钢管经过冷热弯曲后材料性能

3.4.3　钢管经过冷热弯曲后材料性能

在钢管桁架结构中有时需要采用通过加工成型的曲线钢管，钢管弯曲后材料性能相对于直管有一定的变化，本节中主要讨论钢管经过冷、热弯曲后的材料性能，包括弹性模量、屈服强度、极限强度、延伸率等的变化规律及钢管经过冷热弯曲后对结构可能产生的影响。

3.4.3.1　冷、热弯钢管材性试验研究概况

为了研究冷、热弯钢管的材性，进行了冷、热弯管的基础材料的材性试验，测定其应力－应变曲线及弹性模量，以确定其屈服应力和极限应力，以便在设计时掌握钢管经过冷热弯曲后材料性能变化的影响。

试验依据《金属拉伸试验试样》（GB6397）、《金属材料室温拉伸试验方法》（GB228）的规定进行。试验中对Q235B及Q345B等两种不同材料，规格为φ219×8和φ219×14的钢管取样，取样的试样数为3个。对Q235B及Q345B等两种不同材料，规格为φ219×8和φ219×14的钢管，分别按曲率半径为300m、200m、100m进行冷、热弯曲，如图3.4.2。热弯工艺比较简单，采用的是火攻热弯。

图3.4.2　冷、热弯曲

图3.4.3　取样的部位

当钢管每弯曲到一个曲率半径时，对冷弯管自然放置一小时，然后进行取样；对热弯管自然冷却到大气温度时，进行取样。取样的部位如图3.4.3所示。取出长度为235mm的弯管后，如图3.4.4（a），即分别取自于弯管的上部受拉区和下部的受压区得到试样，图3.4.4（b），图3.4.4（c）。然后，对试样进行机加工，按规范要求刨平，制成试件，如图3.4.5。

图3.4.4　取样的过程

图3.4.5　试件

样本均做上标记，见图3.4.6、图3.4.7，试件均涂上白色底漆，热弯管试件标记号如表3.4.8，冷弯管试件标记号如表3.4.9，各为36件。另外做三组无弯曲钢管试件作为对照，标记号为11、12、13（对Q235B材料）和21、22、23（对Q345B材料）。

图3.4.6　Q235B试件

图3.4.7　Q345B试件

表3.4.8　热弯管试件标记号

表3.4.9　冷弯管试件标记号

试验在万能试验机上逐步加载至试件拉断为止。加载采用WE－30型液压式万能材料试验机，最大负荷30t。数据采集采用英国Solartron（SI 35951BIMP）Instrument数采器软硬件系统。

试验表明：

（1）在拉伸过程中出现明显屈服平台和未出现明显屈服平台的情况，其典型应力－应变曲线如图3.4.8、图3.4.9所示。

图3.4.8　有明显屈服平台的应力－应变关系曲线

图3.4.9　无明显屈服平台的应力－应变关系曲线

（2）对于弹性模量，通过对数据采集器以1s间隔连续采集的荷载、应变值进行分析，发现在加载过程中，割线弹性模量（即每一瞬时的应力－应变比值）和切线弹性模量（每隔一定时间间隔的应力－应变变化值的比值）从很小应力水平即开始缓慢下降，即使是出现明显屈服平台的时间也是这样，这可以解释为材料非线性的绝对性和线性的相对性。这里采用割线弹性模量值作为弹性模量的评价指标。

（3）屈服点的确定：

依据试件在试验过程中是否出现屈服平台提出以下两种确定屈服点的方法：

①对有明显屈服平台的试件，如图3.4.8所示，可按常规方法选取屈服点。

②对无明显屈服平台的试件，如图3.4.9所示，取应力－应变关系曲线出现明显弯折，即斜率明显下降的弯折点作为名义屈服点。以应力－应变曲线中0.002的残余应变所对应的应力值作为名义屈服点，给出应力－应变曲线，斜率明显下降时试件的应变值作为参照。模量明显下降会造成结构刚度的一定降低导致不适于继续承载。

3.4.3.2　试验结果

通过弯管材性试验发现，弯曲方法、曲率半径、取样位置对屈服点有较为明显的影响。

（1）弯曲方法对屈服点的影响

表3.4.10显示了弯曲方式对屈服点的影响。通过比较弯曲后的屈服点与直管屈服点的变化，可以发现对于Q235B材料，两种弯曲后材料的屈服点平均值比未弯曲直管屈服点分别提高5.93%、6.67%，而且都明显高于235MPa的屈服点标准值。说明钢管的弯曲提高了钢管的屈服点，这可以解释为材料发生塑性变形后的硬化现象。尽管存在试验离散的影响，热弯和冷弯钢管的平均屈服点相差在1%以内，且互有高低。对各取样部位，两种弯曲方法的差别无明显规律。可以认为两种弯曲方法对屈服点的改变是相等的。当然，这与弯曲的温度、工艺有关。

