李偉偉，吳澤燕

(1.山西省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,山西 太原 030001; 2.太原理工大學(xué),山西 太原 030024)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)良的性能,在工程中廣泛應(yīng)用,但是其腐蝕會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。1965年,美國(guó)路易安那州輸氣管線在應(yīng)力和腐蝕共同作用下開裂起火,事故造成多人傷亡;1970年,由于腐蝕導(dǎo)致的日本大阪地下鐵道內(nèi)的管道破壞,引起瓦斯爆炸,造成嚴(yán)重的人員傷亡事故;2019年我國(guó)臺(tái)灣宜蘭南方澳跨港大橋發(fā)生斷裂垮塌,造成數(shù)人傷亡以及橋梁垮塌引起大面積停電、堵塞航道,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察研究,認(rèn)為是由于鋼索腐蝕疲勞引起的吊桿斷裂失效,導(dǎo)致橋梁失去拉力支撐發(fā)生倒塌。除此之外,研究表示20世紀(jì)70年代前后國(guó)外一些國(guó)家因?yàn)楦g問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失占國(guó)民生產(chǎn)總值的1%～5%,美國(guó)因腐蝕造成的總損失為2 757億美元,我國(guó)每年的腐蝕損失高達(dá)5 000億元,占國(guó)民經(jīng)濟(jì)的5%[1]。鑒于上述情況,鋼材的腐蝕問題是不容忽略的。

為減少鋼材腐蝕帶來的危害,耐腐蝕性較好的耐候鋼應(yīng)運(yùn)而生。耐候鋼是指在低合金鋼的基礎(chǔ)上添加少量的合金元素(如P,Cu,Ni,Cr等),在腐蝕過程中形成致密的內(nèi)部銹層,降低腐蝕速率,具有良好的耐大氣腐蝕性、全壽命周期成本低和良好的機(jī)械性能[2-3],其耐腐蝕性是普通碳鋼的2倍～8倍、涂裝性是碳鋼的1.5倍～10倍[4]。因此,在建筑、橋梁和輸電塔等結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用呈上升趨勢(shì)。

一些學(xué)者已經(jīng)展開了耐候鋼的相關(guān)研究。夏妍等[5]開展了關(guān)于耐候鋼和碳鋼在氯離子環(huán)境下的室內(nèi)干濕加速腐蝕試驗(yàn),表明在短期內(nèi)耐候鋼銹層保護(hù)基體的能力較弱。王軍等[6]將CortenA耐候鋼暴露在青海鹽湖附近區(qū)域長(zhǎng)達(dá)半年,對(duì)腐蝕試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)腐蝕會(huì)導(dǎo)致耐候鋼的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率退化。Zhang等[7]將工業(yè)環(huán)境下服役9 a的C型檁條的平部和角部進(jìn)行加工,在腐蝕作用下檁條的表面形貌改變,厚度減少,斷裂模式改變,腐蝕加劇鋼材的冷彎成型效應(yīng),角部試件的強(qiáng)度下降更加明顯,蝕坑導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)展不均勻,最大深度處的應(yīng)力遠(yuǎn)高于其他區(qū)域,一般試件在此處斷裂。

然而,目前大多數(shù)關(guān)于耐候鋼的研究都是基于短期的腐蝕試驗(yàn),鋼材的腐蝕程度有限。此外,腐蝕后鋼材力學(xué)性能研究的對(duì)象大多是低碳鋼和低合金鋼,對(duì)性能優(yōu)良的耐候鋼研究較少,耐候鋼的腐蝕行為及力學(xué)性能劣化規(guī)律,尚未有具體的結(jié)論。

本文以耐候鋼Q355NH和低合金鋼Q355為研究對(duì)象,采用中性鹽霧加速腐蝕試驗(yàn),使試件處于較高濃度的氯離子環(huán)境中,模擬鋼材在海洋大氣環(huán)境中的長(zhǎng)期腐蝕行為。建立了均勻腐蝕厚度、蝕坑深度與質(zhì)量損失率之間的冪函數(shù)關(guān)系。并通過單調(diào)拉伸試驗(yàn),對(duì)兩種鋼材腐蝕后的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,明確了不同腐蝕程度下試件的斷裂模式和力學(xué)參數(shù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 腐蝕試件

本試驗(yàn)所用材料為耐候鋼Q355ENH、低合金鋼Q355B(后面簡(jiǎn)稱Q355NH,Q355),厚3.75 mm,參考規(guī)范GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn)》[8]設(shè)計(jì)試件。為保證試驗(yàn)材料性能合格,在腐蝕試驗(yàn)開始前,先開展材性試驗(yàn),獲得如圖1所示的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

