張慶玲 金 淼 張榮強(qiáng) 李 群

1.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島，066004

0 引言

Q235材料由于含碳量適中，強(qiáng)度、塑性、韌性和可焊性良好，且價(jià)格低廉，在大型結(jié)構(gòu)件中得到了廣泛應(yīng)用，如液壓機(jī)橫梁等就是用Q235板材焊接而成的。液壓機(jī)的作業(yè)條件惡劣，工作過(guò)程中所受載荷通常具有循環(huán)交變的特征，主要表現(xiàn)為循環(huán)載荷的周期、幅值和平均值隨作業(yè)工件材質(zhì)、大小、成形要求等的不同而不同。另外，大量的分析計(jì)算及工程實(shí)踐均表明，對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大型現(xiàn)代液壓機(jī)，由于載荷分布不均勻，結(jié)構(gòu)不連續(xù)，以及組合構(gòu)件間的不均勻接觸等問(wèn)題，本體中不可避免地會(huì)存在一定數(shù)量的局部高應(yīng)力區(qū)，其應(yīng)力水平有時(shí)可達(dá)到構(gòu)件平均應(yīng)力的2～3倍，甚至更高[1-3]。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

在循環(huán)載荷作用下，材料可能出現(xiàn)棘輪效應(yīng)、包申格效應(yīng)、循環(huán)硬化及循環(huán)軟化等現(xiàn)象，其力學(xué)性能會(huì)隨載荷循環(huán)而發(fā)生變化，僅依據(jù)單向拉伸試驗(yàn)測(cè)定的材料性能指標(biāo)進(jìn)行液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，難以兼顧其在實(shí)際工作中由交變載荷工況而導(dǎo)致的材料性能變化。這一問(wèn)題已引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。鄭松林等[4]對(duì)中碳調(diào)質(zhì)鋼在低幅交變載荷作用下屈服強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行了分析；楊飛等[5]對(duì)LYP160鋼進(jìn)行了多種加載制度下的循環(huán)加載試驗(yàn)，研究結(jié)果表明其具有良好的塑性變形能力；DUSICKA等[6]對(duì)低屈服點(diǎn)鋼材進(jìn)行了深入研究，建立了循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變與低周疲勞壽命之間的關(guān)系； LI等[7]對(duì)Mn18Cr18N鋼進(jìn)行了拉壓循環(huán)加載試驗(yàn)研究，得到了不同應(yīng)變幅下該材料加工硬化速率幾乎不變的結(jié)論；MAZANOVA等[8]對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行了研究，得到了其循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線；ZHOU等[9]對(duì)結(jié)構(gòu)不銹鋼滯回性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不銹鋼具有良好的滯回性能；陸建鋒等[10]、LI等[11]對(duì)高強(qiáng)鋼進(jìn)行單調(diào)和循環(huán)加載試驗(yàn)，并根據(jù)單調(diào)和循環(huán)加載后的現(xiàn)象分析了其力學(xué)性能差異；陳俊嶺等[12]對(duì)Q235鋼進(jìn)行了不同應(yīng)變率下的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明Q235鋼為應(yīng)變率敏感性材料；戴國(guó)欣等[13]對(duì)Q345和Q460結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)兩種鋼均具有循環(huán)硬化、循環(huán)軟化和包申格效應(yīng)；張慶玲等[14]對(duì)小變形條件下Q235鋼材料特性進(jìn)行了研究，得到了應(yīng)變控制條件下應(yīng)力隨循環(huán)周次變化的規(guī)律。盡管眾多學(xué)者對(duì)許多材料在循環(huán)載荷及不同加載歷史條件下材料力學(xué)性能的演化展開(kāi)了多方面的研究，但對(duì)Q235鋼在應(yīng)力循環(huán)載荷下的力學(xué)性能演化研究尚不深入。

本文針對(duì)液壓機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)中常用的Q235材料在多種不同形式循環(huán)載荷作用下力學(xué)性能的演化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期為選用該種材料的設(shè)備進(jìn)行更加符合工程實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試件準(zhǔn)備和試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)材料選用厚度為20 mm的Q235鋼板，沿軋制方向截取實(shí)心棒料，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(guò)應(yīng)變控制的單向拉伸試驗(yàn)測(cè)得：Q235鋼存在明顯的屈服平臺(tái)，且其在常溫準(zhǔn)靜態(tài)條件下的彈塑性變形行為表現(xiàn)出率無(wú)關(guān)特性。單向拉伸條件下Q235材料的基本力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 Q235基本力學(xué)性能參數(shù)

