应力比对10mm和16mm钢筋BS 4449疲劳预认证准则恒幅加载敏感性的试验评估

《Alloys》：Experimental Assessment of the Stress-Ratio Sensitivity of the BS 4449 Fatigue Prequalification Criterion for 10- and 16-mm Steel Reinforcing Bars Under Constant-Amplitude Loading

　　

钢筋的疲劳性能对钢筋混凝土结构的耐久性和安全性至关重要。BS 4449标准采用Δσ = 200 MPa的应力范围、R = 0.2的应力比以及5 × 106次循环的跑出（run-out）准则，对公称直径不超过16 mm的钢筋进行疲劳预认证评估。然而，在此条件下应力比变化的影响尚未得到充分记录。本试验研究探讨了在恒幅加载下，应力比对10 mm和16 mm钢筋BS 4449疲劳预认证结果的影响。研究人员通过显微组织和夹杂物分析对钢筋进行了表征，以全面评估其冶金状态。大多数试样达到5 × 106次循环而未发生失效。共发生两次失效：一次发生在R = 0.3条件下的10 mm钢筋，另一次发生在R = 0.2条件下的16 mm钢筋。大多数试样在更广泛的加载条件下保持了所需的跑出（run-out）性能。扫描电子显微镜（SEM）观察确定硫化锰（MnS）夹杂物为主要夹杂物类型。这些夹杂物可能成为裂纹萌生源。这些发现强调了在解释不同应力比下的疲劳认证结果时，钢洁净度的重要性。

1. 研究背景与现存问题

钢筋广泛应用于桥梁、铁路结构、海洋工程以及支撑振动设备的基础设施等承受反复交通、波浪、风或运营荷载的钢筋混凝土结构中。这种循环荷载会逐渐导致疲劳损伤，甚至引发意外失效。因此，评估钢筋的疲劳性能对于土木工程结构的长期可靠性至关重要。在工程实践中，钢筋的疲劳认证通常依据标准化测试程序进行评估，例如英国标准BS 4449。该标准规定了特定的加载条件，包括应力范围、应力比和跑出（run-out）准则，为材料认证提供了统一且保守的基础。然而，实际服役载荷很少对应于单一的加载配置。特别是，一个循环周期内经历的最小和最大应力水平可能显著变化，导致在相同应力范围内产生不同的平均应力水平。荷载比（load ratio），即循环周期内最小应力与最大应力之比，是一个关键的疲劳参数，因为它决定了给定应力范围所关联的平均应力。尽管荷载比对疲劳响应和疲劳裂纹扩展行为的影响已在文献中得到充分证实，但在钢筋领域，疲劳认证通常在单一参考条件下进行，例如BS 4449标准规定的R = 0.2。然而，关于在保持规定应力范围的同时，疲劳认证结果对应力比变化的敏感性，现有的实验数据仍然有限。此外，钢筋的疲劳评估结果还受到冶金因素的强烈影响，如非金属夹杂物。同时，尺寸效应也可能存在，因为增大的高应力体积会增加存在临界缺陷的概率。因此，本研究旨在探究在BS 4449疲劳预认证框架下，疲劳认证结果对应力比变化的敏感性。

2. 研究目的与意义

本研究的目的是在BS 4449规定的Δσ = 200 MPa应力范围下，考察疲劳预认证结果对应力比（R = 0.1至0.5）变化的敏感性。通过保持恒定应力范围而改变应力比，可以独立于应力范围效应来检验应力比的影响。研究选取了10 mm和16 mm两种直径的钢筋，以评估不同钢筋尺寸下疲劳认证结果的一致性。同时，结合显微组织观察和夹杂物洁净度评估，为被检材料和疲劳认证测试中的潜在变异性来源提供补充的冶金学信息。此外，还对光滑（无肋）试样在参考BS 4449条件（R = 0.2）下进行了测试，以定性评估表面几何形状的影响。

3. 关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：

• •
  材料制备：热轧钢筋由电炉（EAF）、钢包炉（LF）和连铸机（CCM）生产的方坯轧制而成，两种直径的钢筋来自同一炉次以确保化学成分一致。化学成分通过光发射光谱法（OES）测定。
• •
  显微组织与夹杂物分析：使用光学显微镜观察经浸蚀后的金相试样。利用TIMA扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线光谱（EDS）对夹杂物进行识别、定量分析和尺寸分布统计，并依据ASTM E45标准进行分析。
• •
  力学性能测试：按照ISO 6892-1标准进行拉伸试验，测量屈服强度（Re）、抗拉强度（Rm）、断后伸长率（A%）和最大力总延伸率（A_gt%）。
• •
  疲劳测试：使用高频电磁共振式疲劳试验机进行恒幅轴向加载高周疲劳试验。所有测试均在Δσ = 200 MPa的应力范围下进行，应力比（R）从0.1变化到0.5，跑出（run-out）准则设定为5 × 10⁶次循环。

4. 研究结果

4.1. 钢筋的静态拉伸性能

拉伸试验结果表明，10 mm钢筋的屈服强度（Re = 601 MPa）和抗拉强度（Rm = 703.4 MPa）均高于16 mm钢筋（Re = 557 MPa, Rm = 666 MPa）。相反，16 mm钢筋表现出稍高的延展性，其断后伸长率（21.61%）和最大力总延伸率（11.11%）均优于10 mm钢筋（分别为19.99%和8.52%）。两种直径钢筋的Rm/Re比值相近，表明应变硬化行为相似。这些结果体现了典型的强度-延展性权衡关系。

