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15124能材料2014年第15期(45)卷文章编号：1001-9731(2014)15-15124-05

细晶化和余热处理抗震钢筋的高应变低周疲劳行为分析

盛光敏，吕煜坤，黄振华

(重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045)

摘要：基于钢筋混凝土中钢筋在地震交变载荷下的失效模型，采用恒应变控制方式，室温下对细晶化和余热处理两种生产工艺得到的400MPa级抗震钢筋的高应变低周疲劳性能进行了研究。疲劳寿命数据用双参数威布尔统计方程处理后采用Coffin-Manson和Hollomon公式拟合。为了计算地震载荷下钢筋的能量吸收率，建立一个新的预测模型并命名为循环韧度。结果表明，相对于余热处理钢筋，细晶钢筋具有更高的循环韧度、低周疲劳寿命，以及疲劳过渡寿命。余热处理钢筋在±1%应变幅以上加速循环软化，这是由于其表层回火马氏体中二次裂纹在循环载荷下萌生并快速扩展造成的。细晶钢筋循环塑性应变均匀，裂纹开裂几率小，具有较好的高应变低周疲劳性能。

关键词：高应变低周疲劳；抗震钢筋；细晶；余热处

理；循环韧度

中图分类号：TG142.1+2文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2014.15.027

1引言

地震时建筑物的倒塌是灾害主因，采用钢筋混凝土结构是一种提高建筑物抗震能力的有效而经济的方法。地震发生时，在钢筋混凝土开裂处，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，钢筋断裂致使整个建筑物倒塌。公路桥梁，铁轨以及吊车梁在遭受这种动态载荷时断裂方式相似1]。所以研究地震载荷下钢筋的变形及破坏特征是很有必要的。Mander[2]认为地震时低周疲劳造成纵向钢筋的断裂是主要的失效模式。盛光敏[3调查了唐山大地震的失效钢筋，认为地震载荷下建筑材料的主要失效模式是高应变低周疲劳。G.W.ButcherF?指出抗震设计应该考虑材料在非弹性区的低周疲劳时的受力特征。希腊的Apostolopoulos教授[5]提出了钢筋混凝土柱在地震状态下的弯曲模型，认为这是一种高应变下的轴向低周疲劳现象。

目前我国的抗震钢筋的生产工艺主要有3种：余热处理、细晶化及微合金化。本文主要对比研究前两种工艺生产钢筋的抗震性能。余热处理工艺源自于欧

洲，它是钢筋终轧后进行快速表面淬火，再利用心部热量使表面自回火的工艺，这样表面会形成1层硬的回火马氏体层，配合较软的心部组织得到较高的力学性能。余热处理成本较低，工艺不复杂，应用较广泛。细晶钢是在近10年来研究和开发的新钢种，通过形变诱发铁素体相变(DIFT)等方法使晶粒细化，得到了良好强韧性的材料[6]。基于Coffin-Manson[7-8]公式，许多学者对细晶材料的低周疲劳性能做了一定的研究[9-10]。但是对于余热处理钢筋，尤其是余热处理钢筋与细晶钢筋的高应变低周疲劳的对比还未见报道。

本文研究了两种静态力学性能相近的余热处理和细晶钢筋的高应变低周疲劳行为。通过Coffin-Man-son和Hollonmon公式对统计处理后的疲劳数据结果进行拟合，建立一种新的低周疲劳预测模型并定义为循环韧度。对比两种钢筋的疲劳寿命、循环应力-应变幅、循环软化、循环韧度等，并通过SEM观察断口形貌并作相应的解释。

2实验

所用钢筋为商用400MPa热轧带肋钢筋，直径为16mm。两种钢筋的化学成分如表1所示，其中细晶钢筋表示为FG(finegrain),余热处理钢筋表示为QST(quenchedandself-temper)。从图1可以看到两种材料的显微组织，余热处理钢筋由硬的回火马氏体外层和较软的铁素体-珠光体心部组成。细晶钢筋组织较为均匀，晶粒明显细化到10μm以下。单向拉伸结果表明，尽管它们的静态力学性能极为相似(表2所示),但是低周疲劳参数差异较大，这表明应该从其动态力学性能方面着手研究。

表1钢筋化学成分(质量分数，%)

Table1Chemicalcompositions(wt%)

材料直径/mm

C

Si

MnPS

FG

16

0.21

0.42

1.400.0230.023

Q