16Mn钢的高温强度试验

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
温度/ ℃ 300 300 300 400 400 400 500 500 500 600 600 600
ET/ E0 01 87 01 89 01 89 01 70 01 74 01 75 01 68 01 67 01 67 01 50 01 37 01 45
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科研开发 图 1 试验设备
应变达到一定数值后停止试验 。
2 试验结果及分析 21 1 恒载加温试验结果及分析
恒载加温试验中由于应力保持不变 ,试验只能 参考变形 —时间曲线图 ,试验中某一温度下临界荷 载的判断标准为试验过程中试件的变形速率突然变 大或者持续变大 ,此时所施加的荷载即为临界荷载 。 图 4～图 7 分别为对应 600 、500 、400 、300 ℃时不同 荷载水平下的变形 —时间曲线图 。
f 015/ f y 01 82 01 83 01 84 01 77 01 79 01 79 01 67 01 68 01 68 01 46 01 47 01 47
f 110/ f y 01 91 01 93 01 92 01 90 01 91 01 93 01 77 01 78 01 79 01 54 01 54 01 52
钢结构由于具有轻质 、高强 、施工快 、抗震性能 好等优点而在建筑中得到越来越广泛的应用 ,然而 耐火性能差是钢结构建筑的一个致命弱点 。在火灾 高温作用下 ,钢材的力学性能急剧下降 ,从而导致结 构破坏 。裸露钢结构在火灾中一般 15 ～20min 发 生倒塌破坏 ,给灭火工作和人员逃离造成极大困难 。 因此 ,研究钢材在高温下的力学性能对于进行建筑 结构的抗火设计具有重要意义 。迄今为止 ,钢材在 高温下的力学性能研究所采用的试验方法主要有两 种 :恒载加温和恒温加载 。恒载加温是先给定一个 水平的应力 ,在保持该应力不变的条件下进行火烧 , 研究其破坏的临界荷载 。恒温加载是把钢材加温至 某一温度水平 ,恒温一定时间 ,使其内外温度趋于一 致 ,然后加载以测定钢材的强度 。实际上 ,建筑钢结 构或钢构件在火灾前都承受一定的荷载 ,在其内部 产生一定水平的应力 ,所以 ,更符合恒载升温这种状 态 。研究表明 ,恒载加温的钢材强度比恒温加载下 的钢材强度要小 ,恒温时间越长 ,两者差别越大 。国 内外对钢结构建筑所用结构钢的高温力学性能做过 许多研究 ,但由于其试验材料 、方法 、试验过程 、试验 控制方式和参数的选择以及测量等技术的不同 ,试 验结果有一定的差异 。本文通过对国产某厂 16Mn 钢的高温强度进行试验研究 ,以得到其在恒载加温 条件下不同温度时的临界荷载水平以及恒温加载下 强度折减系数随温度的变化规律 。
f 015/ f y 01 83 01 78 01 68 01 47
f 110/ f y 01 92 01 91 01 78 01 53
表 1 恒温加载条件下屈服强度折减系数值
f 011/ f y 01 62 01 61 01 64 01 49 01 51 01 52 01 45 01 45 01 46 01 33 01 34 01 32
f 012/ f y 01 72 01 73 01 73 01 62 01 64 01 65 01 55 01 55 01 55 01 40 01 41 01 40
临界荷载水平为 01 55 ; 300 ℃时恒载加温的临界荷 载水平为 01 70 。 21 2 恒温加载试验结果及分析
将恒温加载试验记录的应力 - 应变数据进行适 当的处理 :由应变仪测量的变形是标距 500mm 长 试件的变形 ,但实际上标距内试件的温度不是一个 标准的恒温区间 ,假设中间标距为 350mm 长的试 件是恒温区 ,两端近似考虑为常温 ,以此处理应变数 据 ,取其条件屈服强度值 ,分别为 f 011 、f 012 、f 015 、f 110 、 f 115 和 f 210 。用条件屈服强度除以该批次钢材常温屈 服强度便得到高温强度折减系数 。各次试验不同温 度条件下屈服强度的折减系数如表 1 所列。将每一 温度水平下 3 次试验的结果取平均值得表 2 。
1 试验内容 11 1 试验设备
钢材高温力学性能试验所需的设备应包括加 载 、加热和温度控制以及数据量测和记录等 3 个系 统 。该试验在一台型号为 WA W - 1000 微机控制 电液伺服万能试验机上进行 ,试验机最大加载能力 为 1 000kN ,控制精度为 ±1 %。试验机配备有 TL 1000 筒式高温炉 ,炉室直径 80mm ,恒温区长度为 350mm ,最高升温 1 000 ℃,控温精度为 ±1 ℃。变 形的量测采用电子引伸计 ,测量标距 500mm ,最大 量程为 25mm ,精度 01 78 %。试验设备如图 1 。测 量装置如图 2 所示 。 11 2 试验材料
3 国家重点基础研究专项经费资助项目 (2001CB409603) ,公安 部资助项目 (20049462101) 。
作 者 :李焕群 男 1974 年 10 月出生 讲师 硕士 收稿日期 :2007 - 01 - 20
Steel Const ruction1 2007 (8) , Vol1 22 , No1 98
