免涂裝耐候鋼腐蝕后的疲勞試驗(yàn)研究*

梁健宇 姚 諫， 張玉玲

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058;2.浙江樹人大學(xué)城建學(xué)院，杭州 310015)

0 引言

腐蝕會造成鋼結(jié)構(gòu)截面削弱、剛度下降，可能導(dǎo)致其強(qiáng)度或穩(wěn)定性不滿足原設(shè)計要求，甚至?xí)菇Y(jié)構(gòu)破壞。因此防止或減緩鋼材腐蝕并同時提高材料的力學(xué)性能具有重要的意義。使用耐大氣腐蝕高性能鋼材來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材，是解決鋼結(jié)構(gòu)腐蝕問題的一條新途徑［1］。

耐候鋼在大氣環(huán)境下具有優(yōu)秀的耐腐蝕性，屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼［2-3］。耐候鋼是通過添加少量的銅、鉻、鎳等合金元素，使其在金屬基體表面上形成致密且附著性很強(qiáng)的保護(hù)銹層［4-5］。外表的保護(hù)銹層能阻礙銹蝕進(jìn)一步向表層內(nèi)的基體擴(kuò)散和發(fā)展，提高鋼材的耐大氣腐蝕性能［6］。

耐候鋼在大氣下的耐蝕性通常為普通鋼的2～8倍［7-8］，能在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)有效減少腐蝕帶來的損失，降低維護(hù)成本甚至免維護(hù)，最終達(dá)到結(jié)構(gòu)總成本的下降。

如今，耐候鋼已應(yīng)用于橋梁、鐵路、汽車、建筑、輸電塔等領(lǐng)域［8-10］。在橋梁、軌道上裸露使用，耐候鋼處于帶銹狀態(tài)的同時，還需要承受循環(huán)荷載［6，11］。為了獲得耐候鋼腐蝕后的疲勞性能，得到其應(yīng)力-疲勞壽命(S-N)曲線，本文對Q355NHD耐候鋼及其焊接試件的腐蝕后疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。同時為了比較，還對涂裝后的Q345qD普通鋼進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)。

1 試件制作

Q355NHD耐候鋼及其焊接試件(以下分別簡稱耐候鋼試件和耐候鋼焊接試件)分別為6個和5個，涂裝后的 Q345qD普通鋼試件(以下簡稱普通鋼試件)6個，試件尺寸及構(gòu)造如圖1所示［12］。圖1b示焊接試件中部對接焊采用CO2氣體保護(hù)焊打底(焊絲 JQ.YJ501NiCrCu-1)、埋弧焊填充的方法焊接，埋弧焊采用PREMIER WELDTM Ni1K(直徑4.8 mm)焊絲 +JF-B焊劑焊接，保留焊縫余高。普通鋼試件的上下表面以及側(cè)邊都進(jìn)行涂裝處理(用噴砂處理方式凈化試件表面，使表面質(zhì)量達(dá)到 Sa2.5級，然后覆以80 μm環(huán)氧富鋅底漆、150 μm環(huán)氧云鐵中間漆和40 μm氟碳面漆)，以模擬實(shí)際工程中涂裝后的普通鋼表面獲得較好維護(hù)不產(chǎn)生銹點(diǎn)時的使用狀態(tài)。

耐候鋼試件及其焊接試件進(jìn)行24 d乙酸鹽霧循環(huán)腐蝕試驗(yàn)，其腐蝕時長相當(dāng)于廣州、江津大氣自然腐蝕 21.55 年和 10.92 年［13］。

試件用Q355NHD耐候鋼和Q345qD普通鋼的非Fe主要化學(xué)元素組成以及力學(xué)性能如表1所示，表中fy、fu和Es分別為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量［13］。

表1 鋼材非Fe主要化學(xué)元素組成及其力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Main chemical elements except Fe and mechanical properties of the steels

2 疲勞試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

試件疲勞試驗(yàn)在浙江樹人大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳進(jìn)行，加載采用1 000 kN液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，可提供最大軸力正負(fù)1 000 kN。疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖2所示。對試件采用應(yīng)力控制加載。每個試件的荷載頻率由荷載幅值以及試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)決定。對不同的荷載幅值選用使疲勞試驗(yàn)機(jī)振動較小且荷載曲線符合正弦曲線形態(tài)的最大頻率。為了保證試驗(yàn)安全，當(dāng)試件疲勞裂紋貫穿厚度方向，并沿寬度方向擴(kuò)展至試件寬度的約1/3時，認(rèn)為其發(fā)生疲勞破壞，并將此時的荷載循環(huán)次數(shù)作為其疲勞壽命。

采用應(yīng)力控制的單點(diǎn)法對試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，拉-拉循環(huán)加載，最小應(yīng)力均為10 MPa;一個試件對應(yīng)一個應(yīng)力幅(最大應(yīng)力與最小應(yīng)力代數(shù)差)，在對應(yīng)應(yīng)力水平下測得該試件的S-N曲線。從最高應(yīng)力水平開始，逐級降低應(yīng)力幅，記錄在各級應(yīng)力幅下試件的疲勞壽命，直到完成全部試驗(yàn)為止［14］。