表3.4.10　弯曲方式对屈服点的影响

（2）曲率半径对屈服点的影响

屈服点随弯曲半径的减小而增大。对于Q235B材料，随曲率半径的减小，弯曲程度增加，材料的屈服点有提高的趋势。表3.4.11显示了Q235B、Q345B单向拉伸试验中取样部位对屈服点的影响。

表3.4.11－1　单向拉伸试验取样部位对屈服点的影响应力单位：MPa

表3.4.11－2　单向拉伸试验取样部位对屈服点的影响应力单位：MPa

由表3.4.11可见，对于Q235B、Q345B两种钢材，取自受压区的试件屈服点比受拉区试件平均分别高出4.94%、0.77%。从理论上讲，曲率半径愈小，这种差别愈大。从结果来看，这种趋势也有一定的体现。

（3）弹性模量

表3.4.12为两种材料弹性模量随弯曲方式、取样位置变化的试验结果。显示了单向拉伸试验弯曲方式、取样位置对弹性模量的影响。

表3.4.12－1　单向拉伸试验弯曲方式及取样位置对弹性模量的影响单位：10⁵ MPa

表3.4.12－2　单向拉伸试验弯曲方式及取样位置对弹性模量的影响单位：10⁵ MPa

弯管弹性模量的初始平均值为（1.8～1.9）×10⁵N／mm²，低于低碳钢2.06×10⁵N／mm²的平均弹性模量，表明弯曲造成试件的弹性模量下降。而且所有试件的弹性模量在试验过程中还在不断地降低；试件在加载过程中弹性模量（割线弹性模量和切线模量）始终不断下降。到达屈服时割线弹性模量平均降低至（1.0～1.2）×10⁵N／mm²，即只有原始弹性模量值的一半左右。在设计中应该考虑这部分刚度损失的影响。

（4）极限强度、延伸率

试验表明弯曲后的钢管在极限强度、延伸率方面与直管相比变化不大，这说明弯曲的影响主要存在于弹性模量和屈服点等参量，对于材料的极限性能影响不大。

（5）试件的破坏

试件断面一般位于试件中部，少数位于端部。断面一般斜交于试件轴线，断口参差不齐，颈缩明显，表现出较明显的延性。从图3.4.10可清楚地看到断裂情况。

图3.4.10　试件断裂情况

为了反映弹性模量在屈服前的变化规律，现采用曲线拟合的方法对所有试件的屈服前部分的应力－应变曲线进行多项式拟合，结果表明，二次关系式（即弹性模量的非线性变化规律）能够较好的反映应力－应变的变化规律且具有较好的精度。

图3.4.11为典型的应力－应变关系全曲线；图3.4.12中虚线为图3.4.11所示屈服之前的应力－应变关系曲线。

图3.4.11　典型应力－应变曲线

图3.4.12　屈服前的应力－应变曲线及拟合曲线

从中可明显看出弹性模量的逐渐软化，采用二次多项式对所有应力－应变关系曲线进行拟合，得到图3.4.12中实线部分及拟合公式。在弹性阶段应力－应变关系的表达式为：

对式（3.4.6）一次微分，可得弹性模量在弹性阶段的变化规律：

式中，E₀为初始弹性模量，对热弯、冷弯钢管，可分别取1.92×10⁵N／mm²、1.90×10⁵N／mm²；

ε为弹性应变；

ε_y为屈服应变，即材料在达到屈服时的应变，可取屈服应变的试验值，无试验值时，对钢材可取0.002；

α为弹性模量在弹性阶段的总降低系数，对冷弯、热弯可按表3.4.13取值；

σ、σ_y为任一应变状态下的应力和屈服应力；

E_t为切线模量。

表3.4.13　弹性模量在弹性阶段的总降低系数

考虑到工程中的实际需要，式（3.4.7）可进一步简化为：

式中的参数同式（3.4.7）。

3.4.3.3　小结

（1）钢管经过冷弯或热曲后材料性能发生明显变化，具体反映是弹性模量有所变化，屈服点有所偏离，但是极限强度和延伸率变化不大。

（2）取样位置、曲率半径、弯曲方法是材料性能变化的三个影响因素。取样位置反映试件的受拉受压情况。曲率半径的大小对材料性能是有影响的，但在试验所涉及的曲率半径范围内，曲率半径变化范围较小，变化规律不甚明显，可以认为当曲率半径在100～300m时，曲率半径对钢管材性的影响不大。当曲率半径进一步减小也就是曲率进一步增大时，应该考虑曲率半径对材料性能的影响因素。对弯曲方法，建议在工程中较多的采用热弯方法，尽可能减少冷弯方法的使用。

（3）对冷、热弯曲钢管，弹性模量的变化规律可采用公式（3.4.7）表示，弹性模量变化公式（3.4.7）可作为工程设计参考。