上海交通大学学报, 2024, 58(11): 1707-1715 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.526

船舶海洋与建筑工程

高强度钢材低温力学性能试验研究与预测模型

蔡骜1,2, 陈满泰,1,2, 左文康1,2, 段立平1,2, 赵金城1,2

1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240

2.上海交通大学 土木工程系,上海 200240

Experimental Study and Prediction Model of Low Temperature Mechanical Properties of High-Strength Steel

CAI Ao1,2, CHEN Mantai,1,2, ZUO Wenkang1,2, DUAN Liping1,2, ZHAO Jincheng1,2

1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

2. Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

通讯作者: 陈满泰,副教授,博士生导师;E-mail:mantai.chen@sjtu.edu.cn.

责任编辑: 李博文

收稿日期: 2022-12-19   修回日期: 2023-01-12   接受日期: 2023-02-13  

基金资助: 国家自然科学基金(52108157)
上海市自然科学基金(21ZR1429000)

Received: 2022-12-19   Revised: 2023-01-12   Accepted: 2023-02-13  

作者简介 About authors

蔡骜(1996—),硕士研究生,主要从事高强钢低温力学性能研究.

摘要

在极地严寒地区工程中应用高强钢可节省用钢量,减少低温严酷环境下钢结构制作、运输和安装成本.为研究HG785高强钢在极地低温环境下的力学性能,对考虑2种厚度和5种低温环境的高强钢试样开展单轴拉伸试验.试验结果表明,极地低温环境下HG785高强钢的弹性模量、屈服强度和极限抗拉强度相较于其在25 ℃常温环境下有所提高,失效模式均为颈缩延性破坏并无脆断倾向.采用全子集法对试验结果进行回归分析,建立极地低温环境下高强钢力学性能指标预测模型,可指导高强钢在结构构件、节点与体系中的合理高效应用,为高强钢结构在极地低温地区服役与结构设计优化策略决策提供理论依据.

关键词: 高强钢; 单轴拉伸试验; 低温材性; 预测模型

Abstract

The application of high-strength steel in extremely cold polar regions can reduce steel consumption and save the cost of fabrication, transportation, and installation of steel structures in the harsh low-temperature environment. In order to study the mechanical properties of HG785 high-strength steel under polar low-temperature conditions, uniaxial tensile tests were conducted on high-strength steel coupons by considering two thicknesses and five low-temperature cases. It was found that the elastic modulus, yield strength, and ultimate tensile strength of HG785 high-strength steel in polar low-temperature environment are higher than those at an ambient temperature of 25 ℃. All tensile coupon specimens failed by traditional necking in a ductile manner without brittle failure tendency. Based on the test results, accurate prediction models for mechanical properties of HG785 high-strength steel in polar low-temperature environment were established by the best subset regression analysis. This will facilitate the application of high-strength steel in the design of structural members, joints, and systems in an efficient manner, and provide theoretical support for the promotion of high-strength steel structures in polar low-temperature regions.

Keywords: high-strength steel; uniaxial tensile test; low temperature mechanical properties; prediction model

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本文引用格式

蔡骜, 陈满泰, 左文康, 段立平, 赵金城. 高强度钢材低温力学性能试验研究与预测模型[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(11): 1707-1715 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.526

CAI Ao, CHEN Mantai, ZUO Wenkang, DUAN Liping, ZHAO Jincheng. Experimental Study and Prediction Model of Low Temperature Mechanical Properties of High-Strength Steel[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2024, 58(11): 1707-1715 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.526

