【钢材拉伸性能探究文献综述6000字】

钢材拉伸性能研究国内外文献综述目录TOC\o"1-2"\h\u11640钢材拉伸性能研究国内外文献综述 1282411钢材拉伸性能常规方法测试研究 123302钢材断裂韧性常规方法测试研究 2261673钢材冲击功测试研究 3138614压痕法国内外研究现状 5随着消化钢材产能的需要，钢结构桥梁呈现快速增长趋势。而长期服役的钢结构桥梁受到一定的环境因素会致使内部力学性能发生变化[4]，屈服强度、抗拉强度、断裂韧性以及冲击韧性的改变都将影响钢材的安全储备以及正常的运营。本文主要对基于常规方法的钢材拉伸性能、断裂韧性、冲击功测试以及仪器化压痕法所涉及的相关研究现状进行了总结。1钢材拉伸性能常规方法测试研究钢材拉伸性能是反映材料自身特点的重要指标之一，钢材在经过屈服阶段后将进入塑性变形阶段，虽然不会直接破坏但对构件的整体稳定性以及正常使用都会有很大的影响。在结构设计中，往往需要根据拉伸性能来选择合适的材料，不仅如此，对于结构在服役过程中，定期检测拉伸性能是保证结构安全工作的重要环节之一。目前国内外学者对于钢材拉伸性能方面的研究十分丰富。1992年Maslakov[5]对多种钢材研究了在压力脉冲作用下力学性能的影响程度，作者通过对比设置压力脉冲前后准静态单轴拉伸试验结果，发现屈服强度与抗拉强度随着脉冲变形的增加而增加。1997年Sharpe等人[6]提出了一种新型拉伸试验方法，对微米级别厚度的试样进行拉伸试验，得到其弹性模量、泊松比和抗拉强度等力学性能参数，并验证了该方法的可行性。1999年LaVan[7]从焊接接头上切取微试样，用拉伸试验分别测定焊接接头的局部拉伸性能，对焊接接头微区分别取样的方法虽然对研究非均匀、各向异性材料的局部强度是一个很有价值的方法，但该方法对试样的制备以及取样过程十分复杂。2018年Hizb等人[8]通过缺口试样的单轴拉伸试验获得的工程应力-应变曲线，确定缺口钢试样的屈服强度和极限拉伸强度，研究了高应力三轴性对常用得结构钢屈服强度和极限抗拉强度的影响。很多国内学者在钢结构材料的拉伸性能方面也进行了大量的试验研究，为提升钢结构力学性能检测水平提供了不少的参考。2006年朱亮等人[9]提出了评定材料局部强度的双孔微剪切试验方法，在管线钢、紫铜，6063铝合金三种材料上进行了试验并与拉伸试验结果进行对比。2010年汤忠斌等人[10]分别采用微拉伸试验、微剪切试验和维氏硬度试验三种方法对焊接接头不同区域进行力学性能测试，通过对比发现微拉伸试验法能够最准确得获得焊缝结构不同区域的材料性能参数。2011年方平等人[11]采用里氏硬度化学成分综合分析法对钢材抗拉强度进行了检测试验并与拉伸试验结果进行了对比，结果显示里氏硬度法的测试结果精度不高。同年8月，贾强等人[12]进行了里氏硬度法检测钢材的强度试验，结果显示里氏硬度法准确性受诸多因素影响。2015年绳钦柱[13]等人同样通过里氏硬度法对建筑钢材强度进行了现场检测，分别得到了里氏硬度计在不同冲击装置条件下对既有钢结构建筑钢材里氏硬度-抗拉强度关系曲线，分析了两者之间的联系。2019年张渊博等人[14]将小冲杆有限元模拟中压力竖向分量与接触面积曲线进行积分，求得小冲杆试验正压载荷的大小，并将正压载荷与常规抗拉强度进行经验关联，改进了传统的抗拉强度经验关联式，提升了关联系数。国内外学者对于钢材拉伸性能的检测主要采用方法有拉伸试验、里氏硬度法、微剪切法以及小冲杆试验等。这些方法虽然都可以获取钢材的相关性能，但其中拉伸试验需进行取样，会对构件造成损伤从而影响后期的正常使用，且试件的制作加工较为繁琐；里氏硬度法虽可用于现场快速检测，但该方法测试可靠性较低，对环境因素较为敏感；微剪切法和小冲杆试验则不适用于焊接接头这类微区的力学性能检测。2钢材断裂韧性常规方法测试研究当材料在弹塑性条件下，应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧性，反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力。国外学者在断裂韧性方面的研究相对较早，20世纪20年代初，断裂力学学科的先驱者Griffith[15]研究了玻璃、陶瓷等脆性材料的裂纹扩展问题，提出脆性材料裂纹扩展的能量平衡准则。不过Griffith断裂理论研究对象是理想脆性材料，而绝大多数金属材料的裂纹尖端会产生塑性变形区。在Zener和Hollomon将金属材料的脆性断裂与Griffith理论结合起来不久后，1944年Invin[16]修正了Griffith的能量平衡原则，他认为应该是存储的应变能与表面能、塑性变形功之间的能量平衡，且对于韧性较好的材料，表面能相对于塑性变形功是微不足道的。1957年，Invin[17]提出以应力场强度因子来描述裂纹尖端附近的应力场强度，并建立以应力场强度因子为参量的裂纹扩展准则-应力场强度因子准则，即K准则。