康瀾 洪書(shū)濤

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

隨著現(xiàn)代土木工程向“更高、更長(zhǎng)、更柔韌”的方向發(fā)展，高性能材料(例如高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材)有了用武之地[1]。相比普通鋼，高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)在受力性能、建筑使用功能、施工工藝以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。隨著鋼材屈服強(qiáng)度的提高，屈強(qiáng)比增大而斷后伸長(zhǎng)率減小，屈服平臺(tái)長(zhǎng)度縮短甚至消失，高強(qiáng)鋼的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)并不明顯，疲勞和斷裂性能尚不明確[1]。疲勞破壞是鋼結(jié)構(gòu)中重要的破壞形式之一[1]。與其他破壞形式不同，疲勞破壞沒(méi)有前兆，構(gòu)件突然發(fā)生斷裂，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全性能產(chǎn)生重大危害[1]。然而，針對(duì)高強(qiáng)鋼，目前我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[2]并沒(méi)有相應(yīng)的疲勞曲線可以參考。因此，非常有必要針對(duì)Q690D高強(qiáng)鋼開(kāi)展疲勞性能研究，分析疲勞應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，得到適用于Q690D高強(qiáng)鋼材的疲勞曲線，為高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材已開(kāi)展了相關(guān)的疲勞性能試驗(yàn)研究[3- 12]。Sakai等[3]通過(guò)試驗(yàn)觀察了金屬在正常壽命狀態(tài)和高周疲勞狀態(tài)下的應(yīng)力-壽命(S-N)曲線，觀察到正常壽命狀態(tài)下晶界裂紋、表面夾雜物和加工裂紋等不同的斷裂模式，發(fā)現(xiàn)在高周疲勞狀態(tài)下的裂紋主要是由于局部力學(xué)行為損傷引起。Lu等[4]的研究解釋了金屬內(nèi)夾雜物尺寸對(duì)疲勞壽命離散性的影響，表明夾雜物誘發(fā)斷裂的S-N曲線與夾雜物的尺寸有關(guān)，并給出夾雜物尺寸影響下夾雜物誘發(fā)斷裂的S-N曲線。Hu等[5]的研究表明：裂紋萌生是由于金屬表面存在缺陷，并在疲勞荷載下持續(xù)擴(kuò)展引起。武會(huì)賓等[6]在對(duì)Q500qE橋梁鋼的高周疲勞性能研究中發(fā)現(xiàn)，鋼材中的細(xì)小夾雜物和針狀鐵素體的片條結(jié)構(gòu)能夠有效地減緩裂紋的萌生和擴(kuò)展。Liu等[7]綜述了高強(qiáng)鋼在超高周疲勞下的S-N曲線預(yù)測(cè)方法，并在此基礎(chǔ)上提出了基于Basquin方程的預(yù)測(cè)方法，驗(yàn)證了該方法預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的一致性。劉漢青等[8]通過(guò)對(duì)Q345鋼材進(jìn)行高周疲勞性能試驗(yàn)，提出了基于熱力學(xué)框架的預(yù)測(cè)材料固有耗散能的模型，試驗(yàn)表明通過(guò)循環(huán)荷載下疲勞試件在初始階段的溫度變化率可以很好地預(yù)測(cè)Q345鋼的高周疲勞極限。施剛等[9]對(duì)Q390GJD鋼材開(kāi)展了疲勞性能試驗(yàn)研究，給出了能夠描述其疲勞性能的S-N曲線，并對(duì)試件斷面特征進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)疲勞斷面能觀察到明顯的疲勞輝紋，瞬間斷裂面能觀察到典型的韌窩特征。程峰等[10]對(duì)Q420B和Q420C兩種鋼材進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)研究，得出兩種鋼材的S-N曲線并與規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)高于規(guī)范計(jì)算值。施剛等[11]對(duì)Q460D高強(qiáng)鋼開(kāi)展了疲勞性能試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)批次的鋼材疲勞離散性較大，試驗(yàn)得出該種鋼材的S-N曲線并與規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)得到的S-N曲線比規(guī)范計(jì)算值大。郭宏超等[12]對(duì)Q460D鋼材和鋼材焊縫連接疲勞性能進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，擬合了母材及焊縫的S-N疲勞曲線，揭示了疲勞裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。

