低屈服强度钢疲劳性能研究

Experimental Study on Low-Yield-Strength Steel Under Cyclic Loading

摘要

对LY100、LY160和LY225三种牌号的低屈服强度钢分别进行了疲劳性能试验研究，分析应变速率对低屈服强度钢疲劳寿命、裂纹萌生和扩展周次的影响，并对断裂机理进行分析。结合现行金属消能器的相关规范，对低屈服强度钢进行循环加载试验。研究结果表明：低屈服强度钢疲劳性能优越；随着钢材牌号等级的增大，疲劳寿命略有增大；应变速率变化对材料的疲劳寿命无明显影响；低屈服强度钢疲劳断裂是韧性断裂，试件的断裂过程为众多微裂纹不断扩展至宏观裂缝，继而发生瞬时断裂；低屈服强度钢能满足金属消能器的要求，具有良好的疲劳性能。

Abstract

The fatigue properties of LY100， LY160， and LY225 low-yield-strength steels were investigated. The effects of strain rate on the fatigue life， crack initiation， and propagation cycles of these steels were examined， along with an analysis of the fracture mechanism. Cyclic loading tests were conducted in accordance with the relevant specifications for metal energy dissipators. The results indicate that the low-yield-strength steels exhibit superior fatigue performance. As the steel grade increases， the fatigue life shows a slight improvement. Variations in strain rate do not significantly affect the fatigue life of the material. The fatigue fracture of low-yield-strength steels is characterized as ductile fracture. The fracture process involves the propagation of multiple micro-cracks into macroscopic cracks， followed by instantaneous rupture. The studied steels meet the requirements for metal energy dissipators and demonstrate good fatigue performance.

Graphical abstract

关键词

低屈服强度钢 / 循环加载 / 应变速率 / 疲劳寿命 / 疲劳性能

Key words

low-yield-strength steel / cyclic loading / strain rate / fatigue life / fatigue performance

0 引 言

耗能阻尼器在地震时需要比其他结构先承受荷载作用并率先发生屈服，在塑性区内发生反复变形，靠反复载荷滞回吸收地震能量，从而起到保护主体结构和建筑安全的作用，于是阻尼器用钢在地震时需承受反复的交变荷载。作为耗能阻尼器的主要原材料，低屈服强度钢的疲劳性能就显得尤为重要。

上世纪90年代，日本新日本制铁公司率先研制出一种低屈服强度钢材^［1］。随后，多家公司采纳这一技术，纷纷开发出类似的低屈服强度钢材。我国台湾省在1997年成功生产出标号为LYS100的低屈服强度钢材^［2］。大陆地区，宝钢公司率先开展了低屈服强度钢的研究，成功研制出BLY100、BLY160、BLY225三种不同牌号的低屈服强度钢^［3］。随后，包括鞍钢在内的多家国内钢铁企业也成功生产出此类钢材。

低屈服强度钢之所以广泛应用于耗能构件，是因为其具备较低的屈服点和卓越的塑性，能在地震等自然灾害中通过塑性变形有效吸收地震能量。例如，何博等^［4］通过高温终轧及空冷的生产工艺，成功制备了160 MPa级低屈服点钢，并验证了其力学性能符合规范要求。Dusicka等^［5］对五种类型低屈服强度钢和普通钢材进行了循环加载试验，证明低屈服强度钢疲劳性能优异；杨飞等^［6］通过单调及循环加载试验，证明了国产LY160钢材具备极佳的塑性变形能力。谢彩霞等^［7］通过循环加载试验发现LYP100与普通钢材焊接后强度提高但是延性下降。王萌等^［8］通过对LYP160的循环本构模型研究发现其延性和耗能能力良好。石永久等^［9］通过试验发现LY225钢材在不同的加载制度下均表现出良好的延性。施刚等^［10-12］对国产低屈服强度钢进行了大量研究，提出了塑性应变能密度这一预测其低周疲劳寿命的重要参数。Xu等^［13］通过循环加载试验发现低屈服强度钢力学响应与普通钢有明显区别。

