徐善華，古仁俊，聶 彪，徐吉民

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055; 2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

冷彎薄壁型鋼作為一種力學(xué)性能均勻、利用率高、易于施工及節(jié)能環(huán)保的新型建筑材料，得到建筑行業(yè)的廣泛認(rèn)可，并在生產(chǎn)應(yīng)用上得到快速發(fā)展[1-3]。近年來，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)由于所處環(huán)境惡劣、涂層質(zhì)量差、維護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩?，使得鋼材銹蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)諸多事故[4]。

目前，鋼結(jié)構(gòu)銹蝕問題的研究主要針對普通熱軋鋼，且研究廣泛，成果也較為顯著[5]。文獻(xiàn)[6]通過對中性鹽霧環(huán)境下銹蝕Q235鋼板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得出隨著銹蝕率的增大，銹蝕鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率呈現(xiàn)明顯的線性退化趨勢，銹蝕后的鋼板仍具有比較明顯的頸縮現(xiàn)象。文獻(xiàn)[7-9]通過人工打孔模擬鋼材蝕坑的方法，詳細(xì)研究了銹蝕對鋼材力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，隨著蝕坑深度及其密度的增加，銹蝕鋼材的強(qiáng)度和延性急劇下降，非均勻銹蝕對于鋼材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響較均勻銹蝕更加明顯。文獻(xiàn)[10]引入有效厚度，評估銹損鋼材剩余強(qiáng)度，并將初始厚度與最大腐蝕深度相關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[11]采用體積損失率評估試件的銹蝕程度，將6根不同銹蝕程度的H型Q345鋼短柱進(jìn)行偏心壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)銹蝕會導(dǎo)致偏心受壓試件屈服荷載，屈曲荷載和極限荷載的降低。文獻(xiàn)[12]首次使用三維非接觸式掃描系統(tǒng)來獲取3根鋼梁的銹蝕特征并重建其3D幾何形狀，提出了一個更合理的銹蝕等級參數(shù)φ，它可以綜合考慮均勻銹蝕和非均勻銹蝕的影響。文獻(xiàn)[13]通過對2 mm厚Q235 冷彎薄壁鋼板試件進(jìn)行銅加速醋酸鹽霧試驗(yàn)，得到了不同腐蝕程度的試驗(yàn)樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)銹蝕對冷彎薄壁鋼板試件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率均有所影響。文獻(xiàn)[14]采用截面損失率作為冷彎薄壁型鋼銹蝕程度的評價指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)隨著截面損失率的增大，銹蝕試件的彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度急速下降。由于冷彎薄壁型鋼壁厚較薄和生產(chǎn)加工過程中的冷成型作用，使得銹蝕對其影響比普通熱軋鋼更為嚴(yán)重，造成兩種鋼材的銹蝕退化規(guī)律和速度有顯著差異。但目前關(guān)于針對銹蝕冷彎薄壁型鋼的研究依舊不足：銹蝕冷彎薄壁型鋼的研究只是針對鋼材Q195和Q235，未對銹蝕后的Q345鋼材進(jìn)行深入的研究；以往研究的試件在銹蝕程度和銹蝕范圍上十分有限，未對銹蝕程度更嚴(yán)重、銹蝕率范圍更大的試件進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[13-14]的研究結(jié)果也僅表明銹蝕對冷彎薄壁型鋼力學(xué)性能指標(biāo)參數(shù)有影響，還未能準(zhǔn)確給出冷彎薄壁型鋼材料力學(xué)性能參數(shù)與銹蝕率的函數(shù)關(guān)系；且關(guān)于銹蝕對兩種不同鋼材力學(xué)性能影響的對比分析研究更是未見報道。因此，開展銹蝕對冷彎薄壁型鋼材料力學(xué)性能退化規(guī)律的研究和銹蝕對不同鋼材力學(xué)性能影響的對比分析研究具有重要的理論意義和工程實(shí)用價值。

本文借助3Dscan手持式激光三維掃描儀獲得腐蝕鋼板表面形貌，通過銹蝕冷彎薄壁型鋼板材單調(diào)拉伸試驗(yàn)，探討了銹蝕對冷彎薄壁型鋼材料力學(xué)性能的影響，揭示了其力學(xué)性能指標(biāo)的退化規(guī)律。并與銹蝕熱軋鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析，研究銹蝕對不同鋼材力學(xué)性能的影響。

