高温处理后高强钢丝性能变化试验研究

梁兆佳，卢文良，方继伟，谢玲儿

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京　100044；2.宁波市交通建设工程试验检测中心有限公司，浙江宁波　315000）



高温处理后高强钢丝性能变化试验研究

梁兆佳1，卢文良1，方继伟2，谢玲儿2

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.宁波市交通建设工程试验检测中心有限公司，浙江宁波315000）

摘要对3种不同直径的高强钢丝经不同高温作用后的力学性能进行试验，分析其表观特征、极限强度、颈缩率及应力-应变曲线与温度的关系。试验结果表明：加热温度400～500℃时，试件表面变暗红；温度达到600℃以上时，试件表面发黑；加热温度超过500℃以后，3种钢丝的极限强度随温度的升高均明显下降；3种钢丝的颈缩率随温度变化的趋势基本相同，在温度达700℃时颈缩率最大；3种钢丝的应力-应变曲线，在温度达700℃时有明显的屈服台阶，其他温度无明显屈服台阶。

关键词高强钢丝；试验温度；表观特征；力学性能；应力-应变曲线

随着我国交通运输和桥梁建设的快速发展，桥梁结构遭受火灾的现象逐渐增多。燃料的运输［1］、易燃易爆物品的输送［2］以及在施工与使用阶段的用火不善［3］都有可能使桥梁结构遭受火灾。火灾的高温作用会对桥梁的建筑材料造成损伤，进一步影响结构的正常使用和承载能力，从而导致桥梁结构的功能退化，甚至失效。对于预应力混凝土连续梁、连续刚构桥、斜拉桥等桥梁，高强钢丝是其结构承载能力的重要组成部分之一，火灾过后高强钢丝力学性能的劣化与变异将给桥梁结构的安全留下隐患。有些火灾过后的预应力桥梁结构存在变形过大和承载能力下降的现象，已有学者开展高温作用后高强钢丝力学性能研究［4-14］。本文选取3种不同直径的高强钢丝经不同温度的高温并冷却后，进行力学性能试验。研究了高强钢丝在经受不同高温作用后表观特征、力学性能的变化规律，分析温度对钢丝性能影响的机理。本文研究结果可为火灾后桥梁结构的安全评估及结构加固修补提供有益的参考。

1　试验方案

1. 1试件

本试验采用了3种不同直径的高强钢丝，直径分别为7. 0，5. 2，5. 1 mm。其中，直径7. 0 mm钢丝在斜拉桥平行钢丝束中应用较多，直径5. 2 mm和5. 1 mm的钢丝为高强钢绞线的中丝和边丝。直径7. 0 mm钢丝的强度等级为1 570 MPa，直径5. 2 mm，5. 1 mm钢丝的强度等级为1 860 MPa。试件长度为15. 0 cm，每3个试件为1组，每种直径钢丝有9组试件，共27组。

1. 2加热及冷却方式

试件的高温加热设备采用SX-12-10型箱式电阻炉和配套的TDW温度控制仪来升温和控温。从常温加热到预定温度，自动保持恒温30 min后，随炉冷却至常温。本试验所采用温度工况有9种，为20，300，400，500，600，700，800，900，1 000℃。3种直径钢丝的每个温度工况用1组试件试验。

1. 3力学性能试验

对经历高温并冷却后的试件进行拉伸力学性能试验。加载前，把试件的两端夹持在试验机两端的夹头上，并确保夹头夹紧。随后，加载设备以5 MPa/s的加载速度进行拉伸加载直至拉断。测量控制系统自动记录下加载的荷载-位移曲线。

2　试验结果与分析

2. 1表观现象

在经历不同温度工况后，3种钢丝在相同温度作用后的表观特征、断面特征基本相似，简介如下：

1）20～300℃时，试件表面有金属光泽，有轻微锈痕，断口集中于试件中部，断口处有金属光泽，呈银灰色，断面凹凸不平。

2）400～500℃时，金属表面变暗红，断口集中于试件中部，断口呈深灰黑色，断面凹凸不平。

3）600℃时，金属表面开始发黑，断口集中于试件中部，断口呈深灰黑色，断面凹凸不平。

4）700～800℃时，金属表面发黑，断口集中于试件夹头位置处，断口呈灰色，断面平整。

5）900℃时，金属表面焦黑，夹头位置处有掉皮现象，断口集中于试件夹头位置处，断口呈灰白色，断面平整。

6）1 000℃时，金属表面焦黑，并伴有较严重的掉皮现象，断口集中于试件夹头位置处，断口呈灰白色，断面平整。

2. 2高温后钢丝极限强度

将每个试件的拉断荷载除以截面面积得到试件极限强度，本文取每组试件极限强度的平均值作为该温度工况下试件极限强度的代表值进行分析。将20℃工况下试件极限强度作为标准值，其他温度工况下试件极限强度与之相比，得到不同温度作用后钢丝极限强度的保留率，以此来表示各试件极限强度随温度的变化规律，如图1所示。

