点蚀效应下超强钢丝疲劳损伤演化及寿命预测

主缆作为悬索桥不可更换的关键承重构件,其钢丝的疲劳寿命将直接影响桥梁的安全性和耐久性。由于主缆通常暴露于侵蚀环境中,往往会产生不同形式的腐蚀效应,其中点蚀是一种破坏力强且十分典型的腐蚀损伤,通常会成为疲劳裂纹萌生的初始点,从而显著降低构件的疲劳寿命。为研究点蚀效应对超高强钢丝疲劳性能的影响,采用能反映腐蚀电化学机理的元胞自动机模型模拟点蚀复杂形成过程,并基于盐雾试验标定演化参数,获得超高强钢丝的表面点蚀坑模型;在ABAQUS中开发基于连续损伤力学的UMAT子程序,实现腐蚀钢丝的疲劳损伤演化与寿命预测,揭示腐蚀程度、蚀坑形状参数对超高强钢丝的损伤演化规律和疲劳寿命的影响。结果表明:采用元胞自动机方法能够准确模拟钢丝点蚀过程,生成的模型可以很好地展现真实的蚀坑形态和特征;在蚀坑处最早出现损伤,前中期损伤速率较慢,后期发展迅速;随着疲劳荷载的加载,蚀坑处会发生应力重分布现象,蚀坑底部的应力逐渐降低,周边应力反而增加;在元胞自动机中以质量损失率表征钢丝腐蚀程度,当钢丝的质量损失率从0.1%增加到0.25%时,其疲劳寿命减少约36.8%;点蚀坑的深宽比越大,形状越尖锐,钢丝越容易发生疲劳破坏。研究结果可为腐蚀环境下超高强钢丝的疲劳寿命评估和提高桥梁的耐久性提供参考。

高强钢管超高性能混凝土界面黏结滑移性能试验

目的为了研究高强钢管超高性能混凝土的黏结滑移性能,方法考虑径厚比、长径比和钢纤维掺量3个参数的影响,设计并制作15根构件进行试验研究,通过推出试验,得到轴向荷载与加载端位移的荷载-位移曲线,以及高强钢管与超高性能混凝土之间的黏结强度,根据试验结果,对影响黏结强度的参数进行定性定量分析。结果结果表明:随着高强钢管长径比和径厚比的增加,黏结强度减小;随着钢纤维掺量增加,试件黏结强度先增加后减小,即当钢纤维掺量从1%增加到2%时,黏结强度增加,但当钢纤维掺量从2%增加到3%时,黏结强度反而降低;试件荷载-滑移曲线表现为两种形式,一是有明显的峰值点,峰值点后曲线急速下降(部分出现尾部上升的现象),二是曲线无明显峰值点,拐点后曲线持续缓慢增长。高强钢管超高性能混凝土的黏结破坏分为黏结阶段、滑动阶段和抗摩擦阶段。结论以长径比、径厚比、含钢率和套箍系数为参数,结合试验数据并对其进行回归分析,得到适用于高强钢管超高性能混凝土黏结强度的计算模型,并将计算结果与试验结果进行对比,计算值与试验值吻合较好,可为实际工程提供一定参考。

高强钢管超高性能混凝土短柱轴压承载力性能试验研究

为研究高强钢管内填超高性能混凝土(UHPC)的钢管混凝土短柱轴压性能,该文设计22根高强钢管UHPC短柱进行轴压试验,从破坏模式、荷载-纵向应变关系对试件的轴压性能进行对比分析,旨在通过径厚比、混凝土强度、截面类型等变化来探究高强钢管UHPC短柱的实际承载力性能差异.试验结果表明:高强钢管UHPC短柱的轴压性能受径厚比、混凝土强度影响较大;试件承载力随钢管壁厚增加而增加,但相同钢管直径和不同钢管直径增幅呈现不同规律.该文从延性、核心混凝土强度提高程度两个角度进行分析并提出高强钢管混凝土试件的相关参数设计建议.最后,将高强钢管UHPC短柱的轴压试验承载力结果与国内外规范GB 50936—2014、AIJ计算承载力结果进行对比,并基于极限平衡理论推导出高强圆钢管UHPC试件的轴压承载力计算公式,同时结合该文试验数据对其进行验证,证明了公式的准确性.

