Q420qd钢疲劳损伤后的力学性能试验研究

Experimental Study on Mechanical Properties of Q420qd Steel After Fatigue Damage

摘要

为评估疲劳损伤对在役钢结构静力性能的实际影响，本文以Q420qd钢为研究对象，通过预损伤与静力拉伸试验研究其性能演变。试验设计了两级应力水平与六组循环次数，对试样进行差异化预损伤。随后通过静力拉伸试验获取各组试件的力学响应，结合宏观力学参数与微观断口形貌的对比分析，揭示了疲劳损伤对材料剩余力学性能产生的影响。结果表明：随损伤加剧，材料断裂特征由韧性向脆性转变，宏观断口趋于平整，微观韧窝密度降低；静力拉伸曲线中的屈服平台显著缩短甚至消失；值得注意的是，各损伤试件的屈服强度与弹性模量较未损伤状态均呈现整体轻微提升，且数据离散性小，不同损伤度下试件屈服强度平均值差距均在3.1%范围内，而抗拉强度与伸长率保持稳定。研究表明，预疲劳损伤主要改变了Q420qd钢的屈服阶段力学行为，该结论可为含损伤桥梁钢结构的剩余静力性能评估提供直接依据。

Abstract

To evaluate the practical impact of fatigue damage on the static performance of in-service steel structures， this study focuses on Q420qd steel and investigates its performance evolution through pre-damage and static tensile tests. The experiment was designed with two stress levels and six groups of cyclic loading cycles to apply differentiated pre-damage to the specimens. Subsequently， static tensile tests were conducted to obtain the mechanical responses of each group of specimens. By comparing macroscopic mechanical parameters and microscopic fracture morphology， the influence of fatigue damage on the residual mechanical properties of the material was revealed. The results show that as the damage intensifies， the fracture characteristics of the material transition from ductile to brittle， with the macroscopic fracture surface becoming flatter and the density of microscopic dimples decreasing. The yield plateau in the static tensile curve shortens significantly or even disappears. Notably， compared to the undamaged state， the yield strength and elastic modulus of the damaged specimens exhibited a slight overall increase with low data dispersion， the average differences in yield strength across various damage levels all remain within 3.1%， while the tensile strength and elongation remained stable. The study demonstrates that pre-fatigue damage primarily alters the mechanical behavior of Q420qd steel during the yield stage. This conclusion provides a direct basis for evaluating the residual static performance of bridge steel structures with existing damage.

Graphical abstract

关键词

Q420qd钢 / 疲劳损伤 / 拉伸试验 / 力学性能 / 屈服阶段

Key words

Q420qd steel / fatigue damage / tensile test / mechanical properties / yield stage

0 引 言

Q420qd钢材属于低合金高强度结构钢，其综合性能优异，兼具较高的强度、良好的低温韧性以及出色的焊接性能，被广泛应用于大跨度铁路和公路桥梁、跨海大桥等关键基础设施的建造。这些桥梁结构在整个设计寿命期内，其主要构件长期承受来自列车、车辆等移动载荷的循环应力、以及风载荷和地震载荷等动载作用。由于高强钢对疲劳裂纹的敏感性会随强度提高而显著增长，其脆性断裂的潜在风险亦相应增加^［1-2］。因此，探究Q420qd钢在长期中高周疲劳载荷作用下的性能演化规律，对评估其服役安全性与寿命至关重要。

结构承载能力与变形能力的劣化，可追溯至其金属材料在循环荷载下的性能衰退。究其本质，是荷载的往复作用导致了材料的疲劳损伤，进而诱发硬化或软化现象，致使材料本构关系发生改变。已有研究证实，疲劳损伤的累积会显著削弱金属材料的力学性能。例如，Sánchez-Santana^［3］与Wang等^［4］学者的工作表明，AISI 1045和P92钢的屈服强度与抗拉强度，均随疲劳加载周次的增加而出现明显下降。

这种由循环应力在构件中引发的性能退化，在学术与工程领域通常被定义为“预疲劳损伤”，其程度可通过屈服强度、极限强度、延展性及断口形貌等参数变化来评估^［4-5］。预疲劳损伤与材料单调力学性能退化间的关联，是评估结构完整性的核心议题，正受到广泛关注。Yuan等^［6］指出金属材料经历疲劳循环后，因循环硬化导致的局部往复塑性变形会使材料内部微观应力增大，进而引发残余强度退化；Mocko^［7］发现疲劳荷载使AISI 1045钢屈服强度上升，但断后伸长率和断面收缩率下降；吴志学^［8］研究表明45钢比例极限随预损伤增大而提高，断裂收缩率逐渐降低，但抗拉强度变化不显著；为揭示预损伤对材料性能的影响规律，Zhang等^［9］通过试验，系统评估了Q690高强钢在不同预损伤条件下的残余力学性能；Cadenas团队^［10］的研究表明，高周疲劳损伤会因材料软化/硬化行为导致静态性能出现不同程度退化。但针对Q420qd钢材预损伤后单调性能的影响机制仍需深入探究，以完善相关理论体系。