1 鋼材的材性試驗(yàn)

1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

本文試件來源實(shí)際工業(yè)環(huán)境下服役多年的冷彎薄壁 C 型屋面檁條，截面尺寸為160 mm×60 mm×20 mm×2.5 mm，見圖1。利用線切割技術(shù)從C型鋼腹板截取不同銹蝕程度標(biāo)準(zhǔn)試件(17個)，其尺寸見圖2。依據(jù)規(guī)范[15]進(jìn)行除銹，具體步驟：先用機(jī)械方法打磨去除試件表面鐵銹，接著將試件浸入體積分?jǐn)?shù)為 12 %鹽酸溶液20 min后取出，然后用鋼刷清除表面的附著物，用氫氧化鈣溶液中和清洗表面殘留鹽酸，最后用清水洗凈，置于干燥箱中烘干。除銹后的試件表面見圖3，試件編號按銹蝕程度由小到大排列(F0～F16)，其中F0為未銹蝕試件。

圖1 試件來源Fig.1 Source of specimen

圖2 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件尺寸(mm)Fig.2 Standard tensile specimen size (mm)

圖3 除銹后的試件表面Fig.3 Specimen surface after rust removal

1.2 試件表面形貌參數(shù)采集

采用天平測量試件質(zhì)量，得到試件質(zhì)量損失率。采用3Dscan手持式激光三維掃描儀測試除銹后試件表面形貌(掃描區(qū)域?yàn)檎麄€試件)，得到整個試件表面形貌數(shù)據(jù)。本文選取了5個銹蝕程度差別明顯的試件進(jìn)行了表面形貌測試。

1.3 單調(diào)拉伸試驗(yàn)

采用DNS300型號電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，見圖4。采用電子引伸計(jì)測量試件的位移，其標(biāo)距為50 mm。在計(jì)算機(jī)中輸入試件的平行段長度、最小截面寬度及其對應(yīng)的厚度，從而在拉伸過程中得到彈性模量、屈服強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[16]要求，試驗(yàn)彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段加載速率分別設(shè)為0.5、0.5和5 mm/min。為防止引伸計(jì)被拉壞，當(dāng)荷載曲線下降時，加載速率設(shè)為0.25 mm/min，直至試件拉斷。

圖4 單調(diào)拉伸試驗(yàn)加載設(shè)備Fig.4 Monotonic tensile test loading device

2 試驗(yàn)結(jié)果及對比分析

2.1 表面形貌和三維粗糙度參數(shù)

因試件內(nèi)外兩側(cè)所處的腐蝕環(huán)境有差異，故試件兩側(cè)的銹蝕程度明顯不同，且銹蝕主要集中在檁條的外側(cè)，見圖5。考慮到單調(diào)拉伸試驗(yàn)有效區(qū)位置，及當(dāng)采樣面積大于20 mm×20 mm時，三維粗糙度參數(shù)基本趨于平穩(wěn)，不再隨著采樣面積的增大而增大[17]。故本文僅給出標(biāo)距段40 mm×20 mm(40 mm 沿試件長度方向，20 mm 沿試件寬度方向，見圖6)區(qū)域大小的表面形貌，并計(jì)算該區(qū)域的三維粗糙度參數(shù)。取樣區(qū)表面形貌見圖7，三維粗糙度參數(shù)見表1。

表1 掃描試件三維粗糙度參數(shù)Tab.1 3D roughness parameters of the specimen

圖5 三維表面形貌掃描Fig.5 3D surface topography scanning

圖6 表面形貌取樣區(qū)(mm)Fig.6 Sampling area of surface topography(mm)

圖7 取樣區(qū)三維表面形貌Fig.7 3D surface topography of sampling area

由圖5和圖7可知，在銹蝕率較小時，試件蝕坑淺而窄，點(diǎn)狀零散分布，此時的銹蝕表面依然相對平整，Sku接近于3。隨著銹蝕程度的增加，銹坑開始合并，表面以淺寬型蝕坑為主，銹蝕表面高低不平，Sku逐漸偏離3。與銹蝕熱軋鋼表面形貌[18-19]對比可知，銹蝕冷彎薄壁型鋼與熱軋鋼具有相似的表面形貌特點(diǎn)。兩種鋼材在銹蝕初期，表面分布針尖狀半圓形蝕坑；隨著銹蝕程度增加，表面蝕坑半徑逐漸增大，形成潰瘍狀大坑，銹蝕表面平整度也越來越差。