航空超高强度钢表面防护技术的研究进展

超高强度钢同时具有高强度和高韧性,是航空航天领域的重要承载构件,在飞机起落架、主梁、传动件、承力螺栓等领域有着广泛的应用。由于其使用时经常暴露在海洋大气环境下,腐蚀现象比较严重,通过对其进行表面保护,可以有效地改善其耐蚀、耐磨等性能,延长相关零件的使用寿命。针对目前常用的几种表面防护技术(热喷涂、真空镀、电镀、化学镀、表面组织转化、激光熔覆、离子注入等),综述了这些表面防护方法对不同超高强度钢耐磨、耐蚀、氢脆、疲劳等方面的影响,分析了这些防护方法的优缺点,并对其今后的发展方向进行了展望。

焊丝成分对超高强装甲钢焊接接头组织与性能的影响

利用气体保护电弧焊工艺完成了4.5 mm和9.0 mm超高强装甲钢的焊接,研究了焊丝(MG70S-6和ER307Si焊丝)成分对接头组织与性能的影响,通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)等表征方法对焊接接头各区域进行微观组织和物相结构的分析,并测试了接头的硬度分布、拉伸性能和冲击韧性。结果表明,焊接接头成形质量良好,无明显未熔合、气孔、裂纹等缺陷,焊缝区组织为片状马氏体、针状铁素体和少量粒状贝氏体,完全淬火区组织为马氏体和贝氏体,不完全淬火区组织为马氏体和铁素体,回火区析出网状渗碳体。焊接接头的热影响区软化现象较为明显,接头难以达到与母材等强,断裂主要发生在焊缝区,呈现出脆性断裂特征。采用ER307Si焊丝焊接的9.0 mm装甲钢接头的焊缝室温冲击功达到94 J,完全满足使用要求。

高强型钢超高性能混凝土短柱轴压性能试验及其有限元分析

为研究高强型钢超高性能混凝土短柱的轴压性能,对试件进行了轴心受压试验,设计参数包括配钢率、箍筋间距和箍筋形式。观察了试件的轴压破坏过程,获得了破坏形态及轴向荷载-位移曲线,分析了承载能力、变形能力、刚度等轴压性能指标,以及超高性能混凝土、纵筋、箍筋和型钢的应变发展规律。在试验研究基础上,采用ABAQUS建立了高强型钢超高性能混凝土短柱轴压性能有限元分析模型,计算结果与试验结果吻合较好,进而进行了参数分析。结果表明:试件发生的是典型轴压破坏,中部表面出现“锯齿形”裂缝;轴向荷载-位移曲线会出现2次荷载峰值;箍筋间距减小时,试件的承载能力和变形能力均提高,但刚度退化速率没有显著变化;配钢率增大时,试件的承载能力提高,变形能力先增大后减小,刚度退化变缓;型钢强度增大时,试件的承载能力和变形能力均提高,提高速度先快后慢;超高性能混凝土抗压强度增大时,试件的承载能力提高,变形能力降低;超高性能混凝土受拉能够达到峰值应变;纵筋在极限点之前发生受压屈服;箍筋在极限点时应变不足屈服应变的1/3,但在破坏点前达到受拉屈服;型钢翼缘在极限点前后发生屈服,腹板屈服晚于翼缘。

新型汽车覆盖件钢板性能研究

UF340作为一种新型超细晶高强钢,在汽车外覆盖件的应用上具有替代HC180BD的潜力,研究了UF340力学性能和成形性能。结果表明,在塑性、加工硬化指数和各向异性方面,UF340与HC180BD具有相似的力学性能,与HC180BD相比UF340没有明显的烘烤硬化性,2种材料的成形性能基本一致。通过Keeler模型计算获得UF340的成形极限曲线与成形试验结果存在一定差异,采用线性分段拟合方式获得的成形极限图与试验结果吻合度更高,采用该方法获得的成形极限曲线可为新材料的成形应用提供参考。

