針對(duì)Q345鋼和對(duì)接焊縫試件開展了應(yīng)變時(shí)效試驗(yàn)研究，分析了應(yīng)變時(shí)效對(duì)鋼材及焊縫力學(xué)性能的影響，采用Ramberg-Osgood模型對(duì)應(yīng)變時(shí)效試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合。研究結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)變?yōu)?2.5%、時(shí)效為7 d標(biāo)準(zhǔn)試件的抗拉強(qiáng)度提高10%，斷裂應(yīng)變降低33%，增大了結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的可能性。應(yīng)變時(shí)效提高了對(duì)接焊縫試件強(qiáng)度，降低了塑性和韌性。預(yù)應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，對(duì)接焊縫試件的斷裂應(yīng)變下降可達(dá)50%，應(yīng)變時(shí)效后對(duì)接焊縫試件的變形能力顯著降低，更易發(fā)生脆性破壞。采用Ramberg-Osgood模型可以較為準(zhǔn)確地?cái)M合應(yīng)變時(shí)效后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，適用于不同應(yīng)變時(shí)效處理后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。其中，預(yù)應(yīng)變和時(shí)效增加均能引起特征指數(shù)n增大，預(yù)應(yīng)變對(duì)特征指數(shù)n的影響更顯著。與時(shí)效影響相比，預(yù)應(yīng)變對(duì)Q345鋼和對(duì)接焊縫試件力學(xué)性能的影響更加顯著。

引言

應(yīng)變時(shí)效是鋼材經(jīng)過冷加工塑性變形及焊接內(nèi)應(yīng)力變形使鋼材強(qiáng)度與硬度升高而塑性與韌性下降的一種物理現(xiàn)象。鋼結(jié)構(gòu)建筑易于改建、變更用途和災(zāi)后修復(fù)，經(jīng)長期靜力荷載或設(shè)防烈度地震作用后，發(fā)生塑性變形的部分損傷結(jié)構(gòu)，常無需完全拆除重建，而是修復(fù)后繼續(xù)使用，或回收利用部分構(gòu)件。而損傷結(jié)構(gòu)的修復(fù)工作不會(huì)立刻進(jìn)行，在等待修復(fù)期間，經(jīng)一定量塑性變形后的鋼材在常溫下放置，應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象使鋼材本身的力學(xué)性能發(fā)生變化，導(dǎo)致構(gòu)件乃至結(jié)構(gòu)的受力性能改變。若對(duì)結(jié)構(gòu)的繼續(xù)使用性、災(zāi)后可修復(fù)性進(jìn)行評(píng)估時(shí)，仍采用其原始應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，是不妥當(dāng)?shù)?。澳洲學(xué)者Sajjad通過試驗(yàn)對(duì)Grade350鋼材應(yīng)變時(shí)效影響下的力學(xué)性能進(jìn)行了初步研究，并采用有限元方法，對(duì)比了簡支鋼梁在應(yīng)變時(shí)效影響下的受力性能和變形能力變化，研究結(jié)果表明，應(yīng)變時(shí)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(qiáng)建筑用熱軋H型鋼在使用過程中的應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象，對(duì)熱軋H型鋼的低周疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，應(yīng)變時(shí)效使熱軋H型鋼疲勞壽命和循環(huán)韌度降低。

應(yīng)變時(shí)效使鋼材力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，多起由鋼材應(yīng)變時(shí)效導(dǎo)致的爆炸事故造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因此，近年來國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)應(yīng)變時(shí)效影響下的鋼材性能變化進(jìn)行了研究。在管線、船舶、汽車制造等領(lǐng)域的鋼材經(jīng)應(yīng)變時(shí)效影響后的材料性能變化方面，以及不同元素含量對(duì)鋼材應(yīng)變時(shí)效的影響方面取得了眾多研究成果。然而，在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域考慮應(yīng)變時(shí)效對(duì)鋼材本構(gòu)關(guān)系的影響，以及應(yīng)變時(shí)效對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的影響研究方面目前鮮見報(bào)道。

本文對(duì)目前結(jié)構(gòu)工程中常用的Q345鋼材基本力學(xué)性能進(jìn)行了應(yīng)變時(shí)效試驗(yàn)研究，分析Q345鋼在應(yīng)變時(shí)效前后力學(xué)性能的變化，為深入研究應(yīng)變時(shí)效對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響積累數(shù)據(jù)并提供依據(jù)?？紤]到實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)中焊縫的存在，設(shè)計(jì)了對(duì)接焊縫試件并研究應(yīng)變時(shí)效對(duì)其力學(xué)性能的影響。另外，針對(duì)Q345鋼在經(jīng)過應(yīng)變時(shí)效處理后表現(xiàn)出無明顯屈服平臺(tái)的特征，采用Ramberg-Osgood(R-O)模型對(duì)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合。試驗(yàn)采用Q345鋼，其化學(xué)元素含量如表1所示，根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，設(shè)計(jì)制作了35個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，試件尺寸及編號(hào)如圖1、表2所示。為研究應(yīng)變時(shí)效對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)制作了10個(gè)對(duì)接焊縫試件，試件尺寸及編號(hào)如圖1、表2所示。

本試驗(yàn)依據(jù)GB/T 228.1—2010進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試件和對(duì)接焊縫試件的拉伸試驗(yàn)，其中標(biāo)準(zhǔn)試件在最大拉力為100 kN的拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2a所示，對(duì)接焊縫試件在最大拉力為1 000 kN的拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2b所示。

