第49卷第3期2022年3月
Vol.49，No.3
Mar.2022湖南大学学报（自然科学版）
Journal of Hunan University（Natural Sciences）
热风铜钎焊炉热处理后不锈钢力学性能试验研究
吴佳东1†，颜东煌1，许红胜1，张超2，潘权1，陈星烨1
（1.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙410114；
2.远大可建科技有限公司，湖南岳阳414600）
摘要：为了研究国产奥氏体S30408不锈钢桥面芯板的材料力学性能及其本构关系，开展了多种不锈钢试件室温单向拉伸试验研究.考虑试件厚度、取向和热风升降温处理等因素，
共设计了12组共60个拉伸试件，得到不锈钢试件的名义应力-应变曲线及初始弹性模量、屈
服强度、抗拉强度、应变硬化指数等参数，揭示了厚度和取向对不锈钢试件力学性能参数的影
响程度，并将试件的名义应力-应变试验曲线与经典本构模型进行对比分析.结果表明：不锈
钢材料具有明显的非线性与各向异性；通过SEM扫描电镜微观形貌分析，确定不锈钢断口属
于韧性断口；不锈钢原材料8mm S型试件塑性比6mm S型试件好，而8mm Q型试件塑性比
6mm Q型试件差；芯板轧制方向的试件伸长率与收缩率要高于垂直于轧制方向试件与斜向
45°试件；经热风铜钎焊炉高温处理后的不锈钢材料力学性能明显改变，屈服强度与抗拉强度
较不锈钢原材料低，塑性性能变差，但初始弹性模量几乎不变；应变ε<ε0.2时，各本构模型与
试验曲线拟合良好，但应变ε≥ε0.2时，R-O模型结果偏差大，Rasmusn模型拟合效果最好，可
适用于不锈钢芯板结构的设计和研究.
关键词：桥梁结构；本构关系；试验研究；不锈钢芯板；力学特性
中图分类号：U443.5文献标志码：A
Experimental Study on Mechanical Properties of Stainless
Steel after Heat Treatment in Hot Air Brazing Furnace
炸酱方便面WU Jiadong1†，YAN Donghuang1，XU Hongsheng1，ZHANG Chao2，PAN Quan1，CHEN Xingye1
（1.School of Civil Engineering，Changsha University of Science&Technology，Changsha410114，China；
2.Broad Sustainable Building Co.Ltd，Yueyang414600，China）
Abstract：In order to study the material mechanical properties and constitutive relationship of domestic austen⁃itic S30408stainless steel bridge deck sandwich panel,uniaxial tensile tests of various stainless steel specimens were carried out at room temperature.Considering veral parameters including the thickness,orientation,and hot air heat⁃ing and cooling treatment of specimens,a total of12groups of60tensile specimens were designed.The nominal stress-strain curve and parameters such as initial elastic modulus,yield strength,tensile strength,and strain harden⁃
∗收稿日期：2021-06-03
基金项目：国家重点基础研究计划（973计划）资助项目（2015CB057706），National Program on
Key Basic Rearch Project（973Program）（2015CB057706）；国家自然科学基金资助项目（51678068，51878073），National Natural Science Foundation of China（51678068，51878073）
作者简介：吴佳东（1989—），男，湖南邵阳人，长沙理工大学博士研究生，工程师
†通信联系人，E-mail：****************
文章编号：1674-2974（2022）03-0043-14DOI：10.16339/jki.hdxbzkb.2022026
湖南大学学报（自然科学版）2022年ing index of stainless steel specimens were obtained，the influence degree of thickness and orientation on mechanical properties of stainless steel specimens were revealed,and the nominal stress-strain test curves of the specimens were compared with the classical constitutive models.The results show that stainless steel has obvious nonlinearity and an⁃isotropy;the microscopic morphology is analyzed by SEM,and it is determined that the fracture of stainless steel be⁃longed to ductile fracture;8mm S type specimens have better plasticity than6mm S type specimens for the stainless steel,and the plasticity of8mm Q type specimens are wor than that of6mm Q type specimens;the elongation and shrinkage of specimens in the rolling direction of sandwich panel are higher than tho in the vertical rolling direc⁃tion and the oblique45°;the mechani
cal properties of stainless steel are obviously changed after high-temperature treatment in hot air brazing furnace,the yield strength and tensile strength are lower than tho of stainless steel,and the plasticity is wor,but the initial modulus of elasticity is almost constant；whenε<ε0.2，each constitutive models fit well with the test curves,but whenε≥ε0.2，R-O model has a large deviation.Rasmusn model has the best fit⁃ting effect and can be applied to the design and rearch of stainless steel sandwich panel structures.
