304D奥氏体和TSZ410铁素体不锈钢高温后力学性能试验

摘要： 对304D奥氏体和TSZ410铁素体不锈钢进行了高温过火冷却后的力学性能试验研究，得到了高温过火冷却后不锈钢材料的弹性模量、名义屈服强度、抗拉强度、断后伸长率等主要力学性能指标，并将试验结果与已有同类试验结果进行对比。结果表明，两种不锈钢在不同过火温度和冷却方式（自然冷却、浸水冷却）下有不同的外观特征，过火温度高于400℃时，TSZ410铁素体不锈钢试件表面颜色均比304D奥氏体不锈钢要深；高温过火冷却对304D奥氏体不锈钢的屈服强度有一定的影响，对其弹性模量、极限强度和断后伸长率的影响不大；高温过火冷却对TSZ410铁素体不锈钢的屈服强度、极限强度和断后伸长率的影响较大，对弹性模量的影响很小；当过火温度低于700℃时，TSZ410铁素体不锈钢的强度衰减和延性增长均高于304D奥氏体不锈钢。

关键词： 不锈钢；奥氏体；铁素体；力学性能；冷却方式

Abstract： The experimental study is conducted to investigate the mechanical properties of 304D austenitic stainless steel and TSZ410 ferritic stainless steel after cooling down from various temperatures. The main mechanical performance indicators are obtained such as elastic modulus， nominal yield strength， tensile strength and elongation. The comparison is made between the test results and the results of similar tests. The results indicate that the two kinds of stainless steel have different appearance characteristics under different temperatures and cooling methods. When the temperature is higher than 400℃， the surface color of TSZ410 ferritic stainless steel under the two cooling methods is deeper， and the degree of corrosion is more serious than that of 304D austenitic stainless steel. High-temperature cooling only has a specific effect on the nominal yield strength of 304D austenitic stainless steel but has little effect on its elastic modulus， tensile strength and elongation， while high-temperature cooling has little effect on the elastic modulus of TSZ410 stainless steel and has a significant effect on its nominal yield strength， tensile strength and elongation. When temperature is below 700℃， the strength loss and ductility increase of TSZ410 stainless steel are significantly higher than those of S30408 austenitic stainless steel.

Keywords： stainless steel；austenite；ferrite；mechanical property；cooling method

不锈钢结构具有延性高、耐腐蚀性强、表观性好以及全生命周期维护成本低等优点，在建筑工程中具有广阔的应用前景 ^[1-2] 。不锈钢按其基体组织结构的不同可分为五大类：奥氏体、铁素体、马氏体、双相体和沉淀硬化体不锈钢 ^[3] 。其中，铁素体和奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性、塑性、韧性及可焊性等性能，是建筑行业最常用的一类不锈钢。

目前，国内外学者对常温和高温下不锈钢力学性能的研究已有诸多报道 ^[4-12] ，提出了常温和高温下不锈钢材料应力-应变曲线的多种模型，其准确度和便捷性均较好，且相关规范中也给出不锈钢材料常温下力学性能的参数值 ^[13-17] 和高温下力学性能指标变化系数的取值 ^[18-19] 。

近年来，建筑火灾频繁发生，火灾后结构材料的力学性能是对灾后结构评估的重要依据。但现阶段对高温后钢材的力学性能研究主要集中在普通钢材和高强度钢材 ^[20-24] ，而针对高温后不锈钢力学性能的研究相关文献较少。WANG等 ^[25] 通过对EN1.4301奥氏体不锈钢进行高温后拉伸试验，得到了自然冷却方式和不同温度工况对EN1.4301奥氏体不锈钢力学性能的影响并给出了其高温后的应力-应变表达式。范圣刚等 ^[26] 对S30408奥氏体不锈钢进行了高温后的力学性能研究，得到了该材料不同温度工况和不同冷却方式对不锈钢材料力学性能的影响规律。郭兆军等 ^[27] 对铁素体不锈钢进行高温后力学性能试验，提出了高温后铁素体不锈钢力学性能参数计算公式，可用于铁素体不锈钢结构的火灾后力学性能评估和加固设计。

综上所述，国内外学者对不锈钢高温后的力学性能研究处于起步阶段。为此，针对我国304D奥氏体和TSZ410铁素体两种新型不锈钢高温后的力学性能展开系统性的研究，将高温试验后的试件在不同冷却方式（自然冷却和浸水冷却）下冷却至室温。通过常温拉伸试验，研究了两种不锈钢在不同冷却方式下的高温后力学性能，对比分析试验结果，得出过火温度和冷却方式对两种不锈钢的影响规律，并为此类结构火灾后鉴定和加固设计提供依据。

