循環(huán)荷載下奧氏體不銹鋼的本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究

王元清 常 婷 石永久

(清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)(清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

循環(huán)荷載下奧氏體不銹鋼的本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究

王元清 常 婷 石永久

(清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)(清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

為了研究不銹鋼在循環(huán)荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系，對不銹鋼S31608試件進(jìn)行了多種循環(huán)加載試驗(yàn)，分析了不銹鋼試件在單調(diào)荷載和循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.采用Ramberg-Osgood模型對循環(huán)骨架曲線進(jìn)行擬合，通過試驗(yàn)標(biāo)定得到循環(huán)強(qiáng)化參數(shù)，并利用有限元軟件ABAQUS對試驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬.試驗(yàn)結(jié)果表明:不銹鋼材料在循環(huán)荷載作用下滯回曲線飽滿，具有良好的滯回性能;隨著循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)硬化出現(xiàn)，循環(huán)后期應(yīng)力提高較明顯;Ramberg-Osgood模型能夠較好地對循環(huán)骨架曲線進(jìn)行擬合;有限元分析得到的滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.因此，不銹鋼在循環(huán)荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系不同于單調(diào)荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系，通過循環(huán)加載試驗(yàn)標(biāo)定得到的循環(huán)強(qiáng)化參數(shù)可用于數(shù)值模擬.

不銹鋼;循環(huán)加載;滯回性能;有限元分析

在罕見地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件(特別是耗能元件)通常會承受巨大的往復(fù)荷載，其特點(diǎn)為荷載持續(xù)時(shí)間短、滯回圈數(shù)少、塑性變形大，可以簡化為超低周循環(huán)荷載，結(jié)構(gòu)構(gòu)件對于這類荷載的響應(yīng)主要由其幾何尺寸以及材料的滯回性能決定［1-4］.結(jié)構(gòu)的滯回性能與單調(diào)荷載下的性能相差較大，數(shù)值模擬較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)前提是要具備比較精確的循環(huán)荷載下的材性本構(gòu)關(guān)系及其計(jì)算模型和計(jì)算方法［5］.

為了模擬鋼材在循環(huán)荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者提出了一些簡化計(jì)算模型［6-7］.近年來，由于不銹鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越多，研究者對不銹鋼的低周滯回性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究與有限元模擬［8-11］.但是，由于國內(nèi)發(fā)展水平的限制，不銹鋼材料的質(zhì)量、材料特性以及加工工藝與國外相比存在一定差異，國外學(xué)者提出的計(jì)算模型是否適用于我國的不銹鋼材料有待驗(yàn)證.為此，本文選用國產(chǎn)不銹鋼材料，對其進(jìn)行多種循環(huán)荷載試驗(yàn)，分析其單調(diào)性能、滯回性能等特性，并采用Ramberg-Osgood公式［7］對循環(huán)加載作用下的不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線進(jìn)行擬合，以期為不銹鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用的材料為國產(chǎn)奧氏體不銹鋼S31608(對應(yīng)牌號為06Cr17Ni12Mo2，相當(dāng)于AISI 316以及EN 1.4401)，其化學(xué)成分見表1.試件取自焊接不銹鋼梁截面，共計(jì)11個(gè)，具體尺寸見圖1，試件的平均厚度為7.45 mm.試驗(yàn)在如圖2所示的Instron 8801型液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用計(jì)算機(jī)控制應(yīng)變加載，并利用儀器配套的拉壓引伸計(jì)測量應(yīng)變，引伸計(jì)標(biāo)距為12.5 mm，應(yīng)變量程為20%，循環(huán)加載頻率為0.05 Hz.受引伸計(jì)量程所限，加載過程中試件失穩(wěn)會對儀器造成嚴(yán)重傷害，因此本試驗(yàn)在試件出現(xiàn)肉眼可見的屈曲現(xiàn)象時(shí)停止加載.試驗(yàn)中共設(shè)計(jì)了10種加載制度，其中H1和H2為單調(diào)加載，H3～H10為循環(huán)加載.每級循環(huán)荷載的幅值根據(jù)試驗(yàn)具體情況確定.每種循環(huán)加載方案及其對應(yīng)示意圖見圖3.

圖1 試件尺寸示意圖(單位:mm)

圖2 試驗(yàn)裝置

圖3 循環(huán)加載制度示意圖

表1 奧氏體不銹鋼S31608的化學(xué)組成 %

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單調(diào)加載結(jié)果

試件單調(diào)加載的力學(xué)性能見表2，對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4.實(shí)際上，不銹鋼材料具有較高的延展性，對于普通的奧氏體不銹鋼，斷裂時(shí)應(yīng)變可達(dá)到40%～60%［12］.但在本試驗(yàn)中，由于材料所限，板件較薄，試件的長細(xì)比較大，故試件出現(xiàn)屈曲的荷載較小，材料的強(qiáng)度和延性沒有得到充分發(fā)揮.

表2 試件單調(diào)加載的力學(xué)性能參數(shù)

圖4 單調(diào)加載試驗(yàn)結(jié)果

2.2 循環(huán)加載結(jié)果

表3給出了試件循環(huán)加載的主要力學(xué)性能參數(shù)，對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖5.

