应力-温度对q235钢性能的影响

应力-温度对q235钢性能的影响

在过去的10年里，国内外科学家研究了不同材料在高温下的力学性能，并取得了很大进展。例如，吕颖光对i级v级钢筋的强度和变形进行了研究。赵金星等人采用恒温离心、负载荷和测试方法，在不同温度下获得了q235、初期弹性模量和有效弯曲强度。谭伟、李国强等人对q235、q245、16nm和日本标准sm41钢在高温下的材料性能进行了验证，并对不同材料在高温下的屈服强度、极限强度、弹性模量和轮廓伸长率进行了计算模型。但这些研究仅局限于恒温加载或恒载升温两种路径下钢材各项力学性能参数随温度变化的模型.在实际火灾中,燃烧温度将受火荷载密度、通风条件、主动防火措施实施等一系列因素的影响,在燃烧过程中随时出现降温段,从而导致结构构件的温度出现变化.另外,火灾中受结构内力重分布的影响,杆件截面内力必然出现加载或卸载现象.为了更好地分析实际火灾过程中结构的反应,本文考虑高温下卸载及降温过程的材性变化以及不同应力-温度(σ-t)路径下钢材的应力、温度、应变三者的本构关系,进行了不同应力-温度路径下Q235钢材的高温试验,以研究σ-t历史对其应变的影响.1测试方法1.1试验方法和试验设备试验在上海交通大学工程力学试验中心固体力学试验室的AUTOGRAPHICS-25型万能材料试验机上进行.试验机最大加载能力为50kN,对试件采用电炉加热,由试验机自动记录试件单向拉伸的应力-应变(σ-ε)关系曲线.试件材料为Q235钢,试件按试验机指定的形状制作,规格、尺寸如图1所示.试验的温度、加载条件按照国家标准进行.1.2试验工况及过程试验共分5组进行.(1)A组试验共计2根试件,测定试验机自动记录σ-ε曲线中应变的修正值.(2)B组试验共计3根试件,进行未经高温过程的常温拉伸试验,以得到此批试验钢材的一些基本力学性能指标.(3)C组试验(包括应力)分别为0.3fy、0.5fy、和0.7fy3种工况,简单记为C1、C2和C3.其中C2工况做2根试件,C1和C3工况由于试验结果离散性较大,各做了3根试件.在每种工况下,先在试件上施加应力到指定应力水平,变形稳定后先升温至500°C,然后再降到常温.升降温过程中,从常温升到50°C之后,每隔50°C在试验机自动绘制的σ-ε图上标定一次,记下对应的应变值.升温速率为13°C/min左右,降温方式是在室温下自然冷却.(4)D组试验共分为4种工况,每种工况做3根试件,共计12根试件.每种工况的σ-t路径如下:由于实验条件的限制,每隔50°C均匀加载(或均匀卸载)一次,以小幅阶梯状加载(或卸载)模拟连续加载(或卸载).升降温过程中,从常温升到50°C后,每隔50°C在试验机自动绘制的σ-t图上标定一次,记下对应的应变值.每种工况均保持相对恒定的升温速度(约13°C/min),降温方式是在室温下自然冷却.(5)E组试验测量了C组试验的试件经历恒载升降温自然冷却到常温时的弹性模量、屈服强度和极限强度.2试验结果及分析2.1温度变化时应变值的修正经过A组试验得出的试验机自动记录的σ-ε曲线中各温度点对应的应变修正值随温度变化的试验结果如图2所示.B、C、D组中的应变值都是采用修正以后的数值.2.2性模量、屈服应力、极限应变试验所得常温下材料的力学性能指标为:弹性模量E=198GPa,屈服应力fy=286.7MPa,极限应力fu=447.5MPa,极限应变εu=0.767.2.3力水平对应的曲线趋势C组试验结果是建立D组试验本构关系式的基础.通过对图3的分析,可以得到σ-ε、t-ε的基本关系.由图3实线组可见:当t≤300°C时,t-ε曲线上升比较平缓,且不同应力水平对应的曲线趋势比较相似;当t>300°C时,高应力水平(C2,C3)下的试件应变便开始急剧增加,呈指数形式.相同温度下,应力水平越高温度变形越大,温度变形与应力水平近似于线性关系.由图3虚线组可见:降温段t-ε曲线比较平稳,随着温度下降,不同应力水平对应的曲线有较为一致的下降趋势.对于高应力水平下的试件,由于其升温至一定温度时已经进入屈服阶段,故应力水平还没有低于相应温度的屈服强度时,它的应变仍在增加.