不同生产工艺的500 MPa抗震钢筋高应变低周疲劳性能分析*

吕煜坤，赵雪柔，石 拓

(西安工业大学 材料与化工学院，西安 710021)

在抗震结构设计中，采用钢筋混凝土结构可以经济并有效地提高建筑物的抗震能力。强震发生时，整个建筑物构件均要承受循环交变载荷，尤其在混凝土开裂处，内部的纵向钢筋往往承受极大的拉压交变载荷并产生很高的循环应变，最终导致钢筋断裂建筑物倒塌。文献[1]认为地震中，普通钢筋的低周疲劳断裂是主要失效模式。文献[2]调查了唐山大地震，对地震中的钢筋进行检测分析发现，大多数钢筋失效断裂的主要原因是在地震载荷下的高应变低周疲劳破坏。文献研究了大量建筑物的抗震设计方法，指出建筑物材料尤其钢筋在非弹性区所承载的低周疲劳的受力特征在抗震设计中应该最先考虑到。文献[3]分析了地震载荷下钢筋混凝土柱抗震受力模型，认为整个钢筋混凝土柱均遭受一种高应变下的轴向低周疲劳载荷。工程领域的铁轨、桥梁以及吊车梁在工作时呈现出与以上研究相似的动态载荷方式，也属于高应变低周疲劳[4]。所以研究钢筋在高应变低周疲劳载荷作用下的变形及断裂行为很有必要。

近年来，500 MPa Ⅳ级别钢筋的开发得到了住建部和冶金部的大力支持与推广，因此迫切要求学者对500 MPa级热轧带肋钢筋的综合性抗震性能做出相应的评价，为我国地震设防区用钢的安全提供可靠性的依据。余热处理(Quenched and Self-Temper，QST)、微合金化(V-N Micro-Alloy，VNM)和细晶化是我国抗震钢筋主要几个生产工艺。其中，QST钢筋是表层一定的厚度形成硬的回火马氏体层，心部组织是较软的珠光体和铁素体组织，这是钢筋终轧后进行表面快速淬火，再利用心部余热传递导致表面自回火的一种工艺[5-6]。VNM是冶炼过程中添加微合金元素Nb、V和Ti等，在随后的热轧或者冷却过程，碳氮原子与添加的微合金元素结合形成细小弥散的碳氮化物析出，起到了晶粒细化和弥散强化的作用，从而提高了钢的强度[7-9]。相对于微合金化钢筋，余热处理成本较低，工艺不复杂，目前应用较为广泛。由于控制轧制精确度不高以及设备改造方面的问题，生产超细晶500 MPa级钢筋的钢厂比较少，而且细晶钢焊接性能较差的问题还未完全得到解决。因此，重点研究钒氮微合金化和余热处理两种工艺生产的500MPa级钢筋的抗震性能。动态下尤其是地震载荷下钢筋的力学行为研究较少，余热处理与细晶化钢筋的低周疲劳性能已有相关研究[10]，且对抗震钢筋的低周疲劳已经有大量研究[10-13]，但对500 MPa级别的余热处理与微合金化钢筋抗震性能对比还鲜有报道。因此，本文主要基于钢筋在地震载荷下的失效模式，试制出HRB500级别的余热处理和钒氮微合金化热轧带肋钢筋(Hot-Rolled Ribbed Bar，HRB)，这两种钢筋的静态力学性能十分接近且符合国标GB1499—2007抗震标准，通过总应变恒定控制，研究500VNM和500QST这两种钢筋的高应变低周疲劳行为。利用Coffin-Manson和Hollomon公式对统计处理后的疲劳数据结果进行拟合，提出新的抗震性能评估模型既循环韧度。对比两种钢筋的过渡疲劳寿命、循环应力应变幅、循环响应特征和循环韧度等，通过扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)分析显微组织和疲劳断裂机理，为具有良好抗震性能的钢筋生产工艺设计及选材提供依据。

1 实验材料及方法

实验所用试样规格均为∅20 mm未加工的500 MPa级别热轧带肋螺纹钢筋即HRB500，分别进行余热处理和钒氮微合金化处理，两种钢筋化学成分(质量分数w)见表1。

单向静拉伸试验按照GB1499—2007附录A有关规定进行。试验材料分为三组，分别在600 kN液压万能试验机上进行，每组测3～4根试样后求取平均值。按照GBT 15248—2008有关规定进行低周疲劳试验。考虑到余热处理钢的特殊组织状态，试样不加工。在室温下控制总应变恒定，高应变低周疲劳实验是采用Instro1342液压伺服动态拉伸试验机进行(图1)，正弦波加载，频率为0.01～0.1 Hz。试样总长d为250 mm，引伸计标距为12.5 mm(如图1所示)。

