應(yīng)變時(shí)效對(duì)Q345鋼力學(xué)性能影響研究

要

應(yīng)變時(shí)效是鋼材經(jīng)過(guò)冷加工塑性變形及焊接內(nèi)應(yīng)力變形使鋼材強(qiáng)度與硬度升高而塑性與韌性下降的一種物理現(xiàn)象。鋼結(jié)構(gòu)建筑易于改建、變更用途和災(zāi)后修復(fù)，經(jīng)長(zhǎng)期靜力荷載或設(shè)防烈度地震作用后，發(fā)生塑性變形的部分損傷結(jié)構(gòu)，常無(wú)需完全拆除重建，而是修復(fù)后繼續(xù)使用，或回收利用部分構(gòu)件。而損傷結(jié)構(gòu)的修復(fù)工作不會(huì)立刻進(jìn)行，在等待修復(fù)期間，經(jīng)一定量塑性變形后的鋼材在常溫下放置，應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象使鋼材本身的力學(xué)性能發(fā)生變化，導(dǎo)致構(gòu)件乃至結(jié)構(gòu)的受力性能改變。若對(duì)結(jié)構(gòu)的繼續(xù)使用性、災(zāi)后可修復(fù)性進(jìn)行評(píng)估時(shí)，仍采用其原始應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，是不妥當(dāng)?shù)?。澳洲學(xué)者Sajjad通過(guò)試驗(yàn)對(duì)Grade350鋼材應(yīng)變時(shí)效影響下的力學(xué)性能進(jìn)行了初步研究，并采用有限元方法，對(duì)比了簡(jiǎn)支鋼梁在應(yīng)變時(shí)效影響下的受力性能和變形能力變化，研究結(jié)果表明，應(yīng)變時(shí)效使簡(jiǎn)支鋼梁承載力及變形能力顯著下降。張忠良考慮高強(qiáng)建筑用熱軋H型鋼在使用過(guò)程中的應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象，對(duì)熱軋H型鋼的低周疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，應(yīng)變時(shí)效使熱軋H型鋼疲勞壽命和循環(huán)韌度降低。

應(yīng)變時(shí)效使鋼材力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，多起由鋼材應(yīng)變時(shí)效導(dǎo)致的爆炸事故造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)應(yīng)變時(shí)效影響下的鋼材性能變化進(jìn)行了研究。在管線(xiàn)、船舶、汽車(chē)制造等領(lǐng)域的鋼材經(jīng)應(yīng)變時(shí)效影響后的材料性能變化方面，以及不同元素含量對(duì)鋼材應(yīng)變時(shí)效的影響方面取得了眾多研究成果。然而，在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域考慮應(yīng)變時(shí)效對(duì)鋼材本構(gòu)關(guān)系的影響，以及應(yīng)變時(shí)效對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的影響研究方面目前鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文對(duì)目前結(jié)構(gòu)工程中常用的Q345鋼材基本力學(xué)性能進(jìn)行了應(yīng)變時(shí)效試驗(yàn)研究，分析Q345鋼在應(yīng)變時(shí)效前后力學(xué)性能的變化，為深入研究應(yīng)變時(shí)效對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響積累數(shù)據(jù)并提供依據(jù)。考慮到實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)中焊縫的存在，設(shè)計(jì)了對(duì)接焊縫試件并研究應(yīng)變時(shí)效對(duì)其力學(xué)性能的影響。另外，針對(duì)Q345鋼在經(jīng)過(guò)應(yīng)變時(shí)效處理后表現(xiàn)出無(wú)明顯屈服平臺(tái)的特征，采用Ramberg-Osgood(R-O)模型對(duì)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行擬合。

試驗(yàn)采用Q345鋼，其化學(xué)元素含量如表1所示，根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，設(shè)計(jì)制作了35個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，試件尺寸及編號(hào)如圖1、表2所示。為研究應(yīng)變時(shí)效對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)制作了10個(gè)對(duì)接焊縫試件，試件尺寸及編號(hào)如圖1、表2所示。

表1 Q345化學(xué)元素含量 %

注：表中數(shù)據(jù)由河北鋼鐵股份有限公司唐山分公司提供，鋼板厚度為10 mm，鋼材批次號(hào)為2316AE1023。

a—標(biāo)準(zhǔn)試件詳圖；b—對(duì)接焊縫試件詳圖。
圖1 試件詳圖

本試驗(yàn)依據(jù)GB/T 228.1—2010進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試件和對(duì)接焊縫試件的拉伸試驗(yàn)，其中標(biāo)準(zhǔn)試件在最大拉力為100 kN的拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2a所示，對(duì)接焊縫試件在最大拉力為1 000 kN的拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2b所示。