Key words：bridge structures；constitutive relationship；experimental rearch；stainless steel sandwich panel；mechanical characteristics
正交异性钢桥面板是桥面系中的主要结构形
式，但其焊缝构造细节繁多，碳钢材料易腐蚀，疲劳
破坏问题凸显［1-3］.为了解决钢桥面板焊缝多、易腐蚀、疲劳开裂严重等紧迫问题，远大可建科技有限公
司开创性提出不锈钢芯板新型桥面板结构，并设计
了两款面板厚度为6mm、8mm的不锈钢桥面芯板产
品，拟在特大跨桥梁中进行推广应用.不锈钢材料造
型美观，具有优良的加工性能、抗冲击性能，且耐腐
蚀、耐高温及耐久性能好，易于维护，全生命周期成
本低，具有广阔的研究和应用前景［4］.不锈钢芯板在建筑结构领域得到了良好应用，例如：长沙远大城内建成了全球首座芯板示范建筑，中国援建韩国闻庆市的两座“火神山”方舱医院均采用远大不锈钢芯板.近期，国内颁布了《不锈钢芯板建筑结构技术标准》（T/CSUS14—2021）［5］.然而，不锈钢材料性能与普通碳素钢不同，本构模型差异大，普通碳素钢应力-应变曲线有明显的屈服平台，而不锈钢没有明显的屈服点，本构关系呈非线性，且表现为各向异性［6-7］.不锈钢芯板作为不锈钢材料新型产品，经过铜钎焊炉1100℃高速高温热风处理，力学性能发生改变.因此，在应用不锈钢芯板作为钢桥面板之前，应对其力学性能进行系统试验研究.
国内外学者对不锈钢的力学性能展开了一系列
研究.湖南大学文学章和舒兴平等［8-9］对建筑结构用
不锈钢芯板作为梁、楼板、T形、L形柱、一字形墙结
构进行力学性能试验研究与有限元分析，研究中S30408不锈钢材料强度指标均采用《不锈钢结构技术规程》（CECS410∶2015）数据，材料本构关系采用修正后的Rasmusn模型或Gardner-Nethercort两阶段模型，并未考虑不锈钢各向异性因素、热风钎焊炉高温条件对材料性能参数及本构关系模型的影响［11-12］.东南大学郑宝锋等［13］对常温下国产304不锈钢平板区及转角区材料进行拉伸试验，得出了Gardner-Nethercort两阶段模型更适合结构工程分析，受冷加工影响的转角区力学性能参数差别较大.浙江大学朱浩川等［14］、Quach等［15］学者分析比较国内外不锈钢应力-应变本构模型，指出Quach全局模型可直接应用于现行规范中，并进行结构设计，是目前可供选择的最佳本构模型.国内段文峰等［16］、国外Ramberg等［17］学者均研究了不同厚度国产S30408不锈钢本构关系，指出R-O模型较试验值结果偏大，Rasmusn模型、Gardner-Nethercort模型、Quach模型均可用于不锈钢S30408构件相关研究，尤其是Quach模型，偏差最小.
国内众多学者对高强钢、不锈钢展开了高温下力学性能试验研究，其中强旭红等［18］、范圣刚等［19］学者研究了不同高温冷却后S30408不锈钢材料的力学性能，并没有考虑各向异性因素，加热温度最高仅为900℃，整个加热冷却过程与热风铜钎焊炉加工工艺存在较大差异.重庆大学杨成博等［20］对不锈钢EN1.430高温下的材料力学性能进行了研究，最高温加热至1000℃，得出EN1.430不锈钢温度高于
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第3期吴佳东等：热风铜钎焊炉热处理后不锈钢力学性能试验研究
500℃时，不锈钢高温弹性模量、屈服强度及极限强度明显下降，认为Gardner提出的高温下模型适用性较强，但不适用于大应变情况.同济大学楼国彪等［21］对TSZ410不锈钢进行高温稳态试验研究，最高温加热至700℃，得到初始弹性模量、名义屈服强度、抗拉强度随着温度升高而逐渐下降的规律.上述试验最高温度均未超过1000℃，试验结果都是高温稳态下测定的结果，且并未考虑不锈钢各向异性因素. Fan等［22］通过稳态试验与瞬态试验得到的高温下不锈钢屈服强度与极限强度的折减趋势基本一致，在同一温度条件下的稳态试验中，非冷加工试件的弹性模量要低于冷加工试件的弹性模量.Gao等［23］研究了高温后S30408、S31608不锈钢剩余力学性能，得出不锈钢弹性模量与极限强度受过火温度影响小，但过火温度超过600℃对屈服强度影响较大，1100℃时S30408不锈钢的屈服强度折减系数降至0.7.
