李錦華

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽淮北 235000)

預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力腐蝕及防治措施

李錦華

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽淮北 235000)

長期以來,冷拉預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力腐蝕問題并未引起人們的足夠重視。本文從產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的機(jī)理出發(fā),分析產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的原因以及影響應(yīng)力腐蝕的因素,提出了應(yīng)從鋼材內(nèi)部條件和外部條件兩方面進(jìn)行防治的防治對(duì)策。

預(yù)應(yīng)力鋼絲;應(yīng)力腐蝕;防治措施

改革開放以來,我國國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,綜合國力逐年增強(qiáng),建筑業(yè)得到了蓬勃發(fā)展,建筑法律、法規(guī)逐步完善,特別是我國加入WTO以來,建筑工程管理走上了法制軌道,但由于有些專業(yè)技術(shù)人員和管理人員缺乏質(zhì)量意識(shí)或者技術(shù)水平不高,各種工程質(zhì)量事故時(shí)有發(fā)生。雖然建筑工程質(zhì)量事故發(fā)生的原因是多種多樣的,但由于使用劣質(zhì)工程材料引起的工程質(zhì)量事故還是經(jīng)常出現(xiàn)的,各級(jí)管理部門對(duì)工程材料的把關(guān)管理都得到足夠的重視。在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件生產(chǎn)過程中,對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋、水泥、砂、石子、各種錨、夾具等的采購、驗(yàn)收、保管、使用基本上都能夠嚴(yán)格把關(guān),但是預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力腐蝕問題并未引起人們的足夠重視,本文對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力腐蝕問題,從產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的機(jī)理出發(fā) ,分析了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的原因以及影響應(yīng)力腐蝕的因素,提出了防治對(duì)策。

1 金屬的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及腐蝕機(jī)理

1.1 什么叫應(yīng)力腐蝕

處于腐蝕性溶液和氣氛下工作的金屬,在機(jī)械應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下,在遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的條件下,發(fā)生突然的、沒有形變預(yù)兆的破裂現(xiàn)象,稱為應(yīng)力腐蝕,也稱為低應(yīng)力脆斷或應(yīng)力腐蝕破裂。

應(yīng)力腐蝕開裂具有脆性斷口形貌,發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件是要有拉應(yīng)力(不論是殘余應(yīng)力還是外加應(yīng)力,或者兩者兼而有之)和特定的腐蝕介質(zhì)存在。型紋的形成和擴(kuò)展大致與拉應(yīng)力方向垂直。這個(gè)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力值,要比沒有腐蝕介質(zhì)存在時(shí)材料斷裂所需要的應(yīng)力值小得多。在微觀上,穿過晶粒的裂紋稱為穿晶裂紋,而沿晶界擴(kuò)展的裂紋稱為沿晶裂紋,當(dāng)應(yīng)力腐蝕開裂擴(kuò)展至某一深度時(shí),則材料就按正常的裂紋而斷開。一般應(yīng)力腐蝕都屬于脆性斷裂。

1.2 應(yīng)力腐蝕機(jī)理

金屬的應(yīng)力腐蝕破裂是電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力的機(jī)械破壞互相促進(jìn)的結(jié)果。

金屬的應(yīng)力腐蝕破裂過程一般可分為三個(gè)階段。第一階段為孕育期,因腐蝕過程的局部化和拉應(yīng)力的結(jié)果,使裂紋生核;第二階段為腐蝕裂紋發(fā)展期,使裂紋擴(kuò)展;在第三階段中,由于拉應(yīng)力的局部集中,裂紋急劇生長導(dǎo)致材料的破壞。