目前，針對(duì)鋼材疲勞性能的研究主要集中在普通鋼[1]，而針對(duì)高強(qiáng)鋼特別是Q690D高強(qiáng)鋼疲勞性能的試驗(yàn)研究并不多，還沒(méi)有系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果[1]。然而，目前很多大跨度、超高層結(jié)構(gòu)都趨向于采用高強(qiáng)鋼，高強(qiáng)鋼疲勞性能研究就顯得尤為重要。因此，本研究通過(guò)對(duì)Q690D高強(qiáng)鋼開(kāi)展高周疲勞性能試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出Q690D鋼材的S-N曲線，并與其他強(qiáng)度等級(jí)鋼材的疲勞曲線進(jìn)行比較，相關(guān)結(jié)果可為高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)概況

1.1 單調(diào)拉伸試驗(yàn)

本研究所有試件均采用國(guó)內(nèi)鋼廠生產(chǎn)的10mm厚Q690D鋼板，采用全板厚取樣方式。為得到Q690D鋼板的力學(xué)性能參數(shù)，首先根據(jù)《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)方法》(GBT228.1—2010)[13]開(kāi)展Q690D鋼板的靜力拉伸試驗(yàn)。Q690D靜力拉伸試件尺寸如圖1所示，Q690D鋼材化學(xué)成分見(jiàn)表1。所有試驗(yàn)結(jié)果由3根拉伸試件的平均值計(jì)算得到。本研究中Q690D鋼材的力學(xué)性質(zhì)如下：屈服應(yīng)力為800 MPa，彈性模量為217 GPa，泊松比為0.29，抗拉強(qiáng)度為840 MPa，延展率為0.09。由拉伸試驗(yàn)獲得的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖1 靜力拉伸試件尺寸(單位：mm)Fig.1 Static tensile specimen size(Unit：mm)

1.2 高周疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)是本研究的重點(diǎn)。根據(jù)《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》(GB/T 2975—1998)[14]中對(duì)于取樣方式與鋼板厚度關(guān)系的規(guī)定，試驗(yàn)材料的取樣方式為全厚度取樣。由于疲勞試驗(yàn)結(jié)果往往離散性比較強(qiáng)，每個(gè)應(yīng)力等級(jí)準(zhǔn)備了多個(gè)試件，以便獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。根據(jù)《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》(GB/T 3075—2008)[15]分別在9種不同的應(yīng)力水平下開(kāi)展高周疲勞試驗(yàn)；從最高的應(yīng)力水平開(kāi)始，以逐步降低應(yīng)力水平的順序進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)記錄不同應(yīng)力水平下試件破壞時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，得到Q690D的S-N曲線。

根據(jù)《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》(GB/T 3075—2008)[15]中的相關(guān)規(guī)定，疲勞試驗(yàn)的試件表面狀態(tài)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。因此，為消除試件表面銹蝕對(duì)最后疲勞試驗(yàn)結(jié)果的影響，在疲勞試驗(yàn)之前，試件表面必須打磨光滑。疲勞試驗(yàn)的試件尺寸如圖3所示。疲勞試驗(yàn)試件如圖4所示。

圖3 疲勞試驗(yàn)試件尺寸(單位:mm)Fig.3 Fatigue test specimen size(Unit:mm)

1.2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)裝置為如圖5所示的MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)，試件固定位置如圖6所示，陰影部分為試件的夾持區(qū)域，夾持端之間的距離為150 mm。試件夾持時(shí)對(duì)試件進(jìn)行同軸度檢查，從而保證試驗(yàn)過(guò)程中軸向力的穩(wěn)定傳遞。

圖5 MTS試驗(yàn)機(jī)Fig.5 MTS test machine

圖6 疲勞試件固定位置(單位:mm)Fig.6 Fixed position of fatigue specimen(Unit:mm)

1.2.2 試驗(yàn)條件

(1)應(yīng)力比

本次試驗(yàn)的應(yīng)力比v是指施加循環(huán)疲勞荷載過(guò)程中試件截面的最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比，如式(1)所示：

v=Smin/Smax

(1)

