镀锌钢管材性试验及吸能性能研究

李 杰，张 婧，王 雷，梁坚坤

(凯里学院 建筑工程学院，贵州 凯里 556011)

1 引言

镀锌钢管广泛应用于建筑、机械、煤矿、化工、电力、铁道车辆、汽车工业、公路、桥梁、集装箱、体育设施、农业机械、石油机械、探矿机械等制造工业，在国民经济中发挥较大的作用。

杨春燕[1]提出镀锌钢管混凝土的概念，有望为工程应用引入新的方向；蒋希芝等[2～4]人对温室大棚常用镀锌圆钢管进行应用力学性能试验研究，结果表明，直径相同的钢管在相同处理条件下，拉伸强度随着壁厚增加而降低，断裂伸长率增大，且随着壁厚的增加，高温高湿作用会加速钢管拉伸强度的降低和断裂伸长率增大[2]。

现有研究[1,2]表明镀锌钢管的吸能性能在汽车、建筑等领域具有重要作用，因此，本文通过对镀锌钢管进行材性试验，对镀锌钢管在不同梯度升温后的吸能性能进行研究，为进一步应用积累参考数据。

2 试件制备与测试

2.1 制备试件

在市场购买规定尺寸的镀锌钢管上以不同加热条件加工拉伸试件，试验试件共计12件，如图1所示。

图1 钢材拉伸试样

试件加热使用的是山东顺城电炉制造公司生产的钢壳炉，内部最高温度为1000 ℃。

本实验以炉内最高煅烧温度为400 ℃、600 ℃和800 ℃作为3个梯度等级因素来研究不同温度条件对镀锌钢管力学性能的影响，按操作规程将待测试件放入钢壳炉中，模拟火灾时钢材的升温曲线为基准加热，待升温结束后自然冷却，作为后续拉伸实验的待测试件。

2.2 拉伸测试实验

拉伸测试实验[3，4]是在山东亿宸试验仪器有限公司产的微机控制力学万能试验机上进行，测试方向为轴向，测试方法参考的标准是国标《金属材料拉伸试验方法》(GB-T228-2002)[5]。利用位移控制法来加载试件，控制速度为1mm/min，曲线极限以试件破坏或降至载荷峰值的20%为基准。钢壳炉升温曲线如图2所示。

图2 钢壳炉升温曲线

3 结果与讨论

3.1 钢材试件表面现象分析

钢材表面在不同梯度温度加热后，显示的状态如图3。当最高加热温度处在400 ℃时，钢材表面显示的状态与常温状态相比并没有出现明显的变化；当升高温度为600 ℃，钢材试件表面逐渐呈现出淡红褐色，先前的局部氧化铁层逐渐脱落，且在高温下试件在拉伸方向上出现明显翘曲；在800 ℃时，钢材试件表面呈现出明显的深红褐色，甚至出现些许蓝黑色，同时氧化铁层出现严重脱落，表明钢材试件内部出现碳化趋势[6～8]。

图3 镀锌钢材升温后形态

3.2 镀锌钢材拉伸曲线

根据实验测试结果绘制出钢材试件拉伸曲线如图4。对比不同温度曲线分析可得，钢材在400 ℃和600 ℃时的拉伸曲线与20 ℃(常温情况)下的拉伸曲线变化趋势一致，明显出现4个进程：弹性、屈服、强化和断裂；而最高加热温度达到800 ℃时，相比于前面几个梯度温度，其拉伸曲线比较平滑，屈服进程不明显。

图4 镀锌钢材拉伸曲线

同时发现镀锌钢材屈服强度和极限强度与加热温度呈现负相关趋势，试件的强化进程时长与温度呈现正相关趋势，说明镀锌钢材的延展性与温度呈现正相关趋势。

3.3 吸能性能

3.3.1 吸能能力

镀锌钢材在室温、和在400 ℃、600 ℃、800 ℃4种温度烘烤冷却后的拉伸试验，如图5所示，其吸能能力呈现出以下特点。

图5 镀锌钢材吸能能力

(1) 应变在5%范围内，镀锌钢材吸能能力具有开口向上抛物线顶点段型特点；应变在超过5%后，镀锌钢材吸能能力具有向上倾斜直线型特点。

(2) 应变在5%范围内，四种状态下的镀锌钢材吸能能力几乎一致，当应变超过14%之后，随着温度提升镀锌钢材吸能能力具有降低的一致性特征。

(3) 400 ℃、600 ℃烘烤后的吸能能力几乎一致，800 ℃(超过熔点一半值)烘烤后吸能能力迅速降低。

3.3.2 吸能效率

镀锌钢材在室温和在400 ℃、600 ℃、800 ℃4种温度烘烤冷却后的拉伸试验，如图6所示，其吸能效率呈现出以下特点。

图6 镀锌钢材吸能效率

(1) 在弹性进程，镀锌钢材的吸能效率E迅速增大到0.7左右(应变仅仅为0.3%左右)；进入屈服进程后(应变达到0.6%左右)，镀锌钢材的吸能效率达到极值后较快降低(这是因为拉伸σ-ε曲线进入平台段)；当应变达到5%左右，其吸能效率又开始缓慢提升。

(2) 应变在6%～14%之间时，镀锌钢材的吸能效率随着温度提升而提高，应变超过14%之后，镀锌钢材的吸能效率趋于一致。

4 结论

对镀锌钢材进行了拉伸试验，为了研究不同升温对镀锌钢材的吸能性能的影响，分别将镀锌钢材加温到400 ℃、600 ℃、800 ℃后自然冷却到常温进行拉伸试验研究，分析拉伸试验结果可得到以下3点结论。

(1)镀锌钢材的拉伸曲线在400 ℃、600 ℃的条件下可以呈现经典的四进程，包括弹性、屈服、强化和断裂；但在800 ℃的进程比较平滑，没有明显的屈服过程。

(2)高温加热后，镀锌钢材试件的拉伸吸能能力具有降低趋势。

(3)高温加热后，镀锌钢材的拉伸吸能效率没有显著变化。