左右，伸长率为50.68%，断面收缩率为89.76%；在0.7fs应力载荷下，颈缩温度大概在580℃左右，伸长率为39.8%，断面收缩率为81.34%；在0.8fs应力载荷下，颈缩温度大概在575℃左右，伸长率为34.6%，断面收缩率为76.96%。

将C组试验不同应力水平下试件的破坏温度和B组试验中相应破坏温度下试件的极限载荷进行对比，如表2所示。

图7 恒载升温下的温度-应变曲线Figure 7 The curve of temperature and strain at rising temperature under constant loading

试件编号恒载应力水平/MPa破坏温度/℃相应温度下的极限荷载/MPa12340.5fs(176.27)0.7fs(246.79)0.8fs(282.05)0.9fs(317.30)65060059057573.77102.12104.79105.46

C组试验中，0.5fs(176.27 MPa，13.845 kN)应力水平下对应的破坏温度为650℃，0.7fs(246.79 MPa，19.383 kN)应力水平下对应的破坏温度为600℃，0.8fs(282.046 MPa，22.152 kN)应力水平下对应的破坏温度为590℃，0.9fs(317.3 MPa，24.921 kN)应力水平下对应的破坏温度为575℃。而B组试验中650℃试验温度下试件的极限荷载为73.77 MPa。通过回归拟合分析得到，600℃试验温度下试件的极限荷载为102.12 MPa，590℃试验温度

下试件的极限荷载为104.79 MPa，575℃试验温度下试件的极限荷载为105.46 MPa。即在相同的温度下，C组恒载升温试验对应较高的荷载。因为B组试验中材料已经有明显的高温蠕变存在，所以承载能力较低。可以看到，C组试验破坏温度下对应的B组试验的极限强度仅是C组应力水平下的40%左右，而0.9fs情况下则降到30%。

3 结论

45钢在600～750℃范围内的高温拉伸力学性能随温度升高而下降，屈服强度和极限强度模型与试验值比较一致，为机械设计提供了一定依据。恒载升温试验下，300℃之前应变变化比较平缓，300℃以后呈指数型逐渐增大，550℃左右急剧增大至颈缩、拉断，说明45钢在550℃左右温度条件下材料敏感。由于试验条件和经费的限制，试验次数较少，试验数据的准确性需进一步验证。

[1] 李国强，陈凯，蒋首超，等. 高温下Q345钢的材料性能试验研究[J]. 建筑结构,2001,31(1): 53-55.

[2] 吴海燕，李焕群. A3钢高温力学性能的试验研究[J]. 消防科学与技术，2008，27(9)：648-651.

[3] 杨秀英，赵金城. 不同路径对Q235钢材高温性能的影响[J]. 土木工程学报,2001,43(1): 29-34.

[4] 徐彦，赵金城. Q235钢在不同应力-温度路径下材料性能的试验研究和本构关系[J]. 上海交通大学学报,2004,38(6): 967-971.

[5] GBT4338-1995.金属材料高温拉伸试验[S].

[6] 胡昌明，贺红亮，胡时胜. 45号钢的动态力学性能研究[J]. 爆炸与冲击，2003，23(2)：188-192.