钢材在高温情况下的材料特性.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划钢材在高温情况下的材料特性　　高温下钢材的材料性　　能　　一、钢材的物理特性　　热传导系数　　?s是指在单位温度梯度条件下，单位面积上在单位时间内所传递的热量，其单位为W/(mK),W/(m℃)钢材的热传导系数很大，是导热性能非常好的材料，因此当钢板的厚度不是很大时，该方向上的温度梯度接近于零，可按截面温度均匀分布考虑钢材的热传导系数随温度的升高而递减，但当温度达到一定程度时(通常为750℃左右)，钢材热传导系数基本保持不变　　欧洲EU3推荐　　?s?45　　欧洲EU3精确　　?s?54??10?2Ts,20?Ts?800?C　　?s?,800?Ts?1200?C　　英国BS5950Part8推荐　　?s?　　英国BS5950Part8精确　　?s???10?2Ts??10?5Ts2　　《建筑钢结构防火技术规范》(CECS200：XX)　　?s?45　　钢材的比热Cs　　比热Cs是指单位质量的物质温度升高或降低1℃时所吸收或释放的热量，其单位为J/(kg℃)或J/(kgK)钢材的比热较小，并且随温　　度而变化。

在温度725℃左右时，钢材的内部颗粒成分与结构发生变化，比热迅速增大，随后当内部颗粒成分与结构稳定后，又迅速回落ECCS和英国BS5950Part8推荐　　Cs?520　　ECCS和英国BS5950Part8精确　　Cs?470?20?10?2Ts?38?10?5Ts2　　欧洲EU3推荐　　Cs?600　　欧洲EU3精确　　Cs?425??10?1Ts??10?5Ts2??10?6Ts3,20?Ts?600?C　　13002Cs?666?,600?Ts?735?CTs?738　　Cs?545?17820,735?Ts?900?CTs?731　　Cs?650,900?Ts?1200?C　　《建筑钢结构防火技术规范》　　Cs?600　　热膨胀系数　　当温度变化时，结构钢要产生温度变形对于静定结构而言，若不考虑温度梯度的影响，钢构件温度变形不会产生附加内力;对于超静定结构而言，由于温度变形受到抑制，就会产生附加内力，在进行结构　　分析时，必须考虑这种影响　　ECCS和英国BS5950Part8推荐　　?s??10?5　　欧洲EU3推荐　　?s??10?5　　欧洲EU3精确　　?s??10?8(Ts?20)??10?5,20?Ts?750?C　　?s?0,750?Ts?860?C　　?s??10?5,860?Ts?1200?C　　澳大利亚AS4100　　?s?(?)?10?6,20?Ts?600?C　　《建筑钢结构防火技术规范》(CECS200：XX)　　?s??10?5　　二、钢材的力学性能　　国外学者在曾对结构钢材高温下的力学性能进行了较为系统的试验研究。

