低屈服装钢的发展与应用

低屈服装钢的发展与应用

0结构体系和抗震设计地震是一种常发生的自然灾害，每年发生数百万次地震。我国是一个地震多发国家,已经进入第五个地震活动期。从7.6级的唐山大地震到8.0级的汶川大地震以及7.1级青海玉树地震,均造成大量的人员伤亡和财产损失。地震造成严重灾害的原因之一,是建筑物抗震性差。对于不可避免的地震灾害,人类只能从建筑结构、材料等方面采取措施,尽可能减少损失。一般说来,建筑结构可分为四类:钢结构、网架结构、钢筋混凝土结构和木结构。其中,钢结构由于其施工速度快、抗震性好等优越性而代表了当今建筑业发展的新潮流。钢材是建筑工程的骨架,骨架的抗震能力是确保建筑物安全与否的关键,因而建筑用钢的性能决定了建筑物抗震性的好坏。抗震设计主要是通过合理分配地震的惯性力和能量来减少地震对建筑结构的损害,实现抗震的目的。我国根据现有的科学水平和经济条件,对建筑抗震提出了“三个水准”的设防目标,即通常所说的“小震不坏,中震可修,大震不倒”。为保证建筑物钢结构的抗震性能,建筑用抗震钢的技术指标要求如下:1)高的抗震性能和较小的屈强比;2)较小的屈服强度波动范围;3)降低应变时效敏感性;4)低温脆性;5)高应变低周疲劳和断裂抗力;6)良好的焊接性能;7)Z向性能优良。抗震用钢在地震时承受反复的交变载荷。强震的持续时间一般在1min以内,振幅频率通常在1～3Hz,在100～200循环周次内造成建筑物的破坏,属于高应变低周(HSLC)疲劳。在地震载荷下,钢的高应变低周疲劳性能,可能是建筑结构钢抗震性能的控制因素,所以,要求抗震用钢必须具有良好的抗低周疲劳性能。1力学性能研究国外已经开展了各种抗震用钢的低周疲劳性能研究。一般把材料加工成狗骨形试样,施加轴向载荷进行试验,采用Coffin-Manson经验公式进行低周疲劳结果分析。Kuwamura的研究结果表明,低周疲劳断裂经历3个阶段:1)局部高应力应变区域的塑性裂纹萌生阶段;2)裂纹的稳定扩展阶段;3)裂纹急速扩展阶段。他还对受轴向载荷的4个等级的钢加工成的带凹槽的圆棒进行了塑性裂纹萌生试验。Mander等研究了未进行机加工的钢筋的低周疲劳行为,并用总应变幅取代塑性应变幅进行曲线拟合。Liu等曾经对方形和矩形截面A36钢进行了一系列低周疲劳行为测试。结果发现,用循环常载荷下的试验结果去预测随机荷载下的弯曲低周疲劳强度,可能会导致很大的出入。民用建筑中,低周疲劳失效往往发生在焊接部位。Seto等测试了对接焊件低周疲劳性能。Madi等从对接焊管接头处取出疲劳试样,研究寿命折减系数,对快速反应堆进行结构设计。Sakano等对梁柱节点以及桥墩基础节点进行了一系列的常应变低周疲劳试验,对焊趾附近的应变寿命关系进行了测试。由于裂纹萌生、扩展于高应变区域,随着数值分析技术的发展,已经有人提出了一些基于应变的低周疲劳研究方法。Tateishi和Hanji等开发了一个基于图像处理的系统,对焊接板材的大应变弯曲变形进行研究,并获得了母材、热影响区以及焊缝的超低周疲劳强度曲线。为了验证该强度曲线的正确性,Hanji等还测试了T形截面焊接点的低周疲劳性能,其结果吻合良好。Chi等提出了一个基于微观机理的应力修正临界应变(SMCS)方法用来推测塑性断裂的初始条件,并用带凹槽试样的三点弯曲和拉压试验对SMCS方法加以验证。Matsui等基于微观孔隙模式,研究了结构钢低周疲劳下的塑性裂纹萌生机制。研究还深入到抗震用钢的超低周疲劳(ULCF)及其微观机理中。Kanvinde等基于微观孔隙增长机理(图1),针对现存建立在经验基础上的疲劳断裂理论对于地震工程应用的局限性,对100个结构钢圆棒进行超低周疲劳性能测试,并利用有限元分析、断口分析、金相分析,研究了微观机理,建立了塑性断裂机制及模型,提出了对塑性断裂进行数值模拟的方法,并用试验结果加以验证。对于经历过几次强震的建筑物,在评估和加固时,累计损伤是必须考虑的因素,这方面的研究已经开展了一些。