式中，Smin為試件截面最小應(yīng)力，Smax為試件截面最大應(yīng)力。為避免試件發(fā)生受壓屈曲，取應(yīng)力比v為0.1。最大和最小應(yīng)力均為拉應(yīng)力。

(2)交變荷載和頻率

本次試驗(yàn)中的交變荷載波形如圖7所示，圖中縱坐標(biāo)σ為截面應(yīng)力，橫坐標(biāo)t為時(shí)間。荷載的頻率取決于試驗(yàn)機(jī)的類型和試件本身的剛度。本試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)裝置為MTS試驗(yàn)機(jī)，其頻率范圍為15～20 Hz。當(dāng)采用最大頻率20 Hz、最大應(yīng)力為605 MPa以上的高應(yīng)力時(shí)，MTS試驗(yàn)機(jī)的性能無(wú)法滿足試驗(yàn)要求。由于試驗(yàn)裝置性能的限制，本次試驗(yàn)中試件最大應(yīng)力在605 MPa以下時(shí)，試驗(yàn)裝置以最大頻率20 Hz加載；當(dāng)試件最大應(yīng)力在605 MPa及以上時(shí)，試驗(yàn)裝置以15 Hz加載。

圖7 交變荷載波形Fig.7 Alternating load waveform

在疲勞試驗(yàn)中，軸向力控制疲勞試驗(yàn)機(jī)荷載頻率范圍為5～300 Hz，加載頻率高時(shí)試件在交變荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，從而影響試件的疲勞強(qiáng)度[8]。因此，本次試驗(yàn)中，15～20 Hz的試驗(yàn)加載頻率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，低應(yīng)力水平時(shí)試件可能在200萬(wàn)次循環(huán)荷載下并未發(fā)生疲勞斷裂破壞，如果疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次仍然沒(méi)有破壞，認(rèn)為試件滿足疲勞性能要求，試件的疲勞極限次數(shù)可保守認(rèn)定為200萬(wàn)次。鋼材的疲勞強(qiáng)度是指在規(guī)定應(yīng)力幅內(nèi)，經(jīng)受一定次數(shù)(200萬(wàn)次)[10- 11]循環(huán)荷載后發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。本次試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整應(yīng)力水平，最終逐漸逼近疲勞強(qiáng)度。

(3)應(yīng)力水平

應(yīng)力水平S在疲勞試驗(yàn)中通常由最大應(yīng)力和最小應(yīng)力來(lái)表示，由于疲勞試件承受著變化的交變荷載，其所受的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力體現(xiàn)了試件受力的總體情況。本次試驗(yàn)的應(yīng)力水平由最大應(yīng)力決定，設(shè)置按照以下幾個(gè)原則確定：①最大應(yīng)力取大于0.7倍的試件屈服強(qiáng)度，即0.7fy。②試件應(yīng)力水平在最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之間應(yīng)至少有5個(gè)分段區(qū)間，區(qū)間的間隔隨著應(yīng)力的減小而增大，這主要是由于S-N曲線的形狀為冪函數(shù)形式曲線，在應(yīng)力水平比較低時(shí)，循環(huán)次數(shù)的變化比較小。

根據(jù)以上原則，筆者制定了如下9個(gè)應(yīng)力水平：400、410、445、480、520、560(0.7fy)、605、650、700 MPa。

1.2.3 試驗(yàn)順序以及個(gè)數(shù)選擇

本次試驗(yàn)按第1.2.2節(jié)確定的9種不同的應(yīng)力水平開(kāi)展，每種應(yīng)力水平的試件數(shù)量由以下方法決定：

(1)每種應(yīng)力水平下準(zhǔn)備至少4個(gè)試件；

(2)每種應(yīng)力水平下以3個(gè)試件為一組進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)3個(gè)試件在200萬(wàn)次往復(fù)荷載之內(nèi)都發(fā)生疲勞斷裂破壞時(shí)，如果3個(gè)試件的往復(fù)循環(huán)次數(shù)均在三者平均往復(fù)循環(huán)次數(shù)的±15%以內(nèi)，則認(rèn)為該組試驗(yàn)結(jié)果離散性較小，在可接受范圍之內(nèi)。如果存在個(gè)別試件的往復(fù)循環(huán)次數(shù)在三者平均往復(fù)循環(huán)次數(shù)的±15%以外，則認(rèn)為該組試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，為減小試驗(yàn)結(jié)果的離散性，確定更加準(zhǔn)確的S-N曲線，開(kāi)展第4個(gè)試件的疲勞試驗(yàn)；