中国、英国等4个国家出台了不锈钢设计的相关规范，但仅《欧洲不锈钢手册》与欧洲规范涉及了不锈钢抗火设计内容［24-27］.可见，我国对不锈钢在高温下的力学性能研究尚不完善，需要对不同牌号、不同加热冷却条件并考虑各向异性特点的不锈钢进行系统研究.经热风铜钎焊炉升降温处理的不锈钢材性试验研究尚且不足，制约了不锈钢芯板的推广使用.
本文针对不锈钢原材料与不锈钢芯板面板2种材料，制作了60个拉伸试件.在考虑不锈钢各向异性因素
下，对不同厚度、不同取向的不锈钢试件进行拉伸试验，得出各不锈钢试件力学性能参数值，将试件应力-应变试验曲线与经典本构模型对比，确定拟合效果最佳的本构模型，力求为不锈钢桥面芯板结构设计和研究提供基础数据.
1不锈钢材性试验概况
1.1试件制备
不锈钢芯板是一种新型的建筑结构体系，类似于蜂窝夹层结构，由上下两块不锈钢面板与中间排布的不锈钢薄壁芯管构成.不锈钢面板与芯管扳边间扣设0.15mm铜箔圈作为钎料，采用智能机械手植芯，将2m×12m标准芯板整体送入热风铜钎焊炉中，进行气体保护铜钎焊.通过高速热风缓慢升温至1100℃，且保温1h，使得铜箔圈温度超过熔点（1083℃），不锈钢母材表面温度接近1100℃，铜箔圈熔化与母材金属相互扩散，实现钎焊连接。冷却至室温，最终形成不锈钢芯板［28］.不锈钢芯板如图1所示
.
图1不锈钢芯板示意
Fig.1Stainless steel sandwich panel
本文采用的不锈钢材性试件取自不锈钢芯板面板.材性试验用不锈钢芯板材料分为两种类型：一种为不锈钢面板出厂原始材料（简称S型）；另一种为同批次同牌号不锈钢面板经远大热风铜钎焊炉升降温处理后的不锈钢材料（简称Q型）.为了将不锈钢芯板作为新型桥面板结构在桥梁上进行推广使用，针对公路桥梁桥面板特性，设计了两种不同厚度（6mm、8mm）面板的不锈钢桥面芯板，不锈钢芯板构造如图2所示.
H
W
L
芯板上面板
δ=6/8
芯板下面板
δ=6/8
芯管
D=133
铜钎焊
图2不锈钢芯板构造示意（单位：mm）Fig.2Stainless steel sandwich panel construction（unit：mm）
图2中，W为芯板横宽，L为芯板纵长，H为芯板高度，δ为面板厚度，D为芯管外径.
不锈钢芯板原材料由中国青拓集团有限公司生产，为国产奥氏体不锈钢S30408.青拓集团企业标准《不锈钢热轧钢板和钢带》（Q/TTIG003—2019）给出的S30408不锈钢化学成分质量百分比与国家标准《不锈钢热轧钢板和钢带》（GB/T4237—2015）给定的指标如表1所示.
月琴舞为了避免因后期加工改变试件的物理化学性质，所有材性试件均采用水切割加工而成.为了分析不同取
向对不锈钢性能的影响，对不锈钢芯板面板在0°、45°、90°3个方向取样.0°表示沿芯板纵向，即不锈钢母材轧制方向，简称L向；45°表示沿芯板斜向45°，简称X向；90°表示沿芯板宽度方向，即垂直于轧制方向，简称W向.不锈钢芯板拉伸试件切割放样如图3所示.
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湖南大学学报（自然科学版）2022年
L-1
芯板纵向L 芯板面板
芯板横向W
L-5
L-3
L-2
L-4
45
°
W-3W-2W-1W-4W-5
X-3X-2X-1
X-4X-5
图3拉伸试件切割放样示意Fig.3Cutting lofting of tensile specimen
拉伸试件按照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）标准要求设计，试件夹持头部与平行长度之间采用过渡弧连接.试件设计尺寸如图4所示.
引伸计
应变片
L d =70
B =40
L c =100
L t =270
a 0=6/8L d =70B =40
b 0=20
R =
16
.2
5
图4拉伸试件设计尺寸（单位：mm ）Fig.4Design size of tensile specimen （unit ：mm ）
图4中，a 0为试件厚度，b 0为试件平行段宽度，B
为夹持端宽度，L c 为平行长度，L d 为夹持端长度，L t 为
试件总长度.按照不锈钢芯板面板厚度、切割方向及类型，共设计了12组试件，每组5个，共计60个试件.为了便于区分拉伸试件，特制定了试件编号规则，如图5所示.例如QW8-5表示经高温冷却后沿芯板宽度方向8mm 厚5号试件.不锈钢芯板面板材性试件及其编号见图6.试件加工过程会导致实际尺寸与设计尺寸存在误差，试验前采用游标卡尺在试件的平行段测量3处值，取其平均值作为试件实际尺寸.各试件平行段实际横截面积见表 2.