Kuroda提出了新的累计损伤模式,认为在ELCF中,除了裂纹扩展引起的损伤外,还应考虑延性耗竭引起的损伤,由此建立了一种预测S20C强化碳钢的超低周疲劳寿命的公式:εp,maxεf+4Νf(Δεp2εf)1a′+ΔεpΝfa′c′=1(1)式中εp,max为最大伸长塑性应变;εf为非轴向拉伸延性指数;Δεp2为塑性应变幅;a′,c′为材料常数。并用试验对该公式进行了验证。研究表明,超低周疲劳下,Manson-Coffin公式预测的疲劳寿命较实际的疲劳寿命偏高,Tateishi等对碳素钢钢板及其焊接试件的高应变超低周疲劳强度进行了测试,并提出把损伤分为延性损伤和循环损伤两部分,建立了一套基于累计损伤理论的寿命预测公式:Δεp2=ε′f(2Νf)cCmCm={(εf-Δεmaxεf-εu)-cifΔεmax>εu1.0fΔεmax≤εu(2)式中Δεmax为最大塑性应变范围;εf,c为Coffin-Manson常数;εu为纯弯曲下破坏应变门槛值。并用试验结果验证了该公式的精确性。Nip等对总计62个热轧、冷弯结构碳钢和不锈钢试件进行了应变幅高达15%的高应变超低周疲劳试验。试验表明,这三种材料具有相似的应变—寿命关系,并从能量角度,对应变—寿命关系进行了拟合。另外,还用试验数据对(1),(2)两式进行了验证。结果表明:在超低周疲劳(ELCF)下,试验值与由以上两式导出的理论值吻合良好;但对于拉伸试验结果或者疲劳寿命较高的情况,以上两式会带来较大的误差。但试验的取材均来自于板的非边角部位,冷弯板材的边角部位低周疲劳性能有待研究。最近,Masayuki对316不锈钢进行了高应变低周疲劳试验,并通过预循环,再中途移除其表面裂纹并抛光的方式研究了表面裂纹对于低周疲劳寿命的影响,进行了表面裂纹、断口电镜扫描疲劳断裂机理分析。图2是应变幅εa=6%,预循环N1=80%,Nf=22周次后试件表面电镜扫描图片。试验结果表明,影响低周疲劳寿命的因素,不仅在于表面裂纹,还在于局部损伤:内部裂纹和体损伤。除了目前广泛使用的结构抗震用抗震钢外,用于制作抗震构件的低屈服点钢(或称软钢)成为抗震用钢的一个新钢种。文献对低屈服点钢的的延展性和消能作用进行了研究。关于低屈服点钢的低周疲劳性能,鲜有报道。从上述分析可以看出,国外对于抗震用钢材料的低周、超低周疲劳性能及其微观机理的研究已经基本完成,但目前对于低屈服点钢以及抗震用钢结构的低周疲劳研究,只集中在一般低周疲劳行为,有待进一步深入。2应变低周疲劳性能研究国内对抗震用钢的低周疲劳始于20世纪80年代。重庆大学龚士弘、盛光敏、辛义德等人在高应变低周疲劳性能研究方面做了大量工作。盛光敏等还从能量的角度,导出了形如Manson-Coffin公式和Basquin公式的低周疲劳寿命预测表达式:Δεp(2Νf)15m+1=εf(2a)-15m+1σm(2Νf)m5m+1=σf(2a)-m5m+1(3)2.1低周疲劳性能与钢的材料比选在地震载荷下,钢筋的失效为高应变低周疲劳断裂。建筑抗震用钢不仅应该具有高的塑性,还需要具有一定的强度。1987年,龚士弘等对20MnSi螺纹钢筋、热轧月牙钢筋等的低周疲劳性能进行了试验。研究表明,钢的高应变低周疲劳抗力,要求强度与塑性有适当的配合,才利于地震能量的吸收。近年来,国外已开发的抗震钢都具有高的韧性和塑性,但我国目前尚无专门的抗地震用建筑结构钢,只是要求用钢的实际强度大于名义强度的1.25倍作为抗震钢的性能和显微组织要求。我国地震区建筑广泛,应用20MnSi钢,唐山地震后,重建工程多用16Mn钢。目前,我国正在大力推广应用HRB400Ⅲ级钢筋,其主要牌号为20MnSiV。1991年,盛光敏等对含钒抗震钢筋22MnSiV的高应变低周疲劳性能做了一系列试验。试验结果表明,低周疲劳抗力与钢的σb√ψ值有很好的对应关系。这表明,强度和塑性的适当配合,可提高钢的高应变低周疲劳性能。保持一定的σb√ψ值,适当限制强度,提高塑性可吸收较高的地震能量,从而具有较高的抗震性能。