(3)當(dāng)?shù)?個(gè)試件的往復(fù)循環(huán)次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次時(shí)還未破壞，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行第2個(gè)試件的疲勞試驗(yàn)。如果得到同樣結(jié)果時(shí)，將該應(yīng)力水平循環(huán)疲勞次數(shù)記錄為200萬(wàn)次，結(jié)束試驗(yàn)；

(4)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力水平為445 MPa的試件組試驗(yàn)結(jié)果的離散性比較大，各個(gè)試件之間的結(jié)果偏差最大。因此，為提高精度并準(zhǔn)確捕捉疲勞強(qiáng)度值，在該應(yīng)力水平下進(jìn)行了6個(gè)試件的疲勞試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)中每個(gè)試件的試驗(yàn)條件、破壞時(shí)的往復(fù)循環(huán)次數(shù)以及最終的破壞形式見(jiàn)表2。以試件破壞時(shí)往復(fù)循環(huán)次數(shù)N為橫坐標(biāo)，應(yīng)力水平S為縱坐標(biāo)，得到本次試驗(yàn)的往復(fù)循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力水平的散點(diǎn)圖及S-N曲線，如圖8所示。

表2 Q690D鋼材疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Fatigue test results of Q690D steel

圖8 Q690D疲勞試驗(yàn)結(jié)果散點(diǎn)圖及S-N曲線

2.2 斷口宏觀和微觀分析

本次試驗(yàn)的試件斷面如圖9所示。從試件的斷面可以看出，在本次疲勞試驗(yàn)中，所有試件的斷面均呈現(xiàn)為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是疲勞紋源及擴(kuò)展區(qū)，一個(gè)是瞬時(shí)斷裂區(qū)，應(yīng)力水平越高，最終瞬時(shí)斷裂區(qū)的區(qū)域面積越大。從斷口特征來(lái)看，疲勞紋源及擴(kuò)展區(qū)比較光滑，瞬時(shí)斷裂區(qū)比較凹凸不平。通過(guò)掃描電鏡照片可知，本次試驗(yàn)所使用的試件沒(méi)有雜質(zhì)，最初的疲勞裂縫在試件表面的初始缺陷處產(chǎn)生，然后以扇形的方式向四周擴(kuò)展。瞬時(shí)斷裂區(qū)能夠觀察到一些韌窩，但是疲勞紋源及擴(kuò)展區(qū)未見(jiàn)有韌窩。另外，同樣參數(shù)下試件高周疲勞壽命的確存在差異較大的情況。對(duì)于軋制鋼來(lái)說(shuō)，其冶煉、軋制與加工過(guò)程中不可避免地會(huì)存在非金屬雜質(zhì)、微小孔洞等初始缺陷，而初始缺陷會(huì)造成鋼材疲勞裂紋的萌生，由于其具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性，導(dǎo)致了高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果的離散性。

圖9 疲勞試驗(yàn)試件斷面以及掃描電鏡圖

2.3 S-N曲線

疲勞強(qiáng)度是材料在經(jīng)過(guò)多次往復(fù)荷載循環(huán)后不發(fā)生疲勞斷裂的指標(biāo)。材料疲勞強(qiáng)度一般是以S-N曲線來(lái)描述。目前國(guó)內(nèi)最常見(jiàn)的是以冪函數(shù)的關(guān)系式來(lái)表達(dá)S和N之間的關(guān)系，其形式為

(2)

其中，Smax為截面最大應(yīng)力，N為往復(fù)循環(huán)次數(shù)，參數(shù)m、C一般與材料本身的性質(zhì)、試件的形式、加載應(yīng)力比和加載方式有關(guān)[16]。對(duì)等式兩邊取對(duì)數(shù)運(yùn)算，得到