金屬的表面缺陷(劃痕、小孔或縫隙存在)部位的電位比其他部位低,成為活性點(diǎn),為應(yīng)力腐蝕提供了裂紋核心。材料表面的裂紋核心,在特定介質(zhì)(含活性陰離子,尤其是氯離子)和拉應(yīng)力的聯(lián)合作用下,將產(chǎn)生塑性變形,導(dǎo)致表面鈍化膜破裂,新裸露的金屬表面相對(duì)于鈍化表面的電位變負(fù),形成一個(gè)面積特別小的陽極,以較大的腐蝕電流迅速溶解成為蝕坑。腐蝕電流流向坑外,即流向陰極,在陰極上發(fā)生如下反應(yīng):

如蝕坑沿著滑移線和拉應(yīng)力垂直的方向發(fā)展為微觀裂紋,就完成了裂紋的孕育階段。

微觀裂紋形成后,裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中,高的集中應(yīng)力使裂紋尖端及附近區(qū)域屈服變形,微觀滑移再次破壞尖端表面膜,使尖端又一次加速溶解。這些步驟連續(xù)交替進(jìn)行,裂紋便不斷向深處擴(kuò)展。這就是裂紋的擴(kuò)展階段。

隨著裂紋擴(kuò)展階段的進(jìn)行,拉應(yīng)力逐漸增大,應(yīng)力集中就愈大,導(dǎo)致裂紋的迅速擴(kuò)展,最后導(dǎo)致材料的破壞。

2)分析數(shù)據(jù)。這個(gè)過程需要進(jìn)行抽象，將S表示為分?jǐn)?shù)和，Max表示最大值，Min表示最小值，df是最終計(jì)算結(jié)果，平均數(shù)。

2 預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及防治措施

預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼絞線的應(yīng)力腐蝕是在應(yīng)力和腐蝕復(fù)合作用下的應(yīng)力腐蝕(屬電化腐蝕范疇),其特點(diǎn)是在金屬內(nèi)部先形成裂紋,內(nèi)裂紋發(fā)生后便形成應(yīng)力集中,加速裂紋的發(fā)展,它是一種沒有征兆的脆性斷裂。在工程中一旦出現(xiàn),后果將是災(zāi)難性的。

2.1 影響應(yīng)力腐蝕的因素

根據(jù)深圳華油五金塑膠制品有限公司總工程師胡堅(jiān)石同志的研究,影響應(yīng)力腐蝕的因素主要由內(nèi)外兩種因素組成。

2.1.1 內(nèi)部因素

鋼中含氫量對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響。鋼的各種冶金敏感性(包括晶粒大小、晶粒取同、形態(tài)、相結(jié)構(gòu)、各種缺陷、加工狀態(tài)等)都將影響到鋼的應(yīng)力腐蝕能力。冶煉過程中熔入鋼水中的氣體,隨鋼坯的凝固而存在于鋼錠中,它們對(duì)鋼的力學(xué)和化學(xué)性能產(chǎn)生有害影響。尤其是以原子態(tài)存在于鋼中的氫,其危害性更大。在外力作用下(例如軋制、拉拔等),氫原子將化合成氫分子,由于分子氫的體積遠(yuǎn)大于原子氫,在鋼的內(nèi)部便會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力,當(dāng)此壓力超過鋼的強(qiáng)度極限時(shí),鋼便產(chǎn)生了微裂紋(此裂紋存在于鋼的內(nèi)部,稱為白點(diǎn))。這一微裂紋有可能在隨后的酸洗、拉拔或施加預(yù)應(yīng)力時(shí)得到擴(kuò)展而導(dǎo)致鋼絲斷裂。

另一方面,對(duì)于冷拉鋼絲而言,環(huán)境介質(zhì)中的氫也能在一定條件下以原子的形態(tài)透過鋼的表面而進(jìn)入鋼的內(nèi)部,在應(yīng)力的作用下,引發(fā)鋼的氫脆現(xiàn)象。應(yīng)力越大,則氫脆越嚴(yán)重。其原因在于冷拉能增加缺陷濃度,因而能大大提高氫的聚集程度。同時(shí),冷拉鋼絲的表面形成的鈍化膜不具有保護(hù)性,有可能導(dǎo)致局部腐蝕的過早形成,在應(yīng)力或應(yīng)變的作用下,產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕開裂。