1995年,龚士弘等研究表明:根据强震频率和持续时间,在大约100周左右,是最容易发生建筑物破坏的阶段。疲劳寿命Nf=100时的σaΔεt值愈大,则疲劳抗力愈大,吸收地震能量的能力就愈大,抗震性能就愈高。2003年,秦斌等以ϕ25mm和ϕ32mm两种规格20MnSiVHRB400钢筋的高应变低周疲劳性能进行了研究。用Basquin公式和Manson-Coffin公式分别对弹性应变、塑性应变与疲劳寿命之间的关系进行拟合,得到总应变与寿命的关系:ϕ25mm:Δεt=0.015(2Νf)-0.131+1.128(2Νf)-0.589ϕ32mm:Δεt=0.009(2Νf)-0.034+0.858(2Νf)-0.533(4)以上两式中等号右边第一项为高应变低周疲劳的弹性应变,第二项为塑性应变。因为塑性应变Δεp占总应变Δεt的绝大部分,所以,塑性应变是影响疲劳寿命的主要因素。钢的强度、塑性、韧性与疲劳寿命的关系如图3所示。三者的循环应变范围(Δεt/2)—疲劳寿命(2Nf)关系曲线有一个大致相同的交点。交点的疲劳寿命大致为103～104周,交点的应变范围大致为0.01。疲劳寿命增加,强度的作用愈来愈大,韧性与延性的作用相对愈来愈小。研究表明,发生强震时,疲劳寿命远低于103周,应变范围远大于0.01。显然,高应变低周疲劳时,钢的延性与韧性起主要作用。闵杰等对热轧H型钢的高应变低周疲劳性能进行了测试,用Coffin-Manson公式拟合了试验结果,得到了热轧H型钢的疲劳寿命计算公式,再对疲劳寿命Nf=100时的σaΔεt值(表1)进行了比较分析。研究表明,材料的低周疲劳寿命主要取决于塑性应变幅。当疲劳寿命Nf=100时,应力幅σa基本上与材料的抗拉强度相当。因此,材料的低周疲劳抗力不仅需要具有高的塑性,还需要有一定的强度。从上述分析可以看出,国内在建筑用抗震钢的强度、塑性和韧性三者对材料低周疲劳性能的影响方面的研究已经基本完成。但目前用来具体衡量三者对于低周疲劳抗力影响的定量的关系只有3个:σb√ψ‚和σbδ5值,且都是基于个别材料的少量的试验而建立的,对于不同的材料及三者之间配合的具体关系,还有待进一步研究。2.2用钒微合金化材料、混凝土柱高应变低周疲劳性能日本阪神地震后,根据以往重视强度忽视柔韧性的教训,开发了多种抗震性能优良的建筑结构用钢,提高了钢的变形能力和韧性,为此,普遍采用了微合金化与控制轧制新技术。V,Ti微合金化加控制轧制,已被证明是一种经济、有效的方法。微合金化热轧钢筋多用V-N强化。德国有加微量铌的含铌钢筋和V-Nb复合强化的热轧钢筋。日本有V-Nb钢ASTMA572-50S11。Nb钢和V-Nb钢控轧后可获得优良的综合力学性能,但我国目前Nb价很高,用于量大面广的钢筋是有困难的。用V,Ti微合金化适合我国资源条件。试验研究表明,钢中的钒氮比为7～9时,V对低碳钢静态形变时效具有最佳的抑制作用。V,Ti微合金化及控制轧制,可使钢中碳含量显著降低而不降低强度,具有较好的可焊性。微V,Ti钢控制轧制,可获得较高的σbδ5值。加微量Ti的V-Ti钢的高应变低周疲劳性能优于V钢,但在含0.033%Ti的V-Ti钢中,曾发现高应变低周疲劳性能降低。这也意味着,V-Ti微合金钢的Ti含量对高应变低周疲劳性能还值得进一步研究。2001年,龚士弘等根据抗震设计中能按“钢筋抗拉力设计值相等进行代换”的原则,用18mm微钒钛高抗震性能钢筋(GK400)代换20mm20MnSi钢筋,做了钢筋混凝土柱高应变低周疲劳试验。试验结果表明,400MPa级高抗震钢筋按“等强度代换原则”代替335MPa级20MnSi作混凝土构件,是可行的,疲劳寿命相近,避免了脆性断裂,优于20MnSi钢。GK400用钒、钛微合金化,有利于提高钢的高应变低周疲劳抗力。龚士弘等还用铝微合金化在试验室进行了减震器用钢的研究。研究表明,铝微合金化超低碳钢含0.03%C～0.45%Mn-0.11%Si-0.077%Al,采用再结晶控制轧制,获得高塑性低屈服点钢,有良好的焊接性。