表2 試件類(lèi)型及編號(hào)

a—標(biāo)準(zhǔn)試件；b—對(duì)接焊縫試件。
圖2 試驗(yàn)裝置

標(biāo)準(zhǔn)試件和對(duì)接焊縫試件加載全過(guò)程均采用位移控制，試件在達(dá)到屈服強(qiáng)度前拉伸速率為3 mm/min，達(dá)到屈服強(qiáng)度后拉伸速率為6 mm/min。

標(biāo)準(zhǔn)試件及對(duì)接焊縫試件的單調(diào)拉伸試驗(yàn)均分為兩階段，第1階段為預(yù)應(yīng)變加載階段，對(duì)試件進(jìn)行預(yù)拉伸加載到預(yù)應(yīng)變后停止，放置不同時(shí)效(1，2，7，14 d)后進(jìn)行第2階段的加載，第2階段加載至試件拉斷或試件破壞失去承載力。為了使試件產(chǎn)生塑性變形而又不能變形過(guò)大使其抗拉強(qiáng)度減小，第1階段的預(yù)應(yīng)變要大于屈服應(yīng)變，小于極限應(yīng)變。標(biāo)準(zhǔn)試件采取的預(yù)應(yīng)變?yōu)?%，7.5%，10%，12.5%，對(duì)接焊縫試件采取的預(yù)應(yīng)變?yōu)?5%，17.5%，20%。

a—時(shí)效為1 d；b—時(shí)效為2 d；c—時(shí)效為7 d；d—時(shí)效為14 d。

圖4 不同時(shí)效的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)試件的單調(diào)拉伸試驗(yàn)力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)如表3所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3a所示，試件在頸縮后發(fā)生斷裂，為延性破壞，如圖3b所示。由于試件在制作過(guò)程中存在誤差，每一種應(yīng)變時(shí)效試件均為2個(gè)，取平均值后繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。

在不同時(shí)效下試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖4所示，隨時(shí)效增加，試件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所提高。當(dāng)預(yù)應(yīng)變?yōu)?2.5%時(shí)，時(shí)效為1 d試件的抗拉強(qiáng)度提高了9%，斷裂應(yīng)變下降了24%，如圖4a所示；時(shí)效為2 d試件的抗拉強(qiáng)度提高了9%，斷裂應(yīng)變下降30%，如圖4b所示；時(shí)效為7 d試件的抗拉強(qiáng)度提高了9%，斷裂應(yīng)變下降33%，如圖4c所示；時(shí)效為14 d試件的抗拉強(qiáng)度提高了10%，斷裂應(yīng)變下降33%，如圖4d所示。可見(jiàn)，時(shí)效對(duì)強(qiáng)度的提高并不顯著，對(duì)斷裂應(yīng)變的影響較大。

表3 標(biāo)準(zhǔn)試件單調(diào)拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

a—S1-1無(wú)應(yīng)變時(shí)效標(biāo)準(zhǔn)試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；b—標(biāo)準(zhǔn)試件頸縮后斷裂。
圖3 S1-1無(wú)應(yīng)變時(shí)效標(biāo)準(zhǔn)試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及破壞模式

不同預(yù)應(yīng)變下試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖5所示，隨預(yù)應(yīng)變的增加，試件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高，極限應(yīng)變和斷裂應(yīng)變下降。當(dāng)時(shí)效為2 d時(shí)，預(yù)應(yīng)變?yōu)?%試件的抗拉強(qiáng)度提高7%，斷裂應(yīng)變下降12%，如圖5a所示；預(yù)應(yīng)變?yōu)?.5%的試件的抗拉強(qiáng)度提高了7%，斷裂應(yīng)變下降12%，如圖5b所示；預(yù)應(yīng)變?yōu)?0%的試件的抗拉強(qiáng)度提高了9%，斷裂應(yīng)變下降21%，如圖5c所示；預(yù)應(yīng)變?yōu)?2.5%的試件的抗拉強(qiáng)度提高了9%，斷裂應(yīng)變下降24%，如圖5d所示?？梢?jiàn)，預(yù)應(yīng)變對(duì)試件的抗拉強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變影響顯著。