本文中所有試驗(yàn)測(cè)試均在加載精度為0.2 kN的Instron8801型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在試樣標(biāo)距段安裝精度為0.1 μm、標(biāo)距為12.5 mm的動(dòng)態(tài)引伸計(jì)進(jìn)行軸向應(yīng)變測(cè)量，如圖2所示。

(a)電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī) (b)試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Testing equipment

2 變幅值循環(huán)載荷作用下Q235力學(xué)性能的演化

為了研究Q235材料在變化的循環(huán)載荷下力學(xué)性能的演化規(guī)律，設(shè)計(jì)了變幅值循環(huán)加載試驗(yàn)，分別進(jìn)行了應(yīng)力逐級(jí)增長(zhǎng)和應(yīng)力逐級(jí)減小條件下的多級(jí)循環(huán)加載試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過(guò)程采用三角波控制，設(shè)定應(yīng)力加載速率為40 MPa/s，共設(shè)置4個(gè)等級(jí)的循環(huán)載荷，載荷變化區(qū)間如表2所示。共設(shè)計(jì)4組加載試驗(yàn)，每組測(cè)試3次，取平均值作為測(cè)試結(jié)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(yàn)結(jié)果與分析

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

本文中棘輪應(yīng)變?chǔ)舝按下式計(jì)算：

(1)

由于循環(huán)加載第一周時(shí)存在屈服平臺(tái)，且其最小真應(yīng)變?yōu)?，因此，本文中棘輪應(yīng)變的計(jì)算均從第二周開(kāi)始。

圖3 LL-01組實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 The measured stress-strain curve of LL-01 group

第一級(jí)循環(huán)加載過(guò)程中所產(chǎn)生的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次的變化如圖4所示。圖4顯示，棘輪應(yīng)變主要受外加載荷大小的影響。在循環(huán)加載初期，棘輪應(yīng)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(yīng)變與外加載荷和循環(huán)周次間的關(guān)系可用下式表達(dá)：

(2)

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

式中，εra為應(yīng)力控制條件下的棘輪應(yīng)變；εr2為單級(jí)加載試驗(yàn)第二個(gè)循環(huán)周次的棘輪應(yīng)變；σp為應(yīng)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(shù)，分別表示應(yīng)變?cè)隽侩Sη變化的斜率和截距。

將相鄰兩個(gè)循環(huán)周次內(nèi)棘輪應(yīng)變的變化量定義為棘輪應(yīng)變率，棘輪應(yīng)變率反映了循環(huán)加載過(guò)程中棘輪應(yīng)變累積的快慢程度。試驗(yàn)表明，不同載荷水平下棘輪應(yīng)變率的穩(wěn)定值與應(yīng)力峰值間成指數(shù)關(guān)系，如圖5所示，可用下式計(jì)算：

(3)

圖5 棘輪應(yīng)變率與應(yīng)力幅值的關(guān)系曲線Fig.5 The relationship between ratcheting strain rat e and stress amplitude

