Q890高强结构钢高温蠕变性能

王谋渊，吴晚博，曾 翔，曹宝珠

（海南大学土木建筑工程学院，海南 海口 570228）

在钢结构中应用高强结构钢（屈服应力≥460 MPa，以下简称“高强钢”）有诸多优点，如节约钢材，降低材料运输及建造成本，节能环保；减小结构自重，进而减少结构地震作用；减少截面尺寸，进而减少焊接工作量及焊接残余应力等［1］.因而，其已被广泛地应用于高层、大跨度和桥梁结构中.钢结构在服役期间，可能会面临火灾的作用.而钢材耐火、耐热性能较差，在较高温度时（通常在600℃以上），钢材强度会显著降低，并且在持续高温下，钢材的高温蠕变会加剧结构的性能退化，从而导致结构破坏，造成人员伤亡以及经济损失［2⁃3］.因而，高强钢的高温力学性能（包括高温蠕变性能）受到广泛关注，其对评估结构在火灾下的力学性能十分重要.

目前，国内外对钢材的高温蠕变性能的研究已取得了一些进展.Dorn［4］基于Dorn理论提出了Dorn模型，认为在恒定应力下的蠕变应变是应力、温度和时间的函数.Harmathy等［5⁃6］对Dorn理论进行了改进，提出了Harmathy模型，并对ASTM A36和CSAG40.12结构钢以及ASTM A421预应力筋开展了高温蠕变试验，验证了Harmathy模型的正确性.Williams⁃Leir［7］分析了Harmathy模型，并通过试验数据拟合提出了Williams⁃Leir模型.Findley等［8］基于粘弹性力学提出了Burger’s模型，但该模型只适用于初始和稳定状态下的蠕变阶段，无法模拟加速阶段的蠕变.Brnic等［9⁃10］对高强度合金钢开展了高温蠕变试验，分析表明Burger’s模型能较好地描述该钢材高温蠕变的发展.Fields等［11］提出了Field&Field蠕变模型，并给出了A36钢的蠕变模型参数取值，通过与试验数据对比验证了模型的准确性.王卫永等［12］通过试验研究得到了Q345钢的高温蠕变⁃时间曲线，建立了其复合时间强化蠕变模型和Norton蠕变模型.Wang等［13⁃14］在300℃~900℃温度范围内对Q460和Q690高强钢进行了不同应力水平下的高温蠕变试验，建立了两种钢材考虑温度、应力和时间影响的蠕变模型.王欣欣等［15］通过对Q550、Q690和Q890三种高强钢进行了一系列的高温蠕变试验，结果表明：温度以及应力比对高强度钢材蠕变的发展具有显著影响.

690 MPa的高强钢已在高层、大跨及桥梁中有所应用，《高强钢结构设计标准》（JGJ/T 483—2020）已引入了Q690高强钢结构的相关条文.随着高强钢材料及其结构设计理论研究的不断深入，更高强的Q890钢将具有良好的应用前景.因而，对其力学性能进行广泛的研究十分必要.尽管文献［15⁃16］已对Q890高强钢的高温力学性能及蠕变性能进行了研究，但关于Q890高强钢的高温蠕变模型的研究还未见报道.本文通过试验，得到了Q890高强钢在不同温度和不同应力比下的高温蠕变⁃时间曲线，通过分析进一步获得Q890高强钢的高温蠕变速率曲线以确定其蠕变发展的各个阶段，然后基于试验数据建立其高温蠕变模型，为Q890高强钢结构在高温下的力学性能的分析提供基础.

1 高温蠕变试验

1.1试件设计已有研究［15，17⁃20］表明，温度和应力水平是影响钢材高温蠕变的主要因素.由于温度较低时，蠕变变形不明显，试验温度通常在400℃以上，并且在前期试验过程中发现，温度达到800℃时，试验采用的视频引伸计无法准确地捕捉到试件上的散斑并进行应变测量，因此最高温度设计为700℃.当应力水平过低时，试件蠕变变形不明显，而应力水平过高时，试件在加载阶段已经发生断裂，不符合试验目的.因而，本文采用表1所示的试验参数，试验温度T为400℃、500℃、600℃和700℃，每一温度水平下设计3种应力比α（施加应力σ与该温度下屈服强度之比，屈服强度参考文献［16］取1.0%残余应变对应的应力），以较好地考察温度与应力对蠕变的影响.因蠕变试验时间较长，大多数研究［17⁃19］中一组参数通常设计一个试件，较少的研究［15］设计两个试件.本研究每组试验设置两个试件，根据温度和应力比的不同共有12组试验，共计24个试件.蠕变试件的几何尺寸设计如图1所示.