a—5%預(yù)應(yīng)變；b—7.5%預(yù)應(yīng)變；c—10%預(yù)應(yīng)變；d—12.5%預(yù)應(yīng)變。

圖5 不同預(yù)應(yīng)變下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

隨著時(shí)效的不斷增加，抗拉強(qiáng)度也隨之增大，如圖6a所示，而且該過(guò)程主要發(fā)生在應(yīng)變時(shí)效后的1 d內(nèi)，預(yù)應(yīng)變?yōu)?%的試件時(shí)效1 d后的拉強(qiáng)度提高了6.64%，時(shí)效14 d后抗拉強(qiáng)度提高了7.42%。因此，應(yīng)變時(shí)效在1 d內(nèi)的效果最顯著。相比較于應(yīng)變時(shí)效提高了鋼材的抗拉強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率的下降使得結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的可能性增加，如圖6b所示，隨著預(yù)應(yīng)變的增大，試件斷裂應(yīng)變下降顯著，時(shí)效為7 d的試件的斷裂應(yīng)變由未經(jīng)應(yīng)變時(shí)效的0.33下降到預(yù)應(yīng)變?yōu)?2.5%時(shí)的0.22，降幅約33%。應(yīng)變時(shí)效后試件的屈強(qiáng)比與預(yù)應(yīng)變的變化趨勢(shì)如圖6c所示，當(dāng)預(yù)應(yīng)變?yōu)?2.5%時(shí)，時(shí)效1 d的屈強(qiáng)比增大了2%，時(shí)效2 d的屈強(qiáng)比增大了14%，時(shí)效7 d的屈強(qiáng)比增大了26%，時(shí)效14 d的屈強(qiáng)比增大了33%，最終穩(wěn)定在0.9，鋼材的強(qiáng)度儲(chǔ)備降低，屈服后無(wú)強(qiáng)化階段，在地震荷載作用下易發(fā)生脆性破壞。

a—應(yīng)變時(shí)效對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響；b—應(yīng)變時(shí)效對(duì)斷裂應(yīng)變的影響；c—應(yīng)變時(shí)效對(duì)屈強(qiáng)比的影響。

圖6 應(yīng)變時(shí)效對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件力學(xué)性能的影響

對(duì)接焊縫試件單調(diào)拉伸試驗(yàn)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖7所示。由于試驗(yàn)過(guò)程中夾持端發(fā)生輕微滑移，曲線(xiàn)在彈性階段的應(yīng)力與應(yīng)變非正比關(guān)系。曲線(xiàn)的屈服階段并不明顯，試件在屈服后進(jìn)入應(yīng)變硬化階段。由于在試驗(yàn)過(guò)程中襯板角焊縫出現(xiàn)開(kāi)裂，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)局部出現(xiàn)鋸齒狀。對(duì)接焊縫試件破壞形式如圖8所示，SH1-1、SH1-2、SH2-1為試件從對(duì)接焊縫一側(cè)發(fā)生撕裂破壞，如圖8a所示；SH1-3、SH2-3為試件在母材處出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，如圖8b所示；SH1-4、SH3-1為試件在鋼板過(guò)渡段被拉斷，如圖8c所示；SH2-2、SH3-2、SH3-3為試件在襯板點(diǎn)焊處發(fā)生焊縫開(kāi)裂，如圖8d所示。

表4 對(duì)接焊縫試件單調(diào)拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖7 SH1-1試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

a—焊縫從一側(cè)撕裂；b—母材頸縮；c—母材被拉斷；

d—襯板點(diǎn)焊處斷裂。
圖8 對(duì)接焊縫試件破壞形式

不同預(yù)應(yīng)變下對(duì)接焊縫試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖9—圖11所示，試件在屈服后進(jìn)入應(yīng)變硬化階段，在該階段由于襯板角焊縫開(kāi)裂，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)局部仍然出現(xiàn)鋸齒狀。隨預(yù)應(yīng)變提高，對(duì)接焊縫試件屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有提高，極限應(yīng)變和斷裂應(yīng)變下降。當(dāng)時(shí)效為7 d時(shí)，預(yù)應(yīng)變?yōu)?5%對(duì)接焊縫試件抗拉強(qiáng)度提高6%，斷裂應(yīng)變下降18%，如圖9所示；當(dāng)預(yù)應(yīng)變?yōu)?7.5%時(shí)，試件抗拉強(qiáng)度提高10%，斷裂應(yīng)變下降36%，如圖10所示；當(dāng)預(yù)應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度提高15%，斷裂應(yīng)變下降48%，如圖11所示。

圖9 15%預(yù)應(yīng)變?cè)嚰膽?yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖10 17.5%預(yù)應(yīng)變?cè)嚰膽?yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖11 20%預(yù)應(yīng)變?cè)嚰膽?yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖12a為對(duì)接焊縫試件的抗拉強(qiáng)度隨預(yù)應(yīng)變變化曲線(xiàn)，隨預(yù)應(yīng)變提高，抗拉強(qiáng)度隨之增大，當(dāng)預(yù)應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)抗拉強(qiáng)度由應(yīng)變時(shí)效前496 MPa增加到572 MPa，增大15%。如圖12b、圖12c所示，隨預(yù)應(yīng)變提高，極限應(yīng)變與斷裂應(yīng)變均顯著下降，其中斷裂應(yīng)變下降較顯著，由應(yīng)變時(shí)效前的0.39下降至0.20，下降約50%。

a—應(yīng)變時(shí)效對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響；b—應(yīng)變時(shí)效對(duì)極限應(yīng)變的影響；c—應(yīng)變時(shí)效對(duì)斷裂應(yīng)變的影響。

