不銹鋼材料本構模型研究簡述★

王 斌 段文峰* 李 坤 曾孟儒 韓松伶

(吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118)

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不銹鋼材料本構模型研究簡述★

王 斌 段文峰* 李 坤 曾孟儒 韓松伶

(吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118)

介紹了不銹鋼材料本構模型在國內外的研究現狀，基于不銹鋼材料的多樣性，探討了不銹鋼材料本構模型研究的相關內容，指出不銹鋼材料具有耐火性、耐久性、易維護性等優點，對其本構模型的研究，有利于該材料的推廣應用。

不銹鋼，本構模型，棘輪效應，JC模型

0 引言

碳素鋼作為結構構件在土木工程中應用十分廣泛，但其耐腐蝕性、耐久性和耐火性能差，使該類結構的后期維護費用過高，而不銹鋼材料則具有超強的耐腐蝕性、耐久性、耐火性、易維護性和美觀大方等多重特性，很大程度上彌補了碳鋼這方面的缺陷[1]。

研究和利用不銹鋼材料，首先應對其材料的力學性能有準確的認識，因不銹鋼種類繁多，且不同鋼種性能差異明顯，這給研究帶來不少困難。不銹鋼材料的本構模型作為該類材料最基本的力學性能，如果選取不當，會對后續研究的計算結果和有限元結果產生較大影響。本文首先介紹國內外學者對不銹鋼材料本構模型的研究情況，之后總結并探討后期需要著重研究關于不銹鋼本構模型的相關部分。

1 不銹鋼材料本構模型國內外研究現狀

1.1 不銹鋼材料本構模型國外研究現狀

目前國外最常用的不銹鋼材料本構模型是由Ramberg和Osgood[5](以下簡稱R-O本構模型)提出，并經過Hill[6]修正，其本構模型可表述為：

(1)

n=ln20/ln(σ0.2/σ0.01)

(2)

其中，n為應變硬化指數，數值一般在3～10之間；E0為彈性模量；σ0.2和σ0.01分別為殘余應變為0.2%和0.01%時對應的彈性極限應力值。

Mirambell和Rasmussen[7,8](以下簡稱M-R本構模型)對R-O本構模型進行修正，提出全局應力—應變模型，該模型對應變能力大的不銹鋼材料更為適用，見式(3)：

(3)

E0.2=E0/(1+0.002nE0/σ0.2)

(4)

(5)

其中，σu為極限應力；εu為極限應變。

Gardner和Nethercot[9](以下簡稱G-N本構模型)對此進行修正，用σ1.0代替σu來考慮受壓方向的本構關系，并修正了式(3)在(εu,σu)處與試驗值的微小不重合，得到了式(6)：

(6)

(7)

Quach,Teng和Chung[10](以下簡稱Quach本構模型)以式(6)為基礎，提出了三階段的全范圍應力—應變模型，見式(8)，研究表明，該模型的理論分析、數值模擬與試驗結果三者吻合較好，可直接應用理論分析計算。

(8)

a=σ2.0(1±ε2.0)-bε2.0

(9)

(10)

其中，“+”對應的是受拉；“-”對應的是受壓。

上述不銹鋼材料本構模型未考慮溫度、加載速率、棘輪效應等因素的影響。下面介紹Johnson-Cook材料模型[11](以下簡稱JC模型)其考慮了不同向加載、應變速率、溫度和壓力等因素，見式(11)：

(11)