表1 钢筋化学成分

图1 轴向引伸计测量示意图

对称加载即应变比为R=-1，为了模拟地震载荷下钢筋的应变幅度，实验选择±1%，±1.5%，±1.75%和±2%的循环应变幅。为避免实验过程中试样失稳屈曲，试样的夹持长度与横截面直径的比值即纵横比应大于6[14]。最终疲劳寿命为试样疲劳断裂的循环次数(或当循环应力为开始最大循环应力的一半时的循环次数)。实验过程中的采样频率为每周100个点，通过计算机自动采集应力响应数据，保证数据采集精确度。疲劳断口在扫描电子显微镜(型号：TESCN VEGA II)上进行分析，操作电压为20 kV。

2 结果与讨论

2.1 显微组织分析

从图2可以看出，这两种热轧态钢筋的组织组成差异较大，晶粒尺寸均在10～17 μm之间，VNM钢筋组织较均匀，QST钢的外部组织是自回火马氏体，但是心部组织却是一些贝氏体，针状体素体甚至魏氏组织的综合(图2(a))，这是钢厂为了提高钢筋强度，终轧后的降温冷速过大造成的。图2(b)显示外部回火马氏体层大概有1 mm后，约占总体积的14%。由于这种钢的心部与边缘部分组织差异较大，心部的贝氏体以及针状铁素体本身的疲劳性能较差，而外层的回火马氏体更硬，心部与外层的交界处会产生应力集中，尤其是受到高应变低周疲劳载荷，导致心部与边缘软硬交界处裂纹过早萌生。500VNM组织是典型的的铁素体加珠光体，在循环载荷作用下应变均匀，裂纹萌生与扩展都较为困难。拉伸试验的结果见表2，其中Rel为屈服强度，Rm为抗拉强度，A为总延伸率，Agt为均匀延伸率，Rm/Rel为强屈比。根据GB 1499—2007的规定，500VNM钢筋符合抗震要求，500QST钢筋的均匀延伸率只有8.8%，强屈比达不到1.25%，即使静态下抗震性能指标也难以达到规定要求。

2.2 高应变低周疲劳试验结果

文中分别选择±1%，±1.5%，±1.75%，±2%作为循环应变幅。其高应变低周疲劳结果，每组实验数据为3个，寿命取平均值。疲劳试验表明，在相同应变幅和应变频率下，500VNM整体寿命高于500QST钢筋。具体实验数据如下：在±1%应变幅，0.15 Hz应变频率下，500VNM的寿命最高可达265个循环，而500QST仅为240个循环；应变幅为±15%，应变频率为0.1 Hz时，前者寿命为178个循环，后者仅153个循环；而当应变幅提高至±2.0%，应变频率降为0.02 Hz时，500QST的寿命为115个循环，略高于500VNM的92个循环,继续增加应变幅至±2.5%，在0.02 Hz应变频率下，500NVM的寿命为75个循环，比500QST钢筋高11个循环。500VNM钢筋的应变为3.5%，其在各应变范围下的疲劳寿命均大于500QST。

2.2.1 应力-应变滞后环

应力-应变滞后环是可以衡量材料高应变低周疲劳性能的重要特征曲线。图3为500VNM和500QST钢筋在高应变低周疲劳载荷下半寿命周期时的应力σ-应变ε循环滞后环。

图2 QST和VNM钢筋显微组织图

类 型Rel/MPARm/MPaA/%Agt/%Rm/RelRel/500500VNM53868026.1910.6201.261.08500QST57067519.718.8571.181.14

在循环应力-应变滞回曲线上，材料的应变包括弹性应变εe和塑性应变εp。在高应变低周疲劳时，塑性应变分量起主要作用。

由图3可以发现，当应变范围Δεt为4%时，两种材料的大部分循环变形功会以应变能的形式被材料吸收。滞后环面积越大，材料在此应变范围下所吸收的能量越高，500VNM滞后环光滑、饱满，而500QST滞后环不够饱满，且面积相对较小。余热处理钢筋高应变下的疲劳性能相对比500VNM较差。

2.2.2 循环韧度

对美国Electro地震波数据进行了采集分析，同时也研究了日本东京大地震的地震数据，发现地震波持续的时间通常为1 min以内，频率一般为1～3 Hz，而且建筑物中某些构件的最大应变可以达到6%[15]，因此，钢筋混凝土结构遭到破坏的寿命大致是地震波持续100周。这时脆性的混凝土容易倒塌，而里面韧性的钢筋在循环载荷作用下将会大量吸收地震波能量，此时整个建筑物的破坏与混凝土关系不大，而钢筋吸收和耗散地震波能量的能力将占据主导作用。因此，本文提出一个新的抗震评价标准，即采用循环韧度代表地震载荷作用下钢筋的高应变低周疲劳的能量吸收能力。循环周次为100周次时总应变能和循环应力幅的乘积即为循环韧度值E，E值充分考虑了地震载荷下循环塑性应变能和循环硬化能综合作用，其表达式为