因此,對(duì)冷拉預(yù)應(yīng)力鋼絲而言,嚴(yán)格控制鋼中及鋼絲在使用環(huán)境中的氫含量,具有特別重要的意義。

一般對(duì)于使用冷拉狀態(tài)的鋼絲,要求w(H)不得大于3.5×10-6,最好控制在1×10-6以下。

2.1.2 外部因素

(1)拉拔造成的附加有害內(nèi)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼絲在拉拔過程中,由于設(shè)備性能落后,尤其是冷卻能力不夠,拉拔工藝編排不當(dāng)或操作不規(guī)范;磷化質(zhì)量不佳,潤滑不好,使拉拔力過大,拉拔熱過高等都將給鋼絲增加有害附加應(yīng)力。產(chǎn)生了有害附加應(yīng)力的鋼絲是能檢測出來的。與正常鋼絲相比較,產(chǎn)生了有害應(yīng)力的鋼絲表現(xiàn)出如下特征:①斷面收縮率小。按正常工藝生產(chǎn)出來的鋼絲,其斷面縮率一般應(yīng)大于35%。如果成品鋼絲的斷面縮率小于35%,則應(yīng)認(rèn)為在某一環(huán)節(jié)上出現(xiàn)了問題。②抗拉強(qiáng)度過高。合格鋼絲的選材和工藝確定后,其抗拉強(qiáng)度的波動(dòng)范圍一般應(yīng)能控制在200Mpa以內(nèi);如果強(qiáng)度波動(dòng)范圍大大超過此范圍,則可初步判定拉拔工藝失控。③扭轉(zhuǎn)性能不合格。合格的鋼絲,作360°單向扭轉(zhuǎn)時(shí),不僅扭轉(zhuǎn)次數(shù)應(yīng)合格,且扭轉(zhuǎn)斷口應(yīng)平整并垂直于軸線;附加過大有害應(yīng)力的鋼絲,雖然其扭轉(zhuǎn)次數(shù)可能合格,但其斷口有可能出現(xiàn)不平整、劈裂、或式樣表面呈現(xiàn)肉眼可見的螺旋形裂紋。

(2)環(huán)境因素對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響。對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中的鋼絲而言,其主要環(huán)境介質(zhì)是混凝土。由于混凝土不能完全隔水,那么,當(dāng)滿足有足夠的單體氧原子、有足夠的氯化物(700×10-6以上)使鋼絲產(chǎn)生敏化作用、有水分存在三個(gè)條件時(shí),就有可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。也就是說,如果鋼絲周圍有足夠的氯化物存在,而環(huán)境又是無數(shù)次“干燥”與“潮濕”循環(huán)交替狀態(tài),就有可能促使應(yīng)力腐蝕的加速形成。除了氯化物的影響以外,還有下述因素也能促使應(yīng)力腐蝕的發(fā)展,而導(dǎo)致鋼絲失效。①在高pH(8～10)和近中性pH環(huán)境中,可產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂,尤其是濃碳酸鹽和碳酸氫鹽可導(dǎo)致鋼絲產(chǎn)生腐蝕裂紋。②陰極保護(hù)不當(dāng)。在一些重要管道上,采用了陰極電流防蝕系統(tǒng),以緩解局部腐蝕和均勻腐蝕。然而,過電壓使氫較易析出,導(dǎo)致氫進(jìn)人鋼中引起氫脆。文獻(xiàn)[1]指出:當(dāng)電位在-0.52～0.78V(相對(duì)氫電極)時(shí),鋼絲將受到可靠的保護(hù)。但實(shí)際上,由于鋼絲存在缺陷,其周圍電位變化較大,常使材料的電位落在應(yīng)力腐蝕的敏感區(qū)內(nèi)。為此,建議采用化學(xué)方法進(jìn)行保護(hù),即用鋅為正極形成電流保護(hù)。由于鋅元素有防止過電壓的作用,凡采用鋅為正極的防蝕系統(tǒng)基本上未出現(xiàn)問題。③力學(xué)性能。只有當(dāng)拉應(yīng)力大于鋼絲的應(yīng)力腐蝕臨界值時(shí),應(yīng)力腐蝕裂紋才會(huì)擴(kuò)展。這個(gè)拉應(yīng)力既可以是外加應(yīng)力,也可以是鋼的殘余應(yīng)力。如果鋼絲存在裂紋,或表面存在氧化皮,或周圍存在腐蝕環(huán)境等,都將導(dǎo)致門檻應(yīng)力大大降低。

