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ISSN: 2321 - 6212
收到的日期:23/06/2017;接受日期:20/07/2017;发布日期:27/07/2017
DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.1000182
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极低周期疲劳(ELCF)行为抗震钢HRB400钢筋的全面研究循环后推拉加载测试与极高的应变振幅(±12.8%)。循环应力响应特征和循环stressstrain关系进行调查。循环应变振幅响应特性是密切相关的,和二次硬化现象出现在某些应变振幅。strain-life轴向测试的数据被用来获得合适的Coffin-Manson测试材料的参数。扫描电子显微镜(SEM)形态学显示ELCF损伤机制是从LCF独特的典型。较常见的低循环疲劳(LCF)断裂区域,ELCF政权的几个特点可以发现,包括偏差Coffin-Manson法律的疲劳寿命和疲劳裂纹的转型模式。
现在的疲劳性能钢结构通常考虑在结构设计、预测和防止可能的失败在循环荷载作用下(1),尤其是非常很大压力交变载荷,如强烈地震(2]。在这种情况下,材料通常失败在很小数量的周期(< 100周期),不同于常见的低循环疲劳(LCF)行为。区分这very-low-cycle LCF地区的政权从大周期部分的疲劳破坏很小(< 100周期)的周期数称为极低循环疲劳(ELCF) [3- - - - - -8]。极低循环疲劳,疲劳寿命少于100周期,是极其低循环疲劳行为(LCF) [1- - - - - -3]。选择压力承担损坏的材料或结构的ELCF大大超过屈服强度。
近年来,交通事故的结构或设施在航空、交通、石化、建筑行业经常发生。失败的分析表明,许多事故都是由于建筑结构的高应变低周疲劳行为。在一些事故,如强烈地震,建筑物经历了低循环疲劳或极低循环疲劳,在应变幅度很高(好几次的屈服应变)和疲劳寿命极短,有时只有几周期(9,10),导致巨大的灾难或意外短时间内的财产损失。共同生活的例子ELCF钢结构失败是由于极端负荷条件造成的强大地震(6,11]。的主要原因严重灾难撒谎,建筑物抗震性能较差。由于钢筋钢筋是最重要的一个材料,确保建筑结构的安全,建筑结构的抗震性能取决于地震下的钢筋的实际表现。LCF或ELCF性能的重要指标之一的抗震性能研究人员提出的(12,13通过大量的实验和调查。然而,由于巨大的时间和精力要花在疲劳试验中,选择建筑钢材的标准的基础上建立的统计强度钢在抗震设计(13]。因此,它显然是危险的,整个区别服务条件和故障模式之间的动态加载和静态加载被忽略了。作为抗震设计的一个必不可少的因素,它是伟大的必要性达成一个全面、深入的理解ELCF建筑钢的行为。
最近,越来越多的建筑钢的疲劳性能行为调查和结构进行了14- - - - - -16]。然而,很少有报道ELCF研究。非常大的应变振幅和相对巨大的累积塑性应变在ELCF可能导致特殊塑性变形bahaviour导致独特的循环硬化/软化行为的变化循环加载过程中(4]。ELCF有别于其他疲劳机制的另一个独特的特征是其断裂模式。疲劳裂纹往往是从表面LCF政权期间,ELCF地区时,疲劳裂纹可能源于内部的标本(17]。
此外,Coffin-Manson [18,19]的关系采用建立寿命预测模型和适应LCF寿命预测曲线。自从小实验数据获得,ELCF生活曾经是strain-life预测的关系基于Coffin-Manson LCF寿命的关系。然而,研究结果表明,Coffin-Manson关系往往高估了一些材料的ELCF生活(20.- - - - - -22),尽管它可能适用于其他材料(10,23]。毫无疑问,被高估了ELCF生活将导致危险建筑结构在强烈地震。尽管Kanvinde和Deierlein [24]研究造成的疲劳损伤的影响塑料内部空隙增长和聚结ELCF和发展循环空间增长模式(CVGM) ELCF寿命预测相当准确的预测结果显示ELCF生活,一些假设声明CVGM有限的研究。到目前为止,研究人员还不确定是否Coffin-Manson法律适用于ELCF预测(25),这使得ELCF寿命预测在ELCF调查尚未解决的问题。由于这些分析,全面、深入地理解建筑抗震钢ELCF行为的被认为是。
目前,HRB400钢筋被广泛应用于地震多发地区。其性能特性进行了调查(14,15之前)。然而,到目前为止还没有对其ELCF表演理论或实验报告。因此,ELCF HRB400钢筋的行为,比如循环压力反应,寿命预测模型和损伤机制,研究。调查将阐明抗震性能的评估和改进测试的材料,和完善的设计和应用研究钢结构在强烈地震。与此同时,本研究将有助于改善ELCF理论。
