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激光熔覆增材制造316L不锈钢薄板的全范围应力-应变关系与断裂模型研究

作者及机构
本研究由Lan Kang（华南理工大学土木与交通学院、亚热带建筑科学国家重点实验室）、Cheng Zhang（同前）、Mark A. Bradford（新南威尔士大学土木与环境工程学院基础设施工程与安全中心）和Xinpei Liu（同前）合作完成，发表于2023年的《Engineering Structures》期刊（Volume 297, 116997）。

学术背景
激光熔覆（Laser Cladding, LC）是一种高效、低热输入的金属增材制造技术，近年来在土木工程中用于修复或强化受损金属结构。与传统轧制不锈钢相比，LC不锈钢薄板的应力-应变曲线呈现独特的双“膝部”特征（即两个非线性过渡区），且无明显的屈服平台。现有应力-应变模型无法准确描述这一特性，而精确的应力-应变关系和断裂模型对非线性有限元分析至关重要。因此，本研究旨在：（1）提出适用于LC 316L不锈钢薄板的简化全范围工程应力-应变模型；（2）建立其断裂模型，为极端荷载下的结构行为预测提供依据。

研究流程
1. 实验数据基础
- 研究对象：30个LC 316L不锈钢薄板拉伸试件，覆盖不同厚度（2-5 mm）、扫描模式和距基板距离的变量。
- 测试方法：通过拉伸试验获取力-位移曲线，转化为工程应力-应变曲线，并测量弹性模量（E₀）、泊松比（ν）、0.2%屈服强度（σ₀.₂）、极限强度（σᵤ）等参数（表1）。试件尺寸设计见图2。

1. 工程应力-应变模型开发

   • 问题分析：现有模型（如Ramberg-Osgood、Hill模型等）仅能描述单“膝部”行为（表2）。
     
   • 改进Hradil模型：提出三阶段修正模型（图4）：
     
     • 阶段1（0 ≤ σ ≤ σ₀.₂）：基于Ramberg-Osgood关系，参数n₀₋₀.₂通过σ₀.₂和σ₀.₀₁计算（式6）。
       
     • 阶段2（σ₀.₂ < σ ≤ σ₈.₀）：引入非线性参数n₀.₂₋₁.₀₋₈.₀（式7），确保通过1.0%和8.0%屈服点。
       
     • 阶段3（σ₈.₀ < σ ≤ σᵤ）：通过参数n₈.₀₋₂₀.₀₋ᵤ（式8）拟合20.0%屈服点至极限强度段。
       
   • 简化模型：通过回归分析（图6），提出仅需E₀、σ₀.₂、σᵤ、εᵤ四个参数的预测公式（式10-12），如σ₈.₀ = σ₀.₂ + 0.667(σᵤ - σ₀.₂)。
     

2. 断裂模型与后颈缩行为

   • 真实应力-应变曲线：颈缩前通过对数应变转换（式19-20），颈缩后采用平均权重法（式16）结合权重因子q（平均0.51）计算。
     
   • 韧性系数α：基于三参数断裂模型（式13-15），通过有限元反演分析确定α=1.37（表3）。
     
   • 有限元验证：使用ABAQUS/Explicit模拟拉伸过程（图8），C3D8R单元模拟试件，耦合损伤初始化准则（式23）。
     

主要结果
1. 模型准确性
- 改进Hradil模型的确定系数R²达0.995（表4），显著优于传统模型（如Quach模型在σ₂.₀-σ₂₀.₀段的R²仅0.483）。
- 简化模型预测的σ₁.₀、σ₈.₀、σ₂₀.₀与实验值误差小于5.3%（表5）。

1. 断裂行为
   
   • 权重因子q=0.51和α=1.37能准确预测力-位移曲线的软化阶段和断裂点（图10）。有限元模拟与实验曲线高度吻合（图3）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次提出针对LC不锈钢双“膝部”特性的应力-应变模型，填补了现有模型空白。
- 建立的断裂模型为极端荷载下结构损伤评估提供了理论工具。

1. 应用价值
   
   • 简化模型仅需四个基本参数，便于工程实践应用。
     
   • 推荐的q和α值可直接用于LC修复结构的有限元分析，提升抗震和抗倒塌设计精度。
     

研究亮点
1. 创新性方法：结合三阶段Hradil模型与平均权重法，首次实现LC不锈钢从弹性到断裂的全范围行为预测。
2. 多尺度验证：通过30组实验与多参数有限元模型系统验证了模型的普适性。
3. 工程导向：简化参数输入，显著降低复杂材料模型的应用门槛。

其他价值
研究还发现LC薄板具有准各向同性（各向异性指数<20%），为其在复杂应力状态下的应用提供了依据。数据可通过请求获取，支持后续研究。

（注：实际报告中可进一步扩展实验细节和图表引用，此处因篇幅限制有所简化。）