用作减震器,可提高吸收地震能的能力,预防建筑物倒塌。2003年,秦斌、吴比等对20MnSiVHRB400抗震钢筋进行了高应变低周疲劳性能测试。HRB400抗震钢筋是在20MnSi钢筋的基础上添加适量钒后开发的新钢种。研究表明,20MnSiVHRB400抗震钢筋为循环稳定材料,与20MnSi钢相比,试验钢筋的循环能量吸收率有了显著的提高。在应变幅高达2.8%时,其疲劳寿命仍能超过100周次(表2),低周疲劳性能良好。但试验用钢筋中钒氮比达到20多倍,适当减少钒量,增加氮含量,并与控冷控轧技术相结合,既可以减少成本,又有望进一步提高试验钢筋的综合抗震性能。2004年,龚士弘等研究结果表明,建筑用钢的抗震性能与钢的韧性紧密相关。对用于地震区的建筑用钢材,应提高钢的韧性以提高钢的综合抗震能力。提高韧性的关键在于降低钢中碳含量。用V,Ti微合金化和控制轧制,完全可以获得更高强度、更高韧性的具有优良抗震性能的钢。2005年,蒲玉梅等对马钢生产的常规品种Q235B及Q345BH型钢进行了高应变低周疲劳性能测试。研究发现,这两种钢高应变低周疲劳寿命较低,抗震性能不佳。导致该结果出现的主要因素在于钢的成分是C-Mn钢,成分设计时未考虑添加合金元素固氮、降碳以及采取控制轧制,而这些因素对提高钢的高应变低周疲劳抗力起重要作用。上述结果表明,添加合金元素、改善控制轧制工艺以提高Q235B及Q345BH型钢低周疲劳抗力,进而提高其综合抗震性能,还有待进一步研究。文献对热轧H型钢的试验研究结果表明,为了得到低碳含量、高强度、高塑性和优良的抗震性能的热轧H型钢,不仅需要合理加入微合金元素,更重要的是要与控轧控冷技术结合起来。通过采用加V-Nb两种微合金代替只加单一的V微合金化,可以提高钢的循环能量吸收率,从而改进钢的抗震性能。以上文献表明:对于建筑抗震用钢,Nb,V,Ti微合金化可以提高钢的强度、韧性和塑性,从而提高钢的综合抗震性能,但合金元素不宜过多,应根据我国的资源现状,尽量避免使用贵重金属。另一方面,在保持现有强度、塑性、韧性的基础上,如何进一步降低硫、磷、氮等以降低成本,以及有针对性地专门设计新的微合金化的高强度、高塑性、高的低周疲劳抗力的抗震钢,还有待进一步研究。2.3低屈服点钢的低固体疲劳研究2.3.1低屈服点钢lyp235低屈服点钢(LowYieldPointSteel)是指屈服强度在235MPa以下(超低屈服点钢指100MPa以下),屈服强度在一个狭小的范围内(YS±20MPa),没有明显的屈服点,并且延性滞回性能很好(LYP100:伸长率超过50%;LYP235:伸长率超过40%)的耗能材料,其碳含量极低,近于完全铁素体组织。低屈服点钢具有屈服强度低、强度稳定、变形能力强的特点。既可用于新建筑物的抗震,也可用于旧建筑抗震能力的提高。除了目前广泛使用的结构抗震用抗震钢外,用于制作抗震构件的低屈服点钢(或称软钢)成为抗震用钢的一个新钢种。目前,在以日本为代表的很多国家,采用低屈服点钢提高建筑物的抗震能力。2.3.2试验频率和循环次数对钢板低周疲劳性能的影响在抗震用低屈服点钢研制及其低周疲劳性能研究方面,国内处于起步阶段。宝钢已着手进行了建筑抗震用低屈服点钢的试验室研究,开发出100,160和225MPa三种屈服强度级别的低屈服点钢,并对这几种低屈服点钢的低周疲劳性能进行了测试。文献对宝钢研制生产的100MPa级极低屈服点钢分别在2%和4%的总应变范围内进行了频率为1,2和3Hz时的低周疲劳性能测试。试验表明:在2%的应变范围内,试验频率的提高对钢板的低周疲劳性能影响不大。在较高的应变范围时,随试验频率的提高,试样的循环次数略有下降(表3)。试样断裂前的循环次数均在100周以上,说明钢板具有良好的低周疲劳性能。文献和系统地测试了BLY160钢板在不同应变几种应变速率下,1～3Hz内的低周疲劳性能,结果如图4、表4所示。研究表明,所有试样的循环次数都在500次以上。即使在4%的总应变条件下,循环次数也在200周以上,显示