圖6 多級(jí)加載條件下各級(jí)棘輪應(yīng)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(jí)循環(huán)加載過(guò)程中，棘輪應(yīng)變的大小主要受載荷大小的影響，同時(shí)加載歷史對(duì)棘輪效應(yīng)也有很大的影響。本組試驗(yàn)中LL-02組的第1、2、3級(jí)載荷分別和LL-01組的第2、3、4級(jí)的載荷相同，測(cè)試結(jié)果顯示LL-01組除第2級(jí)循環(huán)載荷作用下的棘輪應(yīng)變與LL-02組的第1級(jí)基本相當(dāng)外，其他各級(jí)循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生的棘輪應(yīng)變都明顯大于LL-02相應(yīng)載荷水平下的棘輪應(yīng)變。對(duì)比LL-02和LL-03、LL-03和LL-04組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，均有相同的規(guī)律。進(jìn)一步觀察LL-04的第1級(jí)、LL-03的第2級(jí)、LL-02的第3級(jí)和LL-01的第4級(jí)，它們也具有相同的載荷水平，而所產(chǎn)生的棘輪應(yīng)變卻是依次遞增的，如圖6中橢圓標(biāo)記處所示。顯然在載荷水平逐級(jí)增大的情況下，前期較低載荷水平下的循環(huán)加載會(huì)使后續(xù)較高載荷下循環(huán)加載所產(chǎn)生的棘輪效應(yīng)有所增強(qiáng)。而在循環(huán)載荷逐級(jí)減小的過(guò)程中，材料棘輪效應(yīng)表現(xiàn)出了不同的特點(diǎn)，盡管循環(huán)載荷在逐級(jí)減小，但是棘輪應(yīng)變卻并不會(huì)減小，在此過(guò)程中，棘輪應(yīng)變率保持為0。

載荷歷史不僅改變了棘輪應(yīng)變值的大小，而且對(duì)棘輪應(yīng)變率也存在很大影響。多級(jí)應(yīng)力加載制度下各級(jí)棘輪應(yīng)變率的穩(wěn)定值見(jiàn)表4。

表4 變幅值循環(huán)加載制度下各級(jí)棘輪應(yīng)變率穩(wěn)定值

對(duì)比LL-02組的第1級(jí)和LL-01組的第2級(jí)、LL-03組的第1級(jí)和LL-02組的第2級(jí)、LL-04組的第1級(jí)和LL-03組的第2級(jí)，可以看出在相同的載荷作用下，當(dāng)前期有較小的載荷歷史時(shí)，棘輪應(yīng)變率會(huì)明顯增大，如圖7所示。

圖7 不同加載制度下第1級(jí)和第2級(jí)棘輪應(yīng)變率Fig.7 The ratcheting strain rates at first stage an d second stage under different loading systems

3 預(yù)變形對(duì)棘輪效應(yīng)的影響

為了探討Q235材料已有塑性變形時(shí)，在循環(huán)載荷作用下的性能演化規(guī)律，設(shè)計(jì)了不同預(yù)變形量下的循環(huán)加載試驗(yàn)，進(jìn)行了不同預(yù)應(yīng)變值、相同應(yīng)力條件控制下的循環(huán)加載試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過(guò)程采用三角波控制，應(yīng)力加載速率為40 MPa/s，共設(shè)計(jì)了4組加載試驗(yàn)，每組測(cè)試3次，取平均值作為測(cè)試結(jié)果，各組的循環(huán)加載制度如表5所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以預(yù)應(yīng)變?yōu)?.4%條件下循環(huán)加載試驗(yàn)為例，測(cè)得應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖8所示。圖8顯示，在經(jīng)歷0.4%預(yù)應(yīng)變后的第一周應(yīng)力加載過(guò)程中，仍有屈服平臺(tái)出現(xiàn)，在后續(xù)的循環(huán)加載試驗(yàn)中Q235仍表現(xiàn)出棘輪效應(yīng)和循環(huán)軟化特性。圖9給出了在經(jīng)歷不同預(yù)變形后，σv=0、σp=340 MPa應(yīng)力控制時(shí)棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次的變化曲線。圖9顯示，隨著預(yù)變形量的增大，棘輪應(yīng)變反而會(huì)減小，預(yù)變形對(duì)后期循環(huán)載荷引起的棘輪效應(yīng)存在一定的抑制作用，而且預(yù)變形量越大，抑制作用越明顯。由圖9還可以看出，預(yù)變形越大棘輪應(yīng)變率越大，棘輪應(yīng)變率與預(yù)變形量的關(guān)系可由下式計(jì)算得到：

表5 不同預(yù)變形條件下應(yīng)力控制的循環(huán)加載制度

圖8 預(yù)應(yīng)變0.4%條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.8 The stress-strain curve at pre-strain 0.4%

(4)

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

由于棘輪應(yīng)變率隨預(yù)變形量的增大而增大，所以即使有預(yù)變形時(shí)材料棘輪應(yīng)變初值較小，但由于棘輪應(yīng)變率較大，在經(jīng)歷足夠的循環(huán)周次后，其棘輪應(yīng)變會(huì)逐漸趨近于無(wú)預(yù)變形條件的棘輪應(yīng)變值。有預(yù)變形時(shí)，應(yīng)力控制下材料的棘輪應(yīng)變可以用下式計(jì)算：

