冷卻方式對(duì)火災(zāi)后鋁合金力學(xué)性能的影響

冷卻方式對(duì)火災(zāi)后鋁合金力學(xué)性能的影響

0鋁合金材料在熱災(zāi)后的力學(xué)性能與木材相比，鋁合金具有輕重量、高強(qiáng)度、耐腐蝕性和易加工性等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于建筑物、橋梁和海上石油平臺(tái)的結(jié)構(gòu)中，尤其是大型走廊中的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。然而,在設(shè)計(jì)中出于安全的考慮,工程結(jié)構(gòu)通常具有較高的冗余度,例如大跨度鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有很高的超靜定次數(shù),在火災(zāi)中,盡管鋁合金材料的力學(xué)性能發(fā)生顯著退化,但是由于整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布,所以整體倒塌并不多見。但應(yīng)對(duì)其火災(zāi)后殘余性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估,進(jìn)而采用合理的災(zāi)后處置措施(拆除、修復(fù)或者直接使用)。因此,有必要對(duì)鋁合金材料受火后力學(xué)性能進(jìn)行研究,為鋁合金結(jié)構(gòu)火災(zāi)后殘余受力性能分析提供可靠的材料模型。然而關(guān)于高溫后鋁合金材料的力學(xué)性能,目前的研究有限,僅Summers等為此,本文中開展國產(chǎn)6061-T6、7075-T73鋁合金的受火后力學(xué)性能研究。對(duì)經(jīng)歷單次或反復(fù)升溫-冷卻過程后的鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn),得到鋁合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量以及延性等相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo),試驗(yàn)中采用自然冷卻和消防噴水冷卻兩種冷卻方式,以分別模擬火災(zāi)自然熄滅和消防噴水滅火的情況。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,提出不同冷卻方式下6061-T6、7075-T73鋁合金單次及反復(fù)受火后力學(xué)性能的擬合計(jì)算式。1試驗(yàn)總結(jié)1.1反復(fù)受火試驗(yàn)試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了62組共計(jì)186個(gè)試件,各試件分組及主要參數(shù)見表1。對(duì)于單次受火的試件,歷經(jīng)的最高溫度分別為100、200、250、300、350、400、450、500℃和550℃(由于鋁合金的熔點(diǎn)為600~660℃,因此將最高溫度設(shè)置為550℃而不考慮更高的溫度),冷卻方式為自然冷卻和消防噴水冷卻,共計(jì)36組試件;對(duì)反復(fù)受火的試件,歷經(jīng)的最高溫度分別為200、350℃和500℃,冷卻方式為自然冷卻和消防噴水冷卻,最多經(jīng)歷3次反復(fù)升溫-冷卻過程,共計(jì)24組試件。作為對(duì)比,還設(shè)計(jì)了2組(6061-T6和7075-T73鋁合金)未受火試件。每組3個(gè)相同試件,為減小試驗(yàn)的偶然誤差,取同組3個(gè)試件測量結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。試件由厚度為6mm的國產(chǎn)6061-T6、7075-T73鋁合金板材切割制作而成。兩種鋁合金材料均經(jīng)過固溶熱和人工時(shí)效強(qiáng)化處理,相比于6061-T6鋁合金,7075-T73鋁合金具有更高的強(qiáng)度和更好的耐腐蝕性。兩種鋁合金的化學(xué)成分符合GB/T3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》1.2加熱及冷卻方法升溫過程由溫控電阻爐(圖2)實(shí)現(xiàn),電阻爐內(nèi)設(shè)有熱電偶,可實(shí)時(shí)測量爐內(nèi)溫度并反饋給電爐的控制系統(tǒng),從而形成閉環(huán)控制。升溫時(shí),首先以速率15℃/min將試件加熱至低于目標(biāo)溫度30℃,持溫10min,然后再加熱至目標(biāo)溫度,再持溫20min。采用這種加熱方法的目的是:一方面可以使試件溫度分布均勻;另一方面可以防止加熱溫度超過目標(biāo)溫度。之后,將試件從爐中取出并冷卻至室溫(20℃),采用自然冷卻和消防噴水冷卻兩種方式對(duì)試件進(jìn)行冷卻。對(duì)于自然冷卻的試件,直接將試件置于空氣中,以模擬火災(zāi)自然熄滅的情況;對(duì)于消防噴水冷卻的試件,采用在試件表面噴水的方式將其冷卻至室溫。對(duì)于反復(fù)受火的試件,重復(fù)上述升溫-冷卻過程,最多受火次數(shù)為3次。1.3軸向拉力及變形測量軸向拉伸試驗(yàn)在SANS4106電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)(圖3)上進(jìn)行,該試驗(yàn)機(jī)最大可施加1000kN的軸向拉力,能夠?qū)崿F(xiàn)加載速率的應(yīng)力、應(yīng)變、位移三重閉環(huán)控制。