微量稀土元素对冷成型超高强度汽车钢组织性能的影响

随着新能源汽车产销量的快速崛起,超高强度汽车钢的需求量越来越大。而超高强度汽车钢冷成型过程中的回弹和变形开裂问题成为制约超高强度汽车钢应用的主要因素。因此,开发一种强度高且成型性能优良的汽车钢具有实际应用价值,市场潜力巨大。许多研究发现,在汽车钢中加入稀土元素可以提高其综合性能。文章设计了两组成分方案,采用相同的逆相变退火(ART)工艺参数,通过拉伸试验、扫描电镜以及XRD等手段研究了稀土元素对冷成型超高强度汽车钢的组织性能影响机制。结果表明,在ART退火工艺下,试验钢微观组织均为马氏体、残余奥氏体和微量铁素体,但两种成分方案中添加稀土试验钢的残余奥氏体含量略高于不含稀土试验钢,为后续成型过程中的TRIP效应提供了组织基础。在800℃淬火保温5 min,随后645℃退火保温15 min的最佳热处理工艺参数下,方案一中含稀土试验钢的残余奥氏体含量比不含稀土的提高了8.1%,断后伸长率提高了21.8%,强塑积提高了17.2%,达到了28.47 GPa·%;方案二中含稀土试验钢残余奥氏体含量比不含稀土的提高4%,断后伸长率提高了2.8%,强塑积提高了5.1%,达到了34.8 GPa·%,说明添加稀土元素可以不同程度地改善超高强度汽车钢的综合性能。

UHPC抗冲击性能的试验研究

抗冲击性能是混凝土结构重要技术特征。针对超高性能混凝土(UHPC)抗冲击性能,采用不同掺量的钢纤维和橡胶颗粒,试验研究了钢纤维和橡胶掺量对UHPC的工作性能、强度和抗冲击性能的影响,并对钢纤维和橡胶颗粒掺量对UHPC的影响机理进行了分析。试验研究结果表明:随着钢纤维掺量的增加,UHPC的坍落度和扩展度均不断降低,含气量增大,强度和抗冲击性能明显增大,钢纤维可有效提高UHPC的抗冲击性能,掺量宜控制在3%之内;随着橡胶颗粒掺量的增加,UHPC的抗压强度不断降低,但坍落度、扩展度、抗折强度及抗冲击性能呈现先增大后降低趋势,掺入适量的橡胶颗粒可有效提高UHPC的抗折强度和抗冲击性能,掺量宜控制在10%之内。通过采用钢纤维和橡胶颗粒,可配制出抗冲击性能良好的UHPC。

3 GPa超高强度马氏体时效钢组织性能

航空航天系统的小型化、轻量化发展趋势对动力轴材料的强塑性提出了更高的要求。为了开发3 GPa级的马氏体时效钢,设计一种高Co、Ni、Mo的马氏体时效钢,其成分为14Ni-15Co-9Mo-0.86Ti-0.35Al-Fe。通过锻比大于10的高温大塑性变形尽可能细化晶粒,并结合预拉伸变形及深冷+时效的热处理工艺调控,实验钢抗拉强度达到3.076 GPa,断后伸长率5.5%,表现出了优异的强塑性。通过对其显微组织进行分析表征,发现其基体组织为高位错密度的板条马氏体结构,平均晶粒尺寸为0.47μm。透射电镜及3DAP结果表明,基体中分布着大量的Ni3(Mo,Ti),析出相平均直径为6~7 nm。析出强化、细晶强化及位错强化是其主要的强化机制,保证了合金超过3 GPa的超高强度,同时极细的亚微米级晶粒保证了材料良好的塑性。

1180 MPa级超高强钢冷连轧过程的厚度综合控制技术

针对超高强钢在冷轧过程中厚度波动大以及带头带尾厚度超差的问题,首先根据金属秒流量模型建立了厚度超差预测模型与辊缝调节量预估模型;随后开发了轧制过程中的厚度控制系统,并进行了辊缝调节量优化;最后建立了带钢头尾轧制过程中的轧制速度与张力优化模型。以国内某冷连轧机组的第1机架为技术应用对象,选择两种典型的超高强钢进行生产测试,测试结果表明:超高强钢AR4146E1与DU6220A1的厚度超差长度分别从70.3 m、36.89 m下降到了16.85 m、16.33 m。

超高强度不锈钢10Cr13Co13Mo5Ni3W1VE微观组织对局部腐蚀行为的影响

采用未时效、200、400℃以及500℃时效状态下10Cr13Co13Mo5Ni3W1VE(S280)马氏体超高强度不锈钢为研究对象,通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、背散射电子衍射(EBSD)等测试方法,结合电化学测试手段与X射线光电子能谱仪(XPS)测试,分析S280的微观组织结构特征演变与钝化膜结构成分与耐蚀性能,研究钝化膜稳定性特征与材料微观组织结构的关系。结果表明:500℃时效温度下的S280钢有细小弥散的富含Cr,Mo元素的析出相,分布在马氏体板条中。随着时效温度升高,无明显的残余奥氏体及逆转变奥氏体析出。在成膜电位(0.1~0.85 V)下,S280钝化膜在pH=8.5的硼酸盐缓冲液中呈p型半导体性质,表现为双层膜结构,外部由疏松多孔的Fe/Cr氢氧化物组成,内层由致密的Cr/Fe氧化物构成,其成分主要是Cr_(2)O_(3)。通过电化学阻抗测试结合Mott-Schottky分析,探明S280在200℃时效下耐蚀性最好,其耐蚀性能由晶界取向特性与沉淀相导致的元素偏析共同影响。

