Low-cycle fatigue testing and microstructure of high strength-ductility structural steel materialsBai, Y., Gong, Q., Zhou, X. et al. Low-cycle fatigue testing and microstructure of high strength-ductility structural steel materials. Low-carbon Mater. Green Constr. 2, 1 (2024). https://doi.org/10.1007/s44242-023-00032-4 金属强度和延性之间此消彼长的相互关系，是影响高性能钢材在大规模工程结构应用的主要瓶颈，难以同时满足地震作用、高-低周疲劳等动力荷载下的承载力、变形与耗能需求。通过试验研究发现，与屈服强度为1GPa级别工业生产的高强度钢(HS-S)相比，FeCrNi基高延性钢(HD-S)由于其应变硬化直至最终断裂前优越的塑性性能，可以在疲劳过程中表现出显著的耗能特性。强度和延性之间的平衡可以通过添加约5%的Ni来实现，以获得更强的疲劳滞回性能。此外，HD-S试件能够更好地抵抗大塑性常幅下的低周疲劳破坏。基于疲劳过程中的瞬时损伤驱动变量，本文提出了一种新的损伤演化定律，将材料的疲劳寿命扩展到宏观结构构件（梁铰单元、折纸铰链单元等）。本文提出的方法能够对具有理想防灾消能能力的钢结构构件进行疲劳建模与分析，以应用于钢结构极端建造中的疲劳设计。 拉伸试验和疲劳试验在250kN电液伺服万能试验机上进行。拉伸试验用于研究两种材料在循环拉应力下的拉伸性能，疲劳试验用于研究两种材料的疲劳性能。疲劳试验均采用应变控制模式，为避免因面外变形引起的屈曲失效，实行卸荷速率为0.1%/s应变率的静态疲劳加载方案。 拉伸试验结果表明，HS-S的屈服应力约为1.011GPa，HD-S的屈服应力约为0.633GPa。与HS-S的硬化应力相比，HD-S在极限强度下伸长率提高了4倍。![]()
图1 HD-S和HS-S的拉伸性能和滞回性能：(a)应力-应变曲线；(b) 滞回曲线 疲劳试验结果表明，钢材疲劳寿命随应变幅度的增加呈对数关系减小，单位质量耗散能量随着应变幅值的增加而增加。在断裂方面，两种钢材的耗散能量都表现为下降，其中HS-S的下降更为明显。
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图2 低周疲劳下失效模式比较：（a）滞回性能（b）塑性滞后能量积累（c）S–N曲线
从拉伸试件断面微观结构可以看到，HD-S的裂纹扩展区大于HS-S，HS-S有明显的脆性裂纹痕迹。此外，与HS-S相比，HD-S具有更小、分布更均匀的微孔隙。
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图3 HD-S（a，c）和HS-S（b，d）在超低循环拉伸荷载下的SEM断口形貌；
（e）HS-S凹坑区域周围化学复合材料的EDX影像
从疲劳试件断面微观结构可以看到，在接近的应变值下，HS-S试样的裂纹扩展区域更加粗糙。两种试样的II阶段裂纹扩展均为穿晶裂纹扩展，裂纹扩展区域以准解理断裂为主，伴有一些次生裂纹。HD-S试样的二次裂纹密度高于HS-S试样。与HS-S试样相比，HD-S试样具有更大更深的韧窝，表明其断裂韧性更强。
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图4 (a,c,e)HD-S试样在1.98εy应变幅下的SEM断口图;
(b,d,f) HS-S试样在1.29εy应变幅下的SEM断口图；
(a,b)整体疲劳断口;(c,d)裂纹扩展区域;(e,f)最终断裂区域
基于Manson-Coffin定律和集中损伤力学概念思想，经过一系列推导，本文提出了一种新的损伤演化定律，将材料的疲劳寿命扩展到梁铰单元、折纸铰链单元等：
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其中di是裂纹扩展阶段的损伤变量，fcr是低周疲劳下裂纹萌生的临界转角。随着从低周疲劳向高周疲劳的转变，裂纹萌生寿命接近于破坏周期，表现出突然的脆性断裂。
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图5 裂纹扩展过程中的疲劳寿命和断裂韧性
Link: https://link.springer.com/article/10.1007/s44242-023-00032-4![]()
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作者邮箱：bai.yongtao@cqu.edu.cn白涌滔 教授，2013年博士毕业于日本九州大学，之后赴京都大学防灾研究所（DPRI）进行博士后研究工作，其间入选了日本学术振兴会JSPS特别研究员；2015年进入西安交通大学从事科研工作，担任副教授、土木工程系副系主任；2018年获得德国洪堡基金会资助，分别在波鸿鲁尔大学和汉诺威莱布尼兹大学进行钢结构与不确定性相关的研究工作（期间赴意大利米兰理工大学"Polimi"访问交流）；2020年全职进入重庆大学土木工程学院，加入重庆大学钢结构工程研究中心，2021年入选国家级青年人才计划，现兼任高层建筑领域国际知名SCI期刊《The Structural Design of Tall and Special Buildings》编委等。 主要从事“钢结构损伤”领域相关研究，主要包括：疲劳损伤力学演化理论建模与智能化预测方法等，主持国家重点研发计划青年科学家项目等国内外科研项目10余项，提出了宏观疲劳损伤准则，高-低周疲劳统一模型，全寿命性能提升关键技术。发表SCI期刊论文60余篇（ESI论文10篇），研究成果获陕西土木建筑科技进步一等奖（排名1）等国内科技奖励4项，培养学生获日本建筑学会AIJ优秀硕士论文奖、德国DAAD奖学金、国家奖学金等。Low-carbon Materials and Green Construction （LMGC）是土木工程领域第一本交叉融合材料、建造、环境、能源四个相关学科的国际学术期刊，由同济大学肖绪文院士和美国Surendra P. Shah院士共同担任主编，同济大学肖建庄教授担任执行主编。LMGC在国家实施“双碳”目标、“一带一路”等重大战略背景下创办，以土木工程中的低碳材料和绿色建造为立足点，重点关注材料性能、结构性能和结构—环境共生中碳排放的时空动态演变，以及相关的碳减排和可持续性问题，引领土木工程领域低碳前沿发展。成功入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊。
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https://www.springer.com/journal/44242https://www.editorialmanager.com/lmgc/default2.aspx