试件厚度试件代号试件类型
试件方向图5
不锈钢芯板拉伸试件编号规则Fig.5
Numbering rules of tensile specimen of
stainless steel sandwich panel
（a ）不锈钢原材料S 型试件
（b ）热风钎焊炉高温处理Q 型试件
图6不锈钢芯板拉伸试件
Fig.6Tensile specimens of stainless steel sandwich panel
经期痛经如何缓解表2不锈钢拉伸试件编号及横截面积Tab.2Number system and ctional area
表1奥氏体不锈钢S30408化学成分对比
Tab.1Comparison of chemical composition of austenitic stainless steel S30408
%
标准编号
GB/T 4237—2015
Q/TTIG 003—2019
w C
0.070.08
w Si
0.751.00
w Mn
2.002.00
w P
0.0450.035
w S
0.0300.015
w N
0.100.10
w Ni
8.00~10.508.00~10.50
w Cr
商场派对17.50~19.5018.00~20.00
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第3期吴佳东等：热风铜钎焊炉热处理后不锈钢力学性能试验研究
1.2试验设备及方法
试验设备主要包括MTS 370.25型25t 材料疲劳试验机、634.11F-25型动态引伸计及DH3822动态应变测试系统.动态引伸计标距为25mm ，应变范围为±15%.有学者认为，采用接触式引伸计测量应变，刀口在试样表面会出现滑动现象，刀口磨损会导致应变测量误差，建议采用振动法、电测法等方法相结
合的手段测定应变［18-20］.为了精确测得初始应变数据，准确得到初始弹性模量，本试验在拉伸试件一面中部粘贴应变片，另一面夹持动态引伸计，应变片与动态引伸计同时测量试件应变，分别测得拉伸应力-应变曲线，测量结果如图7所示.
350300250200150100500σ/M P a 0
0.5
1.0
1.5
2.0
应变片
半军事化管理
引伸计
ε/%
图7应变片与引伸计测量结果对比Fig.7Comparison of measurement results between strain gage and
extensometer
由图7可知，试验中应变片与引伸计测得应变数据相同，都能保证结果的准确性.但应变片易剥离构件表面，测量范围较窄.当应变ε<2%时，两者均可测量读数；当2%≤ε≤15%时，应变片已剥离，仅能采用动态引伸计测量读数.
根据现行规范《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010），不锈钢材料拉伸试验加载方式通过位移控制，数据采集频率为20Hz ，分成两个阶段进行加载：第一阶段加载位移速率控制在1mm/min ，应变范围控制在15%以内，此阶段测量不锈钢初始弹性模量E 0和名义屈服强度σ0.2；第二阶段加载位移速率提高至2mm/min ，因引伸计达到量程，取下引伸计后将试件拉伸至断裂.此阶段测量不锈钢极限抗拉强度，拉伸试验装置如图8所示.
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固定横梁
拉伸端夹头
拉伸区
控制台
应变采集仪
固定端夹头
拉伸试件
引伸计
应变片
（a ）试验装置（b ）试件及加载设备详图
图8拉伸试验装置示意Fig.8Tensile testing apparatus
2试验结果分析
2.1试件破坏形态2.1.1表观特征
不锈钢芯板拉伸试件断裂前均会出现颈缩现
象，塑性变形明显，当材料不能抵抗外力作用时，试件以瞬间断裂形式彻底松弛，发出一声“嘭”响，且断口处温度升高.由试验结果可知，8mm 试件破断力较6mm 试件破断力大30kN ，断裂声更响亮.不锈钢
原材料S 型试件断裂处颈缩现象比热风铜钎焊炉高温处理后的Q 型试件更明显.S 型试件均在平行段中间位置断裂，而Q 型试件断裂位置离散性大，部分试件出现在过渡弧与平行段交接处断裂的情况，直接影响抗拉强度数据的有效性.6组Q 型试件中，每组均能保证3个有效试件.断裂后不锈钢拉伸试件如图9所示.
不锈钢芯板拉伸试件断口表现为典型的韧性断口，断口形状可分为3类：1）剪切滑移形断口；2）杯锥状断口；3）锯齿形断口.仅Q 型试件出现锯齿形断口
.
（a ）断后不锈钢原材料S 型试件（b ）断后不锈钢钎焊Q 型试件
图9不锈钢材性试件断后样式示意Fig.9Fracture style of stainless steel specimens
上帝之数47