焊接热循环峰值温度对1000 MPa级超高强钢热影响区组织性能的影响

为研究1 000 MPa级超高强钢焊接热影响区(HAZ)不同区域的组织性能,采用焊接热模拟技术制备了试验钢在不同热循环峰值温度下的试样,通过夏比冲击试验研究了HAZ不同区域的冲击韧性。结果表明:在亚临界区(SCHAZ)、临界区(ICHAZ)和细晶区(FGHAZ),样品冲击吸收能量、裂纹扩展能量和动态冲击韧度较大,断口上形成较大面积的脚跟形纤维区和剪切唇,微观可看到大小不一的韧窝,样品冲击韧性较好;在粗晶区(CGHAZ),样品各项冲击数据均急剧下降,断口呈宏观脆性断裂,几乎全为放射区,微观下显示准解理断裂特征,表明裂纹扩展时受到的阻力减小,裂纹萌生后稳定扩展的时间减少,失稳扩展较快,样品的冲击韧性恶化,CGHAZ为HAZ中的韧性谷区;组织分析表明,粗大的晶粒和粗大的马氏体板条是导致CGHAZ脆化的主要原因。该结论为探究1 000 MPa级超高强钢在水电工程中的优选研制及工程应用奠定了理论基础。

柱脚设角钢的高强钢棒混凝土方柱抗震性能研究

以低粘高强钢棒作为主筋的混凝土柱,能在直至大变形阶段均具有稳定增长的承载力和较小的残余变形,有良好的自复位性能,但耗能能力较延性柱弱。该研究在高强钢棒混凝土方柱的柱脚配置角钢,在保证高强钢棒混凝土柱良好自复位性能的基础上提高其水平承载力和耗能能力。设计并制作了4根柱脚配置角钢和1根无角钢的高强钢棒混凝土方柱,进行低周往复加载试验,研究柱脚有无角钢、角钢厚度和轴压比、剪跨比对柱水平承载力、残余变形和耗能能力的影响。试验结果表明:所有高强钢棒柱加载直至位移角4%仍保持持续增长的承载力,加载位移角为2%和4%时的残余位移角分别在0.5%和1%以内,构件可修复概率分别能达100%和50%;与无角钢柱相比,相同轴压比的柱脚配置角钢的混凝土柱受弯承载力提升率达47%,单循环耗能提升最大达94%,累积耗能提升达24%;随着剪跨比的增加,试验柱的承载力下降;随角钢厚度的增大,承载力提升率增大,而耗能提升率减小。

超高强钢U形件热冲压的NSGA-Ⅱ多目标优化方法

为了减小超高强钢U形件热冲压成形的回弹角和生产周期,提出了基于二元耦合选择NSGA-Ⅱ算法的多目标优化方法。介绍了超高强钢温度和微观组织随热冲压成形过程的变化情况,以减小成形回弹角和冲压周期为目标建立了多目标优化模型,选择了坯料初始温度、冲压速度、保压压强作为优化的试验因素。在优化空间中随机抽取了50组采样点,根据试验得到了试验指标参数值。使用单个自适应神经元网络对试验指标和试验因素间的模型进行了回归,提出了二元耦合选择NSGA-Ⅱ算法进行优化模型求解。对优化后的参数组合进行生产验证,优化后回弹角均值比厂家产品减小了27.59%,单件的生产周期减小了3.52%,且回弹角和生产周期的标准差略有减小,说明优化后的生产质量、生产效率、生产稳定性均有所提高。