在試件上安裝電子引伸計(jì)以測量試件變形。試驗(yàn)中采用恒定應(yīng)變速率進(jìn)行加載,加載速率為0.00025/s,符合GB/T228.1—20102試驗(yàn)結(jié)果及其分析2.1單次火試驗(yàn)的結(jié)果2.1.1試件的破壞模式經(jīng)歷單次升溫-冷卻過程后,試件的破壞模式如圖4所示(作為對(duì)比,未經(jīng)歷高溫冷卻過程的試件,其破壞模式也包括在內(nèi))。可以看到,鋁合金受火后的破壞模式主要與鋁合金牌號(hào)以及受火溫度有關(guān),而受冷卻方式的影響很小。對(duì)于6061-T6鋁合金,當(dāng)試件經(jīng)歷的溫度不超過300℃時(shí),存在明顯的頸縮現(xiàn)象,具有塑性破壞特征;當(dāng)溫度高于350℃時(shí),頸縮現(xiàn)象不顯著,具有脆性破壞特征;而當(dāng)溫度超過450℃時(shí),試件斷裂前又表現(xiàn)出較為明顯的頸縮,呈塑性破壞。相比之下,7075-T73鋁合金試件整體頸縮現(xiàn)象微小,表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。2.1.2溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響單次受火后鋁合金試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示?？梢钥吹?兩種鋁合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨其受火溫度升高而發(fā)生顯著變化。對(duì)于6061-T6鋁合金,當(dāng)經(jīng)歷的溫度不超過300℃時(shí),其應(yīng)力-應(yīng)變曲線與未受火時(shí)相近;而當(dāng)經(jīng)歷的溫度達(dá)到350℃時(shí),其強(qiáng)度和延性均大幅度降低。當(dāng)溫度超過450℃后,6061-T6鋁合金的強(qiáng)度和延性又有一定程度的恢復(fù)。相比之下,7075-T73鋁合金對(duì)受火溫度更為敏感,當(dāng)經(jīng)歷的溫度達(dá)到250℃時(shí),材料的強(qiáng)度開始顯著降低,而當(dāng)溫度超過350℃后,其強(qiáng)度和延性亦有所恢復(fù)。此外,冷卻方式對(duì)兩種鋁合金材料的強(qiáng)度、延性等力學(xué)性能均有影響,總體上,經(jīng)消防噴水冷卻后的試件具有更高的強(qiáng)度,但延性略有降低。2.1.3彈性模量單次受火后,6061-T6和7075-T73鋁合金的彈性模量E2.1.4屈服強(qiáng)度由于6061-T6、7075-T73鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線沒有屈服平臺(tái),因此將殘余應(yīng)變?yōu)?.2%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力f2.1.5抗x射線定義單次受火后抗拉強(qiáng)度殘余系數(shù)為經(jīng)歷單次升溫-冷卻過程后鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度f2.1.6延長定義單次受火后延性殘余系數(shù)為經(jīng)歷單次升溫-冷卻過程后鋁合金材料的斷裂應(yīng)變?chǔ)?.2重復(fù)火測試的結(jié)果2.2.1反復(fù)升溫-降溫次數(shù)對(duì)鋁合金自反復(fù)受火后6061-T6、7075-T73鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示?？梢钥吹?當(dāng)受火溫度不超過200℃時(shí),反復(fù)升溫-降溫過程對(duì)兩種鋁合金的力學(xué)性能均影響不大;當(dāng)溫度達(dá)到350℃時(shí),6061-T6鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨反復(fù)升溫-降溫次數(shù)的增多呈現(xiàn)減小趨勢,7075-T73鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度則隨反復(fù)升溫-降溫次數(shù)的增多而提高;而當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí),隨著反復(fù)升溫-降溫次數(shù)的增多,6061-T6、7075-T73鋁合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延性指標(biāo)均不低于單次受火后的水平。此外,反復(fù)受火后,采用消防噴水冷卻的鋁合金整體上呈現(xiàn)出更高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和更好的延性。2.2.2彈性模量反復(fù)受火后,6061-T6、7075-T73鋁合金的彈性模量E2.2.3屈服強(qiáng)度為考察反復(fù)受火對(duì)鋁合金屈服強(qiáng)度的影響,定義屈服強(qiáng)度的反復(fù)受火影響系數(shù)為經(jīng)歷反復(fù)升溫-冷卻過程后鋁合金的屈服強(qiáng)度f2.2.4抗x射線定義抗拉強(qiáng)度的反復(fù)受火影響系數(shù)為經(jīng)歷反復(fù)升溫-冷卻過程后鋁合金的抗拉強(qiáng)度f2.2.5延長定義延性的反復(fù)受火影響系數(shù)為經(jīng)歷反復(fù)升溫-冷卻過程后鋁合金的斷裂應(yīng)變?chǔ)?