表1 试验参数

图1 试件几何尺寸（单位：mm）

1.2试验装置及试验方法试验装置如图2所示，共由四部分组成：微机控制电子万能试验机、高温炉、视频引伸计及电脑控制与数据采集系统.试验机加载、高温炉升温及视频引伸计的应变测量均为软件系统自动控制采集.高温炉安装在万能试验机中间（图2a），可控温度范围300℃~1 200℃，其内部工作环境如图2b所示.试件置于炉内，其上下两端通过销栓与试验机相连（图2b）.试验时高温炉闭合，利用视频引伸计通过高温炉的可视窗口对试件的拉伸应变进行测量.采用高温漆在试件表面布满散斑，视频引伸计可跟踪散斑的位移变化，从而实现应变的测量.视频引伸计包括摄像机、蓝光灯与配套数据采集软件，其数据采集与拉伸试验机的数据采集过程能实现同步.

图2 试验装置

试验时，先在无应力状态下对高温炉进行升温（升温速度为2.6~7.7℃·min−1），达到预设温度后恒温10 min，使试件温度均匀分布，此时试件的热膨胀应变已完成.然后，继续保持恒温，利用试验机采用力加载（速度为1~15 N·s−1）的方式对试件施加荷载，至目标荷载后保持力恒定（应力比恒定），此时应力产生的应变也已完成.然后，开始采用视频引伸计进行应变测量，直至试验结束.由于热膨胀应变与应力产生的应变已完成，视频引伸计测量的应变为蠕变应变.试验结束条件设置为在恒温恒载条件下试件发生蠕变断裂或蠕变时间达10小时.在钢材高温蠕变的相关研究中，闫守海［18］、王康［19］均采用试件断裂或蠕变时间达到10小时作为试验结束条件，而在王欣欣等［15］和李翔等［20］的研究中，采用试件断裂或蠕变时间达到6小时作为试验结束条件.综上，为在温度较低、应力比较小时获取较完整的蠕变⁃时间曲线，将10小时作为试验结束条件.

2 试验结果分析

2.1试验现象试验中，部分试件发生断裂，包括500℃下应力比为0.85、600℃下应力比为0.65及700℃下的全部试件.断裂试件可见明显的颈缩现象.试件经高温蠕变冷却后，其表面颜色变化明显.温度为400℃时，试件局部呈现红褐色并带有金属光泽，即使应力比较大（α=0.95）时，试件也未发生断裂，试件变形较小.500℃时，试件失去金属光泽，整个试件遍布红褐色，并且局部带有黑色，断裂试件变形明显大于未断裂试件.600℃时，碳化现象明显，试件整体呈黑色略带红褐色和白色，试件变形较大.700℃时，试件整体呈灰色略带红褐色和黑色，应力比越大，试件断裂越快.

2.2高温蠕变⁃时间曲线Q890高强钢在相同温度不同应力比下和相同应力比不同温度下的蠕变⁃时间曲线如图3和图4所示.图3和图4中，横坐标为时间（t），纵坐标为蠕变应变（εcr），试件编号的含义：受热温度—应力比—试件序号.如400⁃0.65⁃01表示：受热温度为400℃，应力比为0.65的01号试件.

图3 相同温度不同应力比下Q890高强钢高温蠕变⁃时间曲线

图4 相同应力比不同温度下Q890高强钢高温 蠕变⁃时间曲线

图3和图4所示的蠕变发展规律可总结为图5所示的典型蠕变曲线.其中，ε为应变增加总量，t为时间.钢材在高温下的应变增加总量（ε）由热膨胀应变（εe）、应力产生的应变（εp）和蠕变应变（εcr）组成.蠕变随时间的发展大致可以分为3个阶段：1）第Ⅰ阶段（图5中AB段）又称瞬时蠕变阶段，该阶段蠕变增长速率随时间增长而减小；2）第Ⅱ阶段（图5中BC段），又称稳态蠕变阶段，该阶段蠕变增长速率基本保持恒定；3）第Ⅲ阶段（图5中CD段），又称加速蠕变阶段，该阶段蠕变增长速率急剧增大，直至试件断裂.根据试验参数的不同，蠕变曲线包含Ⅰ—Ⅱ阶段或者同时包含3个阶段.当温度较低，应力比较小时，蠕变发展较慢，主要发展Ⅰ—Ⅱ阶段蠕变；当温度较高，应力比较大时，蠕变发展快，可能进入第Ⅲ阶段蠕变.

图5 钢材典型的高温蠕变曲线

如图3所示，相同温度下随应力比增加，第Ⅰ阶段蠕变发展更快更大，第二阶段蠕变来得更早.700℃下应力比α达到0.45时、600℃下应变比α达到0.55时和500℃下应变比α达到0.85时，蠕变均发展到第Ⅲ阶段.从图4可见，温度是影响蠕变的非常重要因素.在温度较低时（如400℃），即使应力比较大，蠕变发展也相对小很多.

