應(yīng)力-溫度對(duì)q235鋼性能的影響

應(yīng)力-溫度對(duì)q235鋼性能的影響

在過去的10年里，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家研究了不同材料在高溫下的力學(xué)性能，并取得了很大進(jìn)展。例如，呂穎光對(duì)i級(jí)v級(jí)鋼筋的強(qiáng)度和變形進(jìn)行了研究。趙金星等人采用恒溫離心、負(fù)載荷和測(cè)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(qiáng)度。譚偉、李國(guó)強(qiáng)等人對(duì)q235、q245、16nm和日本標(biāo)準(zhǔn)sm41鋼在高溫下的材料性能進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)不同材料在高溫下的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、彈性模量和輪廓伸長(zhǎng)率進(jìn)行了計(jì)算模型。但這些研究?jī)H局限于恒溫加載或恒載升溫兩種路徑下鋼材各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)隨溫度變化的模型.在實(shí)際火災(zāi)中,燃燒溫度將受火荷載密度、通風(fēng)條件、主動(dòng)防火措施實(shí)施等一系列因素的影響,在燃燒過程中隨時(shí)出現(xiàn)降溫段,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度出現(xiàn)變化.另外,火災(zāi)中受結(jié)構(gòu)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(shí)際火災(zāi)過程中結(jié)構(gòu)的反應(yīng),本文考慮高溫下卸載及降溫過程的材性變化以及不同應(yīng)力-溫度(σ-t)路徑下鋼材的應(yīng)力、溫度、應(yīng)變?nèi)叩谋緲?gòu)關(guān)系,進(jìn)行了不同應(yīng)力-溫度路徑下Q235鋼材的高溫試驗(yàn),以研究σ-t歷史對(duì)其應(yīng)變的影響.1測(cè)試方法1.1試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)在上海交通大學(xué)工程力學(xué)試驗(yàn)中心固體力學(xué)試驗(yàn)室的AUTOGRAPHICS-25型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.試驗(yàn)機(jī)最大加載能力為50kN,對(duì)試件采用電爐加熱,由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄試件單向拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)關(guān)系曲線.試件材料為Q235鋼,試件按試驗(yàn)機(jī)指定的形狀制作,規(guī)格、尺寸如圖1所示.試驗(yàn)的溫度、加載條件按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行.1.2試驗(yàn)工況及過程試驗(yàn)共分5組進(jìn)行.(1)A組試驗(yàn)共計(jì)2根試件,測(cè)定試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄σ-ε曲線中應(yīng)變的修正值.(2)B組試驗(yàn)共計(jì)3根試件,進(jìn)行未經(jīng)高溫過程的常溫拉伸試驗(yàn),以得到此批試驗(yàn)鋼材的一些基本力學(xué)性能指標(biāo).(3)C組試驗(yàn)(包括應(yīng)力)分別為0.3fy、0.5fy、和0.7fy3種工況,簡(jiǎn)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(yàn)結(jié)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(yīng)力到指定應(yīng)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(yàn)機(jī)自動(dòng)繪制的σ-ε圖上標(biāo)定一次,記下對(duì)應(yīng)的應(yīng)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(yàn)共分為4種工況,每種工況做3根試件,共計(jì)12根試件.每種工況的σ-t路徑如下:由于實(shí)驗(yàn)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(yàn)機(jī)自動(dòng)繪制的σ-t圖上標(biāo)定一次,記下對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值.每種工況均保持相對(duì)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(yàn)測(cè)量了C組試驗(yàn)的試件經(jīng)歷恒載升降溫自然冷卻到常溫時(shí)的彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度.2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1溫度變化時(shí)應(yīng)變值的修正經(jīng)過A組試驗(yàn)得出的試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄的σ-ε曲線中各溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變修正值隨溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.B、C、D組中的應(yīng)變值都是采用修正以后的數(shù)值.2.2性模量、屈服應(yīng)力、極限應(yīng)變?cè)囼?yàn)所得常溫下材料的力學(xué)性能指標(biāo)為:彈性模量E=198GPa,屈服應(yīng)力fy=286.7MPa,極限應(yīng)力fu=447.5MPa,極限應(yīng)變?chǔ)舥=0.767.2.3力水平對(duì)應(yīng)的曲線趨勢(shì)C組試驗(yàn)結(jié)果是建立D組試驗(yàn)本構(gòu)關(guān)系式的基礎(chǔ).通過對(duì)圖3的分析,可以得到σ-ε、t-ε的基本關(guān)系.由圖3實(shí)線組可見:當(dāng)t≤300°C時(shí),t-ε曲線上升比較平緩,且不同應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的曲線趨勢(shì)比較相似;當(dāng)t>300°C時(shí),高應(yīng)力水平(C2,C3)下的試件應(yīng)變便開始急劇增加,呈指數(shù)形式.