參考規(guī)范GB/T 4171—2008耐候結(jié)構(gòu)鋼[9]、GB/T 1591—2018低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[10],Q355NH,Q355鋼的屈服強(qiáng)度的規(guī)范值都為355 MPa,極限強(qiáng)度的規(guī)范值分別為490 MPa～630 MPa,470 MPa～630 MPa。通過圖1將兩種鋼材的三個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范要求的鋼材性能進(jìn)行對(duì)比,不難發(fā)現(xiàn)材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)均超過了規(guī)范的限值,滿足規(guī)范要求,即所用試驗(yàn)材料力學(xué)性能合格。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)參考了規(guī)范GB/T 10125—2021人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)[11],氯化鈉溶液質(zhì)量濃度為50 g/L±5 g/L,pH值控制在6.5～7.2。加速腐蝕時(shí)間設(shè)置為5 d,10 d,20 d,30 d,…,180 d,共19組。試驗(yàn)采用鹽霧箱進(jìn)行加速腐蝕。每種鋼材每組用于拉伸加載的試件各一個(gè)。

主要腐蝕試驗(yàn)步驟如下:

1)量取蒸餾水,稱取氯化鈉固體,倒入潔凈桶中攪拌均勻,配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%氯化鈉溶液。

2)按照規(guī)范,將鹽霧箱溫度設(shè)置為35 ℃,將配好的氯化鈉溶液倒入鹽霧箱儲(chǔ)液槽中,調(diào)節(jié)噴霧壓力,設(shè)置噴霧方式為連續(xù)不間斷噴霧。

3)除去試件表面污垢,稱量試件腐蝕前重量,將試件按照角度擺放于鹽霧箱中,檢查鹽霧箱設(shè)置符合要求后啟動(dòng)鹽霧箱進(jìn)行噴霧。

4)取出達(dá)到預(yù)定腐蝕周期的試件,等試件干燥后,放入密封袋隔絕空氣。

1.3 腐蝕損失

Q355NH,Q355鋼經(jīng)過長(zhǎng)期中性鹽霧腐蝕后,鋼材形貌發(fā)生改變,體積減小,為了清楚了解鋼材的腐蝕情況,需要對(duì)腐蝕程度進(jìn)行表征,這里采用質(zhì)量損失率(η)來定量描述鋼材的腐蝕程度,質(zhì)量損失率計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

其中,m0為試件的初始質(zhì)量;m為試件腐蝕后的質(zhì)量;η為試件的質(zhì)量損失率。

不同腐蝕周期下的Q355NH,Q355鋼質(zhì)量損失率見表1。

表1 Q355NH,Q355鋼的質(zhì)量損失率

通過表1可以看出,在70 d以前,Q355NH鋼的質(zhì)量損失率η要高于Q355鋼的質(zhì)量損失率η。但是相較于Q355鋼,Q355NH鋼的質(zhì)量損失率η增長(zhǎng)緩慢,70 d之后Q355鋼的質(zhì)量損失率η大于Q355NH鋼的質(zhì)量損失率η。這表明,在腐蝕發(fā)生的早期,相比Q355鋼,Q355NH鋼的腐蝕速率更大,但在長(zhǎng)期的腐蝕作用下,Q355NH鋼的耐腐蝕性更好。

2 腐蝕形貌

根據(jù)鋼材腐蝕后的形貌,將腐蝕損傷分為均勻腐蝕和局部腐蝕。均勻腐蝕是指鋼材厚度整體減小,局部腐蝕即鋼材表面隨機(jī)分布的不規(guī)則蝕坑[12-13]。均勻腐蝕對(duì)力學(xué)性能的影響比較容易確定,在工程應(yīng)用上也較好控制。對(duì)于蝕坑,由于其形狀與分布均具有較高的隨機(jī)性,導(dǎo)致鋼材形貌改變較大,蝕坑處通常產(chǎn)生應(yīng)力集中,出現(xiàn)薄弱截面,局部區(qū)域的高應(yīng)變高應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致鋼材力學(xué)性能劣化嚴(yán)重。圖2為試件的三維腐蝕損傷模型圖。

2.1 均勻腐蝕厚度

采用三維非接觸式形貌掃描儀對(duì)腐蝕鋼板的表面形貌進(jìn)行測(cè)量。三維非接觸式形貌掃描儀主要由掃描工作臺(tái)、測(cè)量系統(tǒng)、光學(xué)輔助系統(tǒng)及控制系統(tǒng)四部分組成,將需要掃描的試件置于工作臺(tái)上,調(diào)節(jié)好測(cè)量精度及焦距后,通過操縱工作臺(tái)移動(dòng)使試件運(yùn)動(dòng),測(cè)量系統(tǒng)不斷獲取試件的高度信息及光強(qiáng)數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理軟件提取掃描區(qū)域的相關(guān)形貌數(shù)據(jù)[14]。