目前各国普遍将屈服强度超过460 MPa的钢材称为高强钢,其因卓越的结构性能及潜在的社会经济和环保效益,在现代工程中得到广泛应用.国内外学者针对高强钢材力学特性[1-3]、高强钢结构基本构件受力性能[4-6]、高强钢焊缝连接[7]与螺栓连接[8-10]力学性能及高强钢结构框架结构响应[11-12]进行了广泛的试验研究、数值模拟与理论分析.Bjorhovde[13]简要总结了钢结构的发展历程,针对钢材力学性能指标方面对高性能钢材的工程应用提出了建议与要求;施刚等[14]对国内外学者针对高强度钢结构在材料和构件层面、力学性能方面取得的研究成果进行全面综述,为高强钢结构进一步的研究工作及设计方法制定提供参考;李国强[15]对高强钢焊接和螺栓连接的国内外研究及现有研究进展进行了介绍与总结.国内外多个地标性建筑工程已成功应用了高强度钢材[16-19],如德国索尼中心、日本东京门大桥、中国国家体育场、央视新台址主楼、深圳湾体育中心等.此外,在极地海洋与钻井平台等工程领域利用高强钢可节省用钢量,减少低温严酷环境下钢结构制作、运输和安装成本.高强钢结构在极地严寒地区服役也面临着诸多挑战,在极地低温环境下,钢材强度和伸长率等塑性和韧性指标随温度变化而变化,影响着其结构力学性能与安全.因此,国内外众多学者针对高强钢低温性能进行了初步研究.王元清等[20]针对舞阳钢铁生产的国产Q460C、14 mm厚钢材进行了低温拉伸试验研究,结果表明此类钢材的屈服强度、抗拉强度、屈强比随温度的降低均有提高,其中屈强比均小于0.77,断后伸长率和截面收缩率明显降低,延性变差;王元清等[21]还对国产Q460C钢材的低温断裂韧性进行了试验研究,结果表明,该类结构钢材的冲击韧性随温度降低而明显下降,裂尖张开位移(CTOD)值随温度降低而明显减小,且小于普通强度钢材的试验结果,表明该类钢材断裂韧性相对较差.Yan等[22]对-80~30 ℃温度环境下普通强度钢材和S690高强钢的应力-应变曲线及弹性模量、屈服强度、极限抗拉强度、断裂应变等力学性能指标进行了试验研究,对比了普通强度钢材和高强度钢材的低温力学性能.此外,Yan等[23]通过对Q690和Q960高强钢材试样在-80~20 ℃的低温和常温环境下进行标准拉伸试验,研究高强钢在-80~20 ℃温度范围内的力学性能,建立高强度钢材在低温环境下的本构模型及力学性能指标预测模型.结果表明,在极地低温环境下高强度钢材的弹性模量、屈服强度和极限抗拉强度有所提升,但并未降低其延性.

钢材牌号为HG785的高强钢焊接性能优良,具有高强度、低膨胀系数和弹性模量较稳定等优点.荆慧强等[24]对HG785钢材的焊接残余应力进行了试验研究,得到HG785钢材焊接后残余应力的大小以及分布规律;陈丽娟等[25]研究了HG785钢材连续冷却后组织变化规律,结果表明,随冷却速度提高,HG785组织由多边形铁素体逐渐向贝氏体类转变,这种组织结构有利于HG785钢材强度和韧性的提高.目前针对HG785高强度钢材在低温环境下的力学性能研究匮乏,因此亟需开展相关研究.开展高强钢材低温力学性能的基础研究,探讨低温环境变化对其应力-应变曲线、力学性能指标、断口形态及失效模式的影响规律,建立极地低温环境下高强度钢材力学性能指标预测模型,可指导高强钢在结构构件、节点与体系中的合理高效应用,为高强钢结构在极地低温地区服役与结构设计优化策略决策提供理论依据.

1 高强度钢材拉伸试样设计

选用武汉宝钢有限公司生产的HG785XYD钢板,受试验机器吨位与厂家钢板货源限制,选取厚度t为6 mm和8 mm的钢材进行研究.参照美国材料与试验协会规范ASTM E8/E8M—16a[26],对钢材拉伸试样平行段尺寸进行设计.根据试验装置尺寸要求,常温试样与低温试样夹持段需采用不同设计.常温试样夹持段尺寸按照常规夹持设计[27-29],低温试样两夹持端预留供连接试验装置的圆孔,具体试样尺寸如图1所示,图中R为半径.考虑6 mm、8 mm 两种厚度和5种低温与常温试验环境温度(-75、-60、-40、-20、25 ℃),共设计10组HG785高强度钢材试样.采用钼丝线切割工艺切取试样,与传统加工工艺相比可有效降低切割过程引起的热影响并提高试样尺寸精度.HG785高强度钢材拉伸试样的标号形式为HiTx,其中,H为HG785钢材,i为试样名义厚度,T为温度,x为拉伸试样试验温度值.