1997年Toribioj[18]通过试验研究了在多轴应力状态下的不同缺口形式高强度钢棒的断裂行为，并通过有限元数值计算，得到了其脆性断裂时断裂参量的分布。1999年Valientea等人[19]考虑了温度和板厚的影响，通过断裂试验测定了S460N高强度建筑用钢材的断裂行为，并验证了Eurocode3规范中关于防止S460N高强度建筑用钢材脆性断裂的设计方法。2015年Lage[20]对某双相不锈钢在不同热下焊接接头进行了位移试验，通过临界尖端张开度对其断裂韧性进行评价，结果表明该方法得可靠性较低。2018年Popovic[21]研究了热作用对表面焊接接头韧性和断裂机理的影响，作者用三种不同的热输入进行高碳钢表面焊接，通过对断裂表面进行了断裂分析，发现热输入的增加会导致内部晶体脆性断裂的增加。2007年张莉等人[22]对2.25Cr-1Mo钢及1.25Cr-0.5Mo两种钢材进行了小冲杆试验并与常规冲击韧性及断裂韧性试验结果进行关联，得到小冲杆试样变形过程中消耗的总变形能与常规夏比冲击试验冲击功间的对应关系经验公式，以及等效断裂应变与材料延性断裂韧度间的关联式，实现了采用小冲杆试验结果估算材料的冲击及断裂韧度值,为无法取标准试样进行材料抗断裂性能测试的情况提供了一种可行的间接测试技术。2013年乔建生等人[23]利用小冲杆实验方法测量了冲压断裂能，建立了断裂韧性和小冲杆试验冲压断裂能之间的线性关系，利用该关系和辐照后小冲杆实验冲压断裂能计算得到了辐照后材料的断裂韧性。2016年朱锦斌等人[24]提出了采用环形缺口预制裂纹试样进行脆性材料的小冲杆试验，结合有限元模拟获得的J积分曲线，最终得到材料的断裂韧性值。虽然断裂韧性起源较早，具有丰富的理论基础，但由于断裂韧性试验本身成本较高，且测试过程复杂[25]，具有较大的局限性，因此众多学者尝试通过采取更为简单的冲击试验来建立与断裂韧性之间的关联。3钢材冲击功测试研究冲击功是衡量材料冲击韧性的重要指标，是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，通常采用夏比冲击试验进行系列温度下的冲击试验获得冲击功与温度之间的关系。2013年杨富尧[26]对国内输电铁塔常用的Q235、Q345及Q420角钢材料进行了拉伸试验以及低温冲击试验，研究了温度区间在-75~25℃各类材料的冲击功变化趋势。根据试验结果可知，三种材料的冲击功均随温度升高而增加。2015年戈文英[27]对风电塔法兰用S355NL钢进行了-80℃~-20℃的低温冲击试验，试验结果表明S355NL钢冲击功值随着温度的降低而降低。2016年刘永飞[28]为了探究夏比冲击试验中摆锤刀刃半径对试验结果的影响，分别采用半径为8mm与2mm的锤头对多种材料进行了系列温度冲击试验，结果表明，对于上平台区域，采用8mm半径锤头下所得冲击功值明显大于2mm半径结果；对于下平台区域，两者结果基本相同。2017年周相海[29]对一种马氏体时效钢的冲击韧性的物理意义进行了探索与研究，进行室温下不同尺寸的夏比缺口冲击实验，得到以下结论：冲击断口上测得的剪切唇宽度与冲击试样的高度有关，与冲击试样的宽度无关。2018年廖小伟[30]研究了寒冷地区服役桥梁钢的疲劳裂纹扩展行为，对厚度为16mm的Q345qD桥梁钢为进行了室温和低温下的夏比冲击韧性试验、疲劳裂纹扩展速率试验和疲劳裂纹扩展门槛值试验。结果表明，夏比冲击功和试样断口剪切断面率随温度的降低而减少。2019年王广山[31]通过低温冲击试验对压力容器用钢16MnDR焊接接头的冲击性能进行了测试，结果显示焊接接头各个区域的冲击功均符合力学性能要求，其中母材的低温冲击韧性最高，热影响区最低。部分学者对冲击功与断裂韧性之间的关系式进行了相关研究。2005年，Lucon等人[32]将适用性评价方法（FITNET）中夏比冲击吸收能量与断裂韧性之间的关联公式进行了整理，通过根据是否发生脆性转变行为以此选择合适的经验公式，估算断裂韧性值。2016年Teran等人[33]根据冲击功-温度曲线所对应的上平台、转变温下平台三个区域，对已有的冲击功-断裂韧性经验转换公式进行了整理，并对A36钢焊接接头的冲击功值进行了断裂韧性估算。2016年，杨滨等人[34]比较了各种冲击吸收能量和断裂韧度的经验公式，并给出了基于文献中材料数据的预测结果比较。由上文可知，目前国内外学者对于冲击功方面的研究大部分集中在对被测材料进行多种温度下的冲击试验以此获得冲击功-温度曲线，分析材料冲击功与温度变化的关系，根据转换温度来判断材料韧性是否满足要求。也有相关研究为了建立冲击功与断裂韧性之间的关联，但由于经验公式具有一定的局限性，且国内外材料的工艺参数有所不同，最终的预测结果也将会不一样。