應變時效對Q345鋼力學性能影響研究

要

應變時效是鋼材經過冷加工塑性變形及焊接內應力變形使鋼材強度與硬度升高而塑性與韌性下降的一種物理現象。鋼結構建筑易于改建、變更用途和災后修復，經長期靜力荷載或設防烈度地震作用后，發生塑性變形的部分損傷結構，常無需完全拆除重建，而是修復后繼續使用，或回收利用部分構件。而損傷結構的修復工作不會立刻進行，在等待修復期間，經一定量塑性變形后的鋼材在常溫下放置，應變時效現象使鋼材本身的力學性能發生變化，導致構件乃至結構的受力性能改變。若對結構的繼續使用性、災后可修復性進行評估時，仍采用其原始應力-應變關系進行設計和計算，是不妥當的。澳洲學者Sajjad通過試驗對Grade350鋼材應變時效影響下的力學性能進行了初步研究，并采用有限元方法，對比了簡支鋼梁在應變時效影響下的受力性能和變形能力變化，研究結果表明，應變時效使簡支鋼梁承載力及變形能力顯著下降。張忠良考慮高強建筑用熱軋H型鋼在使用過程中的應變時效現象，對熱軋H型鋼的低周疲勞性能進行試驗研究，研究結果表明，應變時效使熱軋H型鋼疲勞壽命和循環韌度降低。

應變時效使鋼材力學性能發生顯著變化，多起由鋼材應變時效導致的爆炸事故造成了巨大的經濟損失和人員傷亡，因此，近年來國內外學者針對應變時效影響下的鋼材性能變化進行了研究。在管線、船舶、汽車制造等領域的鋼材經應變時效影響后的材料性能變化方面，以及不同元素含量對鋼材應變時效的影響方面取得了眾多研究成果。然而，在結構工程領域考慮應變時效對鋼材本構關系的影響，以及應變時效對鋼結構整體力學性能的影響研究方面目前鮮見報道。

本文對目前結構工程中常用的Q345鋼材基本力學性能進行了應變時效試驗研究，分析Q345鋼在應變時效前后力學性能的變化，為深入研究應變時效對鋼結構整體受力性能的影響積累數據并提供依據。考慮到實際鋼結構中焊縫的存在，設計了對接焊縫試件并研究應變時效對其力學性能的影響。另外，針對Q345鋼在經過應變時效處理后表現出無明顯屈服平臺的特征，采用Ramberg-Osgood(R-O)模型對其應力-應變曲線進行擬合。

試驗采用Q345鋼，其化學元素含量如表1所示，根據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，設計制作了35個標準試件，試件尺寸及編號如圖1、表2所示。為研究應變時效對焊縫力學性能的影響，設計制作了10個對接焊縫試件，試件尺寸及編號如圖1、表2所示。

表1 Q345化學元素含量 %

注：表中數據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，鋼材批次號為2316AE1023。

a—標準試件詳圖；b—對接焊縫試件詳圖。
圖1 試件詳圖

本試驗依據GB/T 228.1—2010進行標準試件和對接焊縫試件的拉伸試驗，其中標準試件在最大拉力為100 kN的拉伸試驗機上進行單調拉伸試驗，試驗裝置如圖2a所示，對接焊縫試件在最大拉力為1 000 kN的拉伸試驗機上進行單調拉伸試驗，試驗裝置如圖2b所示。

表2 試件類型及編號

a—標準試件；b—對接焊縫試件。
圖2 試驗裝置

標準試件和對接焊縫試件加載全過程均采用位移控制，試件在達到屈服強度前拉伸速率為3 mm/min，達到屈服強度后拉伸速率為6 mm/min。

標準試件及對接焊縫試件的單調拉伸試驗均分為兩階段，第1階段為預應變加載階段，對試件進行預拉伸加載到預應變后停止，放置不同時效(1，2，7，14 d)后進行第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。為了使試件產生塑性變形而又不能變形過大使其抗拉強度減小，第1階段的預應變要大于屈服應變，小于極限應變。標準試件采取的預應變為5%，7.5%，10%，12.5%，對接焊縫試件采取的預應變為15%，17.5%，20%。

a—時效為1 d；b—時效為2 d；c—時效為7 d；d—時效為14 d。

圖4 不同時效的應力-應變曲線

標準試件的單調拉伸試驗力學性能統計如表3所示，應力-應變曲線如圖3a所示，試件在頸縮后發生斷裂，為延性破壞，如圖3b所示。由于試件在制作過程中存在誤差，每一種應變時效試件均為2個，取平均值后繪制應力-應變曲線。