Q420qd钢材广泛应用于国内的正交异性钢桥面板结构，其基本疲劳性能与焊接后疲劳性能已被广泛研究，现有钢结构桥梁主要侧重于桥梁结构的静力强度与疲劳细节，目前，对于在役正交异性钢桥面板随疲劳损伤演化的力学性能规律，研究尚不充分。本文基于Q420qd钢的疲劳寿命试验，对试样施加不同次数的疲劳预损伤，继而通过静力拉伸试验获取其应力-应变响应与力学参数。研究旨在系统揭示疲劳损伤对该材料破坏模式及力学性能的影响机理，从而为评估带损伤钢桥面板的残余性能提供理论依据与数据支撑。

1 试验概况

1.1　试件设计

本试验所用材料为16 mm厚Q420qd钢板。试件的几何形状与尺寸严格依据《金属材料拉伸试验：第1部分 室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）^［11］进行设计，详见图1。据此测得的材料基本力学性能参数见表1。其化学成分与力学性能均符合《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591—2018）^［12］中对Q420qd钢材的技术要求。

从表1中可以看出，小试件的静力力学性能具有一定的离散性，该小试件在切割时沿板横向取样，即垂直于轧制方向，其塑性性能表现出一定的离散性，而其极限强度基本一致。

1.2　试验方案

本试验流程包含三个阶段：疲劳加载、预损伤引入和静力拉伸测试。通过对该批Q420qd钢材开展小试件疲劳试验，共计4组13个试件，其中母材1与母材2为第一批试件，母材3—母材5为第二批试件，两批试件的圆弧倒角尺寸略有不同，尺寸上有微小差异。本次试验参照GB/T 3075—2008 ^［13］执行，以获取Q420qd钢材在两级应力幅下的疲劳寿命N，为后续预损伤试验设计提供关键参数，小试件具体试验数据见表2。

图1—图2为不同批次数据的S-N曲线拟合结果，通过S-N曲线拟合，单独拟合第二批试件，得到其200万次寿命对应疲劳等级为234 MPa；拟合两批试件，得到其200万次寿命对应疲劳等级为261 MPa。因此，本次Q420qd钢材，取261MPa作为试件疲劳预损伤的第一级应力幅值，其最大应力S_max为290 MPa；第二级应力幅值以234 MPa为基准，最大应力为260 MPa。基于表1中Q420qd钢材的静力抗拉强度，设定了两级疲劳应力幅值，其最大应力S_max分别为材料抗拉强度f_u的0.39倍与0.435倍（即39% f_u与43.5% f_u），最小应力S_min则统一设定为对应S_max的10%。

疲劳试验采用应力控制模式，应力比（S_min/S_max）设定为0.1，加载波形为正弦波^［14］，频率为117 Hz。为在Q420qd高强钢试件中引入目标损伤，试验根据其疲劳寿命N及预设比例确定了具体的加载次数n，完成疲劳加载。依据Miner线性累积损伤准则^［15-16］，定义疲劳损伤度D为n与N之比，即D=n/N，各组试件的具体损伤值列于表3。完成预损伤后，对所有试件进行静力拉伸试验以获取残余力学性能参数。该阶段采用位移控制，加载速率设定为0.015/min（应变控制）^［11］。通过对比损伤与无损试件的试验结果，系统分析Q420qd钢应力-应变关系及关键力学参数随疲劳损伤的演化规律。疲劳与静力拉伸测试分别采用长春仟邦QBG-100型电磁谐振式疲劳试验机和MTS液压拉力试验机进行（图5），试验中采用引伸计采集屈服前弹性应变数据，用于准确计算弹性模量。全部试验工况汇总于表3。

2 试验结果及分析

2.1　破坏特征

图6—图8给出了不同状态下Q420钢材的拉伸断口宏观形貌。如图所示，不同疲劳损伤程度下的Q420钢材呈现出截然不同的断口形貌特征。图6为无损伤状态下试件的拉伸断口形貌，可见，该状态下试件断口韧窝数量较多，Q420钢材在塑性变形情况下，会出现较多韧窝，表明其具有较强的塑性性能。同时，该批次试件在静力拉伸破坏时，断口中央均出现了沿整个截面的裂口，具有一定的分层现象。

