不銹鋼材料本構(gòu)模型研究簡述★

王 斌 段文峰* 李 坤 曾孟儒 韓松伶

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

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不銹鋼材料本構(gòu)模型研究簡述★

王 斌 段文峰* 李 坤 曾孟儒 韓松伶

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

介紹了不銹鋼材料本構(gòu)模型在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，基于不銹鋼材料的多樣性，探討了不銹鋼材料本構(gòu)模型研究的相關(guān)內(nèi)容，指出不銹鋼材料具有耐火性、耐久性、易維護(hù)性等優(yōu)點，對其本構(gòu)模型的研究，有利于該材料的推廣應(yīng)用。

不銹鋼，本構(gòu)模型，棘輪效應(yīng)，JC模型

0 引言

碳素鋼作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件在土木工程中應(yīng)用十分廣泛，但其耐腐蝕性、耐久性和耐火性能差，使該類結(jié)構(gòu)的后期維護(hù)費用過高，而不銹鋼材料則具有超強(qiáng)的耐腐蝕性、耐久性、耐火性、易維護(hù)性和美觀大方等多重特性，很大程度上彌補(bǔ)了碳鋼這方面的缺陷[1]。

研究和利用不銹鋼材料，首先應(yīng)對其材料的力學(xué)性能有準(zhǔn)確的認(rèn)識，因不銹鋼種類繁多，且不同鋼種性能差異明顯，這給研究帶來不少困難。不銹鋼材料的本構(gòu)模型作為該類材料最基本的力學(xué)性能，如果選取不當(dāng)，會對后續(xù)研究的計算結(jié)果和有限元結(jié)果產(chǎn)生較大影響。本文首先介紹國內(nèi)外學(xué)者對不銹鋼材料本構(gòu)模型的研究情況，之后總結(jié)并探討后期需要著重研究關(guān)于不銹鋼本構(gòu)模型的相關(guān)部分。

1 不銹鋼材料本構(gòu)模型國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 不銹鋼材料本構(gòu)模型國外研究現(xiàn)狀

目前國外最常用的不銹鋼材料本構(gòu)模型是由Ramberg和Osgood[5](以下簡稱R-O本構(gòu)模型)提出，并經(jīng)過Hill[6]修正，其本構(gòu)模型可表述為：

(1)

n=ln20/ln(σ0.2/σ0.01)

(2)

其中，n為應(yīng)變硬化指數(shù)，數(shù)值一般在3～10之間；E0為彈性模量；σ0.2和σ0.01分別為殘余應(yīng)變?yōu)?.2%和0.01%時對應(yīng)的彈性極限應(yīng)力值。

Mirambell和Rasmussen[7,8](以下簡稱M-R本構(gòu)模型)對R-O本構(gòu)模型進(jìn)行修正，提出全局應(yīng)力—應(yīng)變模型，該模型對應(yīng)變能力大的不銹鋼材料更為適用，見式(3)：

(3)

E0.2=E0/(1+0.002nE0/σ0.2)

(4)

(5)

其中，σu為極限應(yīng)力；εu為極限應(yīng)變。

Gardner和Nethercot[9](以下簡稱G-N本構(gòu)模型)對此進(jìn)行修正，用σ1.0代替σu來考慮受壓方向的本構(gòu)關(guān)系，并修正了式(3)在(εu,σu)處與試驗值的微小不重合，得到了式(6)：

(6)

(7)

Quach,Teng和Chung[10](以下簡稱Quach本構(gòu)模型)以式(6)為基礎(chǔ)，提出了三階段的全范圍應(yīng)力—應(yīng)變模型，見式(8)，研究表明，該模型的理論分析、數(shù)值模擬與試驗結(jié)果三者吻合較好，可直接應(yīng)用理論分析計算。

(8)

a=σ2.0(1±ε2.0)-bε2.0

(9)

(10)

其中，“+”對應(yīng)的是受拉；“-”對應(yīng)的是受壓。

上述不銹鋼材料本構(gòu)模型未考慮溫度、加載速率、棘輪效應(yīng)等因素的影響。下面介紹Johnson-Cook材料模型[11](以下簡稱JC模型)其考慮了不同向加載、應(yīng)變速率、溫度和壓力等因素，見式(11)：

(11)