为了全面评估其性能，学者们通常采用单调拉伸试验和循环拉压疲劳试验来测定其单调性能及循环加载性能。研究表明，取样方向、温度和拉伸速率是影响钢材单调拉伸性能的关键因素，而长细比、应变幅、加载频率和应变比则对钢材的循环加载性能产生显著影响^［14-22］。低屈服强度钢因其优异的疲劳性能而成为耗能阻尼器的主要材料，但目前研究主要针对材料自身的疲劳性能^［23］，缺乏将低屈服强度钢与金属消能器规范相结合的方式对其力学性能进行全面系统的研究。

本文对LY100、LY160和LY225三种牌号的低屈服强度钢进行不同应变速率下的低周疲劳试验，深入探究了应变速率对低屈服强度钢疲劳寿命、裂纹萌生和扩展周次的影响，并对断裂机理进行分析。最后结合现行金属消能器规范对其进行循环加载试验，用以判断低屈服强度钢是否满足消能阻尼器的相关滞回性能要求，为低屈服强度钢在建筑结构抗震设计等领域的应用提供参考。

1 试验概况

根据规范《金属材料拉伸试验 第1部分 室温试验方法》（GB/T 228.1—2021）^［24］，采用试验机、引伸计对试件进行设计，试件尺寸如图1所示。此试验同一牌号试件均从同一板材上取材，令L代表LY100试件，M代表LY160试件，N代表LY225试件；试件平行段宽15 mm，长27 mm，厚10 mm。试验选用济南东测电液伺服动静万能试验机，引伸计标距为25 mm，见图2。

有资料表明，在地震强震持续的1min内，其对房屋建筑施加的载荷为反复的交变载荷，此时地震的最大振幅频率为1~3 Hz，并在100~200周次内即可造成建筑物的破坏^［19］。当固定应变幅不变时，应变速率与频率之间可通过如下公式进行转换：

\dot{\epsilon }=\mathrm{2}f\mathrm{\Delta }{\epsilon }_{\mathrm{t}}（1）

式中：f为频率；\mathrm{\Delta }{\epsilon }_{\mathrm{t}}为总应变范围。

试验通过应变控制加载，考虑到屈曲约束支撑（buckling-restrained brace，BRB）加载最大应变幅不超过2%，其中屈曲约束支撑L/100的变形可以满足我国抗震设计规范中罕遇地震情况下建筑结构1/50的楼层位移变形要求，因此应变幅选择所对应的1%。为了模拟地震载荷，又由于试件个数的限制，频率取1 Hz和2 Hz，对应的应变速率为4%/s和8%/s，具体加载制度如表1所示。

2 试验现象与试验结果分析

2.1　试验现象

随着试验的进行，循环次数逐渐增多，钢材会出现明显的颈缩现象，见图3。颈缩现象至试件出现裂纹的时间较长，裂纹总是先出现在试件中段的一侧，在该侧扩展连接成一条缝后不断向另一侧扩展，直至试件完全断裂，如图4所示。

试件破坏时无明显声响，截面收缩率较大，图5给出了试验过程中三种牌号低屈服强度钢的典型断口形貌，从图中可看出：试件断裂断口具有纤维状和剪切唇标记，纤维状呈现凹凸不平的宏观外貌，剪切唇形貌区域呈现倾斜断面，属于延性破坏。

2.2　试验结果分析

2.2.1　疲劳寿命分析

试件加载所得典型应力-应变曲线如图6所示，试验时由于试验机自身存在误差，加载速率较快时会出现应变幅值比输入值略大，导致试件所测应力值也略大，为保证数据的真实性，试验所得数据不做另外处理。试件在疲劳加载过程中会出现循环硬化、循环稳定、循环软化以及试件破坏4个阶段。由图6可以看出：由于试验机在速率较快时应力值偏大，因此试件的循环硬化阶段并不明显，在循环稳定时应力值接近正常水平，循环软化阶段应力值明显下降，滞回面积明显小于稳定阶段，而在试件破坏阶段每圈应力下降明显，应力应变曲线已呈不规则图形，耗能能力急速下降。