(3)

根據(jù)上述的試驗(yàn)結(jié)果，采用最小二乘法，得到了Q690D鋼的S-N曲線表達(dá)式：

lgSmax=-0.149 41lgN+3.512 6

(4)

為了保證擬合公式的精度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(5)

r越接近1，表示lgSmax和lgC兩者的線性相關(guān)性更強(qiáng)；一般認(rèn)為相關(guān)系數(shù)在0.8以上的回歸公式才能夠達(dá)到精度要求，應(yīng)用于工程實(shí)際。本研究中，使用式(5)計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)為0.928，即本研究中的S-N曲線表達(dá)式和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值之間能夠較好地吻合。試驗(yàn)得到的標(biāo)準(zhǔn)差為0.031，當(dāng)取95%保證率時(shí)，式(3)作如下變換：

(6)

式中，σ為對(duì)數(shù)樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

經(jīng)同等變換得到Q690D鋼的疲勞試驗(yàn)曲線公式和95%保證率曲線公式如下：

Smax=3 255.367N-0.149 41

(7)

Smax=2 897.781N-0.149 41

(8)

3 Q690D鋼材疲勞特性的評(píng)價(jià)與比較

3.1 與現(xiàn)行規(guī)范的對(duì)比

為了對(duì)Q690D鋼材的疲勞性能進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)，將試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范給出的計(jì)算公式進(jìn)行比較，根據(jù)美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范ANSI/AISC 360- 10[17]的疲勞性能計(jì)算公式:

(9)

式中：FSR為設(shè)計(jì)應(yīng)力范圍;Cf為材料的相關(guān)參數(shù);FTH為極限疲勞應(yīng)力范圍;根據(jù)規(guī)范取Cf=250×108，F(xiàn)TH=165 MPa。其中：

FSR=Smax-Smin

(10)

對(duì)式(9)進(jìn)行等價(jià)變換得

Smax=22 207.402N-0.333

(11)

此外，根據(jù)歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范BS EN 1993- 1- 9[18]，對(duì)于等幅法向應(yīng)力，當(dāng)N≤5×106時(shí)其疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式為

(12)

式中，Δσ為應(yīng)力范圍，下標(biāo)Y表示在Y次循環(huán)下的狀態(tài)，下標(biāo)C表示在N=2×106時(shí)的狀態(tài)，k為疲勞強(qiáng)度曲線斜率，ΔσC為NC=2×106次循環(huán)時(shí)的疲勞強(qiáng)度基準(zhǔn)值。根據(jù)規(guī)范要求板材的ΔσC取160 MPa，對(duì)式(12)進(jìn)行等價(jià)變換得

Smax=22 398.597N-1/3

(13)

做出與規(guī)范對(duì)比的S-N曲線，如圖10所示?？梢钥闯鲈谙嗤瑧?yīng)力水平下，Q690D鋼材的疲勞特性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范公式計(jì)算的結(jié)果，說(shuō)明規(guī)范規(guī)定的疲勞性能S-N曲線計(jì)算公式對(duì)高強(qiáng)鋼來(lái)說(shuō)較為保守。

圖10 本試驗(yàn)和規(guī)范得到的Q690D鋼材S-N曲線對(duì)比

3.2 與其他強(qiáng)度等級(jí)的鋼材進(jìn)行對(duì)比

為了更好地比較不同強(qiáng)度等級(jí)鋼材的疲勞性能，將本研究中的Q690D高強(qiáng)度鋼材試驗(yàn)結(jié)果與其他文獻(xiàn)[8- 12]中已有強(qiáng)度等級(jí)鋼材的疲勞曲線進(jìn)行比較。與本次試驗(yàn)相同，將其他鋼材試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)以最小二乘法線性擬合出應(yīng)力水平和疲勞壽命的對(duì)數(shù)線性關(guān)系式，并等價(jià)變換為常用的冪函數(shù)形式，求出的各類鋼材的S-N曲線列于表3和圖11。表4示出了本研究中討論的不同強(qiáng)度等級(jí)鋼材疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)條件。