1.2 不銹鋼材料本構(gòu)模型國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國針對不銹鋼結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，但近些年來也有一些研究成果。下面著重介紹國內(nèi)學(xué)者對不銹鋼材料本構(gòu)模型的研究狀況：陳駒等[12]在高溫作用下對不銹鋼材料進(jìn)行力學(xué)試驗，得到了相關(guān)力學(xué)參數(shù)，并總結(jié)出建筑用不銹鋼材料力學(xué)性能隨溫度折減的計算公式，提出了高溫作用下不銹鋼材料的本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式。鄭寶峰等[13]對國產(chǎn)304牌號不銹鋼材料的平板區(qū)和轉(zhuǎn)角區(qū)進(jìn)行了拉伸和壓縮力學(xué)試驗，結(jié)果顯示不銹鋼材料的力學(xué)性能受冷加工影響較大；本構(gòu)模型能夠較好地擬合國產(chǎn)不銹鋼304材料的力學(xué)性能。王元清等[14]對國產(chǎn)奧氏體不銹鋼材料進(jìn)行單向拉伸力學(xué)試驗。結(jié)果顯示軋制方向和焊接過程對不銹鋼材料的力學(xué)性能影響較大；試驗得到的不銹鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線與G-N本構(gòu)模型吻合較好。段文峰等[15]對不同厚度的國產(chǎn)奧氏體不銹鋼材料進(jìn)行單向拉伸試驗，得到不銹鋼的名義應(yīng)力—應(yīng)變曲線，之后將試驗結(jié)果與常用的不銹鋼本構(gòu)模型進(jìn)行對比。朱浩川和姚諫[16]對不銹鋼材料的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果顯示不銹鋼材料本構(gòu)關(guān)系呈顯著非線性，且各向異性。最后對比研究指出，Quach本構(gòu)模型與各種國產(chǎn)不銹鋼材料的本構(gòu)吻合最好。凌玲等[17]對經(jīng)過1 100 ℃高溫固溶處理后的0Cr18Ni9不銹鋼的靜態(tài)力學(xué)性能和動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了測量，采用JC模型擬合了不銹鋼本構(gòu)關(guān)系，最后將其應(yīng)用于不銹鋼切削研究模型的預(yù)測。高慶等[18，19]對國產(chǎn)304不銹鋼在常溫和高溫下進(jìn)行非比例循環(huán)加載實驗研究，并考慮棘輪效應(yīng)，然后在各向同性變形阻力下考慮溫度對不銹鋼材料特性的影響，并對材料流動特性進(jìn)行分析。陳剛等[20]對高溫和動態(tài)應(yīng)變時效影響下的316L不銹鋼的力學(xué)行為進(jìn)行研究，試驗采用非比例加載，結(jié)果顯示不銹鋼材料有明顯的應(yīng)變硬化特性，并提出了一個不銹鋼316L材料本構(gòu)模型。張繼祥等[21]考慮溫度和拉伸速率的影響，對雙相不銹鋼進(jìn)行拉伸實驗，得到其真實應(yīng)力—應(yīng)變曲線。結(jié)果顯示不銹鋼變形抗力隨應(yīng)變速率的增大而增大，隨溫度的升高而減小。朱亮等[22]對奧氏體不銹鋼進(jìn)行熱壓縮試驗，考慮了應(yīng)變速率影響得到其流變應(yīng)力—應(yīng)變曲線，再采用線性回歸分析方法建立了熱變形本構(gòu)方程。王萌等[23]提出了考慮循環(huán)強(qiáng)化作用的單軸滯回奧氏體不銹鋼本構(gòu)模型，并驗證該模型其顯示能夠準(zhǔn)確描述奧氏體不銹鋼材料的滯回行為，并將該模型應(yīng)用于數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)計算精度高且速度快。葉麗燕等[24]研究拉伸速率對SUS304不銹鋼材料本構(gòu)模型的影響。結(jié)果表明，當(dāng)拉伸速率對馬氏體轉(zhuǎn)變影響較大，且拉伸速率增大，材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率明顯降低，但屈服強(qiáng)度略有增加。楊成博等[25]對比各國規(guī)范以及國內(nèi)外學(xué)者所得到的不銹鋼高溫力學(xué)性能參數(shù)，指出現(xiàn)有規(guī)范存在的不足，認(rèn)為G-N模型適用性較強(qiáng)，但不夠完整；而Quach模型非常完整且精度很高，可直接應(yīng)用。

2 總結(jié)與展望

關(guān)于不銹鋼本構(gòu)模型的研究中，國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)取得了一定的科研成果，其為不銹鋼材料的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但由于不銹鋼材料的多樣性，后期還需要對不銹鋼材料的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行總結(jié)和研究：1)從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)學(xué)者的研究主要是基于國外學(xué)者提出的本構(gòu)模型公式，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，因此需要更大的創(chuàng)新。2)各種不同的不銹鋼材料、試驗環(huán)境下得到的本構(gòu)模型差異很大，在應(yīng)用時需選擇謹(jǐn)慎，對號入座選擇適合相應(yīng)應(yīng)用條件的模型，才能使計算結(jié)果精度得到滿足。3)后期對不銹鋼本構(gòu)模型的研究需綜合考慮各種因素的共同影響，這些因素包括不銹鋼鋼種(不同合金元素的含量)、牌號、溫度變化、試驗裝置、加載速率、加載方式和棘輪效應(yīng)等。而后將得到的各種不銹鋼材料本構(gòu)模型歸類總結(jié)，使研究和應(yīng)用更方便。

[1] Kim T S,Kuwamura H.Numerical investigation on strength design and curling effect of mechanically fastened joints in cold-formed austenitic stainless steel[J].Materials & Design,2011,32(7):3942-3956.