表3 試件循環(huán)加載的力學(xué)性能參數(shù)

由圖5可以看出:① 當(dāng)材料達(dá)到屈服后，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)硬化出現(xiàn)，循環(huán)后期應(yīng)力明顯提高.② 在循環(huán)的前幾周，每一級循環(huán)中，最大拉應(yīng)力在數(shù)值上小于對應(yīng)的最大壓應(yīng)力，這是因?yàn)閴嚎s時(shí)截面面積變大，導(dǎo)致承載力增大;隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大拉應(yīng)力大于對應(yīng)的最大壓應(yīng)力，這是因?yàn)樵谘h(huán)后期試件發(fā)生屈曲，導(dǎo)致其受壓承載力變小.③ 在材料屈服后，等幅循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(如H7和H8)基本重合.④ 各滯回曲線飽滿，說明不銹鋼材料的滯回性能良好.

圖5 循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的對比

2.3 循環(huán)骨架曲線

由于加載方式不同，不銹鋼在循環(huán)荷載和單調(diào)荷載作用下的反應(yīng)存在差別，可用循環(huán)骨架曲線表示.本文利用如下的 Ramberg-Osgood公式［7］對循環(huán)荷載作用下的骨架曲線H5和H6進(jìn)行擬合:

式中，Δε為總應(yīng)變幅;Δεe為彈性應(yīng)變幅;Δεp為塑性應(yīng)變幅;Δσ為應(yīng)力幅;E為彈性模量;K'為循環(huán)強(qiáng)化系數(shù);n'為循環(huán)強(qiáng)化指數(shù).

對關(guān)于 ε=0對稱循環(huán)加載的 H3，H4，H9，H10，采用如下公式進(jìn)行擬合:

表4給出了試件循環(huán)強(qiáng)化的主要參數(shù)，對應(yīng)的循環(huán)強(qiáng)化骨架曲線如圖6所示.

表4 試件循環(huán)強(qiáng)化參數(shù)

從圖6中可以看出，使用Ramberg-Osgood公式可以較好地?cái)M合出不銹鋼S31608在循環(huán)荷載作用下的骨架曲線.隨著循環(huán)次數(shù)的增大，不銹鋼的強(qiáng)度提高，尤其是循環(huán)后期強(qiáng)度提高較明顯.

圖6 循環(huán)骨架曲線

3 有限元模擬

應(yīng)用有限元軟件ABAQUS對上述試驗(yàn)進(jìn)行模擬.模擬中的流動法則采用von Mises流動法則，強(qiáng)化法則采用包含各向同性強(qiáng)化和非線性隨動強(qiáng)化的混合模型［13］.參照ABAQUS中的幫助文檔，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對循環(huán)強(qiáng)化參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果見表5.表中，σ|0為等效塑性應(yīng)變?yōu)?時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力，這里取f0.01;Q∞為屈服面的最大變化值;biso為隨塑性應(yīng)變發(fā)展屈服面變化的比率;Ckin為隨動強(qiáng)化模量的初始值;γ為塑性變形增加時(shí)隨動強(qiáng)化模量減小的比率.有限元曲線和試驗(yàn)曲線的對比結(jié)果如圖5所示.由圖可知，有限元曲線與試驗(yàn)曲線吻合程度較好，得到的循環(huán)強(qiáng)化參數(shù)可用于工程實(shí)際.

表5 循環(huán)強(qiáng)化參數(shù)

4 結(jié)論

1)國產(chǎn)不銹鋼S31608在單調(diào)荷載和循環(huán)荷載作用下本構(gòu)關(guān)系差別較大.循環(huán)荷載作用下材料出現(xiàn)明顯的循環(huán)硬化，循環(huán)后期應(yīng)力提高較明顯.

2)循環(huán)荷載作用下各滯回曲線飽滿，說明不銹鋼材料滯回性能良好.同時(shí)，鋼材損傷積累，使其延性小于單調(diào)荷載作用下的延性.

3)Ramberg-Osgood公式能夠較好地?cái)M合循環(huán)荷載作用下不銹鋼材料的骨架曲線.

4)利用ABAQUS軟件分析得到的滯回曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的循環(huán)強(qiáng)化參數(shù)可以應(yīng)用于工程實(shí)際中.

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Experimental study on constitutive relationship in austenitic stainless steel under cyclic loading

Wang Yuanqing Chang Ting Shi Yongjiu
(Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of Ministry of Education，Tsinghua University，Beijing 100084，China)
(Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

In order to study the constitutive relationship of the stainless steel under cyclic loading，specimens of stainless steel S31608 were tested under a variety of loading systems.The stress-strain relationships of the stainless steel under monotonic and cyclic loading were studied.The cyclic skeleton curves were fitted by using the Ramberg-Osgood model.The parameters of the hardening model of cyclic plasticity were calibrated from test data and the tests were simulated by ABAQUS.The experimental results show that the hysteretic curves of stainless steel are plump，which indicates the excellent cyclic behavior.With the increase of the cyclic loops，stainless steel exhibits cyclic hardening behavior and the stress turns greater.The Ramberg-Osgood model fits the cyclic skeleton curves well.The simulated curves obtained by ABAQUS agree well with the test curves.Therefore，the constitutive relationship of stainless steel under cyclic loading is different from that under monotonic loading and the parameters of the hardening model of cyclic plasticity which are calibrated from tests can be used in the numerical simulations.

stainless steel;cyclic loading;hysteretic behavior;finite element analysis

TU391

A

1001－0505(2012)06-1175-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.028

2012-04-16.

王元清(1963—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，wang-yq@mail.tsinghua.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108007)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20110002130002)、北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(8112018).

王元清，常婷，石永久.循環(huán)荷載下奧氏體不銹鋼的本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，42(6):1175-1179.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.028］