4.2. 10 mm和16 mm直径试样的疲劳认证结果

4.2.1. 10 mm直径试样的疲劳认证结果

在Δσ = 200 MPa、R = 0.1至0.5的范围内，绝大多数10 mm直径试样成功满足了BS 4449的5 × 10⁶次循环跑出（run-out）准则。在BS 4449参考条件（R = 0.2）下，所有五个测试试样均未发生失效。仅在R = 0.3条件下观察到一次疲劳失效，而其他同条件下及更高应力比下的试样均达到了跑出（run-out）准则。这表明，在所研究的应力比范围内，疲劳认证结果并未表现出系统性的应力比依赖性，该孤立失效反映了疲劳测试中常见的变异性。

4.2.2. 16 mm直径试样的疲劳认证结果

与10 mm钢筋类似，大多数16 mm直径试样也在Δσ = 200 MPa下成功达到了5 × 10⁶次循环的跑出（run-out）准则。在BS 4449参考条件（R = 0.2）下记录了一次疲劳失效，约在7.16 × 10⁵次循环时发生。其余在R = 0.2及更高应力比下测试的所有试样均达到了跑出（run-out）准则。整体而言，两种直径的钢筋结果相似，大部分试样在研究的应力比范围内满足了BS 4449认证准则，未观察到随应力比增加而导致的认证结果明显恶化。

4.2.3. 疲劳认证结果的平均应力-交变应力表示

所有测试均在Δσ = 200 MPa下进行，因此交变应力（σ_a）恒定为100 MPa，而平均应力（σ_m）随应力比R变化（约122至300 MPa）。将实验结果与估计的古德曼线（Goodman line）进行比较，发现大多数实验条件位于估计的参考线附近。在最高平均应力下，位于古德曼线上方的试样也完成了5 × 10⁶次循环而未失效。这表明，针对规定的跑出（run-out）准则，估计的古德曼线在这些特定加载条件下提供了一个保守的分析参考。

4.2.4. 去除肋条对疲劳认证结果的影响

作为定性参考，对从带肋钢筋加工而成的光滑圆柱形试样进行了疲劳测试。在BS 4449参考条件（R = 0.2）下，10 mm和16 mm的光滑试样均成功达到了5 × 10⁶次循环的跑出（run-out）准则。由于每种直径仅测试了一个试样，此结果被视为定性观察，表明在不存在肋条引起的几何不连续性时，钢材的内在疲劳抗力足以达到该循环阈值。

4.3. 显微组织分析

光学显微镜观察显示，两种直径的钢筋均为铁素体-珠光体（ferrite-pearlite）微观组织。10 mm钢筋呈现出相对更细、更均匀的组织，而16 mm钢筋则较为粗大。这种差异与不同直径钢筋在加工过程中经历的冷却速率不同有关。这些观察结果与测得的硬度值（29-32 HRC）相符。

4.4. 夹杂物洁净度表征

4.4.1. 夹杂物类型分布

定量分析表明，两种材料均以硫化锰（MnS）夹杂物为主，在10 mm和16 mm试样中分别约占68%和74%。氧化物夹杂物（如Fe-O-Mn、Mn-Si-Al等）也少量存在。两种直径间夹杂物分布的微小差异可能与截面尺寸相关的热历史和凝固条件不同有关。

4.4.2. 夹杂物尺寸分布与形态分析

夹杂物尺寸分析显示，两种试样的夹杂物群体主要由细小夹杂物组成。超过85%（10 mm）和90%（16 mm）的夹杂物尺寸小于4 μm。粗大夹杂物（大于5 μm）的比例很低，均不足3%。与10 mm试样相比，16 mm试样的夹杂物尺寸分布略向更细、更集中的方向偏移，表明其夹杂物群体更为均匀。

5. 讨论与结论

讨论总结：本研究探讨了在BS 4449标准框架下，疲劳认证结果对应力比（R）变化的敏感性。总体结果表明，在保持Δσ = 200 MPa的规定应力范围下，绝大多数试样在R = 0.1至0.5的应力比范围内成功达到了5 × 10⁶次循环的跑出（run-out）准则。因此，疲劳认证在超出参考应力比（R = 0.2）的更广泛平均应力条件下得以维持。虽然观察到孤立的失效事件，但疲劳认证结果并未表现出对应力比的系统性依赖。平行进行的冶金学表征揭示了两种直径钢筋在显微组织细化和夹杂物特征上的差异，尽管它们化学成分相同且来自同一炉次。这些观察结果为在BS 4449疲劳认证条件下测试的材料提供了更全面的描述。

研究结论翻译：本研究探讨了在BS 4449规定的加载条件下，疲劳认证结果对应力比变化的敏感性。虽然该标准为疲劳认证测试定义了R = 0.2的参考应力比，但在相同规定应力范围（Δσ = 200 MPa）下，替代应力比的影响仍缺乏充分文献记载。实验结果表明，大多数试样在研究的应力比范围（R = 0.1–0.5）内满足了BS 4449的5 × 10⁶次循环跑出（run-out）准则。所观察到的孤立失效并未揭示认证结果对应力比的系统性依赖，表明在所研究的条件下，认证结果对R变化的敏感性有限。补充的显微组织和夹杂物表征提供了对所研究材料更广泛的冶金学描述，并突出了两种直径间的差异，尽管它们源自共同的铸造批次且化学成分相同。总体而言，本研究为BS 4449疲劳认证条件在标准规定的参考应力比之外的适用性提供了额外的实验数据，并为钢筋疲劳认证方法的讨论做出了贡献。