曾对在一定加温速率下承受不同荷载的试件进行高温试验并得到一系列试件应变随温度的变化曲线，基于这些试验结果，就可以得到高温下钢材的应力-应变曲线同一时期，在德国曾对17根简支梁进行了温度-变形试验，由此可推断出材料的屈服点变化，试验同样采用恒温加载或恒载加温两种模式进行　　以试验结果为依据，许多国家和地区的试验抗火设计规范中都规定了自己的高温材性模型，如ECCS模型,英国规范BSI模型,　　欧洲标准委员会CEN模型,澳大利亚AS4100模型等由于材性试验过程中考虑的因素及控制参数不尽相同，表现为不同的材性模型其高温屈服应力及高温弹性模量都不一样，有的甚至差别很大采用不同的材性模型进行结构抗火分析，分析结果也有很大差异屈服强度　　由于高温下钢的应力－应变关系曲线没有明显的屈服极限和屈服平台，高温下钢的屈服强度如何确定，现在国际上也无一致的认识ECCS采用应变为0(来自:写论文网:钢材在高温情况下的材料特性).5%时的应力为屈服应力，而英国规范则分别给出了应变为%、%、%时的应力，根据保护层对结构变形的要求分别采用EUROCODE3是以应变为%时的应力作为屈服应力ECCS给出的高温下结构钢的屈服强度公式为：　　??Tfy??1??fy20,0?Ts?600?C??767ln(T/1750)?T108(1?s)?f,600?T?1000?Cfy?y20sTs?440　　澳大利亚规范AS4100采用如下分段公式：　　fy　　fy20　　fy　　fy20??,0?Ts?215?C905?Ts,215?Ts?905?C690　　陆洲导在试验基础上得到的高温下钢筋的强度拟合公式为：　　fy　　fy20?,0?Ts?200?C　　fy　　fy20???10?3Ts,200?Ts?700?C　　清华大学的吕彤光在试验的基础上得到恒温加载路径下Ⅰ～Ⅴ级钢屈服强度的拟和公式为：　　fy　　fy20?,20?Ts?800?C6?171??(Ts?20)?10　　同济大学的唐巍在试验的基础上得到的高温下Q235钢屈服强度的拟和公式为：　　fy　　fy20???10?3(T?)??10?6(T?)2?　　?10?9(T?)3??10?11(T?)4,T?600?C　　建筑钢结构防火技术规范(CECS200：XX)中，高温下普通钢材的屈服强度可按下式计算:　　fyT??Tfy　　其中　　?Ts?300?C???T???10?8Ts3??10?5Ts2??10?3Ts??Ts?800?C　　??Ts/XX800?Ts?1000?C?　　fyT—温度为Ts时钢材的屈服强度；　　fy—常温下钢材的屈服强度，可按下式确定　　fy??Rf　　f—常温下钢材的强度设计值；　　?R—钢材抗力分项系数，近似取?R?　　Q345R选用要注意问题　　一、必须考虑设备的操作条件、材料的焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结构等。

　　二、在满足第一条的前提下，考虑经济合理性：　　1、所需钢板厚度小于8mm时，在碳钢与低合金高强度钢之间，应尽量采用碳钢板；　　2、在刚度或结构设计为主的场合，应尽量选用普通碳素钢在强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，依次选用Q235B、20R(20g)、Q345R(16MnR)等钢板；　　3、所需不锈钢厚度大于12mm时，应尽采用衬里、复合、堆焊等结构形式；　　4、不锈钢应尽量不用作设计温度小于等于500摄氏度的耐热用钢；　　5、珠光体耐热钢应尽量不用作设计温度小于等于350摄氏度的耐热钢在必须使用珠光体耐热钢作耐热钢或抗氢用途时，应尽量减少、合并钢材的品种、规格　　具体的可参照HG20581-1998钢制化工容器材料选用规定　　三、厚度大于60mm的Q345R钢板，碳含量上限可提高至%　　四、Q345R钢中可添加铌，钒，钛元素，其含量应填写在质量证明书中，上述3个元素含量总和应分别不大于%、%、%　　15CrMo钢系珠光体组织耐热钢，在高温下具有较高的热强性和抗氧化性，并具有一定的抗氢腐蚀能力由于钢中含有较高含量的Cr、C　　和其它合金元素，钢材的淬硬倾向较明显，焊接性差。

　　目录　　编辑本段15CrMo焊接性　　1焊接材料　　针对15CrMo钢的焊接性的工作特点，根据以往的经验，参照国外提供的焊接工艺卡，我们选择了两种方案进行焊接试验　　2方案Ⅰ：焊接预热，采用ER80S-B2L焊丝，T1G焊打底，E8018-B2焊条，焊条电弧焊盖面，焊后进行局部热处理　　3方案Ⅱ：采用ER80S-B2L焊丝，T1G焊打底，E309Mo-16焊条，焊条填充电弧焊盖面，焊后不进行热处理焊丝和焊条的化学成分及力学性能见表1　　4焊后热处理　　5采用方案Ⅰ焊接的试件，焊后应进行局部高温回火处理热处理的工艺为：升温速度为200℃/h，升到715℃保温1小时15分钟，降温速度100℃/h，降到300℃后空冷具体采用JL-4型履带式电加热器　　6包绕焊缝，用硅酸铝棉层保温，保温层厚度50mm，温度控制采用DJK-A型电加热器自动控温仪　　7焊接工艺评定试验结果　　8试验方案拉伸试验弯曲试验冲击韧性试验aky9抗拉强度δb/Mpa断裂部位弯曲角度面弯背弯焊缝熔合线热影响区(HAZ)　　10方案Ⅰ550/530母材50合格合格162　　11方案Ⅱ525/520母材50合格合格　　编辑本段15CrMo焊接工艺　　焊接材料　　针对15CrMo钢的焊接性及现场高压管道的工作特点，根据以往的经验，参照国外提供的焊接工艺卡，我们选择了两种方案进行焊接试验。