[2] 關(guān) 建,王元清,張 勇,等.不銹鋼構(gòu)件高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點承壓性能的影響因素[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,2012,36(4):115-120.

[3] 伍千思.鋼鐵材料手冊：不銹鋼(第5卷)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[4] 關(guān) 建.不銹鋼構(gòu)件螺栓連接節(jié)點及焊接工字形截面殘余應(yīng)力研究[D].北京：北京交通大學(xué),2012.

[5] Ramberg W,Osgood W R.Description of stress-strain curves by three parameters[J].Technical Report Archive & Image Library,1943(902)：92-93.

[6] Hill H N.Determination of stress-strain relations from “offset” yield strength values[J].Pediatria Polska,1944,45(11):613-618.

[7] Mirambell E,Real E.On the calculation of deflections in structural stainless steel beams:an experimental and numerical investigation[J].Heat Transfer-asian Research,2002,31(5):391-407.

[8] Rasmussen K J R.Full-range stress-strain curves for stainless steel alloys[J].Journal of Constructional Steel Research,2003,59(1):47-61.

[9] Gardner L,Nethercot D A.Experiments on stainless steel hollow sections-part 1:Material and cross-sectional behavior[J].Journal of Constructional Steel Research,2004，60(9):1291-1381.

[10] Quach W M,Teng J G,Chung K F.Three-Stage Full-Range Stress-Strain Model for Stainless Steels[J].Journal of Structural Engineering,2008,134(9):1518-1527.

[11] Johnson G R,Cook W H.A constitutive model and data for metals subjected to large strains,high strain rates and high temperatures[C].1983.

[12] 陳 駒,金偉良,楊立偉.建筑用不銹鋼的抗火性能[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2008,42(11):1983-1989.

[13] 鄭寶峰,舒贛平,沈曉明.不銹鋼材料常溫力學(xué)性能試驗研究[J].鋼結(jié)構(gòu),2011,26(5):1-6,55.

[14] 王元清,常 婷,石永久,等.奧氏體不銹鋼S31608的本構(gòu)關(guān)系試驗[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013(9):1231-1234.

[15] 段文峰,鄧澤鵬,劉文淵，等.不銹鋼S30408材料本構(gòu)模型試驗研究[J].鋼結(jié)構(gòu),2016,31(5):37-40.

[16] 朱浩川,姚 諫.不銹鋼材料的應(yīng)力—應(yīng)變模型[J].空間結(jié)構(gòu),2011,17(1):62-69.

[17] 凌 玲,李星星,王學(xué)林,等.0Cr18Ni9不銹鋼本構(gòu)模型及其對切削力預(yù)測影響分析[J].中國機(jī)械工程,2012(18):2243-2248.

[18] 高 慶,康國政,楊顯杰,等.304不銹鋼高溫多軸非比例循環(huán)棘輪行為的粘塑性本構(gòu)描述[J].核動力工程,2002,23(3):22-29.

[19] 高 慶,康國政,楊顯杰.304不銹鋼室溫單軸循環(huán)棘輪行為的粘塑性本構(gòu)描述[J].固體力學(xué)學(xué)報,2002,23(2):167-172.

[20] 陳 剛,方加曄,金 丹,等.316L不銹鋼溫度相關(guān)與非比例強(qiáng)化的粘塑性本構(gòu)模擬[J].機(jī)械強(qiáng)度,2014,36(4):510-515.

[21] 張繼祥,高 波,秦海濤,等.2205雙相不銹鋼中溫塑性變形行為及本構(gòu)方程[J].塑性工程學(xué)報,2013,20(6):77-82.

[22] 朱 亮,張孝平,侯國清.Cr15Mn9Cu2Ni1N奧氏體不銹鋼的熱變形本構(gòu)特性[J].塑性工程學(xué)報,2009,16(5):96-100.

[23] 王 萌,楊維國,王元清，等.奧氏體不銹鋼滯回本構(gòu)模型研究[J].工程力學(xué),2015,32(11):107-114.

[24] 葉麗燕,李細(xì)鋒,陳 軍.不同拉伸速率對SUS304不銹鋼室溫拉伸力學(xué)性能的影響[J].塑性工程學(xué)報,2013,20(2):89-93.

[25] 楊成博,胡 鷹,楊 波，等.不銹鋼材料的高溫性能與本構(gòu)關(guān)系[J].土木建筑與環(huán)境工程學(xué)報,2015,37(S2):103-109.

A brief description of the constitutive model of stainless steel★

Wang Bin Duan Wenfeng* Li Kun Zeng Mengru Han Songling

(SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China)

Based on the diversity of the stainless materials, the paper introduces the research on the constitutive model of the stainless materials at home and abroad, explores its related content of the research, and points out the stainless materials are featured with better fire resistance, durability and easy maintenance, so as to provide the further application of the materials.

stainless steel, constitutive model, ratchet wheel effect, JC model

1009-6825(2016)20-0021-03

2016-05-05★:2016吉林省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目

王 斌(1995- )，男，在讀本科生

段文峰(1968- )，男，教授

TU391

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