不锈钢与高强钢动态力学性能研究

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不锈钢与高强钢结构已在国内外建筑和桥梁工程中得到了成功实践,但目前对上述两类材料在高应变率下的力学性能和本构方程的研究很少。本文开展了两种不锈钢(S304、S316)和两种高强钢(Q460、HQ600)及其对照组Q345钢的准静态与动态力学性能试验研究,并基于试验研究建立了各材料的准静态与动态强度模型。主要工作与结论如下:1、进行了S304和S316不锈钢的准静态拉伸试验和分离式霍普金森拉杆(SHTB)试验,得到了两种不锈钢的真实应力应变曲线和力学性能指标,分析了强度和塑性的应变率效应。结果表明:S304、S316不锈钢均为应变率敏感材料,动态真实应力应变曲线明显高于准静态真实应力应变曲线,动态均匀延伸率和断裂应变均小于准静态;两种不锈钢的动强度均随应变率的提高而提高,在2086s-1~6248s-1和1786s-1~4290s-1应变率范围内,S304和S316不锈钢的屈服(抗拉)强度动力放大系数分别为2.21~3.13(1.11~1.28)和2.58~2.96(1.20~1.40)。2、进行了Q460JSC、HQ600MC高强钢和Q345钢的准静态拉伸和SHTB试验,得到了3种低合金钢的真实应力应变曲线和动态力学性能指标,分析了强度和塑性的应变率效应。结果表明:三种低合金钢均为应变率敏感材料,动态真实应力应变曲线明显高于准静态真实应力应变曲线;Q345和HQ600钢的动态均匀延伸率和断裂应变均大于准静态;材料动强度整体随应变率增大而增大,在2261s-1~4874 s-1、1182s-1~3959s-1和1284 s-1~3920 s-1应变率范围内,Q345钢与Q460、HQ600高强钢的屈服(抗拉)强度动力放大系数分别为1.93~2.20(1.38~1.53)、1.38~1.50(1.28)和1.38~147(1.27~1.35);但两种高强钢在应变率超过一定范围时强度开始减小;三种低合金钢屈强比随应变率变化的规律不同。3、分别采用多折线模型、Ramberg-Osgood模型、Rasmussen模型与Ludwik准则拟合得到了S304、S316不锈钢和Q345、Q460和HQ600钢的准静态模型参数,表明Ludwik准则修正模型可以很好地描述材料准静态应力应变关系;分别采用Cowper-Symonds(C-S)模型与修正的Johnson-Cook(J-C)模型对5种钢动态试验数据进行拟合发现:C-S模型能很好地预测五种钢的屈服强度、抗拉强度随应变率的变化规律;修正的J-C模型能较好地描述不锈钢的应力应变关系,但对其他3种钢试验曲线拟合较差;综合试验数据分布特征,提出了Q345钢和HQ600钢的改进的J-C模型,提高了精度。
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