　　方案Ⅰ：焊接预热，采用ER80S-B2L焊丝，T1G焊打底，E8018-B2焊条，焊条电弧焊盖面，焊后进行局部热处理　　方案Ⅱ：采用ER80S-B2L焊丝，T1G焊打底，E309Mo-16焊条，焊条填充电弧焊盖面，焊后不进行热处理焊丝和焊条的化学成分及力学性能见表1　　表1焊接材料的化学成分和力学性能　　型号CMnSiCrNiMoSPδb/Mpaδ,%　　ER80S-B2L≤＜≤≤≤50025E8018-B2　　≤≤55019　　E309Mo-16≤～～～～≤≤55025　　焊前准备　　试件采用15CrMo钢管,规格为φ325×25，坡口型式及尺寸见图1焊前用角向磨光机将坡口内外及坡口边缘50mm范围内打磨至露出金属光泽，然后用丙酮清洗干净　　试件为水平固定位置，对口间隙为4mm，采用手工钨极氩弧焊沿园周均匀点焊六处，每处点固长度应不小于20mm焊条按表2的规范进行烘烤表2焊条烘烤规范　　焊条型号烘烤温度保温时间　　E8018-B2300℃2h　　E309Mo-16150℃　　焊接工艺参数　　按方案Ⅰ焊前需进行预热，根据Tto-Bessyo等人提出的计算预热温度公式：　　To=350√[C]-式中，To——预热温度，℃。

　　[C]=[C]x[C]p[C]p=[C]x　　[C]x=C/9Ni/187Mo/90式中，　　[C]x——成分碳当量；　　[C]p——尺寸碳当量；S——试件厚度;　　[C]x=C/97/90Mo=　　[C]p=则To=138℃　　因此预热温度选为150℃采用氧-乙炔焰对试件进行加温，先用测温笔粗略判断试件表面的的温度，最后用半导体点温计测定，测量点至少应选择三点，以保证试件整体均达到所要求的预热温度　　焊接时，第一层采用手工钨极氩弧焊打底，为避免仰焊处焊缝背面产生凹陷，送丝时采用内填丝法，即焊丝通过对口间隙从管内送入其余各层采用焊条电弧焊，共焊6层，每个焊层一条焊道方案Ⅰ和方案Ⅱ的焊接工艺参数见表3、4按方案Ⅰ焊　　表3方案Ⅰ的焊接工艺参数　　焊道名称焊接方法焊接材料焊材规格/mm焊接电流/A电弧电压/V预热及层间温度热处理规范　　打底层钨板氩弧焊ER80S-B2Lφ11012　　填充层焊条电弧焊E8018-B2φ585～9023～25150℃715×75min　　盖面层焊条电弧焊E8018-B2φ585～9023～25　　表4方案Ⅱ的焊接工艺参数　　焊道名称焊接方法焊接材料焊材规格/mm焊接电流/A电弧电压/V预热及层间温度热处理规范　　打底层钨板氩弧焊ER80S-B2Lφ11012　　填充层焊条电弧焊E309Mo-16φ90～9522～24//盖面层焊条电弧焊E309Mo-16φ90～9522～24　　接时，层间温度应不低于150℃，为防止中断焊接而引起试件的降温。