在不同時效下試件的應力-應變曲線如圖4所示，隨時效增加，試件的屈服強度和抗拉強度有所提高。當預應變為12.5%時，時效為1 d試件的抗拉強度提高了9%，斷裂應變下降了24%，如圖4a所示；時效為2 d試件的抗拉強度提高了9%，斷裂應變下降30%，如圖4b所示；時效為7 d試件的抗拉強度提高了9%，斷裂應變下降33%，如圖4c所示；時效為14 d試件的抗拉強度提高了10%，斷裂應變下降33%，如圖4d所示。可見，時效對強度的提高并不顯著，對斷裂應變的影響較大。

表3 標準試件單調拉伸力學性能試驗結果

a—S1-1無應變時效標準試件應力-應變曲線；b—標準試件頸縮后斷裂。
圖3 S1-1無應變時效標準試件應力-應變曲線及破壞模式

不同預應變下試件的應力-應變曲線如圖5所示，隨預應變的增加，試件的屈服強度和抗拉強度提高，極限應變和斷裂應變下降。當時效為2 d時，預應變為5%試件的抗拉強度提高7%，斷裂應變下降12%，如圖5a所示；預應變為7.5%的試件的抗拉強度提高了7%，斷裂應變下降12%，如圖5b所示；預應變為10%的試件的抗拉強度提高了9%，斷裂應變下降21%，如圖5c所示；預應變為12.5%的試件的抗拉強度提高了9%，斷裂應變下降24%，如圖5d所示?？梢?，預應變對試件的抗拉強度和斷裂應變影響顯著。

a—5%預應變；b—7.5%預應變；c—10%預應變；d—12.5%預應變。

圖5 不同預應變下的應力-應變曲線

隨著時效的不斷增加，抗拉強度也隨之增大，如圖6a所示，而且該過程主要發生在應變時效后的1 d內，預應變為5%的試件時效1 d后的拉強度提高了6.64%，時效14 d后抗拉強度提高了7.42%。因此，應變時效在1 d內的效果最顯著。相比較于應變時效提高了鋼材的抗拉強度，伸長率的下降使得結構發生脆性破壞的可能性增加，如圖6b所示，隨著預應變的增大，試件斷裂應變下降顯著，時效為7 d的試件的斷裂應變由未經應變時效的0.33下降到預應變為12.5%時的0.22，降幅約33%。應變時效后試件的屈強比與預應變的變化趨勢如圖6c所示，當預應變為12.5%時，時效1 d的屈強比增大了2%，時效2 d的屈強比增大了14%，時效7 d的屈強比增大了26%，時效14 d的屈強比增大了33%，最終穩定在0.9，鋼材的強度儲備降低，屈服后無強化階段，在地震荷載作用下易發生脆性破壞。

a—應變時效對抗拉強度的影響；b—應變時效對斷裂應變的影響；c—應變時效對屈強比的影響。

圖6 應變時效對標準試件力學性能的影響

對接焊縫試件單調拉伸試驗力學性能試驗結果如表4所示，應力-應變曲線如圖7所示。由于試驗過程中夾持端發生輕微滑移，曲線在彈性階段的應力與應變非正比關系。曲線的屈服階段并不明顯，試件在屈服后進入應變硬化階段。由于在試驗過程中襯板角焊縫出現開裂，導致應力-應變曲線局部出現鋸齒狀。對接焊縫試件破壞形式如圖8所示，SH1-1、SH1-2、SH2-1為試件從對接焊縫一側發生撕裂破壞，如圖8a所示；SH1-3、SH2-3為試件在母材處出現頸縮現象，如圖8b所示；SH1-4、SH3-1為試件在鋼板過渡段被拉斷，如圖8c所示；SH2-2、SH3-2、SH3-3為試件在襯板點焊處發生焊縫開裂，如圖8d所示。