图7（b）展示了在260 MPa最大荷载下经历1.8×10⁶次疲劳循环后的试件断口形貌。该试件的疲劳损伤度D已达0.648，其断口截面较为平整，且韧窝数量显著减少，呈现出一定的脆性破坏特征。这一趋势在图8（b）中得到了进一步印证：该试件在290 MPa荷载下经历1.2×10⁶次循环后，断口形貌显示，随着损伤加剧，截面收缩现象更不明显，韧窝进一步稀疏，脆性特征更为显著。

2.2　应力应变曲线

通过对比图9—图11中不同损伤试件的σ-ε曲线可以观察到，无损状态下试件的力学行为存在固有分散性。无损伤试件选取整块钢板中不同位置试件进行试验，表现了不同的屈服阶段性能，表明钢板在不同位置受到轧制影响，其塑性性能具有一定的离散性。

在经历疲劳损伤后，大部分试件的屈服阶段明显变短，更快进入强化阶段，并最终破坏，说明疲劳改变了试件屈服阶段的性能。而个别试件（MF-2-3、HF-1-2、HF-3-3）在经历疲劳损伤后屈服强度仍低于其他试件，对于该特定试件而言，其屈服强度较低可能主要归因于材料本身的初始微观结构不均匀性或初始缺陷，而其所经历的特定疲劳载荷历程，在本试验观察范围内，并未进一步诱发导致宏观塑性出现明显劣化的损伤。

2.3　力学性能参数

预疲劳损伤作为材料在实际服役中常见的加载历程，可能对其后续的静力力学性能产生影响，这是评估构件安全性与耐久性的重要考量。为探究这一影响，本研究对小试件在经历固定次数的疲劳应力作用后的力学性能进行了测试，并与未损伤试件的基准性能进行对比。相关试验结果及分析详见后文及表4。

2.3.1　屈服强度

经过预疲劳的试件，其屈服强度提升，说明试件的塑性性能在预疲劳作用下发生变化。同时屈服强度基本位于530~550 MPa范围内，具有较好的归一性。无损伤试件，其屈服强度平均值为525 MPa；不同损伤度下的试件，在静力加载过程中应力幅234 MPa试件，其屈服强度平均值分别为539.3 MPa、549.5 MPa、534.7 MPa。应力幅261 MPa试件，其屈服强度平均值分别为537.0 MPa、539.3 MPa、533.3 MPa。屈服强度基本位于533~550 MPa区间内，不同损伤度下屈服强度最大差值仅为16.2 MPa，变化幅度小于3.1%，表现出明显的归一性。这表明预疲劳在材料内部形成了更均匀的位错结构，抑制了局部不均匀变形，使屈服响应更加稳定。

预疲劳损伤试件屈服强度较无损伤试件具有整体提升，表明由于微裂纹的出现，其屈服平台被压缩，同时已不具有在屈服平台中应力上下振荡的特性，说明预疲劳过程中已将材料的晶格方向统一，或认为材料中的局部提升塑性性能的不均匀物质被水弥。疲劳损伤消除了钢板在初始加工阶段由于轧制工艺造成的塑性性能差异。实际机理更接近于循环应变硬化和微观缺陷重组共同作用，使得初始冶金不均匀性被部分消除，材料在细观尺度上趋于各向同性响应。

综合上述分析，从宏观力学行为上看，经历特定循环次数的疲劳预损伤后，Q420qd钢材在静力拉伸下表现出屈服强度略有上升的现象。这一现象可能与疲劳过程中材料内部微结构的演化（如位错密度的增加或局部应力状态的改变）有关，该过程可能影响了后续的屈服行为。

2.3.2　抗拉强度

试验中无损伤试件的抗拉强度平均值为597.3 MPa；经过预疲劳的试件，其抗拉强度无明显变化。不同损伤度下的试件，应力幅234 MPa试件的抗拉强度平均值分别为598.0 MPa、592.7 MPa、598.3 MPa。应力幅261 MPa试件的抗拉强度平均值分别为598.0 MPa、596.7 MPa、605.3 MPa。不同试件的抗拉强度差距低于2.2%。

