460 MPa 耐火鋼薄板低周疲勞試驗研究

王連慶，陳 新，王紅纓

(1.北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083; 2.北京鋼研高納科技股份有限公司，北京 100081)

0 引 言

耐火鋼是用于鋼結(jié)構(gòu)建筑或大型高層建筑中的高強度低合金工程結(jié)構(gòu)鋼，在一定條件下具有防火與抗坍塌性能，相對于普通鋼，耐火鋼具有良好的高溫耐火性，發(fā)展前景廣闊[1-2]。

在低周疲勞試驗中，由于試樣所處的應(yīng)力超過材料的屈服強度，材料進(jìn)入大變形的塑性階段，在控制應(yīng)變的方式進(jìn)行疲勞測試時，通過引伸計來控制和反饋材料的實時應(yīng)變，實現(xiàn)拉壓對稱的應(yīng)變疲勞測試[3]。對于厚度小于2.5 mm的薄板試樣，由于材料厚度很小，當(dāng)承受拉壓對稱載荷時試樣極易發(fā)生屈曲，因此在設(shè)計試樣時須考慮其承受疲勞壓載荷時的穩(wěn)定性。目前，常用3種方法防止試樣的屈曲：第一種是試樣加工成漏斗形[4]，利用徑向引伸計測量并控制徑向應(yīng)變，從而控制軸向應(yīng)變，文獻(xiàn)[4]加工成0.7 mm的薄板漏斗形試樣，通過徑向引伸計實現(xiàn)低周應(yīng)變疲勞的控制；第二種是增加一個防屈曲的裝置[5-7]，實現(xiàn)薄板的應(yīng)變疲勞的試驗，其中，文獻(xiàn)[5]利用防屈曲裝置，完成了2～3 mm鈦合金與鋁合金板狀試樣的拉壓疲勞試驗，文獻(xiàn)[6]利用防屈曲裝置，完成了厚度2.3 mm的汽車用鋼的低周應(yīng)變疲勞試驗，文獻(xiàn)[7]針對現(xiàn)有的防屈曲試驗裝置進(jìn)行了分析總結(jié)，指出防屈曲存在的問題：防屈曲裝置摩擦力的消除以及引伸計與試樣的剛性連接問題；第三種是，減小試樣直線段的長度可以有效減小試樣彎曲對試驗結(jié)果的影響，但是，當(dāng)試件試驗段的長度減小到一定程度時，傳統(tǒng)的機械引伸計受到其標(biāo)距長度的限制無法使用，這時只能依靠數(shù)字圖像相關(guān)方法，即非接觸的光學(xué)變形測量方法（DIC）[8-9]，但是DIC方法進(jìn)行應(yīng)變疲勞的控制還有一定的局限性，其加載速率必須慢到一定程度才能實現(xiàn)應(yīng)變的控制。至今為止，國內(nèi)還很少有耐火鋼薄板的低周疲勞性能相關(guān)研究。

本文以1.5 mm厚度的460 MPa耐火鋼為研究對象，設(shè)計防屈曲裝置，完成該材料的低周疲勞試驗，給出其低周疲勞性能與Manson-Coffin公式參數(shù)，并分析材料SEM斷口疲勞斷裂的微觀形貌，為460 MPa耐火鋼在工程中應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試 驗

1.1 單軸拉伸試驗

拉伸試驗材料厚度1.5 mm的460 MPa耐火鋼材，加工成圖1所示的單軸拉伸試樣，試樣直線段長度30 mm，寬度12.5 mm。試驗機采用100 kN的MTS810液壓伺服材料試驗機，引伸計為標(biāo)距25 mm的 MTS632.12C—20，測試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》[10]，拉伸應(yīng)變速率為2.5×10-4s-1。