E=σaΔεt=K[C(2N95)c+D(2N95)d]n+1/2n

(1)

式中：Δεt为总应变;σa=k(εa)n为材料的形变强化程度即Hollomon公式;K为循环硬化系数;n为循环形变硬化指数;C和D分别为疲劳强度系数和疲劳塑性系数;c和d分别为疲劳强度指数和疲劳塑性指数。根据式(1)对疲劳数据进行拟合，得到循环硬化系数K和循环硬化指数n的值。利用Coffin-Manson方程来预估材料的高应变低周疲劳寿命，表达式为

Δεt=Δεe+Δεp=C(2N95)c+D(2N95)d

(2)

Coffin-Manson方程拟合结果见表3，由表3可以看到，D和d对总应变的影响远大于C和c。根据式(2)分别对材料的弹性部分、疲劳寿命关系以及塑性部分与疲劳寿命关系进行拟合，得到两种钢的疲劳寿命关系曲线，如图4～5所示。

图4 500VNM钢高应变低周疲劳寿命拟合结果

由图4～5可以看出，两种钢筋寿命-应变的拟合度并不高，500QST拟合相关系数只有0.8左右，表明500QST钢筋循环应变不太稳定。根据拟合关系得到两种钢筋的低周疲劳寿命公式，其中500VNM的拟合公式为Δεt=0.016(2Nf)-0.14+0.697(2Nf)-0.61，500QST的拟合公式为Δεt=0.012(2Nf)-0.11+0.792(2Nf)-0.64。如前文所述，钢筋破坏的寿命大致为100周次内，将Nf=100代入式(2)中，计算出100周循环次数时所对应的总应变范围Δεt值，由于总应变幅εa=1/2Δεt，将εa代入Hollomon关系式σa=k(εa)n中，计算出σa值，即可计算出代表钢筋高应变低周疲劳载荷下循环100周次的循环韧度值σa·Δεt[10,16-17]。

循环韧度是表征材料低周疲劳性能的重要因素，500VNM钢筋循环韧度比500QST提高了3.02 J·cm-3，约为16%。VNM微合金化钢筋在动态交变载荷下表现相对较好。通过钢筋在高应变范围(Δεt=4%)时的断口来进行扫描电镜观察来研究其断裂机理，如图6所示。

图5 500QST钢高应变低周疲劳寿命拟合结果

表3 试验材料的循环韧度

高应变低周疲劳的循环应力比较大，裂纹容易形核且形核期较短。裂纹萌生只占总寿命的10%，疲劳寿命主要取决于裂纹扩展区。由图6(c)和6(d)可以看出，500QST钢由于外层的回火马氏体层较厚，高应变下大量的裂纹萌生于内外层组织的交界处，这里是应力集中区，导致众多裂纹源一起迅速扩展，疲劳试样循环寿命不高的情况下发生失稳断裂。500VNM微合金化钢中存在大量的疲劳辉纹和轮胎花样，轮胎花样容易出现在钢的高应变低周疲劳断口上，从图6(a)和6(b)可看出，500VNM钢的轮胎花样不但分布广泛，而且数量多且较深，说明每次循环消耗了大量的能量。另外，VNM微合金化后钢筋基体内会有大量纳米碳氮化钒颗粒，也会阻止疲劳裂纹的进一步扩展，裂纹尖端发生变形需要消耗大量能量。两种抗震钢筋的疲劳断口上都发现二次裂纹，所不同的是500QST的二次裂纹更深更宽，材料极容易发生脆性断裂。500VNM具有较高的抗震性能。

图6 500VNM和500QST钢筋在4%总应变范围下的疲劳断口形貌

3 结 论

1) 提出新的钢筋抗震性能预测标准即循环韧度E，E=σaΔεt=K[C(2N95)c+D(2N95)d]n+1/2n。计算得出500VNM和500QST钢筋高应变低周疲劳下的循环韧度分别为21.85 J·cm-3和18.83 J·cm-3。两种钢筋的滞后环光滑，对称性好，试验过程稳定，数据采集准确。500VNM钢筋相对于500QST钢筋滞后环面积更大，循环韧度更高，容易吸收地震载荷下的能量，延迟钢筋疲劳断裂。

2) 金相和扫描分析表明，500QST钢由于心部与边缘部分组织差异较大，尤其是受到高应变低周疲劳载荷，心部的贝氏体以及针状铁素体本身的疲劳性能较差，而外层的回火马氏体更硬，心部与外层的交界处会产生应力集中导致心部与边缘软硬交界处疲劳裂纹过早萌生。500VNM钢的疲劳断口扫描发现大量的，均匀的且较深的疲劳辉纹和轮胎花样，这些疲劳特征在形成过程中消耗了大量的能量，使得其循环加载下的寿命延长，循环应力幅和应变幅都增大，循环韧度值增高。