应变时效对Q345钢及对接焊缝力学性能的影响研究

摘要

钢结构以其材料的强度高，塑性和韧性好的特点被广泛应用在各种建筑中。但钢结构在受到诸如地震荷载破坏后，往往需要一段时间才能得到修复，在该段时间内就会发生应变时效效应。应变时效效应会改变钢材的力学性能：强度和硬度提高，而塑性和韧性显著下降,而力学性能的变化会影响钢结构的继续服役能力，因此有必要研究应变时效对钢材基本力学性能的影响，为研究应变时效对整体结构受力性能的影响提供依据。应变时效是油、气等输送管道的钢管在成型、制造、使用过程中普遍存在的一个特殊问题，尤其是应变时效脆化给管道带来的危害，增大了管道发生脆性破坏的可能，近几年来，在管道领域备受关注。国内学者对应变时效的大部分研究是通过测得应变时效前后钢材的冲击吸收能量来计算钢材的应变时效敏感系数，而对应变时效对钢材的力学性能的影响的研究还不够深入，因此，本文在应变时效对Q345钢力学性能的影响方面进行了深入的研究。 本文针对Q345钢材进行了应变时效的试验和理论分析，研究Q345钢在不同的预应变和时效后力学性能的变化。试验设计了三种不同的试件，分别为标准单调拉伸试件、标准拉压循环试件和对接焊缝试件。其中，标准单调拉伸试件和标准拉压循环试件是基于Q345钢材本身进行的应变时效影响性试验，目的是研究Q345钢经过应变时效后在不同的加载方式下力学性能的改变。考虑到实际钢结构中焊缝的存在，本文还对带对接焊缝的试件进行了应变时效影响性试验，研究应变时效前后对接焊缝试件力学性能的变化，弥补以往只对钢材本身进行应变时效的研究，而缺乏对接焊缝试件应变时效研究的不足。本文基于Q345钢及其对接焊缝试件应变时效试验研究，分析了应变时效对Q345钢及其对接焊缝基本力学性能的影响；基于试验结果，采用Ramberg-Osgood模型对应变时效影响后的Q345钢应力-应变曲线进行拟合分析，建立了经不同应变时效因素影响后的Q345钢材本构关系模型。研究结果如下： （1）标准单调拉伸试件在经过应变时效处理后，屈服强度和抗拉强度提高，屈强比提高并最终稳定在0.9左右，极限应变和断裂应变下降，结构发生脆性破坏的可能性提高。标准单调拉伸试件预应变为12.5%，时效为14天的试件其抗拉强度提高10%，极限应变下降46%，断裂应变下降33%。 （2）标准拉压循环试件在经过应变时效处理后，滞回曲线由未应变时效的饱满形状到经过应变时效处理后的狭长型的滞回曲线，且预应变和时效越大，滞回曲线捏缩越严重，耗能能力显著下降，抗震性能较差。 （3）对接焊缝试件的力学性能的变化与标准单调拉伸试件相似，屈服强度和抗拉强度提高，极限应变和断裂应变下降。对接焊缝能够比较真实的反映真实钢结构在实际工程中受损坏后其力学性能的变化，虽然其屈服强度和抗拉强度显著提高，但极限应变和断裂应变下降显著，尤其是预应变为20%时，其断裂应变下降近50%，表明应变时效效应显著增大了结构发生脆性破坏的可能。 （4）提高预应变和时效均能对Q345钢的力学性能产生一定程度的影响，且提高预应变引起的Q345钢的力学性能的改变大于增加时效引起的Q345钢力学性能的改变，相比较时效，提高预应变对Q345钢力学性能的改变更显著。 （5）基于经应变时效影响后的Q345钢应力-应变关系曲线无明显屈服平台的特点，采用适用于无明显屈服点材料的Ramberg-Osgood模型对试验数据进行拟合，建立考虑应变时效影响的Q345钢本构关系模型。结果表明，本文所建立本构模型得到的应力-应变曲线与试验曲线较为一致，该本构模型能够较好的描述经应变时效影响的Q345钢材应力-应变关系。研究成果能够为应变时效对钢结构整体受力性能影响有限元分析，以及考虑应变时效影响的钢结构设计提供依据。

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ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 应变时效概述

1.3 应变时效影响因素研究进展

1.3.1钢材中化学成分对应变时效的影响

1.3.2塑性变形对应变时效的影响

1.3.3时效及温度对应变时效的影响

1.3.4钢材的交货状态对应变时效的影响

1.4应变时效引起钢材力学性能变化研究综述

1.4.1静态应变时效对钢材力学性能的影响

1.4.2动态应变时效对钢材力学性能的影响

1.5本文研究内容

力学性能影响

2.1试验目的

2.2 试验设计

2.2.1试件设计

2.2.2 材性试验

2.2.3试验加载

2.3试验结果

2.3.1应变时效对试件力学性能影响

（1）时效对试件力学性能影响

（2）预应变对试件力学性能的影响

（3）应变时效对试件力学性能的影响

2.3.2应变时效对焊缝试件力学性能影响

（1）预应变对焊缝试件力学性能影响

（2）时效对焊缝试件力学性能的影响

（3）应变时效对焊缝试件力学性能的影响

2.4 本章小结

力学性能影响

3.1试验目的

3.2 试验设计

3.2.1试件设计

3.2.2 材性试验

3.2.3试验加载

3.3试验结果

3.3.1应变时效对试件在拉压循环荷载作用下力学性能影响

（1）时效对标准试件在拉压循环荷载作用下力学性能影响

（2）预应变对试件在拉压循环荷载作用下力学性能影响

（3）应变时效对标准拉压循环试件力学性能的影响

3.4 本章小结

第4章 应变时效影响下的Q345钢本构模型分析

4.1Ramberg-Osgood模型方程

4.1.1原始Ramberg-Osgood模型

4.1.2 Ramberg-Osgood模型

钢材应变硬化指数n，又称为特征指数，表示钢材在塑性变形中钢材硬化的强度，是钢材冲击性能的重要参数。对

4.2 Ramberg-Osgood模型拟合曲线

4.2.1单调拉伸试件Ramberg-Osgood模型拟合曲线

4.2.2对接焊缝试件的Ramberg-Osgood模型拟合曲线

4.3本章小结

第5章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献：

致谢