以上数据说明预疲劳损伤对于Q420qd钢材的影响主要位于屈服阶段，而不影响其抗拉性能。通过对应力应变曲线的局部精细分析，可以看出小试件的抗拉强度并未随着预疲劳损伤而发生变化，说明Q420qd钢材在承受疲劳荷载后，材料内部产生的微裂纹只影响其屈服强度，随着静力拉伸的发展，微裂纹会随着力的增加而转化为材料韧性。小试件的最终拉伸强度仍然由材料本身决定，疲劳荷载或许只是将该材料的晶格方向进行了统一，进而调整塑性阶段的性能，而并不影响其极限拉伸性能。

2.3.3　伸长率

表4中列出了Q420qd钢材在经历预疲劳损伤后的伸长率试验值。无损伤试件，其断后伸长率平均值为23.8%；不同损伤度下的试件，在静力加载过程中应力幅234 MPa试件，其断后伸长率平均值分别为24.7%、23.7%、25.3%。应力幅261 MPa试件，其断后伸长率平均值分别为25.2%、24.2%、24.5%。不同试件的抗拉强度差距低于6%。Q420qd钢材的变形能力随疲劳损伤未显示出明显的变化规律，这反映出疲劳损伤主要影响材料屈服阶段的力学性能，在进入强化阶段后则没有明显变化。

2.3.4　弹性模量

通过对经历不同损伤度的小试件进行弹性模量分析，未损伤试件的弹性模量具有明显的离散性，而在预疲劳损伤后，弹性模量同样具有归一性。无损伤试件，其弹性模量平均值为205.9 GPa；不同损伤度下的试件，在静力加载过程中应力幅234 MPa试件，其弹性模量平均值分别为213.5 GPa、222 GPa、220.3 GPa。应力幅261 MPa试件，其弹性模量平均值分别为213.5 GPa、217.6 GPa、214.9 GPa。不同损伤度下弹性模量最大差值仅为8.5 GPa，变化幅度小于4%，其整体高于无损伤试件。由于弹性模量取自规定塑性延伸强度R_p0.2，这表明疲劳损伤使材料在达到0.2%塑性变形时对应的应力基本一致，说明疲劳损伤统一了材料进入屈服阶段的时机。这一现象可能源于预疲劳对微观应力场的均匀化作用，使材料在达到相同微塑性应变时所需的外部应力趋于一致，反映了材料初始状态影响的显著降低。而已有研究中亦发现疲劳加载过程中会引起金属材料发生“软化”或“硬化”等现象^［17-19］，这对金属材料的刚度会造成一定影响。

3 结 论

（1） 预疲劳损伤使试件断口截面趋于平整，同时韧窝密度显著降低，表现出脆性破坏的典型特征。随着损伤度增加，韧窝数量呈下降趋势。

（2）疲劳损伤后Q420qd钢在静力拉伸作用下的应力-应变关系曲线屈服平台范围缩短，且屈服平台中应力上下振荡的变化明显减弱，预疲劳损伤对试件力学性能的影响，集中体现在对屈服阶段的显著改变上。

（3） Q420qd钢材在经历预疲劳损伤后，不同损伤度下试件屈服强度平均值差距均在3.1%以内，具有较高的归一性，而其屈服强度较无损伤试件具有整体提升。预疲劳损伤试件由于微裂纹的出现，其屈服平台被压缩，同时屈服平台中应力上下振荡明显减弱。

（4） 疲劳损伤对Q420qd钢材的抗拉强度和伸长率的影响无明显变化，说明疲劳损伤对Q420qd钢材进入强化阶段后的性能没有明显影响。

（5） 疲劳损伤使材料弹性模量趋于一致，而整体高于无损伤试件。这进一步表明疲劳损伤主要影响Q420qd钢材屈服阶段的性能，使材料变脆，且对其进入屈服阶段的时机影响较大。

（6） 疲劳损伤会对Q420qd钢材静力性能特别是屈服阶段性能产生影响，会缩短材料的屈服过程，这一结论可为具有不同疲劳损伤程度的Q420qd钢材的桥梁正交异性钢桥面板剩余静力性能开展评估提供参考。为准确量化疲劳损伤对Q420qd钢材静力性能的影响，有必要系统开展理论与数值分析相结合的后续研究。

（7） 本研究明确了Q420qd钢材在疲劳损伤后室温静力拉伸下塑性性能演化规律。需指出，Q420qd钢材在实际桥梁中常服役于低温环境，且构件多通过焊接连接。后续研究有必要进一步探讨：① 疲劳损伤对材料低温冲击韧性的影响；② 焊接热影响区（HAZ）在疲劳损伤作用下的力学性能演变规律是否与母材一致。相关研究对全面评估在役钢桥的剩余力学性能具有重要意义。

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