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

研究背景

不銹鋼包層鋼是一種通過冶金結(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。

寫在最后：

復(fù)合鋼通過材料協(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)來源：Journal of Constructional Steel ResearchDOI: 10.1016/j.jcsr.2024.109261