圖1 拉伸試樣圖（單位：mm）

1.2 低周疲勞試驗

參照GB/T 26077—2010 《金屬材料疲勞試驗軸向應(yīng)變控制方法》[11]要求進(jìn)行低周疲勞試樣的設(shè)計，疲勞試樣的具體尺寸如圖2所示，試樣試驗段長度10 mm，寬度15 mm，用線切割的方法進(jìn)行試樣加工，然后對試樣進(jìn)行拋光，保證試樣表面的粗糙度最大為0.2 μm。由于試樣厚度小于2.5 mm，板狀試樣在承受循環(huán)壓載荷時，容易出現(xiàn)屈曲變形而失穩(wěn)，因此參考相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計加工了防屈曲變形的裝置，如圖3 (a)所示，在試樣與防屈曲裝置之間，加墊聚四氟乙烯膠帶，減少防屈曲裝置與試樣之間的摩擦力引起的力值上升，在任何階段由于摩擦力引起力值的上升不能超過試驗力的2%。因此，在每個試樣開始試驗之前，測試材料的彈性模量，調(diào)整防屈曲裝置的螺栓緊固力，確保每個試樣彈性模量的變化值不超過最大值的2%。圖3 (b)給出了低周疲勞測試過程中引伸計、試樣和防屈曲裝置。為保證引伸計與試樣實現(xiàn)剛性連接，設(shè)計與加工了引伸計固定連接件如圖4 (a)所示，連接件安裝在引伸計雙壁上，見圖4 (b)，通過橡皮筋使得試樣與引伸計實現(xiàn)剛性連接。

圖2 疲勞試樣圖（單位：mm）

圖3 試驗機上的試樣、引伸計與防屈曲裝置

圖4 引伸計固定連接件

試驗機采用最大載荷100 kN的MTS-810液壓伺服疲勞機，采用軸向應(yīng)變幅控制，引伸計為MTS632.29F-30，引伸計的標(biāo)距為5 mm。試驗條件：應(yīng)變比R=-1，應(yīng)變幅分別為±0.8%，±0.6%，±0.5%，±0.4%，±0.33%共5個應(yīng)變水平，波形為三角波，加載應(yīng)變速率2×10-3s-1，試驗終止條件：以穩(wěn)定循環(huán)周次的最大載荷為參考值，最大載荷下降30%，試驗終止。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

完成3個板狀試樣的拉伸試驗，圖5給出了耐火鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。460 MPa耐火鋼的拉伸試驗結(jié)果見表1。其屈服強度538 MPa，抗拉強度676 MPa，延伸率25.8%，斷面收縮率74.2%，彈性模量181 GPa，試驗結(jié)果是3個試樣的平均值。從表1的結(jié)果可看出：除了彈性模量之外，其他4個參數(shù)測量結(jié)果的變異系數(shù)均小于1%，表明試驗結(jié)果有著很好的重復(fù)性，而彈性模量的變異系數(shù)接近2%的原因在于，只用一個引伸計測量材料的彈性模量，不滿足金屬材料彈性模量試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)[12]的要求：需要雙引伸計測量彈性模量，因此，單邊引伸計方法測量彈性模量帶來較大的測量誤差。

圖5 單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 460 MPa耐火鋼拉伸試驗結(jié)果

對于沒有明顯屈服平臺材料的拉伸曲線，常采用Ramberg-Osgood 公式進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的曲線擬合[13]，擬合后的公式如下：

2.2 循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線與Masing特性

循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線是在動態(tài)載荷作用下材料的本構(gòu)關(guān)系。在低周疲勞試驗中，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)后，應(yīng)力應(yīng)變的變化趨于穩(wěn)定，依據(jù)460 MPa耐火鋼在不同應(yīng)變幅下的穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線，連接不同應(yīng)變幅遲滯回線的頂點，即得到460 MPa耐火鋼的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖6），將數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合得到的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式。

圖6 460 MPa耐火鋼循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線

為驗證460 MPa耐火鋼是否具有Masing特性，將不同應(yīng)變幅半壽命的滯后回線的最低點移至坐標(biāo)原點位置，可得到如圖7所示的不用應(yīng)變幅的滯后回線繪制在一起的圖形。從圖7可看出：不同應(yīng)變幅下的遲滯曲線上半部分基本重合在一起，表明460 MPa耐火鋼具有Masing特性。

