應力-溫度對q235鋼性能的影響

應力-溫度對q235鋼性能的影響

在過去的10年里，國內(nèi)外科學家研究了不同材料在高溫下的力學性能，并取得了很大進展。例如，呂穎光對i級v級鋼筋的強度和變形進行了研究。趙金星等人采用恒溫離心、負載荷和測試方法，在不同溫度下獲得了q235、初期彈性模量和有效彎曲強度。譚偉、李國強等人對q235、q245、16nm和日本標準sm41鋼在高溫下的材料性能進行了驗證，并對不同材料在高溫下的屈服強度、極限強度、彈性模量和輪廓伸長率進行了計算模型。但這些研究僅局限于恒溫加載或恒載升溫兩種路徑下鋼材各項力學性能參數(shù)隨溫度變化的模型.在實際火災中,燃燒溫度將受火荷載密度、通風條件、主動防火措施實施等一系列因素的影響,在燃燒過程中隨時出現(xiàn)降溫段,從而導致結構構件的溫度出現(xiàn)變化.另外,火災中受結構內(nèi)力重分布的影響,桿件截面內(nèi)力必然出現(xiàn)加載或卸載現(xiàn)象.為了更好地分析實際火災過程中結構的反應,本文考慮高溫下卸載及降溫過程的材性變化以及不同應力-溫度(σ-t)路徑下鋼材的應力、溫度、應變?nèi)叩谋緲嬯P系,進行了不同應力-溫度路徑下Q235鋼材的高溫試驗,以研究σ-t歷史對其應變的影響.1測試方法1.1試驗方法和試驗設備試驗在上海交通大學工程力學試驗中心固體力學試驗室的AUTOGRAPHICS-25型萬能材料試驗機上進行.試驗機最大加載能力為50kN,對試件采用電爐加熱,由試驗機自動記錄試件單向拉伸的應力-應變(σ-ε)關系曲線.試件材料為Q235鋼,試件按試驗機指定的形狀制作,規(guī)格、尺寸如圖1所示.試驗的溫度、加載條件按照國家標準進行.1.2試驗工況及過程試驗共分5組進行.(1)A組試驗共計2根試件,測定試驗機自動記錄σ-ε曲線中應變的修正值.(2)B組試驗共計3根試件,進行未經(jīng)高溫過程的常溫拉伸試驗,以得到此批試驗鋼材的一些基本力學性能指標.(3)C組試驗(包括應力)分別為0.3fy、0.5fy、和0.7fy3種工況,簡單記為C1、C2和C3.其中C2工況做2根試件,C1和C3工況由于試驗結果離散性較大,各做了3根試件.在每種工況下,先在試件上施加應力到指定應力水平,變形穩(wěn)定后先升溫至500°C,然后再降到常溫.升降溫過程中,從常溫升到50°C之后,每隔50°C在試驗機自動繪制的σ-ε圖上標定一次,記下對應的應變值.升溫速率為13°C/min左右,降溫方式是在室溫下自然冷卻.(4)D組試驗共分為4種工況,每種工況做3根試件,共計12根試件.每種工況的σ-t路徑如下:由于實驗條件的限制,每隔50°C均勻加載(或均勻卸載)一次,以小幅階梯狀加載(或卸載)模擬連續(xù)加載(或卸載).升降溫過程中,從常溫升到50°C后,每隔50°C在試驗機自動繪制的σ-t圖上標定一次,記下對應的應變值.每種工況均保持相對恒定的升溫速度(約13°C/min),降溫方式是在室溫下自然冷卻.(5)E組試驗測量了C組試驗的試件經(jīng)歷恒載升降溫自然冷卻到常溫時的彈性模量、屈服強度和極限強度.2試驗結果及分析2.1溫度變化時應變值的修正經(jīng)過A組試驗得出的試驗機自動記錄的σ-ε曲線中各溫度點對應的應變修正值隨溫度變化的試驗結果如圖2所示.B、C、D組中的應變值都是采用修正以后的數(shù)值.2.2性模量、屈服應力、極限應變試驗所得常溫下材料的力學性能指標為:彈性模量E=198GPa,屈服應力fy=286.7MPa,極限應力fu=447.5MPa,極限應變εu=0.767.2.3力水平對應的曲線趨勢C組試驗結果是建立D組試驗本構關系式的基礎.通過對圖3的分析,可以得到σ-ε、t-ε的基本關系.由圖3實線組可見:當t≤300°C時,t-ε曲線上升比較平緩,且不同應力水平對應的曲線趨勢比較相似;當t>300°C時,高應力水平(C2,C3)下的試件應變便開始急劇增加,呈指數(shù)形式.相同溫度下,應力水平越高溫度變形越大,溫度變形與應力水平近似于線性關系.由圖3虛線組可見:降溫段t-ε曲線比較平穩(wěn),隨著溫度下降,不同應力水平對應的曲線有較為一致的下降趨勢.對于高應力水平下的試件,由于其升溫至一定溫度時已經(jīng)進入屈服階段,故應力水平還沒有低于相應溫度的屈服強度時,它的應變?nèi)栽谠黾?同時,高應力水平下的殘余應變,因為包括屈服后的高溫塑性應變,所以要比低應力水平下的大很多.2.4基本-t路徑下的單向拉伸基本的σ-t路徑包含以下9種:升溫加載(或恒載、降載),降溫加載(或恒載、降載),恒溫加載(或恒載、降載).D組試驗的每種工況都可以看作若干種基本σ-t路徑的組合,在分析時把C組和D組中相同的σ-t路徑歸納在一起.