圖2 1 000 kN液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Hydraulic servo fatigue testing machine of 1 000 kN

2.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 試件斷口形態(tài)

試件疲勞試驗(yàn)的典型斷口如圖3所示，圖中1和2分別表示光滑區(qū)和粗糙區(qū)。腐蝕后耐候鋼試件疲勞試驗(yàn)的典型斷口如圖3a所示：所有試件裂紋起始面均為在腐蝕試驗(yàn)中朝上的表面，即腐蝕較為嚴(yán)重的一面;裂紋出現(xiàn)后，先向?qū)挾确较驍U(kuò)展，同時向厚度方向貫穿。因?yàn)楦g在表面產(chǎn)生腐蝕坑，造成了表面不平整，所以疲勞裂紋的形成基本發(fā)生在腐蝕坑處，腐蝕坑附近截面急劇變化產(chǎn)生的應(yīng)力集中促成疲勞裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

腐蝕后耐候鋼焊接試件疲勞試驗(yàn)的典型斷口如圖3b所示：斷口均出現(xiàn)在焊縫處;明顯的裂紋出現(xiàn)后，先沿著焊縫向?qū)挾确较驍U(kuò)展，同時向厚度方向貫穿。

圖3 試件疲勞試驗(yàn)斷口示意Fig.3 Scrhematic diagram of fracture surface of specimens

普通鋼試件在試件截面角部(如圖3c左下角)：疲勞裂紋出現(xiàn)后，先向厚度方向擴(kuò)展;隨著加載的進(jìn)行，裂紋貫穿厚度方向后，裂紋的擴(kuò)展方向發(fā)生改變，轉(zhuǎn)變?yōu)橥嚰挾确较虬l(fā)展，直至斷裂，典型斷口如圖3c所示。腐蝕后的耐候鋼試件試驗(yàn)段表面因腐蝕產(chǎn)生疲勞源，所以在該處產(chǎn)生了裂紋，最終導(dǎo)致與普通鋼試件不同的斷口方式。

此外，比較不同應(yīng)力水平下的試件表面銹層發(fā)現(xiàn)，隨著最大應(yīng)力的增加，會加劇對表面銹層的破壞，導(dǎo)致其脫落。在實(shí)際工程中，耐候鋼表面銹層脫落將會使腐蝕介質(zhì)易于侵入基體，降低其耐大氣腐蝕性。所以在實(shí)際使用耐候鋼時，對承受循環(huán)荷載作用的高應(yīng)力部位，宜采取涂裝處理等防護(hù)措施，以免表面銹層脫落而降低耐腐蝕性。

2.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，經(jīng)回歸分析，得到耐候鋼試件、耐候鋼焊接試件以及普通鋼試件的S-N擬合曲線分別為：

式中：N為疲勞壽命;Δσ為應(yīng)力幅。

表2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of the fatigue test

式(1)在雙對數(shù)坐標(biāo)中的曲線形式如圖4所示。顯見，耐候鋼的S-N曲線位于普通鋼的下方，耐候鋼焊接試件的S-N曲線位于3條曲線最下方，即在相同的循環(huán)周次下，涂裝后普通鋼的疲勞強(qiáng)度最高，耐候鋼焊接試件的最低。

圖4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果與擬合曲線Fig.4 Fatigue test results and fitting curves

通過擬合曲線計算得到200萬次壽命時，耐候鋼試件、耐候鋼焊接試件以及普通鋼試件的應(yīng)力幅分別為 217.95，178.54，343.39 MPa。

表3給出了按式(1)計算得到的不同疲勞壽命(循環(huán)周次)下3種試件的應(yīng)力幅比值，表中Δσ耐、Δσ焊和Δσ普分別為耐候鋼試件、焊接試件和普通鋼試件的應(yīng)力幅?？梢姡S著疲勞壽命增加，耐候鋼試件相對普通鋼試件、耐候鋼焊接試件相對于耐候鋼試件的疲勞強(qiáng)度降低百分比逐漸擴(kuò)大。

表3 應(yīng)力幅比值Table 3 The radio of stress range

2.2.3 考慮存活率的S-N曲線

采用試驗(yàn)值擬合得到的S-N曲線，為50%存活率的曲線。實(shí)際工程中，通常會要求獲得較高存活率P下的S-N曲線，即P-S-N曲線。所以確定P-S-N曲線對于結(jié)構(gòu)材料的安全壽命預(yù)測研究具有重要意義［15-16］。文獻(xiàn)［17］給出了基于單點(diǎn)法并采用極大似然估計對P-S-N曲線參數(shù)進(jìn)行估計的方法。該計算方法基于三參數(shù)S-N曲線模型。下面簡要介紹該方法的使用原理。常用的三參數(shù)S-N曲線模型為：

式中：m、C和 σ0為與材料性質(zhì)等相關(guān)的參數(shù)。對式(2)等號兩端取自然對數(shù)，并引入依賴應(yīng)力幅的對數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量Z(Δσ)，則式(2)變?yōu)椋?/p>