图1　3种直径钢丝强度保留率随温度变化曲线

2. 2. 1直径7. 0 mm钢丝

20℃时钢丝实测极限强度平均值为1 622 MPa。在300℃时，极限强度平均值为常温下的97. 0％；400℃时为96. 4％；500℃时为96. 5％；600℃时为61. 2％；700℃时为47. 0％；800℃时为59. 0％；900℃时为61. 8％；1 000℃时为59. 2％。

2. 2. 2直径5. 2 mm钢丝

20℃时钢丝实测极限强度平均值为1 938 MPa。在300℃时，极限强度平均值为常温下的97. 0％；400℃时为85. 9％；500℃时为72. 8％；600℃时为53. 7％；700℃时为36. 9％；800℃时为51. 2％；900℃时为50. 8％；1 000℃时为46. 6％。

2. 2. 3直径5. 1 mm钢丝

20℃时钢丝实测极限强度平均值为1 967 MPa。在300℃时，极限强度平均值为常温下的97. 8％；400℃时为86. 1％；500℃时为86. 3％；600℃时为49. 7％；700℃时为40. 2％；800℃时为51. 3％；900℃时为50. 9％；1 000℃时为47. 6％。

2. 3高温后钢丝颈缩率

测量各试件拉伸前后的直径，计算各试件的颈缩率。以每组试件的平均颈缩率作为该组试件高温作用后的颈缩率，如图2所示。

图2　3种直径钢丝颈缩率随温度变化曲线

2. 3. 1直径7. 0 mm钢丝

300℃时钢丝颈缩率平均值为34. 2％；400℃时为24. 0％；500℃时为22. 5％；600℃时为19. 7％；700℃时为57. 2％；800℃时为18. 3％；900℃时为19. 0％；1 000℃时为22. 0％。

2. 3. 2直径5. 2 mm钢丝

300℃时钢丝颈缩率平均值为33. 5％；400℃时为21. 1％；500℃时为29. 7％；600℃时为41. 8％；700℃时为56. 0％；800℃时为21. 0％；900℃时为20. 4％；1 000℃时为29. 0％。

2. 3. 3直径5. 1 mm钢丝

300℃时钢丝颈缩率平均值为30. 2％；400℃时为25. 8％；500℃时为26. 0％；600℃时为39. 1％；700℃时为56. 6％；800℃时为17. 5％；900℃时为19. 4％；1 000℃时为25. 6％。

2. 4应力-应变曲线

整理了各组试件经历高温后的应力-应变曲线。限于篇幅，只取700℃时钢丝的应力-应变曲线，见图3。

图3　700℃时3种直径钢丝应力-应变曲线

由图3可知，温度在700℃时，这3种类型钢丝的应力-应变曲线均存在明显的屈服台阶。温度在800℃时，虽然3种直径钢丝也都存在屈服台阶，但台阶的明显程度已不如700℃时。其他温度下钢丝均不存在屈服台阶。

2. 5高温对钢丝性能影响的分析

2. 5. 1表层特征

通过对比加热前和加热后试件的表面特征发现，当温度到达400～500℃时，试件表面开始变暗红，原因是高温作用加快了钢丝的锈蚀作用，使试件的表面生成了铁锈（Fe2O3），使试件表面变暗红。当温度到达600℃以上时，试件的表面开始发黑，主要原因是高温作用促使了铁与氧气反应生成了Fe3O4，使试件表面发黑。

2. 5. 2强度变化

高强钢丝的金属晶体为颗粒粗大的珠光体。珠光体是铁素体与渗碳体的混合物，其强度较高，具有一定的塑性。在加热的条件下，温度达临界温度时（约600 ～700℃）并经足够长时间后，珠光体转化为均匀的奥氏体组织。奥氏体是碳溶解在γ—Fe中形成的间隙固溶体，是一个软而富有塑性的相，强度不高。高温作用后，随炉冷却的冷却速度较快，形成的珠光体晶粒较细。

本试验中，加热温度不超过临界温度时，3种试件的极限强度都随温度的升高而降低。原因是钢材温度在临界温度以下时，钢材只是发生组织上的转变而并没有发生金属的相变。高温只是促使组织内部发生位错的攀移、异号位错的合并等回复作用。而回复作用降低了位错的密度，消除了位错对钢材强度的有利影响。随着温度的升高，回复作用加强，钢材的强度不断下降。

温度高于临界温度时，金相组织已发生明显变化。珠光体向奥氏体的转化已经较为完全，随之的冷却作用使晶粒得到细化，层间距也得以减少。珠光体的强度与晶粒直径和片层间距有关，粒径和片层间距越小，其强度越高。故在700℃以后强度有所回升。