由图3、图4可知，在相同试验条件下，部分蠕变曲线表现出较大的离散性.从微观上解释，这可能是由于蠕变在发展的过程中，其内部结构损伤有较强的随机性，因而导致在宏观上蠕变的发展有明显差异.但是在相同试验条件下，两条蠕变曲线的发展趋势基本相同.通常在相同试验条件下取蠕变发展程度较大的试件进行分析，因无更多的统计数据，其他已有的相关研究也是采用该方式处理.表2为同组试件中所测蠕变⁃时间曲线的最大蠕变应变.

从表2看出，在相同应力比不同温度的条件下，最大蠕变应变会随温度的升高而增加.应力比α为0.45和0.65时，应力比越高，相同应力比下温度从600℃增加到700℃导致的最大蠕变差异越小.

表2 Q890高强钢高温蠕变应变最大值

2.3蠕变速率⁃时间曲线及发展阶段划分图6为Q890高强钢各温度及应力比下蠕变速率（ε＇cr）−时间（t）曲线（红色虚线、对应右纵坐标）.

从图6可见，蠕变发展初始阶段，速率从快到慢衰减很快，然后进入较稳定的速率阶段，部分试件最后进入加速发展阶段，对应图5所示的3个阶段.根据蠕变速率（ε＇cr）⁃时间（t）曲线，将各参数下的蠕变曲线分成3个阶段，如图6所示.在温度较低时（T=400℃所有曲线以及T=500℃，α＜0.85曲线），蠕变曲线只有第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段，其余情况均进入第Ⅲ阶段蠕变.

图6 Q890高强钢高温蠕变速率曲线及蠕变3个阶段划分

3 蠕变模型

现有 的蠕 变模 型 有Dorn模型［4］、Harmathy模 型［5⁃6］、G.Williams⁃Leir模 型［7］、Burger’s模 型［8⁃10］和Field&Field模型［11］等.本文采用Field&Field蠕变模型描述Q890高强钢的高温蠕变的发展.Field&Field蠕变模型包含3个参数，且每个参数都是温度的函数，适用于第Ⅰ蠕变阶段和第Ⅱ蠕变阶段.基于高温蠕变试验数据，可拟合得到3个参数取值.该模型的表达式为：

式中：εcr为蠕变应变，t为时间；σ为应力；a、b、c分别为与温度有关的参数.

表3为通过数据拟合后得到的各个温度下的Field&Field蠕变模型参数值，其关于温度（T）的参数模型见式（2）~（4）.去除第Ⅲ蠕变阶段，将Field&Field蠕变模型曲线与试验曲线进行对比（图7），结果表明，二者吻合良好.

图7 Field&Field蠕变模型曲线与试验曲线对比

表3 Q890高强钢Field&Field高温蠕变模型参数

图8为本文Field&Field蠕变模型曲线与文献［15］蠕变曲线的对比，可见存在明显差异.表4和表5分别为本文和文献［15］中Q890钢的化学成分和强度的比较.从表4和表5可以看出，本文与文献［15］的Q890钢的化学成分及强度存在明显差异.相关研究［21⁃27］表明，一些化学元素及其含量对钢或合金的高温蠕变存在明显影响.受试验条件的限制，目前针对元素变化对建筑结构钢高温蠕变性能影响的研究极少，这一问题值得进一步探讨.在缺乏大量蠕变试验数据和Q890钢高温蠕变模型的情况下，本文仅结合文中的试验结果提出相应的蠕变模型，其可靠性有待进一步研究，但该模型仍能为描述Q890高强钢蠕变行为提供一定参考.

表4 本文与文献［15］Q890钢化学成分比较

表5 本文与文献［15］Q890钢强度比较

图8 Field&Field蠕变模型曲线与文献［15］试验曲线对

4 结 论

（1）温度和应力比对高温蠕变发展的程度影响显著.相同应力比不同温度下，温度越高，高温蠕变发展越充分.相同温度不同应力比下，应力比越大，高温蠕变发展越充分.

（2）Q890高强钢在400℃且应力比小于0.95时和500℃且应力比小于0.85时，高温蠕变发展仅包含第Ⅰ和Ⅱ阶段蠕变.500℃且应力比达到0.85时及温度达到600℃且应力比达到0.45时，高温蠕变发展包含完整的3个蠕变阶段.

（3）400℃时，即使应力比达到0.95，Q890钢的高温蠕变发展也相对较小.温度达到600℃时，在0.45的应力比下，其高温蠕变也有很大的发展.

（4）基于本文试验数据，拟合得到Q890高强钢的Field&Field高温蠕变模型，模型与试验曲线吻合良好.