Z(Δσ)的標(biāo)準(zhǔn)差為 s(Δσ)。從理論上可以證明［18］：當(dāng)S-N曲線和P-S-N曲線在對數(shù)坐標(biāo)系中為直線時，對數(shù)疲勞壽命的標(biāo)準(zhǔn)差將隨著對數(shù)應(yīng)力水平的降低而線性增大，通常假定與對數(shù)應(yīng)力幅存在線性關(guān)系［17-18］。

根據(jù)lnN服從正態(tài)分布，獲得其對數(shù)似然函數(shù)，然后根據(jù)極大似然原理解極大似然方程組即可獲得ln C等相關(guān)參數(shù)。則存活率P下的疲勞壽命Np可根據(jù)下式獲得：

式中：up為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量;不同的存活率對應(yīng)不同的值，見表 4。P-S-N 曲線計算過程如圖 5 所示［16，19］。

表4 不同存活率下標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量取值表［21］Table 4 The standard positive deviation values at different survival rates

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2)進(jìn)行三個參數(shù)S-N模型的擬合，可得耐候鋼試件、耐候鋼焊接試件以及普通鋼試件的三參數(shù)S-N曲線如下：

采用上述計算原理(圖5)，代入本文試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計算，計算過程以及參數(shù)的求解采用MATLAB計算軟件實(shí)現(xiàn)。根據(jù)式(4)與表4的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量，耐候鋼試件、耐候鋼焊接試件以及普通鋼試件的三參數(shù)S-N曲線具有存活率P=90%的P-S-N曲線分別為：

圖5 P-S-N曲線計算流程［19］Fig.5 Calculation flow chart of P-S-N curve

圖6 給出了式(6)—式(7)所示的P-S-N曲線。可以看出，P-S-N曲線與S-N曲線有相同的變化趨勢，并且曲線形狀較為相似;隨著應(yīng)力幅的增加，疲勞壽命不斷減小;提高存活率，疲勞壽命明顯下降，即隨著存活率的不斷增大，相應(yīng)的P-S-N曲線相對于50%存活率的曲線不斷下降，相同的疲勞壽命下，隨著存活率的增加，對應(yīng)的應(yīng)力幅逐漸減小，結(jié)果趨于保守。通過計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于單點(diǎn)法試驗(yàn)所計算得到的P-S-N曲線，具有形式統(tǒng)一，整體規(guī)律較好的優(yōu)點(diǎn)［22］。

圖6 疲勞P-S-N曲線Fig.6 P-S-N curves

2.2.4 置信水平下 P-S-N曲線

為使估算出的疲勞壽命安全、可靠，需要考慮P-S-N曲線的置信水平 g，獲得具有置信水平 γ、存活率P的疲勞壽命Npγ。文獻(xiàn)［20］給出了利用 t分布［23］的特點(diǎn)，計算一定置信水平下的P-S-N曲線方法。利用該方法，計算得到本文耐候鋼試件、耐候鋼焊接試件以及普通鋼試件在不同置信水平g、不同存活率P時的P-S-N曲線為(圖7)：

從圖7可以看出，γ-P-S-N曲線與 P-S-N曲線雖然有相同的變化趨勢、曲線相似，但是受置信水平影響較大。同一存活率下，當(dāng)置信水平變?yōu)?5%時，材料疲勞壽命有所下降，即P-S-N曲線會整體下降，結(jié)果偏向保守。當(dāng)不考慮置信水平時，置信水平為0，γ-P-S-N曲線轉(zhuǎn)化為P-S-N曲線?？紤]置信水平的P-S-N曲線，因展現(xiàn)的是母體的真實(shí)值，故有一定概率落在與試驗(yàn)值有關(guān)的區(qū)間內(nèi)。即置信區(qū)間提高了試驗(yàn)的可信程度，為使估算出的疲勞壽命安全、可靠，需要考慮P-S-N曲線的置信水平。

圖7 疲勞γ-P-S-N曲線Fig.7 γ-P-S-N curves

通過計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，按照上述方法計算得到的γ-P-S-N曲線，變化趨勢較為理想，變化分布合理，整體規(guī)律較好。

3 結(jié)束語

1)腐蝕后耐候鋼的疲勞強(qiáng)度比涂裝后普通鋼的低，腐蝕后耐候鋼焊接試件的疲勞強(qiáng)度最低。在疲勞壽命為2×106次時，耐候鋼的疲勞強(qiáng)度為普通鋼的63.5%，耐候鋼焊接試件的疲勞強(qiáng)度為耐候鋼的81.9%。腐蝕后試件表面產(chǎn)生的腐蝕坑以及焊接試件的焊縫處力學(xué)不均勻性是導(dǎo)致疲勞性能降低的主要原因。

2)基于極大似然估計法建立、分析三種試件的P-S-N以及γ-P-S-N曲線可知，提高存活率或置信水平時，在相同的疲勞壽命下，對應(yīng)的應(yīng)力幅減小，即考慮存活率或者置信水平的S-N曲線與50%存活率的基于試驗(yàn)結(jié)果擬合的S-N曲線相比更加安全，擬合得到的曲線更加可靠。