圖8給出了冷彎薄壁型鋼三維粗糙度參數(shù)Sa、Sq與銹蝕率的關(guān)系，圖9、10給出了三維粗糙度參數(shù)Sa、Sq與平均銹損深度的關(guān)系。由圖8可得，三維粗糙度參數(shù)Sa、Sq隨銹蝕率的增大而呈逐漸增大趨勢。將其與銹蝕熱軋鋼三維粗糙度參數(shù)[18-19]對比，發(fā)現(xiàn)冷彎薄壁型鋼與熱軋鋼三維粗糙度參數(shù)Sa、Sq變化趨勢基本相同。腐蝕前期，三維粗糙度參數(shù)Sa、Sq隨銹蝕率的上升而增大，基本呈線性增長；腐蝕后期，Sa、Sq增長速率隨銹蝕率的增大而減緩，但總體仍呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。由圖9、10可知，隨著平均銹損深度的增大，冷彎薄壁型鋼三維粗糙度參數(shù)Sa、Sq的變化速度與熱軋鋼有所差異。銹蝕冷彎薄壁型鋼三維粗糙度參數(shù)Sa、Sq的增長速率明顯高于銹蝕熱軋鋼，說明銹蝕對冷彎薄壁型鋼表面粗糙程度的影響更大。因此，針對冷彎薄壁型鋼銹蝕問題的研究就變得十分必要。

圖8 三維粗糙度參數(shù)與銹蝕率的關(guān)系Fig.8 Relationship between 3D roughness parameter and corrosion rate

圖9 算術(shù)平均高度與平均銹損深度的關(guān)系Fig.9 Relationship between average height and average depth of rust damage

2.2 失效模式

圖11、12給出了部分試件的斷口形式和斷裂位置。由于試件F5的斷口位置出現(xiàn)在標(biāo)距段之外，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，故不對試件F5的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。由圖11、12可知，對于銹蝕較輕的冷彎薄壁型鋼，試件的頸縮現(xiàn)象仍然存在。隨著銹蝕率增大，頸縮現(xiàn)象逐漸消失，造成這種現(xiàn)象的原因是均勻腐蝕引起試件截面面積的減少和點(diǎn)蝕坑引起局部的應(yīng)力集中。文獻(xiàn)[18-19]研究結(jié)果表明，當(dāng)熱軋鋼質(zhì)量損失率為19.457 %時，頸縮現(xiàn)象依然存在，而相同銹蝕率下冷彎薄壁型鋼的頸縮現(xiàn)象早已消失。由此可得，冷彎薄壁型鋼的延性性能要弱于熱軋鋼，可能的原因是冷彎薄壁型鋼的冷加工工藝造成了鋼材延性的下降。

由圖11、12可知，試件F0、F1 和F2的斷口形式是典型的延性斷裂(剪切型)，說明輕微的銹蝕不會明顯的改變試件的斷口形式。隨著銹蝕程度的增加，試件的斷口形式由剪切型(F0、F1、F2)向不規(guī)則型(F8、F9、F10)轉(zhuǎn)變，部分試件出現(xiàn)多處斷裂(F13、F15、F16)。銹蝕后試件表面的粗糙不平和局部點(diǎn)蝕坑的應(yīng)力集中，導(dǎo)致試件沿著截面薄弱的部位發(fā)展，使得斷裂位置發(fā)生不確定性，斷口形式不規(guī)則性。銹蝕引起冷彎薄壁型鋼試件的斷裂機(jī)制由延性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，斷口形式由剪切型轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則型。歸結(jié)原因有以下3點(diǎn)：1)銹蝕會嚴(yán)重導(dǎo)致鋼材表面粗糙不平；2)銹蝕會導(dǎo)致鋼材截面積的減小；3)點(diǎn)蝕坑會引起應(yīng)力集中。

圖10 均方根高度與平均銹損深度的關(guān)系Fig.10 Relationship between root mean square height and average depth of rust damage