2.2 防治措施

防治措施可從鋼材的內(nèi)部條件和外部條件上進(jìn)行。

2.2.1 內(nèi)部條件

從鋼材的內(nèi)部條件上,要求該類鋼材必須經(jīng)過爐外精煉,已納入《預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼絞線用熱軋盤條》(YB/T146-1998)的標(biāo)準(zhǔn)條款,并在疏、磷、銅雜質(zhì)含量上加以嚴(yán)格控制,在盤條的表面缺陷上也應(yīng)加以嚴(yán)格控制。

2.2.2 外部條件

(1)設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼材的防腐鍍(涂)層,按保護(hù)層的種類,可分為非金屬保護(hù)層(稱為涂層),化學(xué)保護(hù)層和金屬保護(hù)層(稱為鍍層)三類。預(yù)應(yīng)力鋼材的非金屬涂層主要有塑料,環(huán)氧樹脂和防腐油脂三種,由于其工藝裝備比較簡單,投資低,易于上馬?；瘜W(xué)保護(hù)層:在金屬表面形成保護(hù)層,如鋅層的鈍化、鋁層的氧化、鐵基的磷化等。該類保護(hù)層往往不是作為單一的鋼材保護(hù)層,而是與金屬鍍層兼并使用。金屬保護(hù)鍍層:在電化腐蝕中,處于陽極的金屬首先被溶解,為此在鋼絲表面鍍以較鐵活潑的金屬,如鋅、鋁等。在腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中,使鋅首先被溶解而保護(hù)鐵基,稱為陽極鍍層保護(hù)。由于鍍鋅(或鋅-鋁合金)在金屬防腐中具有良好的結(jié)果和成熟的工藝裝備,因此被預(yù)應(yīng)力鋼材廣泛使用。

(2)為了避免拉拔不當(dāng)引起的應(yīng)力腐蝕,美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTMA648“預(yù)應(yīng)力混凝土管道用冷拉鋼絲”標(biāo)準(zhǔn)中,特別作出如下規(guī)定:

①嚴(yán)格控制冷拉溫度。該標(biāo)準(zhǔn)指出:當(dāng)拉拔熱過大,例如鋼絲出模溫度在 204℃時(shí)超過 5s或出模溫度在182℃時(shí)超過20s,就將對(duì)鋼絲產(chǎn)生有害影響。②對(duì)符合公稱強(qiáng)度的鋼絲,規(guī)定了鋼絲的最小拉力值和最大拉力值。其目的是控制拉拔工藝,使強(qiáng)度波動(dòng)范圍控制在不致產(chǎn)生過分有害的程度。③控制扭轉(zhuǎn)斷口的形貌。凡是斷裂的試樣呈現(xiàn)出螺旋形劈裂,或在鋼絲表面上產(chǎn)生了用手指能觸摸到的錯(cuò)位時(shí),都應(yīng)進(jìn)行復(fù)試。

[1] 胡堅(jiān)石.預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力腐蝕[J].金屬制品,2002,28(2):528.

TU511.3+2

A

1671-8275(2010)03-0057-02

2010-02-21

李錦華 (19622),女,淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師。研究方向:混凝土施工。

責(zé)任編輯:訾興建