冷却方式对火灾后铝合金力学性能的影响

冷却方式对火灾后铝合金力学性能的影响

0铝合金材料在热灾后的力学性能与木材相比，铝合金具有轻重量、高强度、耐腐蚀性和易加工性等优点。广泛应用于建筑物、桥梁和海上石油平台的结构中，尤其是大型走廊中的网格结构。然而,在设计中出于安全的考虑,工程结构通常具有较高的冗余度,例如大跨度铝合金空间网格结构具有很高的超静定次数,在火灾中,尽管铝合金材料的力学性能发生显著退化,但是由于整体结构的内力重分布,所以整体倒塌并不多见。但应对其火灾后残余性能进行准确评估,进而采用合理的灾后处置措施(拆除、修复或者直接使用)。因此,有必要对铝合金材料受火后力学性能进行研究,为铝合金结构火灾后残余受力性能分析提供可靠的材料模型。然而关于高温后铝合金材料的力学性能,目前的研究有限,仅Summers等为此,本文中开展国产6061-T6、7075-T73铝合金的受火后力学性能研究。对经历单次或反复升温-冷却过程后的铝合金标准试件进行轴向拉伸试验,得到铝合金材料的应力-应变全曲线、屈服强度、抗拉强度、弹性模量以及延性等相关力学性能指标,试验中采用自然冷却和消防喷水冷却两种冷却方式,以分别模拟火灾自然熄灭和消防喷水灭火的情况。根据试验结果,提出不同冷却方式下6061-T6、7075-T73铝合金单次及反复受火后力学性能的拟合计算式。1试验总结1.1反复受火试验试验中设计了62组共计186个试件,各试件分组及主要参数见表1。对于单次受火的试件,历经的最高温度分别为100、200、250、300、350、400、450、500℃和550℃(由于铝合金的熔点为600~660℃,因此将最高温度设置为550℃而不考虑更高的温度),冷却方式为自然冷却和消防喷水冷却,共计36组试件;对反复受火的试件,历经的最高温度分别为200、350℃和500℃,冷却方式为自然冷却和消防喷水冷却,最多经历3次反复升温-冷却过程,共计24组试件。作为对比,还设计了2组(6061-T6和7075-T73铝合金)未受火试件。每组3个相同试件,为减小试验的偶然误差,取同组3个试件测量结果的平均值作为最终结果。试件由厚度为6mm的国产6061-T6、7075-T73铝合金板材切割制作而成。两种铝合金材料均经过固溶热和人工时效强化处理,相比于6061-T6铝合金,7075-T73铝合金具有更高的强度和更好的耐腐蚀性。两种铝合金的化学成分符合GB/T3190—2008《变形铝及铝合金化学成分》1.2加热及冷却方法升温过程由温控电阻炉(图2)实现,电阻炉内设有热电偶,可实时测量炉内温度并反馈给电炉的控制系统,从而形成闭环控制。升温时,首先以速率15℃/min将试件加热至低于目标温度30℃,持温10min,然后再加热至目标温度,再持温20min。采用这种加热方法的目的是:一方面可以使试件温度分布均匀;另一方面可以防止加热温度超过目标温度。之后,将试件从炉中取出并冷却至室温(20℃),采用自然冷却和消防喷水冷却两种方式对试件进行冷却。对于自然冷却的试件,直接将试件置于空气中,以模拟火灾自然熄灭的情况;对于消防喷水冷却的试件,采用在试件表面喷水的方式将其冷却至室温。对于反复受火的试件,重复上述升温-冷却过程,最多受火次数为3次。1.3轴向拉力及变形测量轴向拉伸试验在SANS4106电液伺服材料试验机(图3)上进行,该试验机最大可施加1000kN的轴向拉力,能够实现加载速率的应力、应变、位移三重闭环控制。在试件上安装电子引伸计以测量试件变形。试验中采用恒定应变速率进行加载,加载速率为0.00025/s,符合GB/T228.1—20102试验结果及其分析2.1单次火试验的结果2.1.1试件的破坏模式经历单次升温-冷却过程后,试件的破坏模式如图4所示(作为对比,未经历高温冷却过程的试件,其破坏模式也包括在内)。可以看到,铝合金受火后的破坏模式主要与铝合金牌号以及受火温度有关,而受冷却方式的影响很小。对于6061-T6铝合金,当试件经历的温度不超过300℃时,存在明显的颈缩现象,具有塑性破坏特征;当温度高于350℃时,颈缩现象不显著,具有脆性破坏特征;而当温度超过450℃时,试件断裂前又表现出较为明显的颈缩,呈塑性破坏。相比之下,7075-T73铝合金试件整体颈缩现象微小,表现出明显的脆性破坏特征。2.1.2温度对材料力学性能的影响单次受火后铝合金试件的应力-应变关系曲线如图5所示。可以看到,两种铝合金材料的应力-应变关系曲线随其受火温度升高而发生显著变化。对于6061-T6铝合金,当经历的温度不超过300℃时,其应力-应变曲线与未受火时相近;而当经历的温度达到350℃时,其强度和延性均大幅度降低。当温度超过450℃后,6061-T6铝合金的强度和延性又有一定程度的恢复。相比之下,7075-T73铝合金对受火温度更为敏感,当经历的温度达到250℃时,材料的强度开始显著降低,而当温度超过350℃后,其强度和延性亦有所恢复。此外,冷却方式对两种铝合金材料的强度、延性等力学性能均有影响,总体上,经消防喷水冷却后的试件具有更高的强度,但延性略有降低。