表3 各種強(qiáng)度等級(jí)鋼材的試驗(yàn)S-N曲線方程

圖11 各種鋼材的試驗(yàn)S-N曲線Fig.11 Tested S-N curves of various steels

表4 各種強(qiáng)度等級(jí)鋼材疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)條件

從本研究中的Q690D鋼材和以往文獻(xiàn)中其他強(qiáng)度等級(jí)鋼材的S-N曲線比較得到：

(1)從整體上來(lái)看，鋼材本身材料強(qiáng)度等級(jí)越高，S-N曲線就越位于上方。也就是說(shuō)，疲勞強(qiáng)度與材料的強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)。而鋼材的性能又與板件厚度有關(guān)，例如Q390GJD采用的板件厚度過(guò)大，達(dá)到35 mm，對(duì)于軋制鋼其屈服強(qiáng)度及抗疲勞強(qiáng)度有所下降，曲線與Q345疲勞曲線相近。隨著鋼板厚度的增加，初始缺陷也隨之增加，鋼材的疲勞性能因而降低。

(2)對(duì)于鋼材的疲勞強(qiáng)度，材料強(qiáng)度等級(jí)越高，鋼材疲勞強(qiáng)度越大。而對(duì)于Q420B和Q420C兩組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)量較少，使得擬合得出的疲勞曲線在200萬(wàn)次處的疲勞強(qiáng)度反而低于強(qiáng)度等級(jí)更低的鋼材。這說(shuō)明對(duì)于鋼材疲勞性能的判定需要較多的數(shù)據(jù)量支持。

(3)對(duì)于同一強(qiáng)度等級(jí)的鋼材，如Q420B和Q420C兩種鋼材，材料的疲勞強(qiáng)度和材料本身的鋼材質(zhì)量有關(guān)，Q420C對(duì)鋼材的沖擊韌性要求比Q420B要高，鋼材質(zhì)量更好，其疲勞曲線也在Q420B上方。

(4)對(duì)于同一種鋼材，如Q460，第1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性較大，擬合出的疲勞試驗(yàn)曲線偏平，疲勞曲線中出現(xiàn)低于強(qiáng)度等級(jí)更低的鋼材情況，而另一組數(shù)據(jù)擬合的疲勞曲線符合上述規(guī)律(1)。這說(shuō)明鋼材的疲勞試驗(yàn)的離散性不能忽略，同一種類的鋼材會(huì)因?yàn)椴煌蔚匿摬馁|(zhì)量不同而出現(xiàn)不同的結(jié)果。

4 結(jié)論

本研究進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼材Q690D的高周疲勞實(shí)驗(yàn)，擬合出Q690D鋼材的S-N疲勞曲線。此外，通過(guò)和規(guī)范以及其他強(qiáng)度等級(jí)鋼材試驗(yàn)得到的S-N疲勞曲線進(jìn)行比較，綜合評(píng)價(jià)了Q690D鋼材的疲勞特性，得出以下結(jié)論：

(1)本次高周疲勞試驗(yàn)確定了Q690D高強(qiáng)度鋼材的S-N疲勞曲線，計(jì)算所得的相關(guān)系數(shù)為0.928，試驗(yàn)結(jié)果離散性較低，能較為精確地評(píng)價(jià)Q690D高強(qiáng)鋼的疲勞特性。

(2)試驗(yàn)所得的疲勞曲線與美國(guó)和歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果相比，Q690D的疲勞特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(ANSI/AISC 360- 10)和歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(BS EN 1993- 1- 9)的計(jì)算結(jié)果，按上述規(guī)范計(jì)算高強(qiáng)鋼的疲勞強(qiáng)度有較大的安全儲(chǔ)備。

(3)將試驗(yàn)所得的疲勞曲線與其他強(qiáng)度等級(jí)的鋼材進(jìn)行對(duì)比，可以看出：鋼材的疲勞取決于本身的屈服強(qiáng)度，鋼材本身質(zhì)量對(duì)其疲勞特性也有一定的影響。

(4)疲勞特性試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)離散性較大，要想更為精確地得到某一強(qiáng)度等級(jí)鋼材的疲勞特性曲線，需要較多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。