材料和测试优惠券
化学成分、机械性能和测试材料的微观结构已报告在先前的研究15]。极低的疲劳试验进行了从日本岛津公司伺服阀控制的电动液压试验机(模型ehf - em200k2 - 040)在室温下环境空气标准(26]。逆作法施工下的测试方法与总应变控制加载。三角波形是用于所有的疲劳试验。开始从拉伸交变载荷。总应变的测量是一个动态的横向伸长计是标本的最小直径。沙漏疲劳标本使用的最小直径8毫米(图1)。疲劳试验之前,标本是由数控机床加工,和表面抛光用研磨膏(W3.5)去除划痕,最后像镜子一样明亮。
图1:几何形状的标本(单位:毫米)。
测试进行了断裂。由于每个测试条件下疲劳寿命的差异很小,两个标本为每个实验条件进行测试。数据在所有数据的平均值测量结果在每个测试条件。周期的数量为每个标本记录失败的疲劳寿命。响应在疲劳寿命的一半是用于获得循环应力-应变曲线在这项研究。
实验细节和过程
为了研究应变振幅的影响,七个横向应变振幅(±1.5%±2.0%±3.0%±4.0%±5.0%±6.0%±7.0%)和应变率1和1.0赫兹的频率。轴向应变振幅ε是计算使用的关系:
ε=(σ/ E)(1−2ν)+ 2εd(1)
其中σ是应力幅,E是弹性模量,ν是弹性泊松比,εd横向应变振幅。
循环应力响应
图2显示的循环应力响应在不同应变振幅测试材料,在那里图2 b显示放大的循环应力响应曲线在一些特殊的应变振幅下图2一个。应力与应变振幅增加振幅显著增加,远高于名义极限强度(604 mpa)。不同于之前的低循环疲劳的结果(15),极低周疲劳下的循环应力响应取决于应变幅度明显。换句话说,它建议的循环应力响应可能控制的加载条件下,也观察到Cu-Al合金和high-Mn奥氏体/缇合金在ELCF[旅行4,5]。材料显示重要的循环稳定在低应变幅度为3.131%,这是按照循环压力反应在其他低应变振幅(15]。原因在于振幅的疲劳寿命低于3.131%属于低周期疲劳。然而,材料显示略循环软化在高应变幅度为12.755%,虽然它显示中等应变硬化中振幅的6.093%和9.555%。也就是说,在材料中振幅显示快速循环硬化初期的疲劳寿命疲劳寿命(低于10%)。初始硬化后,半衰期的循环应力下降然后再上升到宏观裂缝起始快速减少循环应力发生的地方。二次循环应变硬化的这种现象很少被报道在文献[27,28]。和可能的二次循环应变硬化机制可能是由于位错增殖,堆积层错之间的交互和移动错位,导致塑性变形变得更加困难。二次循环应变硬化导致抗疲劳强度的改善(27,28]。
图2:循环应力响应。
Strain-Life关系
表1和2的实验结果显示极低循环疲劳和低循环疲劳(15),分别。泊松比为0.27,弹性模量是210 gpa。
表1。ELCF测试的结果。
| 应变幅值εd(%) | 弹性应变振幅εea(%) | 塑性应变幅值εpa(%) | 应力幅值σa(MPa) | 2Nf | 实际横向应变εd(%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 3.131 | 0.293 | 2.838 | 615年 | 306年 | 1.498 |
| 4.135 | 0.310 | 3.824 | 652年 | 173年 | 1.996 |
| 6.093 | 0.328 | 5.765 | 688年 | 76年 | 2.971 |
| 7.851 | 0.341 | 7.510 | 717年 | 46 | 3.847 |
| 9.555 | 0.340 | 9.214 | 715年 | 31日 | 4.699 |
| 11.036 | 0.348 | 10.688 | 730年 | 22 | 5.438 |
| 12.755 | 0.360 | 12.396 | 755年 | 18 | 6.295 |
表2。性能测试的结果[15]。
| 应变幅值εa(%) | 弹性应变振幅εea(%) | 塑性应变幅值εpa(%) | 应力幅值σa(MPa) | 2Nf |
|---|---|---|---|---|
| 0.5 | 0.199 | 0.301 | 450年 | 2160年 |
| 0.6 | 0.203 | 0.397 | 467年 | 1838年 |
| 0.7 | 0.210 | 0.490 | 486年 | 1348年 |
| 0.8 | 0.211 | 0.589 | 499年 | 1082年 |
| 0.9 | 0.222 | 0.678 | 517年 | 922年 |
| 1.0 | 0.238 | 0.757 | 527年 | 674年 |