(5)

4 載荷保持時(shí)間對(duì)棘輪效應(yīng)的影響

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

4.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過(guò)程采用三角波控制，設(shè)定應(yīng)力加載速率為40 MPa/s，當(dāng)試樣拉伸到峰值和卸載至零點(diǎn)時(shí)，載荷均保持一定時(shí)間，共設(shè)計(jì)了4組不同載荷保持時(shí)間的加載試驗(yàn)，每組測(cè)試3次，取平均值作為測(cè)試結(jié)果，各組的循環(huán)加載制度如表6所示。

表6 帶載荷保持時(shí)間的應(yīng)力控制循環(huán)加載制度

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖10分別給出了載荷保持時(shí)間為零時(shí)和載荷保持時(shí)間為8 s時(shí)得到的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，載荷保持時(shí)間并沒(méi)有改變應(yīng)力應(yīng)變曲線的基本形式，但它使得響應(yīng)應(yīng)變?cè)龃罅?，并且?00周循環(huán)結(jié)束后的應(yīng)變?cè)隽棵黠@大于載荷保持時(shí)間為零條件下的對(duì)應(yīng)值，也就是說(shuō)載荷保持時(shí)間的存在使得Q235循環(huán)軟化現(xiàn)象和棘輪效應(yīng)更為明顯，不同載荷保持時(shí)間下的棘輪應(yīng)變?nèi)鐖D11所示。圖11顯示，載荷保持時(shí)間越長(zhǎng)，棘輪效應(yīng)越明顯，試樣就越容易失效。這一現(xiàn)象與蠕變有相似之處，顯然會(huì)加速材料的失效。

載荷保持時(shí)間延長(zhǎng)使得棘輪應(yīng)變?cè)龃蟮耐瑫r(shí)，棘輪應(yīng)變率也明顯增大，兩者間成冪指數(shù)關(guān)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(shí)間不為零條件下的棘輪應(yīng)變率；t為載荷保持時(shí)間，t>0；α3、α′3、β3均為材料參數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)得到。

(a)載荷保持時(shí)間為零

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

圖11 棘輪應(yīng)變與循環(huán)周次對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.11 The relationship between ratcheting strai n and cyclic times

圖12 棘輪應(yīng)變率與載荷保持時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.12 The relationship between ratcheting strai n rate and load holding time

可以看出，在載荷保持時(shí)間較短的區(qū)間內(nèi)，隨載荷保持時(shí)間的延長(zhǎng)，棘輪應(yīng)變率增長(zhǎng)迅速；當(dāng)載荷保持時(shí)間達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，棘輪應(yīng)變率會(huì)趨于穩(wěn)定。

可見(jiàn)，此加載制度下的棘輪應(yīng)變是載荷保持時(shí)間、應(yīng)力載荷、循環(huán)周次的函數(shù)，可用下式計(jì)算：

εrt=εra+(τ1Ν+τ2)t+τ3Ν

(7)

式中，εrt為載荷保持時(shí)間不為零時(shí)的棘輪應(yīng)變；τ1、τ2、τ3均為材料參數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)獲得。

5 結(jié)論

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

(2)當(dāng)循環(huán)載荷逐級(jí)增大時(shí)，前期的變形會(huì)導(dǎo)致后期的棘輪應(yīng)變?cè)龃?；而?dāng)循環(huán)載荷逐級(jí)減小時(shí)，后期的棘輪應(yīng)變值取決于最大載荷時(shí)的棘輪應(yīng)變，且棘輪應(yīng)變率接近于零。

(3)當(dāng)預(yù)變形的響應(yīng)應(yīng)力峰值小于后期控制應(yīng)力峰值時(shí)，預(yù)變形對(duì)材料的棘輪效應(yīng)具有抑制作用，且預(yù)變形量越大抑制效果越明顯。

(4)載荷保持時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)使材料的棘輪應(yīng)變?cè)龃?，棘輪?yīng)變率增大，導(dǎo)致材料失效加速。