将各组试件疲劳试验所得的滞回曲线汇总于图7—图9中，部分试验引伸计夹持端因频繁加载出现了滑移的现象，为了不影响美观，只绘制试件循环软化及其之前阶段的曲线。疲劳试验所测主要内容为各试件的循环周次，引伸计的松动对所得结果不产生影响。

2.2.2　应变速率对试样低周疲劳性能的影响

将试验结果汇总于表2—表4，由表中数据可得：低屈服强度钢的循环周次均超过500周，可以起到很好的抗震作用；随着钢材牌号等级的增大，其疲劳寿命略有增长；随着应变速率的增大，低屈服强度钢材的循环周次并无明显变化，表明在应变幅一定的情况下，应变速率的提高对材料的疲劳寿命无明显影响。

2.2.3　试件内部化学元素分析

C、Si、Mn、P、S、N是钢材中常见的化学元素^［25］，选用光谱仪对每组试件的常见化学元素进行测定，进行内在机理的分析，研究低屈服点钢内在常见化学元素与疲劳性能间的关系，每组试件测试三组数据后取平均值，所得数据如表5所示。在LY100、LY160和LY225三种钢材中，随着钢材牌号等级的增大，其疲劳寿命相应也有些许增大。由表5可知，在三种牌号的低屈服强度钢中，Mn元素的含量依次为0.050 93%、0.112 28%和0.477 200%，随着钢材等级提升而提升，其他常见元素无明显规律。

2.2.4　断裂机理分析

为了进一步分析低屈服强度钢材的疲劳断裂机理，采用扫描电镜对三种牌号的钢材断口进行观察，试验在上海大学材料学院扫描电镜实验室进行。试验前需要将试件断口切割成10 mm长的小块并保证切割面平整，再将其放入烧杯中，如图10（a）所示。在烧杯中倒入酒精，而后将烧杯置于超声波清洗机中清洗，清洗完成后将烧杯中的酒精倒出，并借助吹风机将试块表面的酒精清除干净，清洗工作需重复3次，如图10（b）所示。试验机器选用德国ZEISS Sigma 300场发射扫描电镜（图11），利用Gemini镜筒对试验件进行观测。

利用操作台手动调整试块的位置，对试块进行观测，观察所得图像如图12—图14所示。

从图中可以直观看出，三种牌号的低屈服强度钢材在裂纹源区有明显的贝纹线，而在裂缝扩展区和瞬断区试件表面相对平滑；在钢材的裂缝扩展区均发现一系列密集且平行的疲劳花样，其形成原因是裂纹扩展遇到硬质点时会绕开并在新的面上扩展，在循环载荷的往复作用下就会形成这样一排条纹；三种低屈服强度钢的瞬断区表面依然存在些许韧窝，表明该区域仍然是韧性断裂。

由上图可得：裂纹首先在试件的表面形成并扩展；随着试验的进行，许多微裂纹不断扩展并连接，最终形成宏观裂缝；宏观裂纹进一步扩展，试件断口的有效承载面积逐渐减小，应力增大，当应力达到钢材的断裂极限时，试件便发生瞬时断裂。

2.2.5　应变速率对裂纹萌生及扩展周次的影响

为研究应变速率对裂纹萌生及扩展周次的影响，记录下疲劳试验中各试件裂纹萌生时与试件断裂时的循环周次，裂纹萌生周次为加载过程中试件表面出现第一道裂纹时的循环周次。裂纹扩展周次为结束周次与裂纹萌生周次之差。整理见表6—表8。

由表中数据可得：LY100、LY160和LY225裂纹萌生周次平均值分别相差6.4%、3.3%和5.2%。LY100、LY160和LY225裂纹扩展周次平均值分别相差0.4%、2.6%和1.6%。