1　试验方案

1.1　试验设备

试验在同济大学工程结构抗火实验室完成，采用MTS E45.305型高温电子材性试验机（图1），加热炉采用MTS 653.04型高温炉，工作温度范围为100~1,400℃。试件的变形测量采用MF接触式引伸计，精度为0.001mm。

图1　高温电子材性试验机

Fig.1　High temperature electronic material testing machine

1.2　试件设计

试件分别由6mm厚国产304D奥氏体不锈钢和TSZ410铁素体不锈钢板制成，两种不锈钢的主要化学成分如表1所示。试件根据《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010） ^[28] 的规定设计制作，采用矩形横截面，形状及尺寸如图2所示。根据试验温度的不同，其中304D奥氏体不锈钢材料设计了10组试件，TSZ410铁素体不锈钢设计了9组试件，其中均包括1组常温试件；考虑到不锈钢材料性能稳定、离散性小的特点，每组采用2个试件。

图2　试件尺寸（单位：mm）

Fig.2　Specimen size （Unit：mm）

1.3　试验方案

（1）高温过火冷却试验

在试验过程中先将试件升温至指定温度，并恒温30min待试件标距段温度均匀后，将试件取出进行降温。

① 试验温度点包括100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃共9个工况；

② 升温速率控制在10 ~ 30℃·min ^-1 ，加热到指定温度时，恒温30min，且在升温及恒温过程中允许试件自由膨胀；

③ 采用空气中自然冷却和浸水冷却两种方式冷却至室温，冷却后试件在自然条件放置5d以上，观测冷却后钢材的外观变化，然后进行拉伸试验。

（2）拉伸试验

按照《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010） ^[28] ，采用两阶段加载控制。第1阶段为应变速率控制，为2.5×10 ^-4 ·s ^-1 ；应变达到0.05后，改为位移控制，位移速率为1.5mm·min ^-1 ，直至试件被拉断。第1阶段加载主要用于测量材料初始弹性模量和名义屈服强度；第2阶段主要用于测量不锈钢材料抗拉极限强度。

2　试验结果及分析

2.1　表观特征

高温后经自然冷却和浸水冷却后的试件，其表面有不同程度的颜色变化。304D奥氏体不锈钢和TSZ410铁素体不锈钢试验试件的表观特征分别如图3、图4所示。

图3　304D奥氏体不锈钢高温过火冷却后试件表观特征

Fig.3　Appearance characteristics of 304D austenitic stainless steel after cooling from elevated temperatures

图4　TSZ410铁素体不锈钢高温过火冷却后试件表观特征

Fig.4　Appearance characteristics of TSZ410 ferritic stainless steel after cooling from elevated temperatures

由图3和图4可知，两种不锈钢高温冷却后试件表观特征的共同点是：

（1）过火温度低于500℃时，两种冷却方式下试件表观特征基本相同；过火温度高于500℃时，浸水冷却试件表面颜色比自然冷却试件要深；

（2）随着过火温度的不断升高，两种冷却方式下的试件表面颜色均从金属本色到红褐色再到黑色不断加深，且浸水冷却的试件颜色更深。

由图3和图4还可以看出，两种不锈钢高温过火冷却后试件表观特征的主要不同点是当过火温度高于400℃时，TSZ410铁素体不锈钢在两种冷却方式下的试件表面颜色均比304D奥氏体不锈钢要深。

2.2　未过火拉伸试验结果

未过火304D奥氏体不锈钢和TSZ410铁素体不锈钢的力学性能如表2所示。其中：E ₀ 、σ _0.2 、σ _u 、A ₀ 分别为钢材在常温下的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率。表2中各数据均为各组试件的平均值。

2.3　高温冷却后不锈钢的应力-应变曲线

304D奥氏体不锈钢和TSZ410铁素体不锈钢高温冷却后拉伸试验得到不锈钢材料的应力-应变曲线分别如图5和图6所示。

图5　304D奥氏体不锈钢高温冷却后的应力-应变曲线

Fig.5　Stress-strain-curves of 304D austenitic stainless steel after cooling from elevated temperatures

图6　TSZ410铁素体不锈钢高温冷却后的应力-应变曲线

Fig.6　Stress-strain-curves of TSZ410 ferritic stainless steel after cooling from elevated temperatures

