多種循環(huán)加載制度下Q235材料性能試驗

張慶玲 金 淼 張榮強 李 群

1.燕山大學先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，秦皇島，0660042.燕山大學機械工程學院，秦皇島，066004

0 引言

Q235材料由于含碳量適中，強度、塑性、韌性和可焊性良好，且價格低廉，在大型結構件中得到了廣泛應用，如液壓機橫梁等就是用Q235板材焊接而成的。液壓機的作業(yè)條件惡劣，工作過程中所受載荷通常具有循環(huán)交變的特征，主要表現為循環(huán)載荷的周期、幅值和平均值隨作業(yè)工件材質、大小、成形要求等的不同而不同。另外，大量的分析計算及工程實踐均表明，對于具有復雜結構的大型現代液壓機，由于載荷分布不均勻，結構不連續(xù)，以及組合構件間的不均勻接觸等問題，本體中不可避免地會存在一定數量的局部高應力區(qū)，其應力水平有時可達到構件平均應力的2～3倍，甚至更高[1-3]。結構出現塑性變形后在循環(huán)載荷作用下的失效與安全服役也成為人們重點關注的問題。

在循環(huán)載荷作用下，材料可能出現棘輪效應、包申格效應、循環(huán)硬化及循環(huán)軟化等現象，其力學性能會隨載荷循環(huán)而發(fā)生變化，僅依據單向拉伸試驗測定的材料性能指標進行液壓機本體結構設計，難以兼顧其在實際工作中由交變載荷工況而導致的材料性能變化。這一問題已引起了國內外學者的關注。鄭松林等[4]對中碳調質鋼在低幅交變載荷作用下屈服強度增長規(guī)律進行了分析；楊飛等[5]對LYP160鋼進行了多種加載制度下的循環(huán)加載試驗，研究結果表明其具有良好的塑性變形能力；DUSICKA等[6]對低屈服點鋼材進行了深入研究，建立了循環(huán)應力應變與低周疲勞壽命之間的關系； LI等[7]對Mn18Cr18N鋼進行了拉壓循環(huán)加載試驗研究，得到了不同應變幅下該材料加工硬化速率幾乎不變的結論；MAZANOVA等[8]對316L不銹鋼進行了研究，得到了其循環(huán)應力應變曲線；ZHOU等[9]對結構不銹鋼滯回性能進行了研究，發(fā)現結構不銹鋼具有良好的滯回性能；陸建鋒等[10]、LI等[11]對高強鋼進行單調和循環(huán)加載試驗，并根據單調和循環(huán)加載后的現象分析了其力學性能差異；陳俊嶺等[12]對Q235鋼進行了不同應變率下的試驗研究，結果表明Q235鋼為應變率敏感性材料；戴國欣等[13]對Q345和Q460結構鋼進行了循環(huán)加載試驗研究，研究發(fā)現兩種鋼均具有循環(huán)硬化、循環(huán)軟化和包申格效應；張慶玲等[14]對小變形條件下Q235鋼材料特性進行了研究，得到了應變控制條件下應力隨循環(huán)周次變化的規(guī)律。盡管眾多學者對許多材料在循環(huán)載荷及不同加載歷史條件下材料力學性能的演化展開了多方面的研究，但對Q235鋼在應力循環(huán)載荷下的力學性能演化研究尚不深入。

本文針對液壓機橫梁結構中常用的Q235材料在多種不同形式循環(huán)載荷作用下力學性能的演化規(guī)律進行了試驗研究，以期為選用該種材料的設備進行更加符合工程實際的結構設計計算提供理論依據和基礎試驗數據。

1 試件準備和試驗設備

試驗材料選用厚度為20 mm的Q235鋼板，沿軋制方向截取實心棒料，按國家標準加工成圓形截面試樣，試樣尺寸如圖1所示。

圖1 試樣基本尺寸Fig.1 The basic dimension of sample

通過應變控制的單向拉伸試驗測得：Q235鋼存在明顯的屈服平臺，且其在常溫準靜態(tài)條件下的彈塑性變形行為表現出率無關特性。單向拉伸條件下Q235材料的基本力學性能參數如表1所示。

表1 Q235基本力學性能參數

本文中所有試驗測試均在加載精度為0.2 kN的Instron8801型電液伺服疲勞試驗機上進行，在試樣標距段安裝精度為0.1 μm、標距為12.5 mm的動態(tài)引伸計進行軸向應變測量，如圖2所示。

(a)電液伺服疲勞試驗機 (b)試驗測試場景圖2 試驗設備Fig.2 Testing equipment

2 變幅值循環(huán)載荷作用下Q235力學性能的演化

為了研究Q235材料在變化的循環(huán)載荷下力學性能的演化規(guī)律，設計了變幅值循環(huán)加載試驗，分別進行了應力逐級增長和應力逐級減小條件下的多級循環(huán)加載試驗。