圖11 部分試件斷口形式Fig.11 Fracture forms of some specimens

圖12 部分試件斷裂位置Fig.12 Breaking positions of some specimens

與銹蝕熱軋鋼對比，發(fā)現(xiàn)銹蝕冷彎薄壁型鋼和熱軋鋼斷裂位置特點(diǎn)基本一致。銹蝕率較低時，斷裂位置基本位于試件中間；銹蝕率較高時，斷裂位置一般出現(xiàn)在截面薄弱處或應(yīng)力較大處。但兩者的斷口形式卻差異明顯，熱軋鋼的斷口形式多為凹槽型和剪切滑移型，且兩種斷口形式均屬于韌性斷口[19]；冷彎薄壁型鋼的斷口形式多為剪切型和不規(guī)則性，且斷口形式由韌性斷口向脆性斷口轉(zhuǎn)變，表明熱軋鋼的韌性性能強(qiáng)于冷彎薄壁型鋼。銹蝕對熱軋鋼延性和韌性的影響均小于冷彎薄壁型鋼，證明冷彎薄壁型鋼對銹蝕帶來的影響更為敏感，造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩個：一個是冷彎薄壁型鋼壁厚較薄，另一個是冷彎薄壁型鋼生產(chǎn)加工過程中的冷成型作用。冷成型作用不僅降低了鋼材的塑性和韌性，而且加劇了冷彎薄壁型鋼的銹蝕。冷成型作用使鋼材金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，金屬晶粒被拉長，誘發(fā)晶格位錯、馬氏體相變、碳化物析出、磁性增加并出現(xiàn)殘余應(yīng)力，從而使鋼材在腐蝕環(huán)境下溶解速度加快，腐蝕速率增大。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過拉伸試驗(yàn)，得到不同銹蝕程度試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖13。未銹蝕試件F0和銹蝕較輕的試件F1、F2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為4個階段：彈性階段、屈服過渡階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段。由圖13可看出：彈性階段，隨著銹蝕程度的增大，彈性段逐漸變短且彈性段直線斜率也逐漸變?。磺A段，隨著銹蝕程度的增加，屈服平臺長度逐漸變短甚至消失；強(qiáng)化階段，不同銹蝕程度試件所達(dá)到的峰值荷載不同，銹蝕越嚴(yán)重，峰值荷載越小；頸縮階段，隨著銹蝕程度的增加，頸縮階段呈下降趨勢，到達(dá)一定程度后消失，銹蝕越嚴(yán)重強(qiáng)度衰減的越快，斷裂應(yīng)變也越小。

圖13 冷彎薄壁型鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.13 Stress-strain curves of cold-formed thin-walled steel

銹蝕熱軋鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線[20]見圖14。對比圖13、14發(fā)現(xiàn)，隨著銹蝕程度的增加，熱軋鋼和冷彎薄壁型鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖面積都逐漸減小，但冷彎薄壁型鋼曲線圖面積的減小速率快于熱軋鋼，表明冷彎薄壁型鋼鋼材的韌性性能弱于熱軋鋼。隨著銹蝕程度的增加，熱軋鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線下移量也明顯低于冷彎薄壁型鋼，說明銹蝕對熱軋鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響更小。主要原因是冷彎薄壁型鋼的冷加工作用導(dǎo)致其力學(xué)性能改變，應(yīng)變硬化和應(yīng)變時效雖引起材料的強(qiáng)度顯著提高，但同樣造成了冷彎薄壁型鋼延性和韌性變差，使其力學(xué)性能更易受銹蝕的影響。

圖14 熱軋鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.14 Stress-strain curves of hot-rolled steel

2.4 彈性模量

圖15給出了彈性模量與銹蝕率的關(guān)系，表2給出了各試件主要的力學(xué)性能參數(shù)。由圖15可知，隨著銹蝕率的增加，彈性模量呈線性下降，主要原因是銹蝕不僅引起鋼材截面面積的減少，同時也導(dǎo)致蝕坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，銹蝕鋼材彈性模量的大小很大程度上取決于鋼材表面蝕坑的分布、尺寸及數(shù)量等因素。

表2 拉伸試件主要力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Main mechanical properties of tensile test specimens

圖15 彈性模量與銹蝕率的關(guān)系Fig.15 Relationship between elastic modulus and corrosion rate