同时,高应力水平下的残余应变,因为包括屈服后的高温塑性应变,所以要比低应力水平下的大很多.2.4基本-t路径下的单向拉伸基本的σ-t路径包含以下9种:升温加载(或恒载、降载),降温加载(或恒载、降载),恒温加载(或恒载、降载).D组试验的每种工况都可以看作若干种基本σ-t路径的组合,在分析时把C组和D组中相同的σ-t路径归纳在一起.在回归分析之前,首先把每种σ-t路径的应变数据值减去其起点的应变数据值,即消除上次σ-t历史的应变值影响,从而便于研究应变在该种σ-t路径下的变化情况.然后根据最小二乘法原理,对试验数据进行拟合,分别得到Q235钢在升温恒载、升温加载、升温降载、降温恒载、降温加载5种基本σ-t路径下单向拉伸时的本构关系式,其详细结果见第3节.2.5试验设计中极限强度值的确定由表1可知,钢材经历了恒载升降温然后自然冷却至常温,弹性模量比未经历高温前略有降低,但弹性模量的变化与应力水平关系不大.由表2可知,钢材经历恒载升降温然后自然冷却至常温后的屈服强度值与文献中给出的经历高温(600°C以内)自然冷却后的屈服强度的计算值相差偏大,而极限强度的试验值与文献中给出的经历高温(600°C以内)自然冷却后的极限强度的计算值较为相近,故实际设计中可直接采用文献中提供的公式来计算极限强度的值.3不同t路径下的本构关系3.1升温恒载路径首先用相同的表达式对升温恒载、升温加载两种σ-t路径进行回归.研究表明,利用回归公式得到的计算结果与试验结果相差很大.因此,必须用不同的表达式对这两种σ-t路径进行回归.升温恒载路径包括C1、C2和C3工况中的升温恒载段,对升温恒载路径进行回归的表达式为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)表示的升温恒载路径的模拟曲面与试验数据的关系如图4所示.3.2升温加载路径D1、D2、D3工况中的升温加载段,应力和温度变化情况相近,因此可以用相同的表达式对其进行回归.研究表明,D1、D2、D3工况中升温加载段的回归表达式计算结果与试验结果比较接近.对于升温加载路径中应力和温度变化情况差别较大时,能否用相同的本构关系表达式回归还有待进一步研究.对升温加载路径进行回归的表达式为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)表示的升温加载路径的模拟曲面与试验数据的关系如图5所示.3.3升温降载路径模拟D2、D3、D4工况中的升温降载段,应力和温度变化情况相近,因此可以用相同的表达式进行回归.用式(3)对D2、D3、D4工况中升温降载段进行回归得到的计算结果与试验结果比较接近.对升温降载路径的表达式为σ=fy(0.726-0.771ε1.004t-20)0.430(3)σ=fy(0.726−0.771ε1.004t−20)0.430(3)式(3)表示的升温降载路径的模拟曲面与试验数据的关系如图6所示.3.4恒载路径回归由图3可知,应力恒定时,应变与温度的关系近似于二次函数关系,而且温度达到400°C时,应变达到最大值.对降温恒载路径进行回归的表达式为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)表示的降温恒载路径的模拟曲面与试验数据的关系如图7所示.3.5符合2工况的工况降温加载过程,ε与σ、t的关系非常复杂.降温加载路径下的本构关系可分为3种情况讨论.记tm为钢材降温加载前所经历的最高温度:tm≤300°C(即D2工况)对应第1种;300°C≤tm≤600°C(即D3、D4工况)中的[200°C,600°C]区间对应第2种,[50°C,200°C]区间对应第3种.这3种情况均可用σ=fy(εa2⋅a3t-20-a1a2)1a4(5)σ=fy(εa2⋅a3t−20−a1a2)1a4(5)回归,相应表达式的系数见表3.由于降温加载路径的试验数据太少,回归拟合得到的模拟曲面不太理想,故没有给出降温加载路径所对应的模拟曲面.3.6“2”值的计算为了对求出的本构关系式和试验数据的相关性进行检验,还需求出每个本构关系式的调整相关系数R2a,即R2a=1-(1-R2)n-1n-p-1(6)式中:R为相关系数;p为本构关系式中的自变量个数;n为试验数据个数.对上面5种σ-t路径下的本构关系式和试验结果进行统计分析,分析结果如表4所示.由表可见,各种σ-t路径下