在回歸分析之前,首先把每種σ-t路徑的應變數(shù)據(jù)值減去其起點的應變數(shù)據(jù)值,即消除上次σ-t歷史的應變值影響,從而便于研究應變在該種σ-t路徑下的變化情況.然后根據(jù)最小二乘法原理,對試驗數(shù)據(jù)進行擬合,分別得到Q235鋼在升溫恒載、升溫加載、升溫降載、降溫恒載、降溫加載5種基本σ-t路徑下單向拉伸時的本構關系式,其詳細結果見第3節(jié).2.5試驗設計中極限強度值的確定由表1可知,鋼材經(jīng)歷了恒載升降溫然后自然冷卻至常溫,彈性模量比未經(jīng)歷高溫前略有降低,但彈性模量的變化與應力水平關系不大.由表2可知,鋼材經(jīng)歷恒載升降溫然后自然冷卻至常溫后的屈服強度值與文獻中給出的經(jīng)歷高溫(600°C以內(nèi))自然冷卻后的屈服強度的計算值相差偏大,而極限強度的試驗值與文獻中給出的經(jīng)歷高溫(600°C以內(nèi))自然冷卻后的極限強度的計算值較為相近,故實際設計中可直接采用文獻中提供的公式來計算極限強度的值.3不同t路徑下的本構關系3.1升溫恒載路徑首先用相同的表達式對升溫恒載、升溫加載兩種σ-t路徑進行回歸.研究表明,利用回歸公式得到的計算結果與試驗結果相差很大.因此,必須用不同的表達式對這兩種σ-t路徑進行回歸.升溫恒載路徑包括C1、C2和C3工況中的升溫恒載段,對升溫恒載路徑進行回歸的表達式為σ=fy(0.076εkt)0.766(1)σ=fy(0.076εkt)0.766(1)式中,kt=-0.883-0.004(t-20)+1.305t-20.式(1)表示的升溫恒載路徑的模擬曲面與試驗數(shù)據(jù)的關系如圖4所示.3.2升溫加載路徑D1、D2、D3工況中的升溫加載段,應力和溫度變化情況相近,因此可以用相同的表達式對其進行回歸.研究表明,D1、D2、D3工況中升溫加載段的回歸表達式計算結果與試驗結果比較接近.對于升溫加載路徑中應力和溫度變化情況差別較大時,能否用相同的本構關系表達式回歸還有待進一步研究.對升溫加載路徑進行回歸的表達式為σ=fy(2.357εkt)0.544(2)σ=fy(2.357εkt)0.544(2)式中,kt=3.502+0.035(t-20)+1.009t-20.式(2)表示的升溫加載路徑的模擬曲面與試驗數(shù)據(jù)的關系如圖5所示.3.3升溫降載路徑模擬D2、D3、D4工況中的升溫降載段,應力和溫度變化情況相近,因此可以用相同的表達式進行回歸.用式(3)對D2、D3、D4工況中升溫降載段進行回歸得到的計算結果與試驗結果比較接近.對升溫降載路徑的表達式為σ=fy(0.726-0.771ε1.004t-20)0.430(3)σ=fy(0.726?0.771ε1.004t?20)0.430(3)式(3)表示的升溫降載路徑的模擬曲面與試驗數(shù)據(jù)的關系如圖6所示.3.4恒載路徑回歸由圖3可知,應力恒定時,應變與溫度的關系近似于二次函數(shù)關系,而且溫度達到400°C時,應變達到最大值.對降溫恒載路徑進行回歸的表達式為σ=fy(1.6×105?ε+6.294(400-t)28.516(400+0.934(400-t)))0.224(4)σ=fy(1.6×105?ε+6.294(400?t)28.516(400+0.934(400?t)))0.224(4)式(4)表示的降溫恒載路徑的模擬曲面與試驗數(shù)據(jù)的關系如圖7所示.3.5符合2工況的工況降溫加載過程,ε與σ、t的關系非常復雜.降溫加載路徑下的本構關系可分為3種情況討論.記tm為鋼材降溫加載前所經(jīng)歷的最高溫度:tm≤300°C(即D2工況)對應第1種;300°C≤tm≤600°C(即D3、D4工況)中的[200°C,600°C]區(qū)間對應第2種,[50°C,200°C]區(qū)間對應第3種.這3種情況均可用σ=fy(εa2?a3t-20-a1a2)1a4(5)σ=fy(εa2?a3t?20?a1a2)1a4(5)回歸,相應表達式的系數(shù)見表3.由于降溫加載路徑的試驗數(shù)據(jù)太少,回歸擬合得到的模擬曲面不太理想,故沒有給出降溫加載路徑所對應的模擬曲面.3.6“2”值的計算為了對求出的本構關系式和試驗數(shù)據(jù)的相關性進行檢驗,還需求出每個本構關系式的調(diào)整相關系數(shù)R2a,即R2a=1-(1-R2)n-1n-p-1(6)式中:R為相關系數(shù);p為本構關系式中的自變量個數(shù);n為試驗數(shù)據(jù)個數(shù).對上面5種σ-t路徑下的本構關系式和試驗結果進行統(tǒng)計分析,分析結果如表4所示.由表可見,各種σ-t路徑下