1.2 不銹鋼材料本構模型國內研究現狀

我國針對不銹鋼結構的研究起步較晚，但近些年來也有一些研究成果。下面著重介紹國內學者對不銹鋼材料本構模型的研究狀況：陳駒等[12]在高溫作用下對不銹鋼材料進行力學試驗，得到了相關力學參數，并總結出建筑用不銹鋼材料力學性能隨溫度折減的計算公式，提出了高溫作用下不銹鋼材料的本構關系表達式。鄭寶峰等[13]對國產304牌號不銹鋼材料的平板區和轉角區進行了拉伸和壓縮力學試驗，結果顯示不銹鋼材料的力學性能受冷加工影響較大；本構模型能夠較好地擬合國產不銹鋼304材料的力學性能。王元清等[14]對國產奧氏體不銹鋼材料進行單向拉伸力學試驗。結果顯示軋制方向和焊接過程對不銹鋼材料的力學性能影響較大；試驗得到的不銹鋼的應力—應變曲線與G-N本構模型吻合較好。段文峰等[15]對不同厚度的國產奧氏體不銹鋼材料進行單向拉伸試驗，得到不銹鋼的名義應力—應變曲線，之后將試驗結果與常用的不銹鋼本構模型進行對比。朱浩川和姚諫[16]對不銹鋼材料的本構關系進行研究，結果顯示不銹鋼材料本構關系呈顯著非線性，且各向異性。最后對比研究指出，Quach本構模型與各種國產不銹鋼材料的本構吻合最好。凌玲等[17]對經過1 100 ℃高溫固溶處理后的0Cr18Ni9不銹鋼的靜態力學性能和動態力學性能進行了測量，采用JC模型擬合了不銹鋼本構關系，最后將其應用于不銹鋼切削研究模型的預測。高慶等[18，19]對國產304不銹鋼在常溫和高溫下進行非比例循環加載實驗研究，并考慮棘輪效應，然后在各向同性變形阻力下考慮溫度對不銹鋼材料特性的影響，并對材料流動特性進行分析。陳剛等[20]對高溫和動態應變時效影響下的316L不銹鋼的力學行為進行研究，試驗采用非比例加載，結果顯示不銹鋼材料有明顯的應變硬化特性，并提出了一個不銹鋼316L材料本構模型。張繼祥等[21]考慮溫度和拉伸速率的影響，對雙相不銹鋼進行拉伸實驗，得到其真實應力—應變曲線。結果顯示不銹鋼變形抗力隨應變速率的增大而增大，隨溫度的升高而減小。朱亮等[22]對奧氏體不銹鋼進行熱壓縮試驗，考慮了應變速率影響得到其流變應力—應變曲線，再采用線性回歸分析方法建立了熱變形本構方程。王萌等[23]提出了考慮循環強化作用的單軸滯回奧氏體不銹鋼本構模型，并驗證該模型其顯示能夠準確描述奧氏體不銹鋼材料的滯回行為，并將該模型應用于數值模擬，發現計算精度高且速度快。葉麗燕等[24]研究拉伸速率對SUS304不銹鋼材料本構模型的影響。結果表明，當拉伸速率對馬氏體轉變影響較大，且拉伸速率增大，材料的抗拉強度和延伸率明顯降低，但屈服強度略有增加。楊成博等[25]對比各國規范以及國內外學者所得到的不銹鋼高溫力學性能參數，指出現有規范存在的不足，認為G-N模型適用性較強，但不夠完整；而Quach模型非常完整且精度很高，可直接應用。

2 總結與展望

關于不銹鋼本構模型的研究中，國內外的學者已經取得了一定的科研成果，其為不銹鋼材料的應用奠定了基礎。但由于不銹鋼材料的多樣性，后期還需要對不銹鋼材料的本構關系進行總結和研究：1)從國內外研究現狀來看，國內學者的研究主要是基于國外學者提出的本構模型公式，在其基礎上進行拓展，因此需要更大的創新。2)各種不同的不銹鋼材料、試驗環境下得到的本構模型差異很大，在應用時需選擇謹慎，對號入座選擇適合相應應用條件的模型，才能使計算結果精度得到滿足。3)后期對不銹鋼本構模型的研究需綜合考慮各種因素的共同影響，這些因素包括不銹鋼鋼種(不同合金元素的含量)、牌號、溫度變化、試驗裝置、加載速率、加載方式和棘輪效應等。而后將得到的各種不銹鋼材料本構模型歸類總結，使研究和應用更方便。

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A brief description of the constitutive model of stainless steel★

Wang Bin Duan Wenfeng* Li Kun Zeng Mengru Han Songling

(SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China)

Based on the diversity of the stainless materials, the paper introduces the research on the constitutive model of the stainless materials at home and abroad, explores its related content of the research, and points out the stainless materials are featured with better fire resistance, durability and easy maintenance, so as to provide the further application of the materials.

stainless steel, constitutive model, ratchet wheel effect, JC model

1009-6825(2016)20-0021-03

2016-05-05★:2016吉林省大學生創新訓練項目

王 斌(1995- )，男，在讀本科生

段文峰(1968- )，男，教授

TU391

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