高强韧钢材低周疲劳试验及其微观结构研究论文题目

论文题目

高强度延展性结构钢材料的低周疲劳试验及微观组织

高强韧钢低周疲劳试验及组织

Bai, Y., Gong, Q., Zhou, X. 等。高强度延展性结构钢材料的低周疲劳试验和微观结构。低碳材料绿色建筑。2, 1 (2024)。

论文内容

金属强度与延展性的权衡是影响高性能钢材在大型工程结构中应用的主要瓶颈，难以同时满足地震作用、高低周疲劳等动载荷下的承载能力、变形和能量耗散要求。通过试验研究发现，与屈服强度为1GPa的工业化生产高强度钢（HS-S）相比，FeCrNi基高延展性钢（HD-S）由于从应变硬化到最终断裂具有优越的塑性，在疲劳过程中可以表现出明显的能量耗散特性。通过添加约5%Ni可以实现强度与延展性的平衡，获得更强的疲劳滞回性能。此外，HD-S试件在较大的塑性等幅下能更好地抵抗低周疲劳失效。本文基于疲劳过程中瞬时损伤驱动变量，提出了一种新的损伤演化规律，将材料的疲劳寿命延长至宏观结构构件（梁铰单元、折纸铰单元等）。 本文提出的方法可以建立具有理想防灾耗能能力的钢结构构件的疲劳建模与分析模型，以应用于钢结构极端施工中的疲劳设计。

拉伸试验和疲劳试验在250kN电液伺服万能试验机上进行。拉伸试验研究两种材料在循环拉伸应力作用下的拉伸性能，疲劳试验研究两种材料的疲劳性能。疲劳试验均采用应变控制模式，为避免非平面变形导致的屈曲破坏，实施了卸载速率为0.1%/s应变速率的静态疲劳加载方案。

拉伸试验结果表明：HS-S屈服应力约为1.011GPa，HD-S屈服应力约为0.633GPa，与HS-S的淬硬应力相比，HD-S在极限强度下的伸长率提高了4倍。

图1 HD-S和HS-S的拉伸性能和滞后性能：（a）应力-应变曲线；（b）滞后曲线

疲劳试验结果表明:钢材的疲劳寿命随应变幅的增加呈对数下降趋势,单位质量耗散能量随应变幅的增加而增加;在断裂方面,两种钢材的耗散能量均有所降低,且HS-S的降低更为明显。

图2 低周疲劳下失效模式对比：(a)滞后性能(b)塑性滞后能量积累(c)S-N曲线

从拉伸试样横截面的微观组织可以看出，HD-S的裂纹扩展面积比HS-S大，且HS-S具有明显的脆性裂纹痕迹。另外，与HS-S相比，HD-S的微孔尺寸更小且分布更均匀。

图3 超低周拉伸载荷下HD-S（a、c）和HS-S（b、d）的SEM断口形貌；

（e）HS-S 坑区周围化学复合材料的 EDX 图像

从疲劳试件横截面的微观组织可以看出，在相似的应变值下，HS-S试件的裂纹扩展区域更加粗糙。两种试件在II阶段的裂纹扩展均为穿晶裂纹扩展，且裂纹扩展区域以准解理断裂为主，伴有一定的二次裂纹。HD-S试件的二次裂纹密度高于HS-S试件。与HS-S试件相比，HD-S试件的韧窝更大、更深，表明其断裂韧性更强。

图4（a，c，e）应变幅为1.98εy时HD-S试样的SEM断口图像；

（b、d、f）应变幅为1.29εy时HS-S试样的SEM断裂图像；

（a、b）整体疲劳断裂；（c、d）裂纹扩展区域；（e、f）最终断裂区域

本文基于Manson-Coffin定律及集中损伤力学概念，经过一系列推导，提出了新的损伤演化规律，将材料的疲劳寿命拓展至梁铰链单元、折纸铰链单元等：

式中di为裂纹扩展阶段损伤变量，fcr为低周疲劳下裂纹萌生的临界转角。随着低周疲劳向高周疲劳转变，裂纹萌生寿命接近失效循环，表现为突然脆性断裂。

图5 裂纹扩展过程中的疲劳寿命和断裂韧性

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