4压痕法国内外研究现状自1951年Tabor[35]对硬度试验进行了改进，得到通过硬度试验获得材料的其他力学性能的压痕试验法[36]后，国外许多学者[37-44]开始对压痕法测试材料力学性能进行了研究，促进了压痕法的发展。1992年Oliver和Pharr[42]完善了压痕试验法原理，创立了纳米压痕测试技术（Nanoindentationtestingtechnology）[43]，然而纳米压痕法对试验环境的要求非常高，不适用于现场检测。自20世纪70年代以来，Francis、Pau等人[44]尝试使用球压头进行压痕试验，将压痕载荷-深度曲线数据与材料应力-应变曲线进行转化关联。随后，Haggag提出自动球压痕技术[2]，通过将球压头对被测材料进行反复的循环加载卸载，采用位移传感器和载荷传感器同时测量并记录加载与卸载全过程的位移与载荷，最终获得压痕试验的载荷-深度曲线，并建立荷载-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联，进而得到如屈服强度、工程极限拉伸强度、压痕变形能量、应变硬化指数、强度系数等相关参数[2,45-47]。2001年，Ahn和Kwon[3]通过连续球压痕试验获得的压痕接触参量（如接触位移，压头的尺寸，试样表面的变形等），提出了表征应力、表征应变的概念。通过拟合一系列表征应力-应变点获得真应力-真应变曲线，并从真应力-真应变曲线获得了材料屈服强度和抗拉强度等力学性能[48-53]。压痕法试验方面，21世纪初韩国Hyungyil和Lee等[54]采用有限元模拟分析方法对不同材料进行了大量压痕模拟试验，分析载荷-深度曲线与应力-应变曲线关联方法。2003年Jang等[55]采用仪器化压痕法，对Cr-Mo-V热影响区力学性能变化进行了测试。2006年Lee等[56]提出了一种新的仪器压痕技术来评估延性材料的断裂韧性，作者利用连续损伤力学的基本概念来确定特征断裂起始点，并通过仪器化压痕试验与常规断裂韧性试验对比。2015年Kim与Pham等人[57]，通过仪器化压痕法对SS400钢的焊接接头力学性能进行了测试。目前国外已颁布了一些仪器化压痕法相关规范标准。2002年韩国颁布了KSB0950[58]关于微压痕方法测量金属材料机械性能的标准，同年国际标准化组织颁布了压痕试验相关标准ISO14577[59]。2005年韩国颁布了KSB0951[60]金属材料焊接部位残余应力测定标准。2008年国际标准组织又综合上述两个韩国标准颁布了ISO/TR29381[61]标准。经过多年的实践，欧美、韩国等发达国家相继研发出相关仪器化检测设备，并广泛应用于石油、电力、汽车等关键装备行业。国内对于压痕法方面的研究相对较少，主要集中在压力容器以及金属管道的测试居多。华东理工大学的伍声宝等人[62,63]利用球压痕试验，使用一种新的修正算法评价了考虑线性硬化情况下奥氏体不锈钢的拉伸性能。中科院的崔航等人[64]利用球压痕法测试并分析了金属材料的局部性能。华中科技大学的金宏平[65]通过分析球压痕测试技术，研究了基于能量法的材料的压痕硬度和残余应力。山东大学的汤杰[66]利用自动球压痕试验对结构钢及其应变时效后的力学性能进行了研究。南京工业大学金桩[67]通过连续球压痕法，完成了对在役设备和管道进行了现场力学性能检测。在2008年，我国颁布了与仪器化压痕试验相关的系列国家标准GB/T21838[68]，该系列标准规定了测定压痕模量及其它力学性能的测定方法。但是我国颁布的此标准与国际颁布的标准ISO14577基本相同，且该标准中的试验法在工程中的推广及应用受到了一定的限制。在2020，我国成功颁布了国家标准GB/T39635-2020《金属材料仪器化压入法测定压痕拉伸性能和残余应力》，目前国家标准《金属材料压入试验方法强度、硬度和应力-应变关系的测定》、《金属材料力学性能和残余应力测定仪器化压痕试验》和电力行业标准《电站金属材料自动球压法力学性能检测技术规程》正在编制中。综上所述，从上个世纪至今，压痕测试法已逐渐从测试材料硬度的传统方法转变成了能够同时获取材料各种力学性能的新型检测方法，且理论也已趋于成熟，但相比于国外，国内学者在这方面的研究有些不足。参考文献[1]TaborD.Indentationhardness:Fifityyearsonpersonalview[J].PhilosophicalMagazineA:PhysicsofCondensedMatter,Structure,DefectsandMechanicalProperties,1999,74(5):1207-1212.[2]HaggagM,NanstadK,HuttonT,etal.Useofautomatedballindentationtomeasureflowpropertiesandestimatefracturetoughnessinmetallicmaterials[A]．