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(zhǎng)春 130118)

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不銹鋼材料本構(gòu)模型研究簡(jiǎn)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(zhǎng)春 130118)

介紹了不銹鋼材料本構(gòu)模型在國(guó)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(diǎn)，對(duì)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(fèi)用過(guò)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(duì)其材料的力學(xué)性能有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，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(lái)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(huì)對(duì)后續(xù)研究的計(jì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 不銹鋼材料本構(gòu)模型國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)外最常用的不銹鋼材料本構(gòu)模型是由Ramberg和Osgood[5](以下簡(jiǎn)稱R-O本構(gòu)模型)提出，并經(jīng)過(guò)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(shí)對(duì)應(yīng)的彈性極限應(yīng)力值。

Mirambell和Rasmussen[7,8](以下簡(jiǎn)稱M-R本構(gòu)模型)對(duì)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(duì)應(yīng)變能力大的不銹鋼材料更為適用，見(jiàn)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(jiǎn)稱G-N本構(gòu)模型)對(duì)此進(jìn)行修正，用σ1.0代替σu來(lái)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(yàn)值的微小不重合，得到了式(6)：

(6)

(7)

Quach,Teng和Chung[10](以下簡(jiǎn)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(jiàn)式(8)，研究表明，該模型的理論分析、數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果三者吻合較好，可直接應(yīng)用理論分析計(jì)算。

(8)

a=σ2.0(1±ε2.0)-bε2.0

(9)

(10)

其中，“+”對(duì)應(yīng)的是受拉；“-”對(duì)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(jiǎn)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(jiàn)式(11)：

(11)

1.2 不銹鋼材料本構(gòu)模型國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)針對(duì)不銹鋼結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，但近些年來(lái)也有一些研究成果。下面著重介紹國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(duì)不銹鋼材料進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，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(jì)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(duì)國(guó)產(chǎn)304牌號(hào)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(yàn)，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?cái)M合國(guó)產(chǎn)不銹鋼304材料的力學(xué)性能。王元清等[14]對(duì)國(guó)產(chǎn)奧氏體不銹鋼材料進(jìn)行單向拉伸力學(xué)試驗(yàn)。結(jié)果顯示軋制方向和焊接過(guò)程對(duì)不銹鋼材料的力學(xué)性能影響較大；試驗(yàn)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(duì)不同厚度的國(guó)產(chǎn)奧氏體不銹鋼材料進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，得到不銹鋼的名義應(yīng)力—應(yīng)變曲線，之后將試驗(yàn)結(jié)果與常用的不銹鋼本構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比。朱浩川和姚諫[16]對(duì)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(duì)比研究指出，Quach本構(gòu)模型與各種國(guó)產(chǎn)不銹鋼材料的本構(gòu)吻合最好。凌玲等[17]對(duì)經(jīng)過(guò)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(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)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(cè)。高慶等[18，19]對(duì)國(guó)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(shí)驗(yàn)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(duì)不銹鋼材料特性的影響，并對(duì)材料流動(dòng)特性進(jìn)行分析。陳剛等[20]對(duì)高溫和動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效影響下的316L不銹鋼的力學(xué)行為進(jìn)行研究，試驗(yàn)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(gè)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(duì)雙相不銹鋼進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，得到其真實(shí)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(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，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(yàn)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(jì)算精度高且速度快。葉麗燕等[24]研究拉伸速率對(duì)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(duì)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(duì)比各國(guó)規(guī)范以及國(guó)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(guó)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(duì)不銹鋼材料的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行總結(jié)和研究：1)從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究主要是基于國(guó)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(yàn)環(huán)境下得到的本構(gòu)模型差異很大，在應(yīng)用時(shí)需選擇謹(jǐn)慎，對(duì)號(hào)入座選擇適合相應(yīng)應(yīng)用條件的模型，才能使計(jì)算結(jié)果精度得到滿足。3)后期對(duì)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(hào)、溫度變化、試驗(yàn)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。

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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(xiàng)目

王 斌(1995- )，男，在讀本科生

段文峰(1968- )，男，教授

TU391

A