图1

图1   钢材拉伸试样尺寸设计(mm)

Fig.1   Dimensions of tensile coupon specimens (mm)


2 拉伸试验装置与试验方法

常温和低温钢材拉伸试样均采用500 kN的MTS系统.Landmark拉伸试验机进行加载,所采用的试样加载装置如图2所示.常温试样直接通过试验机专用夹具进行常规夹持,低温试样则利用插销和特殊夹持工装与试验装置进行连接,并将标距为 50 mm 的MTS引伸计安装至试样平行段以测量试样加载过程中的位移,如图2(a)2(b)所示.

图2

图2   钢材拉伸试验装置

Fig.2   Setup for tensile coupon test


对于低温钢材拉伸试样,为监测环境温度与试样表面温度,在低温环境保温箱内与钢材拉伸试样平行段表面安装热电偶.关闭环境箱门并向其内部通入液氮和空气的混合蒸汽作为冷却介质对试样进行冷却降温,通过持续通入混合蒸汽直至试样表面温度达到目标试验温度,如图2(c)所示,当热电偶温度显示器显示温度稳定并保持10 min后开始位移控制加载.弹性阶段和屈服阶段试验加载速率为0.1 mm/min,强化阶段加载速率为0.5 mm/min.加载过程中,为释放不同测试速率产生的影响,在应力达到屈服强度和极限抗拉强度附近时,分别暂停 100 s[30-31].采用试验机配套的数据采集系统进行数据记录,每隔1 s记录1个数据点.

3 拉伸试验结果与讨论

试验结果主要包括HG785高强度钢材在温度 T=-75,-60,-40,-20,25 ℃时的应力-应变曲线、力学性能指标及失效模式.通过试验得到的主要力学性能指标包括弹性模量ET、屈服强度fyT、极限抗拉强度fuT,其对应常温值表示为ETafyTafuTa,并分别采用增强系数IEIfyIfu描述低温环境下钢材力学性能指标的对应变化,如以下公式所示:

$I_{\mathrm{E}}=E_{\mathrm{T}} / E_{\mathrm{Ta}}$
$I_{\mathrm{fy}}=f_{\mathrm{yT}} / f_{\mathrm{yTa}}$
$I_{\mathrm{fu}}=f_{\mathrm{uT}} / f_{\mathrm{uTa}}$

试验结果如表1所示.其中,下标Test为试验数据;P为预测结果.

表1   常温与低温环境下HG785钢材力学性能指标

Tab.1  Mechanical properties of HG785 steel at ambient and low temperatures

试样t/
mm
T/
ET/
GPa
ET/
ETa
IE,PfyT/
MPa
fyT/
fyTa
Ify,PfuT/
MPa
fuT/
fuTa
Ifu,PIE,Test/
IE,P
Ify,Test/
Ify,P
Ifu,Test/
Ifu,P
H6T256251861.001.006151.001.006991.001.001.0001.0001.000
H6T-206-201901.021.086951.131.068331.191.070.9511.0621.110
H6T-406-402051.101.127471.221.108351.201.110.9871.1071.073
H6T-606-602141.151.167261.181.148551.221.160.9881.0391.056
H6T-756-752261.211.207561.231.178471.211.201.0091.0531.014
H8T258251931.001.006271.001.007041.001.001.0001.0001.000
H8T-208-202011.041.086861.101.067991.141.070.9671.0291.057
H8T-408-402101.091.126501.041.107451.061.110.9720.9450.950
H8T-608-602381.241.166621.061.147901.121.161.0610.9290.969
H8T-758-752181.131.207291.161.178651.231.200.9400.9961.027
平均值0.9881.0161.026
变异系数0.0340.0540.049