火后，對(duì)鋁影響的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整和計(jì)算3.1受火后彈性模量和冷卻條件由表2和表6可知,6061-T6、7075-T73鋁合金受火后彈性模量基本保持不變,且受不同冷卻方式、反復(fù)升溫-降溫過程的影響很小。因此,為便于實(shí)際運(yùn)用,認(rèn)為單次及反復(fù)受火后兩種鋁合金彈性模量均與未受火時(shí)相同,其計(jì)算式為3.2單次火災(zāi)后的屈服強(qiáng)度3.2.1溫度設(shè)定及屈服強(qiáng)度隨受火溫度的升高,6061-T6鋁合金受火后屈服強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)明顯的三階段,即在溫度不超過300℃時(shí),其值基本保持不變,之后開始明顯降低并達(dá)到最低值;而當(dāng)溫度超過450℃時(shí),其屈服強(qiáng)度又有所恢復(fù)。為此,擬合火災(zāi)后屈服強(qiáng)度殘余系數(shù)的計(jì)算式,即:自然冷卻方式下,消防噴水冷卻方式下,圖7a所示為計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,可以看出,二者吻合較好。3.2.2冷卻方式對(duì)后屈服強(qiáng)度的影響與6061-T6鋁合金相似,7075-T73鋁合金單次受火后屈服強(qiáng)度隨受火溫度的變化亦呈現(xiàn)三階段發(fā)展趨勢,因此,根據(jù)冷卻方式不同,分別擬合計(jì)算式。自然冷卻方式下,消防噴水冷卻方式下,由圖7b可以看出,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。3.3計(jì)算實(shí)例及分析與屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律相似,6061-T6、7075-T73鋁合金單次受火后的抗拉強(qiáng)度殘余系數(shù)隨受火溫度的變化規(guī)律也明顯呈三階段發(fā)展趨勢,因此,擬合得到兩種鋁合金分段計(jì)算式。對(duì)于6061-T6鋁合金,自然冷卻方式下,消防噴水冷卻方式下,圖8a為計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,可以看出,二者吻合良好。對(duì)于7075-T73鋁合金,自然冷卻方式下,消防噴水冷卻方式下,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖8b所示,可以看出,二者吻合很好。3.4彈性模量殘余系數(shù)前述試驗(yàn)結(jié)果表明,反復(fù)升溫-冷卻過程對(duì)鋁合金彈性模量影響很小,而對(duì)其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響較為顯著,因此單次及反復(fù)受火后6061-T6、7075-T73鋁合金彈性模量殘余系數(shù)的計(jì)算均可按式(1)進(jìn)行;而對(duì)于反復(fù)受火后兩種鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,則在單次受火后計(jì)算公式的基礎(chǔ)上引入屈服強(qiáng)度反復(fù)火災(zāi)影響系數(shù)η3.4.1反復(fù)受火后的屈服強(qiáng)度不同受火溫度下,6061-T6、7075-T73鋁合金屈服強(qiáng)度反復(fù)受火影響系數(shù)f對(duì)于6061-T6鋁合金,對(duì)于7075-T73鋁合金,則反復(fù)受火后,兩種鋁合金的屈服強(qiáng)度計(jì)算式為其中,f3.4.2反復(fù)受火后的強(qiáng)度不同受火溫度下兩種鋁合金抗拉強(qiáng)度反復(fù)受火影響系數(shù)f對(duì)于7075-T73鋁合金,則反復(fù)受火后,6061-T6、7075-T73鋁合金的抗拉強(qiáng)度計(jì)算式為其中,f4反復(fù)升溫-降溫過程對(duì)鋁合金力學(xué)性能的影響1)6061-T6、7075-T73鋁合金經(jīng)單次及反復(fù)受火后,彈性模量基本保持不變。2)當(dāng)受火溫度超過350℃后,6061-T6鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度開始顯著降低,當(dāng)溫度為450℃時(shí),降幅達(dá)80%和60%,之后又呈現(xiàn)一定程度的恢復(fù);7075-T73鋁合金也呈現(xiàn)類似的規(guī)律,但是其對(duì)受火溫度的敏感度更高,其強(qiáng)度降低相應(yīng)的溫度和到達(dá)最低值溫度分別為250℃和350℃,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的最大降幅分別為70%和55%。3)當(dāng)受火溫度不超過200℃時(shí),反復(fù)升溫-降溫過程對(duì)6061-T6、7075-T73鋁合金的力學(xué)性能影響不大;當(dāng)溫度達(dá)到350℃時(shí),6061-T6鋁合金的強(qiáng)度隨反復(fù)升溫-降溫次數(shù)的增多呈現(xiàn)減小趨勢,而7075-T73鋁合金的強(qiáng)度則隨反復(fù)升溫-降溫次數(shù)的增多而提高;當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí),隨著反復(fù)升溫-降溫次數(shù)的增多,6061-T6、7075-T73鋁