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近几年来,抗震工程结构设计的研究已经取得巨大成就,然而地震设防区工程结构用钢的抗震性能却没有引起人们足够的重视。强震发生时,脆性的混凝土开裂是不可避免的,开裂处钢筋往往承受极大的局部拉压交变载荷并产生很高的水平方向循环应变,钢筋如果断裂则整个建筑物倒塌。桥梁,铁轨以及吊车梁等很多构件都会遭受这种动态载荷,所以全面系统性的研究地震载荷下钢筋的变形及破坏特征是必要和有意义的。 本文基于系统性的抗震观点,建立了以高应变低周疲劳性能为主,包括应变时效敏感性,低温脆性,可焊性及强塑性配合等五大体系的综合抗震指标,对钒氮微合金化(VN),轧后余热处理(QST)及细晶化(FG)三种不同生产工艺得到的同级别静态力学性能相近的高强钢筋(400MPa、500MPa)进行了综合抗震性能测试分析,结果如下: 高应变低周疲劳性能:采用双参数Weibull最佳线性不变估计法对分散的疲劳实验数据进行数理统计,用Coffin-Manson和Hollomon公式对实验数据进行拟合。建立一个新的预测模型来表示地震载荷下的能量吸收率并命名为循环韧度。计算结果表明400VN钢筋循环韧度为15.4J/cm3,400FG钢为15.2J/cm3,400QST钢为12.6J/cm3。SEM观察发现大量密集的疲劳辉纹和轮胎花样分布在VN钢筋疲劳断口上,说明VN钢筋吸收了较多的循环塑性变形能,具有最佳的高应变低周疲劳性能。QST钢因为心部和外层组织不同而产生较大应力集中,循环过程生成很多较深的二次裂纹,加速循环软化使钢筋过早疲劳断裂。 应变时效敏感性:把塑性应变量为5％的400MPa级别三种钢筋在100℃下恒温3小时,计算其强度升高率△U和延伸率的降低率△E,结果表明400VN钢的△E和△U最小,分别为6.82%,2.79%,其应变时效不敏感,证明VN钢中的V可以完全抑制自由N原子重新钉扎位错。400FG钢的最大,分别10.55%和3.36%,其应变时效很敏感。 可焊性:通过闪光对焊技术分别连接400MPa级别的的三种钢筋,焊后拉伸性能测试结果表明焊缝距断口平均距离(H)都大于30mm。其中,VN钢焊后性能稳定,可焊性最佳,适用于地震设防区;QST钢具有一定的可焊性,但H波动大,产品质量不稳定;FG钢塑性下降较快,焊接性能相对较差。 低温脆性:冲击结果表明,400MPa级别的三种钢韧脆转变温度都在-40℃以下,符合寒冷地区钢筋抗震使用标准。 强塑性配合:400MPa级别三种钢筋的静态拉伸力学性能指标相似,且都达到国标GB1499-2007所规定的抗震要求既σb/σs≥1.25,σs实际/σs标准≤1.30,δgt≥9%。 500MPa钢筋总体呈现较差的综合抗震性能。其中500QST应变时效后几乎测不出均匀延伸率,焊接后强度降到400MPa级别,除了冲击韧性较高,其余抗震指标都要低于500VN。 重点研究了综合抗震性能中最重要的指标高应变低周疲劳,采用正态分布与对数正态分布函数,威布尔双参数概率函数以及t分布函数等多种数理统计方法,对所测得的低周疲劳寿命进行了统计处理与分析,发现Weibull最佳线性不变估计是最为可靠和安全的。对比了局部应力应变法,总塑性变形能量法,盛的能量法,以及基于疲劳总寿命预测的四点法,通用斜率法,SWT法等低周疲劳寿命预估模型,在此基础上提出一种新的模型-循环韧度,其表达式为:n+1KBNé(2)b95+CN(2)c95ùn=D=/2seatE。此模型用来评估钢筋的抗震能力较为准确且可靠性高,具有很好的参考性。同时用微观组织结构演变过程证明了循环韧度模型的正确性,疲劳断裂后的400VN钢筋拥有较小的位错胞(500nm)和较厚的胞壁而承受了较大的循环应变以及应力幅,因此其循环韧度值最高。 由于V微合金化钢筋具有优良的综合抗震性能,我们研究了400MPa级别的VFe(0.076V-0.0055N)和VN(0.04V-0.0135N)两种钢筋的纳米第二相析出热动力学。采用应力松弛法和回火硬度法,根据J-M-A(Johnson-Mehl-Avrami)理论分别定量计算了V(C,N)在奥氏体和铁素体中的析出热动力学,并与实验所测PTT(Precipitation–Time–Temperature)曲线进行对比。结果发现VN钢筋可以在铁素体中析出大量纳米化V(C,N)颗粒。而在高温时其PTT曲线成“C”型,且50%变形量下,870℃时析出最快。弥散纳米化的第二相质点V(C,N)强烈阻碍位错运动,导致位错运动分布在晶体平面上,形成了分布较为均匀的平行位错滑移线束,这将减少或避免疲劳损伤局部化,使得疲劳裂纹不易萌生,提高了疲劳强度和疲劳寿命。同时对比了三种不同V/N比(10,6,3)的微合金化钢筋的高应变低周疲劳性能,并对其微观结构进行了分析,找出了具有最佳抗震性能的V/N比约为6,这为以后微合金化超高强度钢的生产提供一定的理论依据。