应变速率提高后裂纹萌生周次略有减少，扩展周次无明显规律，总体而言应变速率对裂纹萌生及扩展周次无影响。

3 对比规范研究

低屈服强度钢主要应用于屈服型消能器中，根据《建筑用低屈服强度钢板》（GB/T 28905—2022）^［25］，低屈服强度钢板的抗拉强度差值最大可达100 MPa，而《建筑消能阻尼器》（JG/T 209—2012）中对金属消能器最大阻尼力的允许偏差应在产品设计值的±15%以内并要求消能器需在设计位移下循环加载30圈^［26］。消能器与低屈服强度钢材的规范要求侧重点不同，同时消能器在实际工程中设计位移并不为常量，在大应变下能否循环加载30圈尚不可知。在此背景下，按照《建筑减震消能减震技术规程》（JGJ 297—2013）中消能器的加载制度分别对LY100、LY160、LY225三种牌号的低屈服强度钢进行加载^［27］，通过试验现象与试验数据判断低屈服强度钢能否满足消能器的要求，为评估消能器的滞回能力提供相应的参考。

3.1　试验概况

三种牌号试件尺寸与上文试件保持一致，试验制度采用应变控制，以0为中心，0.4%的应变增量逐级增加，每级循环3圈一直加到应变为±2%，当应变达到2%时加载30圈后停止，加载速率为0.001/s。试件加载过程中LY160试件由于夹持端剩余长度较长发生了屈曲现象，其余表现良好，如图15所示。

3.2　试验结果分析

《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297—2013）对金属消能器与屈曲约束支撑的疲劳性能做出了明确要求。根据相应规范内容试验所得结果如图16所示。

图中滞回曲线出现波动属于正常现象，其主要原因是试验设备自身原因，采样频率偏高，以及采集采用的是引伸计，引伸计周边环境的抖动就会反馈给设备，从而导致力的抖动，该波动现象对试验最终与规范相比较所需结果不产生影响。

从图中可以看出：LY100与LY225滞回曲线非常饱满圆滑；在30圈疲劳循环中，任一个循环的滞回曲线面积与所有循环的滞回曲线面积平均值偏差在±15%内；在30圈疲劳循环中，任一个循环的最大、最小阻尼力与所有循环的最大、最小阻尼力平均值偏差在±15%内；同时可以轻易满足规范中加载30圈的要求。LY160提前发生屈曲，但是其滞回曲线依旧饱满且满足规范要求，另外加载制度2%应变幅相对于实际工程中属于较大的设计位移，综上表明低屈服强度钢作为金属消能器的主材料是没有问题的，只需注意金属消能器的使用场景以及应变幅度，从而选用合适的低屈服强度钢即可。

4 结 论

对三种牌号的低屈服强度钢进行了不同加载速率下的循环加载试验，对低屈服强度钢的疲劳寿命、断裂机理展开研究，同时考虑应变速率的影响。最后结合规范中金属阻尼器和屈曲约束支撑的疲劳性能要求对三种牌号的低屈服强度钢进行循环加载，得出以下主要结论：

（1） 低屈服强度钢在疲劳加载过程中会出现循环硬化、循环稳定、循环软化以及试件破坏4个阶段。三种低屈服强度钢的循环周次均超过500周，表明其有很好的抗震作用。

（2） 低屈服强度钢疲劳断裂是韧性断裂；众多微裂纹首先在试件表面形成，扩展后连接形成宏观裂缝；宏观裂缝再继续扩展导致试件发生瞬时断裂。

（3） 随着低屈服强度钢材牌号等级的增大，其疲劳寿命略有增长；在应变幅一定的情况下，应变速率的提高对其疲劳寿命、裂纹萌生及扩展周次无明显影响。

（4） 低屈服强度钢作为金属消能器的主材料是没有问题的，只需注意金属消能器的使用场景以及应变幅度，从而选用合适的低屈服强度钢即可。

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