圖7 460 MPa耐火鋼不同應(yīng)變幅滯回曲線

圖8是0.6%應(yīng)變幅的循環(huán)第一周與穩(wěn)定的600周循環(huán)回線，從圖8可看出：穩(wěn)定循環(huán)周次的峰值應(yīng)力低于第一周的峰值應(yīng)力，表明該材料是循環(huán)軟化材料，其他應(yīng)變幅的循環(huán)回線，也呈同樣的變化規(guī)律，這表明460 MPa耐火鋼在各個應(yīng)變幅下疲勞過程中，均呈現(xiàn)循環(huán)軟化的現(xiàn)象。

圖8 0.6%應(yīng)變幅滯回曲線

2.3 應(yīng)變與壽命關(guān)系

在應(yīng)變控制的低周疲勞試驗中，總應(yīng)變幅分為彈性和塑性應(yīng)變兩部分，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》[14]，疲勞壽命與應(yīng)變之間的關(guān)系式為Manson-Coffin方程。

式中：εt——總應(yīng)變；

εe和εp——彈性與塑性應(yīng)變幅；

Nf——循環(huán)次數(shù)。

按照式（3）將不同應(yīng)變幅的低周疲勞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到應(yīng)變幅（總應(yīng)變幅、彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅）與疲勞循環(huán)周次的關(guān)系曲線圖，如圖9所示。經(jīng)過回歸計算得到耐火鋼低周疲勞壽命關(guān)系式：

圖9 應(yīng)變-壽命關(guān)系曲線

2.4 疲勞斷口分析

圖10為不同應(yīng)變幅下的疲勞斷口SEM照片。從圖10 (a)和圖10 (c)中可以發(fā)現(xiàn)兩個試樣的疲勞斷口被疲勞條帶所覆蓋。一般來講，應(yīng)變幅越大，疲勞條帶越寬，疲勞條帶間距也越大。比較圖10 (a)和圖10 (c)可發(fā)現(xiàn)，0.8%應(yīng)變量試樣的疲勞間距大于0.4%的疲勞間距，其疲勞條帶間距分別為：5.32 μm和4.51 μm。此外，通過圖10 (a)和圖10 (b)的比較還可以發(fā)現(xiàn)：其試樣的疲勞斷口不僅存在著疲勞條帶還存在著輪胎壓痕，如圖10 (b)中白色箭頭所示，而疲勞斷口中出現(xiàn)輪胎壓痕意味著此疲勞為高應(yīng)力疲勞斷裂。因此，不同應(yīng)變幅的疲勞斷口的形貌進(jìn)一步說明：大應(yīng)變幅的疲勞壽命低于小應(yīng)變幅的疲勞壽命。

圖10 不同應(yīng)變幅下疲勞斷口

2.5 薄板低周疲勞試驗結(jié)果驗證

為驗證利用防屈曲裝置完成薄板低周疲勞試驗數(shù)據(jù)的有效性，在不需要防屈曲裝置條件下完成一個厚度為4 mm耐火鋼±0.5% 常規(guī)應(yīng)變疲勞試驗。圖11為4 mm標(biāo)準(zhǔn)板狀試樣與1.5 mm薄板應(yīng)變幅±0.5%低周疲勞滯回曲線圖。從圖11可看出：兩種厚度試樣的滯回曲線基本重合，而且在0.5%應(yīng)變幅下試樣厚度1.5 mm與4 mm的循環(huán)壽命分別為1 298次與1 416次，兩種厚度試樣試驗結(jié)果基本是一致的，這也證明利用防屈曲裝置完成薄板低周應(yīng)變疲勞試驗的有效性。

圖11 兩種厚度試樣0.5%應(yīng)變幅滯回曲線

3 結(jié)束語

通過設(shè)計加工防屈曲裝置，完成1.5 mm厚度460 MPa耐火鋼薄板的應(yīng)變疲勞試驗，并進(jìn)行疲勞斷口SEM照片分析，得出以下結(jié)論：

1）460 MPa耐火鋼是循環(huán)軟化材料，并且具有Masing特性。

2）得到460 MPa耐火鋼應(yīng)變幅與壽命關(guān)系Manson-Coffin方程的各個參數(shù)。

3）通過比較460 MPa耐火鋼厚度1.5 mm與4 mm試樣的低周疲勞試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)二者的試驗效果基本一致，這驗證了通過防屈曲裝置測試薄板低周疲勞試驗數(shù)據(jù)的有效性。