f 115/ f y 01 98 01 99 01 99 01 98 11 00 11 01 01 84 01 85 01 86 01 57 01 57 01 56
f 210/ f y 11 04 11 06 11 05 11 06 11 07 11 09 01 89 01 90 01 90 01 59 01 60 01 59
编号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
温度/ ℃ 300 400 500 600
ET/ E0 01 88 01 73 01 67 01 44
表 2 恒温加载条件下平均屈服强度折减系数值
f 011/ f y 01 62 01 51 01 45 01 33
f 012/ f y 01 73 01 64 01 55 01 40
EXPERIMENT OF STENGTH OF 16Mn STEEL AT EL EVATED TEMPERATURE
Li Hua nqun (Depart ment of Fire Protection Engineering ,Chinese People’s Armed Police Academy Langfang 065000)
李焕群 :16Mn 钢的高温强度试验
16Mn 钢的高温强度试验 3
李焕群
(中国人民武装警察部队学院 消防工程系 廊坊 065000)
摘 要 通过对国产某厂 16Mn 钢的高温强度试验 ,得到其恒载加温条件下不同温度时的临界荷载水平 ,以及在 恒温加载下强度折减系数随温度的变化规律 ,为我国钢结构建筑耐火设计提供了重要的参考基础数据 。 关键词 16Mn 钢 恒载加温 临界荷载 恒温加载
试验材料选自某钢厂生产的建筑用 20mm 厚 的 16Mn 钢板 。然后按照图 3 所示形状与尺寸加工 成圆材试件 。 11 3 试验方法与过程
恒载加温试验中 ,先将试件置于筒式高温炉中 , 用耐火石棉线封堵上下炉口与试件间的缝隙 。给定 一应力水平 (不同的目标温度给定不同的应力水平) 并始终保持该水平 ,然后以一定的升温速率开始加 热升温到预先指定的温度水平 ,并恒温 15min ,测量
恒温加载试验中 ,先将试件在无应力状态下加 热到某一目标温度 ,恒温一段时间后开始拉伸加载 。 测量系统自动记录试验过程中的应力 、应变和时间 参数 。试验主要研究高温下的强度折减规律 ,试验 目标温度仍为 300 、400 、500 、600 ℃四个温度水平 。 每一温度水平重复做 3 次试验 ,共计 12 次 。具体试 验过程为 :先将试件置于筒式高温炉中 ,夹紧试验机 上夹头 ,固定试件上端 ,下端自由 ,用耐火石棉线封 堵上下炉口与试件间的缝隙 。然后 ,以一定的升温 速率加热试件到预先指定的温度水平 , 并恒温 15min ,以使试件温度均匀 。最 后启动 试验 机 , 以 01 5kN/ s 的加载速率加载 ,直至试件进入强化阶段 ,
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1 - k = 01 45 ;2 - k = 01 50 ;3 - k = 01 55 ;4 - k = 01 60 图 5 500 ℃恒载加温不同荷载水平下的变形 —时间曲线
1 - k = 01 50 ;2 - k = 01 55 ;3 - k = 01 60 ;4 - k = 01 65 图 6 400 ℃恒载加温不同荷载水平下的变形 —时间曲线
图 2 变形测量应变仪
1 - k = 01 25 ;2 - k = 01 30 ;3 - k = 01 35 图 4 600 ℃恒载加温不同荷载水平下的变形 —时间曲线
图 3 试件的形状与尺寸
系统自动记录试验过程中的力 (应力) 、变形 (应变) 和时间参数 ,试验主要研究在不同温度下钢材破坏 的临界荷载 。试验温度为 300 、400 、500 、600 ℃四个 温度水平 。由于该试验过程是摸索性的 ,所以每一 温度水平下的试验次数不一定相同 ,并且处于临界 状态的试验都重复两次 。本试验判断临界状态的标 准是以在试验过程中试件的变形速率是否发生了突 变 。恒载加温试验总共进行了 22 次 。
1 - k = 01 65 ;2 - k = 01 70 ;3 - k = 01 75 ;4 - k = 01 80 图 7 300 ℃恒载加温不同荷载水平下的变形 —时间曲线
钢结构 2007 年李焕群 :16Mn 钢的高温强度试验
图 4 中 600 ℃恒载加温试验荷载水平为 01 30 时 ,试验达到目标温度后试件的变形速率不发生改 变 。荷载水平为 01 35 时 ,试件在整个试验过程中变 形速率越来越大 。图 5 中 500 ℃恒载加温试验荷载 水平为 01 50 时 ,试验达到目标温度后试件的变形速 率没有发生大的改变 。图 6 中 400 ℃恒载加温试验 荷载水平为 01 55 时 ,变形速率逐渐变小 ,而荷载水 平为 01 60 时 ,试验达到目标温度后试件的变形速率 突然变大 。同样图 7 中 300 ℃恒载加温试验荷载水 平为 01 70 时 , 变形速率逐渐变小 , 而荷载水平为 01 75 时 ,试验达到目标温度后试件的变形速率也突 然变大 。依据判断标准 ,该批次 16Mn 钢在 600 ℃ 时恒载加温的临界荷载水平为 01 30 ; 500 ℃时恒载 加温的临界荷载水平为 01 50 ; 400 ℃时恒载加温的