表4 對接焊縫試件單調拉伸力學性能試驗結果

圖7 SH1-1試件應力-應變曲線

a—焊縫從一側撕裂；b—母材頸縮；c—母材被拉斷；

d—襯板點焊處斷裂。
圖8 對接焊縫試件破壞形式

不同預應變下對接焊縫試件應力-應變曲線如圖9—圖11所示，試件在屈服后進入應變硬化階段，在該階段由于襯板角焊縫開裂，應力-應變曲線局部仍然出現鋸齒狀。隨預應變提高，對接焊縫試件屈服強度和抗拉強度均有提高，極限應變和斷裂應變下降。當時效為7 d時，預應變為15%對接焊縫試件抗拉強度提高6%，斷裂應變下降18%，如圖9所示；當預應變為17.5%時，試件抗拉強度提高10%，斷裂應變下降36%，如圖10所示；當預應變為20%時，試件的抗拉強度提高15%，斷裂應變下降48%，如圖11所示。

圖9 15%預應變試件的應力-應變曲線

圖10 17.5%預應變試件的應力-應變曲線

圖11 20%預應變試件的應力-應變曲線

圖12a為對接焊縫試件的抗拉強度隨預應變變化曲線，隨預應變提高，抗拉強度隨之增大，當預應變為20%時抗拉強度由應變時效前496 MPa增加到572 MPa，增大15%。如圖12b、圖12c所示，隨預應變提高，極限應變與斷裂應變均顯著下降，其中斷裂應變下降較顯著，由應變時效前的0.39下降至0.20，下降約50%。

a—應變時效對抗拉強度的影響；b—應變時效對極限應變的影響；c—應變時效對斷裂應變的影響。

圖12 應變時效對對接焊縫試件力學性能的影響

經過不同應變時效處理的Q345鋼的強度和伸長率不同，因此有必要采用數學模型描述不同應變時效處理后鋼材的本構關系。Ramberg-Osgood模型適用于擬合無明顯屈服平臺的應力-應變曲線，其數學表達式為：

式中:σ和ε分別為應力和應變;E為彈性模量;k是常數，取為0.002；εus為塑性應變；σtu為極限應力(實測值)；σty為屈服應力(實測值)；εr為真實應變(實測值)；n是曲線特征指數。

采用Ramberg-Osgood模型對時效為1，7 d的Q345鋼在不同預應變下的應力-應變曲線進行擬合，不同預應變下的特征指數n如表5所示，Ramberg-Osgood中特征指數n與預應變有關，預應變越大，特征指數n越大。擬合結果如圖13、圖14所示，擬合曲線與試驗曲線相差較小，能夠準確表示應變時效后Q345鋼的本構關系。

選用預應變為15%不同時效對接焊縫試件應力-應變曲線進行擬合，不同時效試件的特征指數n如表6所示，Ramberg-Osgood中特征指數n與時效有關，時效越大，特征指數n越大。擬合結果如圖15所示，由于在試驗過程中對接焊縫的夾持端有輕微滑移，導致該擬合曲線在應力-應變曲線彈性階段與試驗曲線差異較大，在強化階段擬合結果較好，能準確表示應變時效后對接焊縫試件的本構關系。

表6 時效對特征指數n的影響

a—0 d時效；b—1 d時效；c—2 d時效；

d—7 d時效。

圖15 預應變為15%的對接焊縫試件應力-應變曲線的Ramberg-Osgood擬合結果

針對Q345鋼標準試件和對接焊縫試件開展了應變時效試驗研究，分析了應變時效對鋼材及焊縫力學性能影響，采用Ramberg-Osgood模型對應變時效試件應力-應變曲線進行擬合，得到以下結論：

1)預應變為12.5%、時效為7 d試件抗拉強度提高了10%，斷裂應變降低了33%。隨預應變和時效增加，Q345鋼試件強度增加，伸長率降低，增大了結構發生脆性破壞的可能性。

2)應變時效提高了對接焊縫試件強度，降低了塑性和韌性。隨預應變提高，對接焊縫試件的斷裂應變下降顯著，預應變為20%對接焊縫試件的斷裂應變下降可達50%。因此，應變時效后的對接焊縫試件，其抵抗變形能力顯著降低，更易發生脆性破壞。

3)采用Ramberg-Osgood模型能夠較準確地擬合應變時效后的應力-應變曲線，與試驗結果吻合較好，適用于不同應變時效處理后的應力-應變曲線。其中，預應變和時效增加均能引起特征指數n增大，預應變對特征指數n影響更顯著，因此，相比較于時效，預應變對Q345鋼和對接焊縫試件力學性能的影響更加顯著。