標(biāo)準(zhǔn)試件和對(duì)接焊縫試件加載全過程均采用位移控制，試件在達(dá)到屈服強(qiáng)度前拉伸速率為3 mm/min，達(dá)到屈服強(qiáng)度后拉伸速率為6 mm/min。

標(biāo)準(zhǔn)試件及對(duì)接焊縫試件的單調(diào)拉伸試驗(yàn)均分為兩階段，第1階段為預(yù)應(yīng)變加載階段，對(duì)試件進(jìn)行預(yù)拉伸加載到預(yù)應(yīng)變后停止，放置不同時(shí)效(1，2，7，14 d)后進(jìn)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(chǎn)生塑性變形而又不能變形過大使其抗拉強(qiáng)度減小，第1階段的預(yù)應(yīng)變要大于屈服應(yīng)變，小于極限應(yīng)變。標(biāo)準(zhǔn)試件采取的預(yù)應(yīng)變?yōu)?%，7.5%，10%，12.5%，對(duì)接焊縫試件采取的預(yù)應(yīng)變?yōu)?5%，17.5%，20%。

a—時(shí)效為1 d；b—時(shí)效為2 d；c—時(shí)效為7 d；d—時(shí)效為14 d。

不同時(shí)效的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)結(jié)果及分析

標(biāo)準(zhǔn)試件試驗(yàn)結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)試件的單調(diào)拉伸試驗(yàn)力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)如表3所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3a所示，試件在頸縮后發(fā)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(yīng)變時(shí)效試件均為2個(gè)，取平均值后繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

時(shí)效對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響

在不同時(shí)效下試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如4所示，隨時(shí)效增加，試件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所提高。當(dāng)預(yù)應(yīng)變?yōu)?2.5%時(shí)，時(shí)效為1 d試件的抗拉強(qiáng)度提高了9%，斷裂應(yīng)變下降了24%，如4a所示；時(shí)效為2 d試件的抗拉強(qiáng)度提高了9%，斷裂應(yīng)變下降30%，如圖4b所示；時(shí)效為7 d試件的抗拉強(qiáng)度提高了9%，斷裂應(yīng)變下降33%，如圖4c所示；時(shí)效為14 d試件的抗拉強(qiáng)度提高了10%，斷裂應(yīng)變下降33%，如圖4d所示?？梢?，時(shí)效對(duì)強(qiáng)度的提高并不顯著，對(duì)斷裂應(yīng)變的影響較大。

a—S1-1無應(yīng)變時(shí)效標(biāo)準(zhǔn)試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b—標(biāo)準(zhǔn)試件頸縮后斷裂。

3 S1-1無應(yīng)變時(shí)效標(biāo)準(zhǔn)試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞模式

2.1.2 預(yù)應(yīng)變對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響

不同預(yù)應(yīng)變下試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，隨預(yù)應(yīng)變的增加，試件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高，極限應(yīng)變和斷裂應(yīng)變下降。當(dāng)時(shí)效為2 d時(shí)，預(yù)應(yīng)變?yōu)?%試件的抗拉強(qiáng)度提高7%，斷裂應(yīng)變下降12%，如圖5a所示；預(yù)應(yīng)變?yōu)?.5%的試件的抗拉強(qiáng)度提高了7%，斷裂應(yīng)變下降12%，如圖5b所示；預(yù)應(yīng)變?yōu)?0%的試件的抗拉強(qiáng)度提高了9%，斷裂應(yīng)變下降21%，如圖5c所示；預(yù)應(yīng)變?yōu)?2.5%的試件的抗拉強(qiáng)度提高了9%，斷裂應(yīng)變下降24%，如圖5d所示?？梢?，預(yù)應(yīng)變對(duì)試件的抗拉強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變影響顯著。

隨著時(shí)效的不斷增加，抗拉強(qiáng)度也隨之增大，如圖6a所示，而且該過程主要發(fā)生在應(yīng)變時(shí)效后的1 d內(nèi)，預(yù)應(yīng)變?yōu)?%的試件時(shí)效1 d后的拉強(qiáng)度提高了6.64%，時(shí)效14 d后抗拉強(qiáng)度提高了7.42%。因此，應(yīng)變時(shí)效在1 d內(nèi)的效果最顯著。相比較于應(yīng)變時(shí)效提高了鋼材的抗拉強(qiáng)度，伸長率的下降使得結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的可能性增加，如圖6b所示，隨著預(yù)應(yīng)變的增大，試件斷裂應(yīng)變下降顯著，時(shí)效為7 d的試件的斷裂應(yīng)變由未經(jīng)應(yīng)變時(shí)效的0.33下降到預(yù)應(yīng)變?yōu)?2.5%時(shí)的0.22，降幅約33%。應(yīng)變時(shí)效后試件的屈強(qiáng)比與預(yù)應(yīng)變的變化趨勢如圖6c所示，當(dāng)預(yù)應(yīng)變?yōu)?2.5%時(shí)，時(shí)效1 d的屈強(qiáng)比增大了2%，時(shí)效2 d的屈強(qiáng)比增大了14%，時(shí)效7 d的屈強(qiáng)比增大了26%，時(shí)效14 d的屈強(qiáng)比增大了33%，最終穩(wěn)定在0.9，鋼材的強(qiáng)度儲(chǔ)備降低，屈服后無強(qiáng)化階段，在地震荷載作用下易發(fā)生脆性破壞。