用ELCF数据,所有的数据、性能数据和圆柱形的数据表1到Coffin-Manson关系(18,19),分别对应strain-life关系了表3。
图3根据strain-life节目策划的应变-寿命曲线关系表3。中可以看到图3一,预测生活同意与实验数据,这暗示Coffin-Manson关系是适用于整个ELCF寿命预测。图3 b显示了strain-life曲线拟合得到的所有的疲劳性能和ELCF数据,预测的生活基本上同意实验数据除了中间振幅(3.131%和4.135%)。相对分散在中间振幅可能是由于就业的圆柱试样在低振幅疲劳性能。因此,实验数据与拟合曲线不同意这么好图3 b就像在图3一。图3 c显示了所有LCF strainlife曲线拟合数据。在图3 c,预测ELCF生活被strain-life高估了所有LCF数据和曲线拟合的误差越来越应变幅度增加,这是根据一些其他材料(20.,21]。图3 d显示了strain-life所有LCF数据曲线拟合的圆柱形标本。类似于图3 b预测的生活基本上同意实验数据除了中间振幅。然而,LCF同意拟合曲线更好的数据图3 d比在图3 b。它也可以看到图3 d在相同振幅沙漏标本的LCF寿命长于圆柱试样,和生命的差距之间的两种标本应变振幅增加而减小。沙漏标本的长寿的原因可能在于,它具有更好的稳定性和较小的危险区域,从而延长寿命。它可以得出结论图3模拟Coffin-Manson关系适用于疲劳性能的预测和ELCF生活ELCF实验数据的基础上。然而,有一个很大的错误ELCF寿命预测仅根据strain-life关系LCF实验数据拟合的(除了ELCF实验数据)。误差大的原因在于生命的沙漏标本一般长于圆柱试样在同一应变幅度,尽管可以防止屈曲有效就业的沙漏在ELCF高循环荷载作用下的标本。也就是说,它是生命安全的预测ELCF沙漏标本的圆柱试样的疲劳性能实验数据比沙漏和圆柱形标本。此外,它是危险的预测ELCF生命的沙漏标本LCF沙漏和圆柱形试样的实验数据。
图3:Strain-life曲线。
表3。基于Coffin-Manson Strain-life关系。
| 数据源 | Strain-life关系 | 相关系数 | 相应的图 |
|---|---|---|---|
| ELCF数据表1 | ε巴勒斯坦权力机构0.534 (2Nf)−0.513 | -0.999 | 图3一 |
| 所有的数据在表1和2 | ε巴勒斯坦权力机构1.453 (2Nf)−0.780 | -0.987 | 图3 b |
| LCF *数据表1和2 | ε巴勒斯坦权力机构10.410 (2Nf)−1.066 | -0.977 | 图3 c |
| LCF *的圆柱形样本数据表2 | ε巴勒斯坦权力机构1.312 (2Nf)−0.779 | -0.980 | 图3 d |
* LCF数据意味着实验结果的疲劳寿命超过100次,和ELCF数据意味着疲劳寿命实验结果小于100周期。
断裂行为
图4显示样品的断裂表面疲劳应变振幅的7.851%。图4一显示了断裂整体约45度角的位置加载轴,,有几个小裂纹萌生网站和主裂纹起始位点。图4 b显示了一个小的裂纹萌生的放大图片网站图4一,可以看出裂缝在表面发起的。图4 c显示了形态稳定裂纹扩展的地区广泛的疲劳辉纹位于断裂的边缘,表明裂纹扩展速度快。图4 d显示了酒窝在中部地区,无数的细酒窝积累和一个明显的内部裂纹长度约0.3毫米的存在。建议在ELCF测试材料的损伤是由外部和内部裂纹。最后断裂区域位于中央区域大,表明断裂传播速度快。
图4:疲劳断裂(ΔεMicro-graphst= 15.702%,Nf= 23)。
(1)循环应力反应都依赖于应变振幅。在ELCF,测试材料表现出轻微的循环软化在非常高的应变振幅,这是不利于提高动态承载能力。然而,二次应变硬化发生在一些应变振幅,这导致了抗疲劳强度的改善。
(2)疲劳性能和ELCF生活的变化与塑性应变振幅Coffin-Manson关系。因此,测试材料的ELCF生活预测。然而,它是生命危险预测ELCF只根据性能数据获得圆柱和沙漏标本,因为ELCF生活会高估了。研究结果提供科学依据分析ELCF测试材料的性能和寿命预测。
(3)一些裂缝表面的标本,结果在ELCF多个疲劳站点。然后一起裂缝向内传播,表现出一个小地区的传播。最后破裂区域的骨折在ELCF大于疲劳性能。LCF相反,最后断裂发生在骨折的边缘区域,最后破裂区域存在于骨折的中部地区。ELCF的骨折是由于外部和内部损失。这些调查在micro-phenomenon不仅阐明micro-fracture机制的深入理解,也促进提高抗震钢的抗震性能。
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