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3.1 应力-应变曲线

根据试样尺寸与荷载以及使用引伸计获得的试样位移,得到HG785高强度钢材拉伸试样的应力与应变值并绘制应力-应变曲线,如图3所示.结果表明,该钢材应力首先线性增加,进入屈服,但无明显的屈服平台,随后进入塑性硬化阶段,随着应变的增加应力达到极限抗拉强度,最后进入颈缩阶段直至断裂.随温度降低,应力-应变曲线总体呈上移趋势,如图3(a)3(b)所示,对比可知,不同厚度的HG785钢材应力-应变曲线没有明显区别.

图3

图3   常温与低温环境下HG785钢材应力(σ)-应变曲线(ε)

Fig.3   Stress-strain curves of HG785 steel at ambient and low temperatures


(1) ET是描述材料在单轴拉伸作用下变形难易度的物理量.通过分析HG785高强度钢材应力-应变曲线,为保证所得弹性模量真实准确,取每个试样的弹性阶段中间段,即应变为0.001~0.002时,进行拟合求值,得到不同温度下HG785高强度钢材的ET值(见表1).当温度由25 ℃降至-20、-40、-60、-75 ℃ 时,6 mm厚度试样的ET分别提高了2%、10%、15%、21%;8 mm厚度试样分别提高了4%、9%、24%、13%.结果表明,HG785高强钢材弹性模量与钢材厚度相关性较小,随着温度降低,HG785钢材的ET总体呈逐渐上升趋势,这是由于低温环境下高强钢材微观结构更紧凑所致[23].

(2) 由于HG785钢材应力-应变曲线没有明显的屈服平台,因此以产生0.2%残余应变对应的应力值作为常温与低温环境下HG785高强钢材的fyT.不同温度下HG785高强钢材的fyT表1.由表1可知,HG785高强度钢材的fyT随试验温度降低而提高,当温度由25 ℃降至-20、-40、-60、-75 ℃ 时,6 mm厚度试样的fyT分别提高了13%、22%、18%、23%;对于8 mm厚度试样,fyT分别提高了10%、4%、6%、16%.结果表明,HG785钢材fyT与钢材厚度相关性较小,而试验温度对钢材fyT影响显著.

(3) 根据HG785高强度钢材应力-应变曲线得到其fuT,不同温度下HG785高强度钢材的fuT表1.当温度由25 ℃降至-20、-40、-60、-75 ℃ 时,6 mm 厚度试样的fuT分别提高了19%、20%、22%、21%;8 mm厚度试样分别提高了4%、6%、12%、23%.这是由于温度降低,高强钢材的微观结构更紧凑,具有更大的分子力[23].

3.2 失效模式

失效后HG785高强度钢材拉伸试样如图4所示.所有钢材拉伸试样在-75~25 ℃环境下均发生了颈缩现象,断口呈纤维状,颜色发暗,部分-40 ℃ 及所有-60 ℃ 和-75 ℃ 试样可观测到断口滑移痕迹(见图5),进一步证明了HG785钢材在-75~25 ℃的温度范围并没有发生脆性破坏.

图4

图4   失效后HG785钢材拉伸试样

Fig.4   HG785 steel tensile coupon specimens after failure


图5

图5   HG785钢材低温拉伸断口形貌

Fig.5   Tensile fracture morphology of HG785 steel at low temperatures


4 高强钢低温力学性能指标预测模型

4.1 现有模型检验

Yan等[23]对钢材牌号为Q690和Q960的高强钢试样进行了低温单轴拉伸试验,基于-80、-60、-30、20 ℃ 共4种不同温度环境下的试验结果,探讨了Q690和Q960高强钢试样在低温环境下的应力-应变曲线和力学性能指标的变化规律,结果表明低温环境下Q690和Q960高强钢试样力学性能指标有所提高.采用试验得到的Q690和Q960高强钢低温力学性能指标,并基于可描述低温环境下钢材力学性能指标变化的增强系数,分别拟合得到高强度钢材在低温环境下的弹性模量增强系数IE,Yan、屈服强度增强系数Ify,Yan、极限抗拉强度增强系数Ifu,Yan,由此建立了高强度钢材低温力学性能指标预测模型:

$I_{\mathrm{E}, \text { Yan }}=3.068 T^{-0.198}$
$I_{\mathrm{fy}, \text { Yan }}=1.975 f_{\mathrm{yTa}}^{0.139} T^{-0.285} $
$I_{\mathrm{fu}, \text { Yan }}=2.438 f_{\mathrm{uTa}_{\mathrm{a}}^{0.113}}=T^{-0.293}$

经研究得到的力学性能指标计算出对应低温增强系数试验值为IE,TestIfy,TestIfu,Test,并将其与现有模型预测值[23]进行对比,结果如图6(a)6(c)6(e)所示.结果表明,现有基于Q690和Q960高强度钢材力学性能试验结果校正的预测模型[23]不能准确预测HG785高强度钢材低温力学性能指标,部分预测值偏离试验值超过10%.

图6

图6   HG785高强钢力学性能指标预测值与试验值对比

Fig.6   Comparison of predicted and test values for mechanical properties of HG785 high strength steel


4.2 新型预测模型

HG785高强度钢材的常温力学性能指标可从设计规范和产品手册中直接获得,只要对低温力学性能指标增强系数进行合理描述,即可预测低温环境下HG785高强度钢材力学性能指标.现有高强钢低温力学性能指标预测模型[23]并不适用于HG785高强度钢材,基于研究得到的力学性能指标试验值,采用全子集回归分析法,提出准确的HG785高强度钢材低温力学性能指标预测模型,具体方法如下:

(1) 选择关键参数并假设模型.影响钢材低温力学性能指标的关键参数包括钢材厚度、温度和力学性能指标对应的常温值.预测模型借鉴Yan等[23]提出的指数模型,以ET为例,低温ET增强系数预测值为

$I_{\mathrm{E}, \mathrm{P}}=b t^{c} T^{d} E_{\mathrm{T}_{\mathrm{A}}}^{e}$

式中:bcde为回归分析确定的常数.

(2) 对式(7)进行对数转换,并采用全子集法进行回归分析,可得

$\ln I_{\mathrm{E}, \mathrm{P}}=\ln b+c \ln t+d \ln T+e \ln E_{\mathrm{Ta}}$

(3) 对变量ln t、ln T、ln ETa的所有组合进行回归分析得到的模型检验统计量如表2所示.其中,Akaike信息量准则统计量(AIC)准则与Schwaftz的贝叶斯准则统计量(SBC)准则均为识别和建立模型标准的信息量准则,根据AIC和SBC准则,应当选择使AIC和SBC最小的模型,马洛斯Cp指标统计量是基于残差平方和的统计准则,按Cp统计量应该选择除全模型外Cp值与变量数量最接近的模型.由表可知,选择决定系数R2、调整后R2最大且AIC、SBC最小以及Cp值最接近变量个数的组合为最佳组合.选择组合1, 综合考虑模型检验统计量及表达式系数合理性,进行微调后IE,P最终表达为

$I_{\mathrm{E}, \mathrm{P}}=\frac{E_{\mathrm{T}}}{E_{\mathrm{T}_{\mathrm{a}}}}=13.217 T^{-0.453}$

式中:198.15 K≤T≤298.15 K.最终,IE,P表达式的R2为0.75.