對(duì)鋼板厚度方向進(jìn)行掃描,得到掃描區(qū)域的圖像,測(cè)出鋼板兩側(cè)最大距離即腐蝕后鋼板的剩余厚度h,用鋼板初始厚度h0減去剩余厚度h即鋼板兩側(cè)總的均勻腐蝕厚度huni,計(jì)算原理如圖3所示,圖4,圖5分別為Q355NH,Q355鋼試件部分厚度掃描圖。

通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,建立了Q355NH,Q355鋼均勻腐蝕厚度同質(zhì)量損失率之間的關(guān)系,如式(2)和式(3)所示。

Q355NH:huni=1.466η0.876R2=0.88

(2)

Q355:huni=1.508η0.783R2=0.93

(3)

2.2 蝕坑深度

蝕坑尺寸是影響鋼材力學(xué)性能的主要因素之一,隨著腐蝕程度增加,蝕坑尺寸變大,力學(xué)性能退化顯著[15-16]。為更好了解鋼材腐蝕后力學(xué)性能的劣化情況,有必要對(duì)蝕坑的演化過程進(jìn)行研究。對(duì)腐蝕鋼板的表面進(jìn)行掃描,得到腐蝕鋼板的表面輪廓,并利用相關(guān)軟件進(jìn)行分析處理。

為了方便識(shí)別蝕坑,統(tǒng)計(jì)蝕坑形狀參數(shù)。金屬材料腐蝕后蝕坑形狀可以看作半橢球形[17-18],如圖6所示,并且半橢球形能較好地模擬鋼材腐蝕后的力學(xué)性能[19-21]。

通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立兩種鋼材蝕坑深度隨質(zhì)量損失率的變化關(guān)系,如式(4)和式(5)所示。

Q355NH:hpit=0.176η0.651R2=0.85

(4)

Q355:hpit=0.524η0.446R2=0.65

(5)

結(jié)果表明,兩種鋼材的蝕坑深度與質(zhì)量損失率之間滿足冪函數(shù)關(guān)系,隨著質(zhì)量損失率的增加,蝕坑深度增加,由于指數(shù)均在0～1之間,根據(jù)冪函數(shù)的特點(diǎn)當(dāng)η較小時(shí)蝕坑深度增加較快,當(dāng)η較大時(shí)蝕坑深度增加緩慢。

3 腐蝕后力學(xué)性能研究

3.1 斷裂模式

圖7,圖8分別為Q355NH,Q355鋼腐蝕試件加載后的破壞形態(tài)和斷口形貌圖,從圖中可以看出斷口形態(tài)主要有斜向斷口、平面斷口、弧形斷口。未腐蝕、腐蝕較輕、斷口附近腐蝕較均勻的試件,斷裂形式主要為斜向斷裂,表現(xiàn)出一定的塑性變形,如NH-10腐蝕程度較輕,試件表面沒有明顯薄弱截面、Q-120斷裂處腐蝕均勻無明顯蝕坑,在斷口附近蝕坑不明顯應(yīng)力集中程度較小,沿加載方向應(yīng)力發(fā)展較均勻,斷口表現(xiàn)出韌性斷裂的特征。由于蝕坑分布具有較大隨機(jī)性,當(dāng)質(zhì)量損失率較大時(shí),試件整體腐蝕均勻的概率較小,故一般斜向斷裂主要發(fā)生在未腐蝕試件和腐蝕程度較輕的試件上。

隨著腐蝕程度的增加,開始出現(xiàn)水平斷口和弧形斷口,這兩種斷口形態(tài)下的塑性變形不明顯,表現(xiàn)出脆性斷裂的特征。如NH-90,Q-150試件斷口呈水平狀,NH-90,Q-150試件斷口附近蝕坑明顯,且多個(gè)蝕坑幾乎在同一水平線上,整體形成較長(zhǎng)的薄弱截面,在荷載作用下該截面處應(yīng)力集中明顯,應(yīng)力提前發(fā)展,試件沿著蝕坑存在的位置斷裂,斷口呈水平狀。NH-150,Q-60試件斷口呈弧形,斷口附近蝕坑明顯,加載過程中蝕坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中,在高應(yīng)力狀態(tài)下試件斷裂,由于蝕坑不在一條連線上,斷裂路徑隨蝕坑位置改變,故呈弧形。