彈性模量比是銹蝕試件的彈性模量Es與未銹蝕試件的彈性模量Es0的比，反映銹蝕鋼材彈性模量的退化趨勢。將冷彎薄壁型鋼的彈性模量比與文獻(xiàn)[20-22]中熱軋鋼的結(jié)果進(jìn)行對比，見圖16。結(jié)果表明，冷彎薄壁型鋼和熱軋鋼的彈性模量比均隨著銹蝕率的增加而逐漸降低，但兩者退化速度有著明顯的差異，尤其是當(dāng)平均銹損深度較大時。在相同的平均銹損深度下，冷彎薄壁型鋼的彈性模量比遠(yuǎn)小于熱軋鋼的彈性模量比，說明冷彎薄壁型鋼彈性模量的下降速率遠(yuǎn)大于熱軋鋼，冷彎薄壁型鋼對銹蝕損傷更為敏感，造成這種現(xiàn)象的主要原因是冷彎薄壁型鋼的冷作硬化作用，冷作硬化作用加劇了鋼材的銹蝕。

圖16 彈性模量比與平均銹損深度的關(guān)系Fig.16 Relationship between elastic modulus ratio and average depth of rust damage

2.5 屈服強(qiáng)度

對于沒有明顯屈服點(diǎn)的試件，取0.2%的塑性變形時的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度。不同銹蝕程度試件所對應(yīng)的屈服強(qiáng)度見表2，屈服強(qiáng)度與銹蝕率的關(guān)系見圖17。由圖17可知，隨著銹蝕率的增加，屈服強(qiáng)度也呈線性下降。

圖17 屈服強(qiáng)度與銹蝕率的關(guān)系Fig.17 Relationship between yield strength and corrosion rate

屈服強(qiáng)度比是銹蝕試件的屈服強(qiáng)度fy與未銹蝕試件的屈服強(qiáng)度fy0的比，反映銹蝕鋼材屈服強(qiáng)度的退化趨勢。將冷彎薄壁型鋼的屈服強(qiáng)度比與文獻(xiàn)[20-23]中熱軋鋼的結(jié)果進(jìn)行對比分析，見圖18。對比結(jié)果表明，冷彎薄壁型鋼和熱軋鋼的屈服強(qiáng)度比均隨著銹蝕率的增加而逐漸下降，但兩者的下降速率略有不同，尤其是當(dāng)平均銹損深度接近1.5 mm時。由圖18可知，銹蝕冷彎薄壁型鋼屈服強(qiáng)度比的下降速率遠(yuǎn)大于熱軋鋼的下降速率。且在相同的平均銹損深度下，冷彎薄壁型鋼的屈服強(qiáng)度比小于熱軋鋼的屈服強(qiáng)度比，說明冷彎薄壁型鋼屈服強(qiáng)度的下降速率大于熱軋鋼，主要原因是冷彎薄壁型鋼的冷作硬化作用雖然提高了材料的屈服強(qiáng)度，但也因此導(dǎo)致鋼材塑性降低，延性變差，使得冷彎薄壁型鋼屈服強(qiáng)度更易受銹蝕的影響。

圖18 屈服強(qiáng)度比與平均銹損深度的關(guān)系Fig.18 Relationship between yield strength ratio and average depth of rust damage

2.6 極限強(qiáng)度

不同銹蝕程度試件所對應(yīng)的極限強(qiáng)度見表2，極限強(qiáng)度與銹蝕率的關(guān)系見圖19。由圖19可知，極限強(qiáng)度的退化規(guī)律與屈服強(qiáng)度相似，隨著銹蝕率的增加，極限強(qiáng)度也呈線性下降，且極限強(qiáng)度和銹蝕率之間有著良好的線性關(guān)系，擬合曲線與試驗(yàn)值的相關(guān)系數(shù)為R2=0.935 06。

極限強(qiáng)度比是銹蝕試件極限強(qiáng)度fu與未銹蝕試件極限強(qiáng)度fu0的比，反映銹蝕鋼材極限強(qiáng)度的退化趨勢。將冷彎薄壁型鋼的極限強(qiáng)度比與文獻(xiàn)[20,22-23]中熱軋鋼的結(jié)果進(jìn)行對比分析，見圖20。結(jié)果表明，冷彎薄壁型鋼和熱軋鋼的極限強(qiáng)度比也隨著平均銹蝕深度的增加而呈逐漸下降趨勢。由圖20可得，冷彎薄壁型鋼極限強(qiáng)度比的下降速率遠(yuǎn)大于熱軋鋼的下降速率。且在相同的平均銹損深度下，冷彎薄壁型鋼的極限強(qiáng)度比小于熱軋鋼的極限強(qiáng)度比，說明冷彎薄壁型鋼極限強(qiáng)度的下降速率也大于熱軋鋼，造成這一現(xiàn)象的主要原因在于冷彎薄壁型鋼厚度薄，易受截面尺寸的影響。隨著銹蝕程度增大，試件在蝕坑處應(yīng)力集中和截面尺寸減少的共同影響下，極限強(qiáng)度迅速下降。由圖17、19可知，雖然冷彎薄壁型鋼屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度均隨著銹蝕率的增大呈線性下降趨勢，但由擬合直線斜率可看出，極限強(qiáng)度的下降速率更快(-4.879<-3.84)，退化現(xiàn)象更為明顯，說明銹蝕使得鋼材的應(yīng)變硬化效應(yīng)急劇減弱。