相同溫度下,應(yīng)力水平越高溫度變形越大,溫度變形與應(yīng)力水平近似于線性關(guān)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(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的曲線有較為一致的下降趨勢(shì).對(duì)于高應(yīng)力水平下的試件,由于其升溫至一定溫度時(shí)已經(jīng)進(jìn)入屈服階段,故應(yīng)力水平還沒有低于相應(yīng)溫度的屈服強(qiáng)度時(shí),它的應(yīng)變?nèi)栽谠黾?同時(shí),高應(yīng)力水平下的殘余應(yīng)變,因?yàn)榘ㄇ蟮母邷厮苄詰?yīng)變,所以要比低應(yīng)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(yàn)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(shí)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(yīng)變數(shù)據(jù)值減去其起點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)值,即消除上次σ-t歷史的應(yīng)變值影響,從而便于研究應(yīng)變?cè)谠摲Nσ-t路徑下的變化情況.然后根據(jù)最小二乘法原理,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)的本構(gòu)關(guān)系式,其詳細(xì)結(jié)果見第3節(jié).2.5試驗(yàn)設(shè)計(jì)中極限強(qiáng)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(yīng)力水平關(guān)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(qiáng)度值與文獻(xiàn)中給出的經(jīng)歷高溫(600°C以內(nèi))自然冷卻后的屈服強(qiáng)度的計(jì)算值相差偏大,而極限強(qiáng)度的試驗(yàn)值與文獻(xiàn)中給出的經(jīng)歷高溫(600°C以內(nèi))自然冷卻后的極限強(qiáng)度的計(jì)算值較為相近,故實(shí)際設(shè)計(jì)中可直接采用文獻(xiàn)中提供的公式來計(jì)算極限強(qiáng)度的值.3不同t路徑下的本構(gòu)關(guān)系3.1升溫恒載路徑首先用相同的表達(dá)式對(duì)升溫恒載、升溫加載兩種σ-t路徑進(jìn)行回歸.研究表明,利用回歸公式得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差很大.因此,必須用不同的表達(dá)式對(duì)這兩種σ-t路徑進(jìn)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(duì)升溫恒載路徑進(jìn)行回歸的表達(dá)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(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)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(yīng)力和溫度變化情況相近,因此可以用相同的表達(dá)式對(duì)其進(jìn)行回歸.研究表明,D1、D2、D3工況中升溫加載段的回歸表達(dá)式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近.對(duì)于升溫加載路徑中應(yīng)力和溫度變化情況差別較大時(shí),能否用相同的本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式回歸還有待進(jìn)一步研究.對(duì)升溫加載路徑進(jìn)行回歸的表達(dá)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(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)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(yīng)力和溫度變化情況相近,因此可以用相同的表達(dá)式進(jìn)行回歸.用式(3)對(duì)D2、D3、D4工況中升溫降載段進(jìn)行回歸得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近.對(duì)升溫降載路徑的表達(dá)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(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖6所示.3.4恒載路徑回歸由圖3可知,應(yīng)力恒定時(shí),應(yīng)變與溫度的關(guān)系近似于二次函數(shù)關(guān)系,而且溫度達(dá)到400°C時(shí),應(yīng)變達(dá)到最大值.對(duì)降溫恒載路徑進(jìn)行回歸的表達(dá)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(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)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(guān)系非常復(fù)雜.降溫加載路徑下的本構(gòu)關(guān)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(duì)應(yīng)第1種;300°C≤tm≤600°C(即D3、D4工況)中的[200°C,600°C]區(qū)間對(duì)應(yīng)第2種,[50°C,200°C]區(qū)間對(duì)應(yīng)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(yīng)表達(dá)式的系數(shù)見表3.由于降溫加載路徑的試驗(yàn)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(duì)應(yīng)的模擬曲面.3.6“2”值的計(jì)算為了對(duì)求出的本構(gòu)關(guān)系式和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn),還需求出每個(gè)本構(gòu)關(guān)系式的調(diào)整相關(guān)系數(shù)R2a,即R2a=1-(1-R2)n-1n-p-1(6)式中:R為相關(guān)系數(shù);p為本構(gòu)關(guān)系式中的自變量個(gè)數(shù);n為試驗(yàn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù).對(duì)上面5種σ-t路徑下的本構(gòu)關(guān)系式和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,分析結(jié)果如表4所示.由表可見,各種σ-t路徑下