3　结论

通过对3种不同直径钢丝受热冷却后的外观分析和拉伸试验，可得如下结论：

1）加热温度300℃以下时，试件表观现象变化不大；温度在300～500℃时，试件表面开始变暗红；600℃以后试件表面逐渐变黑；900℃以后伴有掉皮现象。

2）3种钢丝的极限强度总体上随温度的升高而下降。直径7. 0 mm钢丝在500℃以下时，极限强度受高温作用的影响不大；当温度超过500℃后，强度下降明显；当温度超过700℃时，极限强度有所回升。直径5. 2 mm钢丝在400℃以下时，极限强度受高温作用的影响不大；当温度超过400℃后，强度下降明显；当温度超过700℃时，极限强度有所回升。直径5. 1 mm钢丝在500℃以下时，极限强度受高温作用的影响不大；当温度超过500℃后，强度下降明显；当温度超过700℃时，极限强度有所回升。

3）3种高强钢丝高温后断裂时均有颈缩现象，700℃左右颈缩率最大。

4）3种高强钢丝的应力-应变曲线在700℃时，有明显屈服台阶；800℃时，无明显屈服台阶；其他温度时，高强钢丝的应力-应变曲线无屈服台阶。

参考文献

［1］张宏，邵永军.火灾后混凝土桥梁损伤评估方法与应用［J］.四川建筑科学研究，2011，37（3）：95-99.

［2］谢勇，雷振明.关于火灾对桥梁的损害［J］.黑龙江科技信息，2009（4）：209.

［3］冯志南，陈爱萍.高速公路通道桥火灾后的检测与评估［J］.世界桥梁，2009（2）：65-67.

［4］张昊宇，郑文忠. 1860级低松弛钢绞线高温下力学性能［J］.哈尔滨工业大学学报，2007，39（6）：861-865.

［5］宗钟凌，何永福，李世歌.基于高温下钢绞线力学性能的预应力钢结构抗火分析［J］.四川建筑科学研究，2013，39 （5）：47-51.

［6］范进，吕志涛.高温（火灾）下预应力钢丝性能的试验研究［J］.建筑技术，2001，32（12）：833-834.

［7］周焕廷，李国强.高温下钢绞线材料力学性能的试验研究［J］.四川大学学报（工程科学版），2008，40（5）：106-110.

［8］范进，吕志涛.受高温作用时预应力钢绞线性能的试验研究［J］.建筑结构，2001，32（12）：833-834.

［9］郑文忠，胡琼，张昊宇.高温下及高温后1770级φP5低松弛预应力钢丝力学性能试验研究［J］.建筑结构学报，2006，27（2）：120-128.

［10］张继祥，朱明，高波，等.高温受热后82B预应力钢绞线力学性能退化规律研究［J］.上海金属，2013，35（3）：12-19.

［11］范进.高温后预应力钢绞线性能的试验研究［J］.南京理工大学学报，2004，28（2）：186-189.

［12］袁广林，李庆涛，吕志涛，等.高温下无粘结预应力混凝土中钢绞线预应力的损失［J］.河海大学学报，2006，34（1）：88-91.

［13］侯炜.预应力混凝土箱梁结构抗火性能研究［D］.西安：长安大学，2014：28-33.

［14］刘扬.火灾全过程多梁式预应力混凝土T型梁桥整体抗火性能研究［D］.西安：长安大学，2014：28-36.

（责任审编赵其文）

Experimental Study on Mechanical Performance of High Strength Steel Wire Through High Temperature Treatment

LIANG Zhaojia1，LU Wenliang1，FANG Jiwei2，XIE Linger2
（1. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2. Ningbo Traffic Construction Engineering Test Center Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315000，China）

AbstractT he paper looked into the mechanical performance of three high strength steel wires of different radius subject to different high temperatures. Afterwards，it studieed the apparent features，strength limit，necking ratio and the relation between temperature changes and stress-strain curves. T he results indicate that the specimens change into a dark red color under the temperature of 400～500℃. As the temperature climbs up to 600℃，the specimens turn black. W hile under 500℃，the strength limits of all three specimens drop sharply with the rise in temperature. All three wires bear resemblance in terms of the development trend of necking ratios，which reach their limits at the temperature of 700℃. T he stress-strain curves in all cases display a yield terrace at the temperature of 700℃，which are not noticed at other temperature.

Key wordsHigh strength steel wire；Experimental temperature；Apparent features；M echanical performance；Stressstrain curve

中图分类号U448. 35

文献标识码A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 38

文章编号：1003-1995（2016）05-0166-04

收稿日期：2015-11-10；修回日期：2016-02-22

作者简介：梁兆佳（1991—），男，硕士研究生。