圖20 極限強(qiáng)度比與平均銹損深度的關(guān)系Fig.20 Relationship between ultimate strength ratio and average depth of rust damage

2.7 屈強(qiáng)比

不同銹蝕程度試件所對應(yīng)的屈強(qiáng)比見表2，屈強(qiáng)比與銹蝕率的關(guān)系見圖21。由圖21可知，當(dāng)銹蝕率小于55%時，試件屈強(qiáng)比在0.65～0.85范圍內(nèi)波動，所有試件的屈強(qiáng)比均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[24]中鋼材的屈服強(qiáng)度實(shí)測值與抗拉強(qiáng)度實(shí)測值的比值不應(yīng)大于0.85的要求。當(dāng)銹蝕率大于55%時，隨著銹蝕率的繼續(xù)增大，試件F12和F15的屈強(qiáng)比已高達(dá)0.95以上，嚴(yán)重超出《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

圖21 屈強(qiáng)比與銹蝕率的關(guān)系Fig.21 Relationship between yield ratio and corrosion rate

將文獻(xiàn)[20,22-23]中銹蝕熱軋鋼的屈強(qiáng)比與冷彎薄壁型鋼進(jìn)行對比，見圖22。隨著平均銹損深度的增加，熱軋鋼的屈強(qiáng)比始終在0.55～0.75范圍內(nèi)波動，滿足規(guī)范要求。當(dāng)熱軋鋼平均銹損深度為2.16 mm時，其屈強(qiáng)比僅為0.68。然而，當(dāng)冷彎薄壁型鋼的平均銹損深度為1.53 mm時，其屈強(qiáng)比為0.96(大于規(guī)范要求的限值0.85)。說明銹蝕對冷彎薄壁型鋼屈強(qiáng)比的影響要高于熱軋鋼，冷彎薄壁型鋼的冷作硬化作用加劇了銹蝕造成結(jié)構(gòu)安全儲備的降低。

圖22 屈強(qiáng)比與平均銹損深度的關(guān)系Fig.22 Relationship between yield ratio and average depth of rust damage

2.8 極限應(yīng)變

不同銹蝕程度試件所對應(yīng)的極限應(yīng)變見表2，極限應(yīng)變與銹蝕率的關(guān)系見圖23。從圖23可看出，隨著銹蝕率的增加，極限應(yīng)變總體呈逐漸下降趨勢。極限應(yīng)變比是銹蝕試件極限應(yīng)變εu與未銹蝕試件極限應(yīng)變εu0的比，反映銹蝕鋼材極限應(yīng)變的退化趨勢。將文獻(xiàn)[22-23]中銹蝕熱軋鋼的極限應(yīng)變比與冷彎薄壁型鋼進(jìn)行比較，見圖24。由圖24可知，冷彎薄壁型鋼極限應(yīng)變比的下降速率遠(yuǎn)大于熱軋鋼。當(dāng)平均銹損深度為1.17 mm時，熱軋鋼的極限應(yīng)變比為0.63，而此時冷彎薄壁型鋼所對應(yīng)的極限應(yīng)變比僅為0.092。數(shù)據(jù)表明，在相同的平均銹損深度下，冷彎薄壁型鋼的極限應(yīng)變比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱軋鋼，表明銹蝕后的冷彎薄壁型鋼極限應(yīng)變下降速率要高于熱軋鋼，也從側(cè)面反映了冷加工工藝對鋼材延性的影響十分嚴(yán)重。

圖23 極限應(yīng)變與銹蝕率的關(guān)系Fig.23 Relationship between ultimate strain and corrosion rate

圖24 極限應(yīng)變比與平均銹損深度的關(guān)系Fig.24 Relationship between ultimate strain ratio and average depth of rust damage