表2   IE,P全子集回归模型检验统计量

Tab.2  Statistics of full subset regression model for IE,P

序号变量R2调整后R2CpAICSBC
1T0.800.771.00-34.16-33.25
2t0.00-0.1228.72-18.15-17.24
3ETa0.00-0.1228.72-18.15-17.24
4t,T0.800.743.00-32.16-30.95
5T,ETa0.800.743.00-32.16-30.95
6t,ETa0.00-0.1228.72-16.15-14.94
7t,T,ETa0.800.743.00-30.16-28.65

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采用相同方法,针对低温屈服强度增强系数和极限抗拉强度增强系数,对厚度、温度、力学性能指标对应常温值进行全子集回归分析,列出屈服强度、极限抗拉强度增强系数对应的全子集回归模型检验统计量,如表3表4所示.综合考虑模型检验统计量及表达式系数合理性选择组合1并进行微调,低温屈服强度、极限抗拉强度增强系数预测值分别为

$I_{\mathrm{fy}, \mathrm{P}}=\frac{f_{\mathrm{yT}}}{f_{\mathrm{yTa}}}=8.671 T^{-0.379}$
$I_{\mathrm{fu}, \mathrm{P}}=\frac{f_{\mathrm{uT}}}{f_{\mathrm{uTa}}}=12.195 T^{-0.439}$

式中:198.15 K≤T≤298.15 K.最终,Ify,PIfu,P表达式对应的R2分别为0.47和0.52.

表3   Ify,P全子集回归模型检验统计量

Tab.3  Statistics of full subset regression model for Ify,P

序号变量R2调整后R2CpAICSBC
1T0.530.478.03-25.38-24.47
2t0.240.1416.78-20.54-19.63
3fyTa0.240.1416.78-20.54-19.63
4t,T0.770.703.00-30.34-29.13
5T,fyTa0.770.703.00-30.34-29.13
6t,fyTa0.240.1416.78-18.54-17.33
7t,T,fyTa0.770.703.00-28.34-26.82

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表4   Ifu,P全子集回归模型检验统计量

Tab.4  Statistics of full subset regression model for Ifu,P

序号变量R2调整后R2CpAICSBC
1T0.650.613.86-27.51-26.60
2fuTa0.10-0.0119.30-18.09-17.18
3t0.10-0.0119.30-18.09-17.18
4T,fuTa0.750.683.00-28.94-27.73
5t,T0.750.683.00-28.94-27.73
6t,fuTa0.10-0.0119.30-16.09-14.88
7t,T,fuTa0.750.683.00-26.94-25.42

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将新型预测模型低温力学性能指标增强系数预测值IE,PIfy,PIfu,P与对应试验值IE,TestIfy,TestIfu,Test进行对比,如表1图6(b)6(d)6(f)所示.结果表明,各项低温力学性能指标增强系数预测值与试验值间误差均在10%以内,低温力学性能指标增强系数试验值与预测值比值为IE,Test/IE,PIfy,Test/Ify,PIfu,Test/Ifu,P;均值分别为0.988、1.016、1.026;对应变异系数分别为0.034、0.054、0.049.提出的新型模型可准确有效地预测HG785高强度钢材在-75 ℃≤T≤25 ℃的低温与常温环境下的力学性能指标.

5 结论

通过对HG785高强度钢材试样进行常温与低温单轴拉伸试验,探讨低温环境变化对其应力-应变曲线、力学性能指标、断口形态以及失效模式的影响规律,建立极地低温环境下HG785高强度钢材力学性能指标预测模型.具体结论如下:

(1) HG785高强度钢材弹性模量、屈服强度、极限抗拉强度均与钢材厚度相关性较小.

(2) HG785高强度钢材弹性模量、屈服强度、极限抗拉强度总体随温度的降低呈逐渐上升趋势,当温度由25 ℃降至-20~-75 ℃ 时,钢材弹性模量提高了2%~24%,屈服强度提高了4%~23%,极限抗拉强度提高了4%~23%.

(3) 常温和极地低温环境下HG785高强钢拉伸试样失效模式均为颈缩延性破坏,并无脆断倾向.

(4) 采用全子集回归分析建立了低温力学性能指标预测模型,通过试验数据验证,所建立的新型模型可以准确有效地预测HG785高强度钢材在-75 ℃≤T≤25 ℃的低温与常温环境下的力学性能指标.

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