2.1 試驗方案

試驗過程采用三角波控制，設定應力加載速率為40 MPa/s，共設置4個等級的循環(huán)載荷，載荷變化區(qū)間如表2所示。共設計4組加載試驗，每組測試3次，取平均值作為測試結果，各組的循環(huán)加載制度如表3所示。

表2 載荷變化區(qū)間

表3 變幅值循環(huán)加載制度

2.2 試驗結果與分析

圖3以LL-01組試驗為例，給出了載荷先逐級增大后逐級減小的循環(huán)加載條件下測得的應力應變曲線。從圖中可以看出，在第一級首次循環(huán)加載階段出現了明顯的屈服平臺，這與單向拉伸試驗曲線一致。在后續(xù)的循環(huán)加載過程中材料產生了明顯的棘輪效應，出現了循環(huán)軟化現象。

本文中棘輪應變εr按下式計算：

(1)

由于循環(huán)加載第一周時存在屈服平臺，且其最小真應變?yōu)?，因此，本文中棘輪應變的計算均從第二周開始。

圖3 LL-01組實測應力應變曲線Fig.3 The measured stress-strain curve of LL-01 group

第一級循環(huán)加載過程中所產生的棘輪應變隨循環(huán)周次的變化如圖4所示。圖4顯示，棘輪應變主要受外加載荷大小的影響。在循環(huán)加載初期，棘輪應變隨循環(huán)周次的增加增大較快，約在第20周之后，其增速變緩并趨于穩(wěn)定。棘輪應變與外加載荷和循環(huán)周次間的關系可用下式表達：

(2)

圖4 棘輪應變隨循環(huán)周次的變化曲線(第1級)Fig.4 The changing curves of ratcheting strai n with cycling times(the first stage)

式中，εra為應力控制條件下的棘輪應變；εr2為單級加載試驗第二個循環(huán)周次的棘輪應變；σp為應力峰值；σ′s為上屈服極限；Ν為循環(huán)周次；κ、λ均為材料參數，分別表示應變增量隨η變化的斜率和截距。

將相鄰兩個循環(huán)周次內棘輪應變的變化量定義為棘輪應變率，棘輪應變率反映了循環(huán)加載過程中棘輪應變累積的快慢程度。試驗表明，不同載荷水平下棘輪應變率的穩(wěn)定值與應力峰值間成指數關系，如圖5所示，可用下式計算：

(3)

圖5 棘輪應變率與應力幅值的關系曲線Fig.5 The relationship between ratcheting strain rat e and stress amplitude

圖6 多級加載條件下各級棘輪應變變化曲線Fig.6 The changing curves of ratcheting strain at al l levels under multistage conditions

在后續(xù)的各級循環(huán)加載過程中，棘輪應變的大小主要受載荷大小的影響，同時加載歷史對棘輪效應也有很大的影響。本組試驗中LL-02組的第1、2、3級載荷分別和LL-01組的第2、3、4級的載荷相同，測試結果顯示LL-01組除第2級循環(huán)載荷作用下的棘輪應變與LL-02組的第1級基本相當外，其他各級循環(huán)載荷作用下產生的棘輪應變都明顯大于LL-02相應載荷水平下的棘輪應變。對比LL-02和LL-03、LL-03和LL-04組的實驗結果，均有相同的規(guī)律。進一步觀察LL-04的第1級、LL-03的第2級、LL-02的第3級和LL-01的第4級，它們也具有相同的載荷水平，而所產生的棘輪應變卻是依次遞增的，如圖6中橢圓標記處所示。顯然在載荷水平逐級增大的情況下，前期較低載荷水平下的循環(huán)加載會使后續(xù)較高載荷下循環(huán)加載所產生的棘輪效應有所增強。而在循環(huán)載荷逐級減小的過程中，材料棘輪效應表現出了不同的特點，盡管循環(huán)載荷在逐級減小，但是棘輪應變卻并不會減小，在此過程中，棘輪應變率保持為0。

載荷歷史不僅改變了棘輪應變值的大小，而且對棘輪應變率也存在很大影響。多級應力加載制度下各級棘輪應變率的穩(wěn)定值見表4。

表4 變幅值循環(huán)加載制度下各級棘輪應變率穩(wěn)定值

對比LL-02組的第1級和LL-01組的第2級、LL-03組的第1級和LL-02組的第2級、LL-04組的第1級和LL-03組的第2級，可以看出在相同的載荷作用下，當前期有較小的載荷歷史時，棘輪應變率會明顯增大，如圖7所示。

圖7 不同加載制度下第1級和第2級棘輪應變率Fig.7 The ratcheting strain rates at first stage an d second stage under different loading systems

3 預變形對棘輪效應的影響

為了探討Q235材料已有塑性變形時，在循環(huán)載荷作用下的性能演化規(guī)律，設計了不同預變形量下的循環(huán)加載試驗，進行了不同預應變值、相同應力條件控制下的循環(huán)加載試驗。