通过对比图5和图6，可以得到以下规律：

（1）两种不锈钢高温冷却后的应力-应变曲线与常温下不锈钢的应力-应变曲线相同，都呈现出明显的非线性特征，没有明显的屈服平台。

（2）过火温度和冷却方式对304D奥氏体不锈钢应力-应变曲线的影响很小。在材料应变达到20%之前，304D奥氏体不锈钢试件在各过火温度下的应力-应变曲线与常温下不锈钢的应力-应变曲线基本重合；当材料应变超过20%后，304D奥氏体不锈钢各试件的应力-应变曲线开始出现明显差异。

（3）过火温度对TSZ410铁素体不锈钢应力-应变曲线的影响很大。在材料应变达到1%之前，TSZ410铁素体不锈钢试件在各过火温度下的应力-应变曲线与常温下不锈钢的应力-应变曲线基本重合；当材料应变超过1%后，TSZ410铁素体不锈钢各试件的应力-应变曲线开始出现明显差异。

（4）冷却方式对TSZ410铁素体不锈钢应力-应变曲线的影响较大。当过火温度不超过700℃时，自然冷却和浸水冷却方式下的TSZ410铁素体不锈钢试件的极限强度均降低，延性增大；当过火温度超过700℃时，自然冷却方式下的TSZ410铁素体不锈钢试件延性急剧下降，极限强度无明显变化，而浸水冷却方式下，延性急剧下降，且下降程度比自然冷却方式下更明显，极限强度明显增大。

2.4　高温冷却后的力学性能参数

表3和表4分别给出了高温冷却后304D奥氏体不锈钢和TSZ410铁素体不锈钢试件的各力学性能指标的变化系数。表中：T为过火温度，过火温度T再冷却后的材料力学参数分别记为E _0,T 、σ _0.2,T 、σ _u,T 及A _0,T 。图7给出了304D奥氏体不锈钢和TSZ410铁素体不锈钢在不同冷却条件下力学性能参数的变化情况。

图7　高温冷却后不同材料力学性能变化系数对比

Fig.7　Comparison of variation coefficients for mechanical properties of different materials after cooling from elevated temperatures

根据表3、表4和图7的试验数据，可以得到以下规律：

（1）随着过火温度的升高，304D 奥氏体、TSZ410铁素体两种不锈钢高温后弹性模量在两种冷却方式下均有小幅波动，且TSZ410铁素体不锈钢材料的波动程度要大于304D奥氏体不锈钢。

（2）过火温度和冷却方式对304D奥氏体不锈钢的屈服强度影响较大，而对极限强度、断后伸长率的影响较小。随过火温度的升高，304D奥氏体不锈钢的高温后屈服强度，在自然冷却方式下呈先增大后降低的变化规律，且变化幅值不超过5%；而在浸水冷却方式下，则呈不断降低的变化规律，但折减幅度不超过10%。

（3）过火温度和冷却方式对TSZ410铁素体不锈钢的屈服强度、极限强度、断后伸长率的影响较大。随着过火温度的升高，两种冷却方式下TSZ410铁素体不锈钢的屈服强度、极限强度呈先降低后增长的变化规律，而断后伸长率则呈先增长后降低的变化规律，且整体上浸水冷却的影响程度要大于自然冷却的影响程度。在过火温度为700℃时，两种冷却方式下TSZ410铁素体不锈钢的屈服强度和极限强度最大折减幅度分别为25%和10%，断后伸长率最大增长幅度为20%；在过火温度为800℃时，自然冷却和浸水冷却方式下TSZ410铁素体不锈钢的断后伸长率分别折减为未过火时的50%和40%。

综合以上分析可知，过火温度、冷却方式对304D奥氏体不锈钢的高温过火冷却力学性能影响较小，这是因为氮（N）元素是强奥氏体稳定元素，其在钢中形成奥氏体的能力约为镍（Ni）元素的18倍，由于304D中高含量氮（N）元素的存在，导致其在高温和冷却时仍具有稳定的奥氏体组织，从而具有良好的力学性能 ^[29] 。过火温度、冷却方式对TSZ410铁素体不锈钢的高温过火冷却力学性能影响较大，特别是在过火温度高于400℃后，过火温度对TSZ410铁素体不锈钢的影响越来越大，当过火温度在700~800℃时，影响显著。TSZ410铁素体不锈钢高温后的力学性能（屈服强度、极限强度和断后伸长率）在自然冷却和浸水冷却方式下具有相同的变化规律，且过火温度在700~800℃时开始出现转折，其原因是TSZ410铁素体不锈钢在该温度下会发生固态相变，引起组织、结构和性能的变化 ^[30] 。

3　对比分析

图7给出了304D奥氏体不锈钢、TSZ410铁素体不锈钢和普通结构钢Q345 ^[31] 高温冷却后的力学性能参数变化情况，以更加全面地分析304D奥氏体不锈钢和TSZ410铁素体不锈钢高温冷却后的力学性能。由图7可知：