根據(jù)這兩種鋼材的斷裂形狀可知,鋼板腐蝕后塑性變形減小,主要呈脆性斷裂,斷口形狀主要受蝕坑的位置、形狀尺寸和截面厚度削弱的影響。

3.2 力學(xué)性能

在長(zhǎng)期中性鹽霧環(huán)境下,Q355NH,Q355鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線的四個(gè)階段隨腐蝕天數(shù)的增加應(yīng)變減少,應(yīng)力減小,屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)都隨腐蝕程度的增加整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且腐蝕嚴(yán)重時(shí)屈服平臺(tái)消失。

經(jīng)過長(zhǎng)期中性鹽霧腐蝕的Q355NH鋼,腐蝕時(shí)間小于80 d時(shí),屈服平臺(tái)長(zhǎng)度減小不明顯,大于80 d時(shí),觀察到屈服平臺(tái)明顯變短甚至消失。同時(shí),隨著腐蝕時(shí)間增加,頸縮段長(zhǎng)度變小,當(dāng)腐蝕時(shí)間大于60 d時(shí),可以看到試件達(dá)到極限強(qiáng)度之后,在發(fā)展少量應(yīng)變的情況下斷裂。

經(jīng)過長(zhǎng)期中性鹽霧腐蝕的Q355鋼,當(dāng)腐蝕時(shí)間較短時(shí),屈服平臺(tái)長(zhǎng)度沒有明顯變化,但是在屈服階段應(yīng)力波動(dòng)比未腐蝕試件更加明顯,且腐蝕50 d時(shí)屈服階段應(yīng)力基本呈上升趨勢(shì),當(dāng)腐蝕時(shí)間大于110 d,屈服平臺(tái)消失,試件在屈服后快速進(jìn)入硬化階段。頸縮段的長(zhǎng)度隨著腐蝕時(shí)間的增加呈減小趨勢(shì),0 d～60 d內(nèi)隨著腐蝕時(shí)間增加減小明顯,腐蝕60 d以后,大部分試件在應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到極限強(qiáng)度后,只需少量的位移加載便斷裂。

為便于比較兩種鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線變化情況,選取幾個(gè)腐蝕天數(shù)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行比較,如圖9所示。觀察圖9中兩種鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知:

1)兩種鋼材的屈服平臺(tái)都是在腐蝕110 d時(shí)消失,但是在110 d前,可以看見Q355NH的屈服平臺(tái)要長(zhǎng)于Q355;2)Q355NH的屈服強(qiáng)度明顯大于Q355,極限強(qiáng)度相差較小;3)Q355鋼硬化階段的應(yīng)力增加幅度更大,Q355鋼的強(qiáng)屈比更大;4)兩種鋼材頸縮階段的變化趨勢(shì)接近,長(zhǎng)時(shí)間腐蝕后頸縮段長(zhǎng)度減小顯著,如腐蝕80 d后,兩種鋼材在應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度后只能發(fā)展少量的應(yīng)變便斷裂。

4 結(jié)論

本文以Q355NH,Q355鋼為研究對(duì)象,通過開展中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)來模擬這兩種鋼材在氯離子環(huán)境下的腐蝕,研究了這兩種鋼材的銹層性質(zhì)以及銹蝕后的力學(xué)性能,從而得到以下結(jié)論:

1)將兩種鋼材的質(zhì)量損失率η進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),在70 d以前,Q355NH鋼的質(zhì)量損失率η要高于Q355鋼的質(zhì)量損失率η。但是相較于Q355鋼,Q355NH鋼的質(zhì)量損失率η增長(zhǎng)緩慢,70 d之后Q355鋼的質(zhì)量損失率η大于Q355NH鋼的質(zhì)量損失率η。2)對(duì)兩種鋼材腐蝕后的各種性狀進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在腐蝕發(fā)生的早期,相比Q355鋼,Q355NH鋼的腐蝕速率更大,但在長(zhǎng)期腐蝕作用下,Q355NH鋼的耐腐蝕性更好。3)通過數(shù)據(jù)分析,建立了Q355NH鋼和Q355鋼的均勻腐蝕厚度、蝕坑深度與質(zhì)量損失率的冪函數(shù)定量關(guān)系。腐蝕初期,蝕坑深度增長(zhǎng)速率較快,一段時(shí)間之后增長(zhǎng)速率有減緩的趨勢(shì)。屈服強(qiáng)度隨質(zhì)量損失率增加而下降,兩種鋼材的變化趨勢(shì)接近。4)Q355NH,Q355鋼腐蝕后斷裂模式改變,腐蝕較輕的試件斷口呈斜向,腐蝕驗(yàn)證的試件斷口呈弧形或水平狀,隨著腐蝕天數(shù)增加,應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀改變,屈服段和頸縮段明顯變短,腐蝕110 d時(shí)這兩種鋼材的屈服平臺(tái)消失。