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技術(shù)文章

不銹鋼復(fù)合材料的力學(xué)性能和應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)

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研究背景

不銹鋼包層鋼是一種通過(guò)冶金結(jié)合技術(shù)(如軋制包覆、爆炸焊接)將不銹鋼(304)與碳鋼(Q235)復(fù)合而成的層狀材料,兼具兩者的優(yōu)勢(shì)(如耐腐蝕性、高強(qiáng)度),同時(shí)降低合金元素消耗和成本。然而,其力學(xué)性能(如應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)、斷裂機(jī)制)及現(xiàn)有本構(gòu)模型的適用性尚未充分研究,制約了其在工程中的應(yīng)用。

研究方法

1. 理論分析:

基于層合板力學(xué)模型,推導(dǎo)復(fù)合材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度等參數(shù),驗(yàn)證混合規(guī)則(Mixture Rule)的適用性。

2. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試:

化學(xué)組成測(cè)試:通過(guò)光譜儀驗(yàn)證基材(Q235)與包覆層(304)的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)。

拉伸試驗(yàn):制備12組復(fù)合鋼、6組不銹鋼、6組碳鋼試樣,測(cè)試其彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度及延伸率。

斷裂分析:掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌,分析基材與包覆層的協(xié)同斷裂機(jī)制。

3. 模型評(píng)估:

對(duì)比R-O模型、Gardner模型及Hai模型對(duì)復(fù)合鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線的擬合效果。

主要結(jié)論

力學(xué)性能:

復(fù)合鋼的彈性模量(2.00~2.15×10? N/mm2)、屈服強(qiáng)度(290~330 N/mm2)、極限強(qiáng)度(480~510 N/mm2)介于基材與包覆層之間,符合混合規(guī)則。

延伸率(約40%)顯著高于碳鋼(35%),斷裂界面無(wú)分層,表明基材與包覆層幾乎同步斷裂。

斷裂機(jī)制:斷口韌窩特征顯示基材韌窩較大且稀疏,包覆層韌窩小而密集,界面剪切應(yīng)力差異導(dǎo)致非對(duì)稱頸縮。

本構(gòu)模型:Hai模型(基于Mirambell模型修正)在彈性、屈服及強(qiáng)化階段均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合最佳;R-O和Gardner模型在強(qiáng)化階段預(yù)測(cè)偏差較大。

模型修正:提出復(fù)合鋼極限強(qiáng)度計(jì)算公式:

其中β為包覆層厚度占比。

本文創(chuàng)新點(diǎn)

系統(tǒng)揭示了304+Q235復(fù)合鋼的力學(xué)行為,驗(yàn)證混合規(guī)則對(duì)其彈性模量、強(qiáng)度的適用性。

通過(guò)SEM分析提出復(fù)合鋼斷裂的協(xié)同機(jī)制,修正了極限應(yīng)變計(jì)算公式。

對(duì)比評(píng)估多種本構(gòu)模型,為復(fù)合鋼的工程建模提供理論支持。

寫(xiě)在最后:

復(fù)合鋼通過(guò)材料協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了性能互補(bǔ),但其力學(xué)響應(yīng)受界面強(qiáng)度、應(yīng)變硬化差異的顯著影響。實(shí)驗(yàn)與模型的結(jié)合是理解其復(fù)雜行為的關(guān)鍵。

展望:

多尺度研究:結(jié)合微觀界面結(jié)構(gòu)(如晶粒取向、殘余應(yīng)力)與宏觀力學(xué)行為,深化斷裂機(jī)制理解。

復(fù)雜工況:研究復(fù)合鋼在循環(huán)荷載、高溫或腐蝕環(huán)境下的疲勞與耐久性。

優(yōu)化設(shè)計(jì):探索不同復(fù)合比例(β)對(duì)性能的影響規(guī)律,為工程選材提供更精細(xì)的指導(dǎo)。

智能模型:開(kāi)發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的本構(gòu)模型,提升對(duì)非線性強(qiáng)化階段的預(yù)測(cè)精度。

文獻(xiàn)來(lái)源:Journal of Constructional Steel ResearchDOI: 10.1016/j.jcsr.2024.109261


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