3.1 試驗方案

試驗過程采用三角波控制，應力加載速率為40 MPa/s，共設計了4組加載試驗，每組測試3次，取平均值作為測試結果，各組的循環(huán)加載制度如表5所示。

3.2 試驗結果與分析

以預應變?yōu)?.4%條件下循環(huán)加載試驗為例，測得應力應變曲線如圖8所示。圖8顯示，在經歷0.4%預應變后的第一周應力加載過程中，仍有屈服平臺出現，在后續(xù)的循環(huán)加載試驗中Q235仍表現出棘輪效應和循環(huán)軟化特性。圖9給出了在經歷不同預變形后，σv=0、σp=340 MPa應力控制時棘輪應變隨循環(huán)周次的變化曲線。圖9顯示，隨著預變形量的增大，棘輪應變反而會減小，預變形對后期循環(huán)載荷引起的棘輪效應存在一定的抑制作用，而且預變形量越大，抑制作用越明顯。由圖9還可以看出，預變形越大棘輪應變率越大，棘輪應變率與預變形量的關系可由下式計算得到：

表5 不同預變形條件下應力控制的循環(huán)加載制度

圖8 預應變0.4%條件下的應力應變曲線Fig.8 The stress-strain curve at pre-strain 0.4%

(4)

圖9 不同預變形后相同應力控制下的棘輪應變Fig.9 The ratcheting strains at the same stress contro l after different pre-deformation

由于棘輪應變率隨預變形量的增大而增大，所以即使有預變形時材料棘輪應變初值較小，但由于棘輪應變率較大，在經歷足夠的循環(huán)周次后，其棘輪應變會逐漸趨近于無預變形條件的棘輪應變值。有預變形時，應力控制下材料的棘輪應變可以用下式計算：

(5)

4 載荷保持時間對棘輪效應的影響

為了探討載荷保持作用下，循環(huán)載荷對Q235材料性能的影響，進行了相同應力幅值條件下不同載荷保持時間的循環(huán)加載試驗。

4.1 試驗方案

試驗過程采用三角波控制，設定應力加載速率為40 MPa/s，當試樣拉伸到峰值和卸載至零點時，載荷均保持一定時間，共設計了4組不同載荷保持時間的加載試驗，每組測試3次，取平均值作為測試結果，各組的循環(huán)加載制度如表6所示。

表6 帶載荷保持時間的應力控制循環(huán)加載制度

4.2 試驗結果與分析

圖10分別給出了載荷保持時間為零時和載荷保持時間為8 s時得到的循環(huán)應力應變曲線?？梢钥闯?，載荷保持時間并沒有改變應力應變曲線的基本形式，但它使得響應應變增大了，并且在200周循環(huán)結束后的應變增量明顯大于載荷保持時間為零條件下的對應值，也就是說載荷保持時間的存在使得Q235循環(huán)軟化現象和棘輪效應更為明顯，不同載荷保持時間下的棘輪應變如圖11所示。圖11顯示，載荷保持時間越長，棘輪效應越明顯，試樣就越容易失效。這一現象與蠕變有相似之處，顯然會加速材料的失效。

載荷保持時間延長使得棘輪應變增大的同時，棘輪應變率也明顯增大，兩者間成冪指數關系，如圖12所示，可以用下式表示：

ζ=α′3exp(α′3t)+β3

(6)

式中，ζ為載荷保持時間不為零條件下的棘輪應變率；t為載荷保持時間，t>0；α3、α′3、β3均為材料參數，可通過試驗得到。

(a)載荷保持時間為零

(b)載荷保持時間t=8 s圖10 不同載荷保持時間的應力應變曲線Fig.10 The stress-strain curves at different loa d holding time

圖11 棘輪應變與循環(huán)周次對應關系Fig.11 The relationship between ratcheting strai n and cyclic times

圖12 棘輪應變率與載荷保持時間對應關系Fig.12 The relationship between ratcheting strai n rate and load holding time

可以看出，在載荷保持時間較短的區(qū)間內，隨載荷保持時間的延長，棘輪應變率增長迅速；當載荷保持時間達到一定數值時，棘輪應變率會趨于穩(wěn)定。

可見，此加載制度下的棘輪應變是載荷保持時間、應力載荷、循環(huán)周次的函數，可用下式計算：

εrt=εra+(τ1Ν+τ2)t+τ3Ν

(7)

式中，εrt為載荷保持時間不為零時的棘輪應變；τ1、τ2、τ3均為材料參數，可通過試驗獲得。

5 結論

(1) Q235材料在應力控制的循環(huán)加載過程中表現出明顯的循環(huán)軟化特性和棘輪效應，棘輪應變的大小主要取決于載荷水平。

(2)當循環(huán)載荷逐級增大時，前期的變形會導致后期的棘輪應變增大；而當循環(huán)載荷逐級減小時，后期的棘輪應變值取決于最大載荷時的棘輪應變，且棘輪應變率接近于零。

(3)當預變形的響應應力峰值小于后期控制應力峰值時，預變形對材料的棘輪效應具有抑制作用，且預變形量越大抑制效果越明顯。

(4)載荷保持時間延長會使材料的棘輪應變增大，棘輪應變率增大，導致材料失效加速。