BraunA,AshbaughE,SmithM．ApplicationsofAutomationTechnologytoFatigueandFractureTesting[C].AmericanSocietyforTestingandMaKrials,1990:188-208.[3]AhnH,KwonD.Derivationofplasticstress-strainrelationshipballindentations:examinationofstraindefinitionandpileupeffect[J].JournalofMaterialsResearch,2001,16(11):3170-3178.[4]俞冬．钢桥钢结构的腐蚀及其对力学性能影响的研究[D]．南昌：华东交通大学，2016．[5]MaslakovV.Effectofalow-intensitypulseloadonthemechanicalcharacteristicsofsteels20and12Kh18N10T[J].StrengthMater,1992,24(1):26-31.[6]SharpeN,YuanB,EdwardsL,etal.MeasurementsofYoung'smodulus,Poisson'sratio,andtensilestrengthofpolysilicon[C].ProceedingsofMicroElectroMechanicalSystems,1997,IEEE.TenthAnnualInternationalWorkshopon:Nagoya,Japan.LosAlamitos,California,USA:InstituteforElectricalandElectronicEngineers(IEEE)，1997:424-429.[7]LavanA.Microtensilepropertiesofweldmetal[J].ExperimentalTechniques,1999,23(3):30-34.[8]HizbS,RaviK.InfluenceofhighstresstriaxialityonmechanicalstrengthofASTMA36,ASTMA572andASTMA992steels[J].ConstructionandBuildingMaterials,2018:129-134.[9]朱亮，侯艳荣，马忠新，等．双孔微剪切法测定材料的局部强度[J]．兰州理工大学学报，2006(03)：25-28．[10]汤忠斌，徐绯，许泽建，等．焊缝结构微区材料力学性能研究[J]．机械强度，2010，32（1）：58-63．[11]方平，孙正华，刘可，等．里氏硬度化学分析综合法检测钢材抗拉强度的研究[J]．建筑科学，2011，27（S1）：121-123+172．[12]贾强，刘德稳．里氏硬度法在钢结构工程检测中的应用[J]．四川建筑，2011，31（04）：214-215．[13]绳钦柱，李成才，张宝明，等．里氏硬度法现场检测建筑钢材强度试验研究[J]．建筑技术，2015，46（08）：749-751．[14]张渊博，关凯书，王琼琦．小冲杆试验摩擦力计算及抗拉强度公式改进[J]．热加工工艺，2019，48（12）：54-57．[15]GriffithA.Thephenomenaofruptureandflowinsolids[J].PhilosophicaltransactionsoftheRoyalsocietyofLondon,1921,221(582-593):163-168.[16]IrwinR.Fracturingofmetals[J].ASM,Cleveland,1948,147:19-9.[17]IrwinR.Analysisofstressesandstrainsneartheendofacracktraversingaplate[J].JournalofAppliedMeachanics,1957.[18]Toribioj.Afracturecriterionforhigh-strengthsteelnotchedbars[J].Engineeringfracturemechanics.1997,57(4):391-404.[19]ValienteA,ElicesM,RuizJ,etal.FractureassessmentofahighstrengthstructuralsteelonthebasisofEurocode3[J].Materialsandstructures,1999,32(2):144-150.[20]LageA,AssisS,MattosR.Hydrogeninfluenceonfractureto