高强钢筋超高性能混凝土框架结构易损性分析

为了研究高强钢筋超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)结构的抗震能力,本文选取了8条地震动分别对普通钢筋混凝土框架结构(模型Frame-C)和高强钢筋UHPC框架结构(模型Frame-UHPC)进行了增量动力分析,分别以最大层间位移角和谱加速度为结构需求参数和地震动强度参数,拟合出概率地震需求模型,进而计算出2个模型的地震易损性曲线,得到了结构的风险预测和损伤评估结果。研究结果表明:规范性态点下,相较于模型Frame-C,模型Frame-UHPC达到最大中等破坏或严重破坏状态概率时所对应的地震动强度更大,表明模型Frame-UHPC在强震作用下具有更好的抗震能力;小震作用下,模型Frame-UHPC的易损性指数明显小于模型Frame-C,体现了高强钢筋UHPC结构的高强优势。当使用规范性态点时,2个模型在中震和大震作用下的易损性指数相差较小,模型Frame-UHPC不能充分发挥UHPC和高强钢筋的材料优势。通过对文献中配筋UHPC柱数据整理分析,给出了适用于模型Frame-UHPC的建议性态点。与规范性态点相比,建议性态点下模型Frame-UHPC达到极限状态的概率更低,易损性指数也明显减小,小震和中震所应对的易损性指数分别减小了19.5%和42.3%,模型Frame-UHPC在建议性态点下可以更好地发挥其材料优势。

Nb微合金化对Cr-Co-Ni-Mo系超高强度不锈钢腐蚀疲劳性能的影响

为探讨超高强度不锈钢的应力腐蚀开裂行为,采用Cr-Co-Ni-Mo系超高强度不锈钢为研究对象,利用OM、XRD、TEM等测试手段,结合腐蚀疲劳试验,研究了Nb微合金化对Cr-Co-Ni-Mo系超高强度不锈钢腐蚀疲劳性能的影响。结果表明,试验钢在3.5%NaCl溶液中具有一定的应力腐蚀敏感性,其应力腐蚀开裂机理为氢致开裂和阳极溶解的混合机制。Nb微合金化提高了钢的腐蚀疲劳性能,钢中添加0.11%的Nb后,钢的腐蚀疲劳强度由440 MPa提高至495 MPa,其主要原因是,Nb微合金化可以细化钢的晶粒尺寸,促进钢中不可逆氢陷阱NbC的析出,增加了钢中原奥氏体晶界总量、小角晶界所占比例、Σ3晶界数量、奥氏体体积分数等。

激光热处理对超高强度钢扩孔性能的影响

针对DP1180和MS1500两种超高强度钢,采用不同激光工艺参数对拉伸试样进行了激光热处理,通过基于数字图像相关(DIC)技术的单向拉伸实验和显微硬度测试获得激光热处理试样的力学性能并确定了最优激光热处理工艺参数。基于该参数对扩孔试样进行了激光热处理和扩孔实验,研究了激光热处理对两种超高强度钢扩孔性能的影响。结果表明,激光热处理后两种超高强度钢的扩孔性能均显著提升。DP1180在激光功率700 W、扫描速度5 mm·s^(-1)热处理后的扩孔率较基材增加约25.4%。MS1500在激光功率625 W、扫描速度5 mm·s^(-1)热处理后的扩孔率较基材增加约34.4%。

超高强钢薄带温轧变形区温度场的模拟研究

超高强钢薄带温轧过程中变形区出口温度的精确预测是轧制工艺制定及过程温度控制的关键。本文利用Deform-3D数值模拟软件对超高强钢薄带的温轧过程进行模拟,分析了轧件入口温度、轧辊表面温度、轧制速度、压下率以及摩擦系数对变形区出口温度的影响,通过回归分析建立了变形区温度场的数学模型。结果表明,该温度场数学模型计算结果与模拟结果的误差在±11.5℃内,能够反映各温轧工艺参数对变形区出口温度的影响规律。

适用于超高强钢丝缆索的新型主缆锚具设计研究

随着悬索桥跨径的增大,主缆钢丝的强度等级不断提高,对锚具的合理设计也提出了更高的要求。本文对主缆锚具的现有设计方法进行了介绍。基于2200 MPa级超高强钢丝缆索,对主缆锚具的材料、结构形式与外形尺寸开展初步设计,提出了新型主缆锚具的设计方案。采用有限元方法建立锚具的精细有限元模型,对设计方案的受力性能进行了数值模拟与参数分析。结果表明新型主缆锚具受力合理,设计方案可行,锚具壁厚、摩擦系数对锚具应力水平的影响最为明显,并据此提出了锚具的建议优化设计方向。