圖12 應(yīng)變時(shí)效對(duì)對(duì)接焊縫試件力學(xué)性能的影響

經(jīng)過(guò)不同應(yīng)變時(shí)效處理的Q345鋼的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率不同，因此有必要采用數(shù)學(xué)模型描述不同應(yīng)變時(shí)效處理后鋼材的本構(gòu)關(guān)系。Ramberg-Osgood模型適用于擬合無(wú)明顯屈服平臺(tái)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中:σ和ε分別為應(yīng)力和應(yīng)變;E為彈性模量;k是常數(shù)，取為0.002；εus為塑性應(yīng)變；σtu為極限應(yīng)力(實(shí)測(cè)值)；σty為屈服應(yīng)力(實(shí)測(cè)值)；εr為真實(shí)應(yīng)變(實(shí)測(cè)值)；n是曲線(xiàn)特征指數(shù)。

采用Ramberg-Osgood模型對(duì)時(shí)效為1，7 d的Q345鋼在不同預(yù)應(yīng)變下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，不同預(yù)應(yīng)變下的特征指數(shù)n如表5所示，Ramberg-Osgood中特征指數(shù)n與預(yù)應(yīng)變有關(guān)，預(yù)應(yīng)變?cè)酱?，特征指?shù)n越大。擬合結(jié)果如圖13、圖14所示，擬合曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)相差較小，能夠準(zhǔn)確表示應(yīng)變時(shí)效后Q345鋼的本構(gòu)關(guān)系。

選用預(yù)應(yīng)變?yōu)?5%不同時(shí)效對(duì)接焊縫試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，不同時(shí)效試件的特征指數(shù)n如表6所示，Ramberg-Osgood中特征指數(shù)n與時(shí)效有關(guān)，時(shí)效越大，特征指數(shù)n越大。擬合結(jié)果如圖15所示，由于在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)接焊縫的夾持端有輕微滑移，導(dǎo)致該擬合曲線(xiàn)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)彈性階段與試驗(yàn)曲線(xiàn)差異較大，在強(qiáng)化階段擬合結(jié)果較好，能準(zhǔn)確表示應(yīng)變時(shí)效后對(duì)接焊縫試件的本構(gòu)關(guān)系。

表6 時(shí)效對(duì)特征指數(shù)n的影響

a—0 d時(shí)效；b—1 d時(shí)效；c—2 d時(shí)效；

d—7 d時(shí)效。

圖15 預(yù)應(yīng)變?yōu)?5%的對(duì)接焊縫試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的Ramberg-Osgood擬合結(jié)果

針對(duì)Q345鋼標(biāo)準(zhǔn)試件和對(duì)接焊縫試件開(kāi)展了應(yīng)變時(shí)效試驗(yàn)研究，分析了應(yīng)變時(shí)效對(duì)鋼材及焊縫力學(xué)性能影響，采用Ramberg-Osgood模型對(duì)應(yīng)變時(shí)效試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到以下結(jié)論：

1)預(yù)應(yīng)變?yōu)?2.5%、時(shí)效為7 d試件抗拉強(qiáng)度提高了10%，斷裂應(yīng)變降低了33%。隨預(yù)應(yīng)變和時(shí)效增加，Q345鋼試件強(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)率降低，增大了結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的可能性。

2)應(yīng)變時(shí)效提高了對(duì)接焊縫試件強(qiáng)度，降低了塑性和韌性。隨預(yù)應(yīng)變提高，對(duì)接焊縫試件的斷裂應(yīng)變下降顯著，預(yù)應(yīng)變?yōu)?0%對(duì)接焊縫試件的斷裂應(yīng)變下降可達(dá)50%。因此，應(yīng)變時(shí)效后的對(duì)接焊縫試件，其抵抗變形能力顯著降低，更易發(fā)生脆性破壞。

3)采用Ramberg-Osgood模型能夠較準(zhǔn)確地?cái)M合應(yīng)變時(shí)效后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，適用于不同應(yīng)變時(shí)效處理后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。其中，預(yù)應(yīng)變和時(shí)效增加均能引起特征指數(shù)n增大，預(yù)應(yīng)變對(duì)特征指數(shù)n影響更顯著，因此，相比較于時(shí)效，預(yù)應(yīng)變對(duì)Q345鋼和對(duì)接焊縫試件力學(xué)性能的影響更加顯著。