2.1.3弹性模量单次受火后,6061-T6和7075-T73铝合金的弹性模量E2.1.4屈服强度由于6061-T6、7075-T73铝合金的应力-应变关系曲线没有屈服平台,因此将残余应变为0.2%对应的应力f2.1.5抗x射线定义单次受火后抗拉强度残余系数为经历单次升温-冷却过程后铝合金材料的抗拉强度f2.1.6延长定义单次受火后延性残余系数为经历单次升温-冷却过程后铝合金材料的断裂应变ε2.2重复火测试的结果2.2.1反复升温-降温次数对铝合金自反复受火后6061-T6、7075-T73铝合金的应力-应变关系曲线如图6所示。可以看到,当受火温度不超过200℃时,反复升温-降温过程对两种铝合金的力学性能均影响不大;当温度达到350℃时,6061-T6铝合金的屈服强度和抗拉强度均随反复升温-降温次数的增多呈现减小趋势,7075-T73铝合金的屈服强度和抗拉强度则随反复升温-降温次数的增多而提高;而当温度达到500℃时,随着反复升温-降温次数的增多,6061-T6、7075-T73铝合金的屈服强度、抗拉强度和延性指标均不低于单次受火后的水平。此外,反复受火后,采用消防喷水冷却的铝合金整体上呈现出更高的屈服强度、抗拉强度和更好的延性。2.2.2弹性模量反复受火后,6061-T6、7075-T73铝合金的弹性模量E2.2.3屈服强度为考察反复受火对铝合金屈服强度的影响,定义屈服强度的反复受火影响系数为经历反复升温-冷却过程后铝合金的屈服强度f2.2.4抗x射线定义抗拉强度的反复受火影响系数为经历反复升温-冷却过程后铝合金的抗拉强度f2.2.5延长定义延性的反复受火影响系数为经历反复升温-冷却过程后铝合金的断裂应变ε3火后，对铝影响的力学指标进行了调整和计算3.1受火后弹性模量和冷却条件由表2和表6可知,6061-T6、7075-T73铝合金受火后弹性模量基本保持不变,且受不同冷却方式、反复升温-降温过程的影响很小。因此,为便于实际运用,认为单次及反复受火后两种铝合金弹性模量均与未受火时相同,其计算式为3.2单次火灾后的屈服强度3.2.1温度设定及屈服强度随受火温度的升高,6061-T6铝合金受火后屈服强度的变化呈现明显的三阶段,即在温度不超过300℃时,其值基本保持不变,之后开始明显降低并达到最低值;而当温度超过450℃时,其屈服强度又有所恢复。为此,拟合火灾后屈服强度残余系数的计算式,即:自然冷却方式下,消防喷水冷却方式下,图7a所示为计算结果与试验结果的对比,可以看出,二者吻合较好。3.2.2冷却方式对后屈服强度的影响与6061-T6铝合金相似,7075-T73铝合金单次受火后屈服强度随受火温度的变化亦呈现三阶段发展趋势,因此,根据冷却方式不同,分别拟合计算式。自然冷却方式下,消防喷水冷却方式下,由图7b可以看出,计算结果与试验结果吻合良好。3.3计算实例及分析与屈服强度的变化规律相似,6061-T6、7075-T73铝合金单次受火后的抗拉强度残余系数随受火温度的变化规律也明显呈三阶段发展趋势,因此,拟合得到两种铝合金分段计算式。对于6061-T6铝合金,自然冷却方式下,消防喷水冷却方式下,图8a为计算结果与试验结果的对比,可以看出,二者吻合良好。对于7075-T73铝合金,自然冷却方式下,消防喷水冷却方式下,计算结果与试验结果的对比如图8b所示,可以看出,二者吻合很好。3.4弹性模量残余系数前述试验结果表明,反复升温-冷却过程对铝合金弹性模量影响很小,而对其屈服强度和抗拉强度的影响较为显著,因此单次及反复受火后6061-T6、7075-T73铝合金弹性模量残余系数的计算均可按式(1)进行;而对于反复受火后两种铝合金的屈服强度和抗拉强度,则在单次受火后计算公式的基础上引入屈服强度反复火灾影响系数η3.4.1反复受火后的屈服强度不同受火温度下,6061-T6、7075-T73铝合金屈服强度反复受火影响系数f对于6061-T6铝合金,对于7075-T73铝合金,则反复受火后,两种铝合金的屈服强度计算式为其中,f3.4.2反复受火后的强度不同受火温度下两种铝合金抗拉强度反复受火影响系数f对于7075-T73铝合金,则反复受火后,6061-T6、7075-T73铝合金的抗拉强度计算式为其中,f4反复升温-降温过程对铝合金力学性能的影响1)6061-T6、7075-T73铝合金经单次及反复受火后,弹性模量基本保持不变。2)当受火温度超过350℃后,6061-T6铝合金的屈服强度和抗拉强度开始显著降低,当温度为450℃时,降幅达80%和60%,之后又呈现一定程度的恢复;7075-T73铝合金也呈现类似的规律,但是其对受火温度的敏感度更高,其强度降低相应的温度和到达最低值温度分别为250℃和350℃,屈服强度和抗拉强度的最大降幅分别为70%和55%。3)当受火温度不超过200℃时,反复升温-降温过程对6061-T6、7075-T73铝合金的力学性能影响不大;当温度达到350℃时,6061-T6铝合金的强度随反复升温-降温次数的增多呈现减小趋势,而7075-T73铝合金的强度则随反复升温-降温次数的增多而提高;当温度达到500℃时,随着反复升温-降温次数的增多,6061-T6、7075-T73铝