（1）随着过火温度的升高，三种钢材的高温后弹性模量和极限强度在两种冷却方式下均有小幅波动，且TSZ410铁素体不锈钢材料的波动程度要大于304D奥氏体不锈钢和Q345钢，但变化幅度均在10%以内。

（2）过火温度和冷却方式对三种钢材屈服强度的影响不同。在自然冷却方式下，随着过火温度的升高，304D奥氏体不锈钢的高温后屈服强度无明显变化，而TSZ410铁素体不锈钢和Q345钢的高温后屈服强度变化较大；当过火温度低于700℃时，随着温度的升高，TSZ410铁素体不锈钢的高温后屈服强度不断下降，而Q345钢的高温后屈服强度无明显变化；当过火温度超过700℃时，随着温度的升高，TSZ410铁素体不锈钢的高温后屈服强度开始增大，而Q345钢的高温后屈服强度不断下降。在浸水冷却方式下，随着过火温度的升高，304D奥氏体不锈钢的高温后屈服强度有所降低，而TSZ410铁素体不锈钢和Q345钢的高温后屈服强度具有与自然冷却相同的变化规律。当过火温度为700℃时，自然冷却和浸水冷却方式下TSZ410铁素体不锈钢的高温后屈服强度分别折减为未过火时的77%和74%；当过火温度为900℃时，自然冷却和浸水冷却方式下Q345钢的高温后屈服强度分别折减为未过火时的79%和85%。

（3）过火温度和冷却方式对三种钢材断后伸长率的影响也不同。在自然冷却方式下，随过火温度的升高，304D奥氏体不锈钢的高温后断后伸长率无明显变化，而TSZ410铁素体不锈钢和Q345钢的高温后断后伸长率变化较大；当过火温度低于700℃时，随着温度的升高，TSZ410铁素体不锈钢和Q345钢的高温后断后伸长率不断增大；当过火温度超过700℃时，随温度的升高，TSZ410铁素体不锈钢的高温后断后伸长率开始急剧下降，而Q345钢的高温后断后伸长率仍不断增大。在浸水冷却方式下，随过火温度的升高，304D奥氏体不锈钢的高温后断后伸长率无明显变化，而TSZ410铁素体不锈钢和Q345钢的高温后断后伸长率均呈先增大后减小的变化趋势；当过火温度为700℃时，自然冷却和浸水冷却方式下TSZ410铁素体不锈钢的高温后断后伸长率均增大为未过火时的118%；当过火温度为900℃时，自然冷却和浸水冷却方式下Q345钢的高温后断后伸长率分别为未过火时的119%和65%。

4　结  论

本文对304D奥氏体不锈钢和TSZ410铁素体不锈钢进行了升温、冷却和拉伸试验，研究了两种不锈钢在不同冷却方式下的高温后力学性能，并将试验结果与Q345钢的高温后力学性能进行了对比分析，可以得出以下主要结论：

（1）两种不锈钢在不同温度和冷却方式下表现出不同的外观特征，且在温度工况高于400℃时，TSZ410铁素体不锈钢在两种冷却方式下的试件表面颜色均比304D奥氏体不锈钢要深。

（2）过火温度和冷却方式对304D奥氏体不锈钢和TSZ410铁素体不锈钢弹性模量的影响很小。

（3）过火温度低于400℃时，无论是自然冷却还是浸水冷却，304D奥氏体不锈钢和TSZ410铁素体不锈钢的力学性能基本能恢复到未过火时的状态，冷却方式对力学性能的影响较小。

（4）当过火温度在400~700℃时，随着过火温度升高，两种冷却方式下，304D 奥氏体不锈钢的极限强度、延性能恢复到未过火时的状态，但屈服强度在自然冷却方式下会有所增大，而在浸水冷却方式下会降低；TSZ410 铁素体不锈钢的延性增大，屈服强度和极限强度有明显的下降。

（5）过火温度超过700℃时，随着过火温度升高，两种冷却方式下，304D 奥氏体不锈钢的极限强度、延性能恢复到未过火时的状态，但屈服强度在自然冷却方式下能恢复到未过火时的状态，而在浸水冷却方式下会降低；TSZ410 铁素体不锈钢的屈服强度、极限强度随着过火温度的升高会有明显的增大，而延性急剧下降。

（6）过火温度和冷却方式对304D奥氏体不锈钢、TSZ410铁素体不锈钢力学性能的影响规律与对Q345钢的影响规律相比有较大差异。

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