2.9 斷后伸長率

斷后伸長率與銹蝕率的關(guān)系見圖25，隨著銹蝕率的增加，伸長率呈二次曲線下降趨勢。伸長率和銹蝕率之間有著良好的二次曲線關(guān)系，擬合曲線與試驗(yàn)值的相關(guān)系數(shù)為R2=0.975 54。且當(dāng)銹蝕率小于35%時，隨著銹蝕率的增大，伸長率急速下降。但當(dāng)銹蝕率大于35%時，隨著銹蝕率的繼續(xù)增大，伸長率的下降速率顯著減小。原因在于銹蝕前期，銹蝕表面多為點(diǎn)蝕坑，引起應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，使得在拉伸過程中點(diǎn)蝕坑周圍率先屈服，而其余位置還未屈服，試件出現(xiàn)脆斷，從而造成伸長率的急速下降。銹蝕后期，銹蝕以全面銹蝕為主，應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，從而伸長率的下降速率減慢。

圖25 伸長率與銹蝕率的關(guān)系Fig.25 Relationship between elongation and corrosion rate

伸長率比是銹蝕試件伸長率δ與未銹蝕試件伸長率δ0的比，反映銹蝕鋼材伸長率的退化趨勢。將文獻(xiàn)[22,25]中銹蝕熱軋鋼的斷后伸長率比與冷彎薄壁型鋼進(jìn)行比較，見圖26。相同長度的標(biāo)距段下，銹蝕冷彎薄壁型鋼和熱軋鋼的伸長率比均隨著平均銹損深度的增加而呈逐漸下降趨勢，且冷彎薄壁型鋼伸長率比的下降速率遠(yuǎn)大于熱軋鋼，表明銹蝕后冷彎薄壁型鋼比熱軋鋼的延性性能要差。主要原因有兩點(diǎn)：1)由于冷彎薄壁型鋼厚度相對較薄；2)冷彎薄壁型鋼的冷作硬化作用嚴(yán)重降低了鋼材的延性性能。

圖26 伸長率比與平均銹損深度的關(guān)系Fig.26 Relationship between elongation ratio and average depth of rust damage

3 結(jié) 論

通過對實(shí)際工業(yè)環(huán)境下服役多年冷彎薄壁 C 型鋼檁條進(jìn)行加工制作，得到質(zhì)量損失率范圍在0%～61.14%的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件進(jìn)行試驗(yàn)，將其試驗(yàn)結(jié)果與銹蝕熱軋鋼進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

1)銹蝕后的冷彎薄壁型鋼與熱軋鋼具有相同的表面形貌特點(diǎn)；銹蝕冷彎薄壁型鋼三維粗糙度參數(shù)Sa、Sq隨著銹蝕率的增加呈現(xiàn)逐漸增大趨勢；銹蝕冷彎薄壁型鋼三維粗糙度參數(shù)Sa、Sq的增長速率高于銹蝕熱軋鋼。

2)隨著銹蝕率的增大，冷彎薄壁型鋼的斷口形式由剪切型向不規(guī)則型轉(zhuǎn)變；應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖面積隨著銹蝕率的增大而逐漸減小，鋼材韌性逐漸降低；銹蝕冷彎薄壁型鋼的彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變均隨著銹蝕率的增大呈線性下降趨勢，且極限強(qiáng)度的下降速率最快，退化現(xiàn)象最為明顯；當(dāng)銹蝕率大于55%時，隨著銹蝕率的繼續(xù)增大，冷彎薄壁型鋼的屈強(qiáng)比已嚴(yán)重超出《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求；銹蝕冷彎薄壁型鋼的斷后伸長率隨著銹蝕率的增大呈二次曲線下降。

3) 銹蝕冷彎薄壁型鋼的延性和韌性性能弱于銹蝕熱軋鋼；銹蝕對冷彎薄壁型鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響大于熱軋鋼；在相同的平均銹損深度下，冷彎薄壁型鋼的彈性模量，屈服強(qiáng)度，極限強(qiáng)度，極限應(yīng)變和斷后伸長率的下降速率均大于熱軋鋼，證明了銹蝕對冷彎型鋼材料力學(xué)性能的影響要高于熱軋鋼。銹蝕對冷彎薄壁型鋼屈強(qiáng)比的影響也高于熱軋鋼，表明了冷彎薄壁型鋼的冷作硬化作用對鋼材延性的影響十分嚴(yán)重，加劇了銹蝕造成結(jié)構(gòu)安全儲備的降低。