高強(qiáng)度鋼材腐蝕疲勞研究綜述

雷天奇 ，魏歡歡 ，鄭東東 ，關(guān)曉迪 ，萬(wàn)亮婷 ，李 濤

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712100；3.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048；4.商洛市人民防空辦公室，陜西 商洛 726000）

0 引言

腐蝕疲勞是引起工程結(jié)構(gòu)失效的關(guān)鍵性因素之一，其中最大加載應(yīng)力幅值往往要小于材料屈服極限，并且破壞前無(wú)任何預(yù)兆[1]。高強(qiáng)度鋼材作為海工建造中的常備選材，考慮其屬性，長(zhǎng)期遭遇海洋地域高溫、高氯離子、干濕循環(huán)與風(fēng)浪載荷交替影響，上述損傷失效特征更為顯著[2]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，每年腐蝕引起不可再利用材料約占全球生產(chǎn)總量的30%，而海域板塊廢料占有率為全年腐蝕總量的33%，外界環(huán)境介質(zhì)損傷剝蝕是導(dǎo)致相關(guān)基礎(chǔ)工程與設(shè)施喪失正常使用功能的重要組成因素[3]。若處于腐蝕疲勞效應(yīng)耦合下，材料自身產(chǎn)生的損傷破壞程度十分嚴(yán)重，不但會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)給實(shí)際工程帶來(lái)潛在的安全隱患。例如，2007年，Minnesota，U.S.地區(qū)密西西比河大橋支座處，由于大氣環(huán)境介質(zhì)侵蝕影響，加之承重桿件疲勞損傷程度加劇，造成橋面瞬間坍塌，6人喪生[4]；2016年，California，U.S.地區(qū)一發(fā)電裝置內(nèi)旋轉(zhuǎn)葉片的抗剪腹板萌生裂紋，最終發(fā)生了飛車倒塔事故[5]。綜上所述，腐蝕疲勞損傷會(huì)降低工程結(jié)構(gòu)可靠度，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡，從而造成極為惡劣的負(fù)面影響。本文通過(guò)介紹國(guó)內(nèi)外關(guān)于高強(qiáng)度鋼材腐蝕疲勞相關(guān)成果，為該領(lǐng)域后續(xù)研究工作及工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 高強(qiáng)度鋼材腐蝕研究

1.1 腐蝕機(jī)理

從20世紀(jì)初期，國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者對(duì)于建筑用鋼的腐蝕損傷行為展開(kāi)研究分析[6-11]。在高強(qiáng)度鋼材研究方面，主要集中于工程結(jié)構(gòu)體系安全性和適用性等方面的研究分析[12-13]。但是，長(zhǎng)期服役于工業(yè)大氣、海洋及酸雨等環(huán)境下的工程鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)件表面與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用或電化學(xué)作用，容易產(chǎn)生銹蝕，最終引起材質(zhì)喪失原有力學(xué)性能，不均勻的銹坑分布極易增加鋼材脆性破壞的可能性。腐蝕損傷行為不僅影響結(jié)構(gòu)體系的安全性，而且對(duì)于耐久性影響程度十分明顯[14]。

文獻(xiàn)[15]通過(guò)建立環(huán)境影響變量與腐蝕速率模型，研究了海水溫度、含鹽量及溶解氧量對(duì)鋼材的腐蝕行為，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果，得到了影響高強(qiáng)度鋼材腐蝕性能的因素及變化關(guān)系。文獻(xiàn)[16]分析了高溫作用和應(yīng)變速率對(duì)高強(qiáng)度鋼材腐蝕行為影響，由微觀掃描結(jié)果可知，隨著形變量和溫度的升高，鋼材晶粒尺寸逐漸增大，耐腐蝕性變差。文獻(xiàn)[17]通過(guò)模擬海洋大氣腐蝕環(huán)境，研究了E690高強(qiáng)鋼及對(duì)接焊縫耐久性，結(jié)果表明，焊縫區(qū)微觀晶粒與相鄰母材區(qū)產(chǎn)生電荷流動(dòng)，熱影響區(qū)存在電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，并沿此晶間區(qū)域形成細(xì)微裂紋。文獻(xiàn)[18]研究了濕熱循環(huán)作用下X100高強(qiáng)鋼腐蝕行為，結(jié)果表明長(zhǎng)期暴露于高濃度的O2、Cl-及充足濕潤(rùn)環(huán)境中時(shí)，會(huì)加快鋼材腐蝕速率，但是隨著銹層表面α-FeOOH含量逐漸增多，金屬材料腐蝕速率明顯減小。文獻(xiàn)[19]對(duì)Q690E高強(qiáng)鋼進(jìn)行了CASS（Acetic Acid Salt Spray，簡(jiǎn)稱CASS）加速腐蝕試驗(yàn)，利用質(zhì)量損失率討論了鋼材耐久性能，研究表明未加預(yù)應(yīng)力的鋼試件質(zhì)量損失隨腐蝕速率降低始終保持增大趨勢(shì)，并且腐蝕行為主要以點(diǎn)蝕為主。文獻(xiàn)[20]采用外加電流法得到銹蝕HRB400鋼筋，研究了腐蝕損傷與高溫對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[21]和文獻(xiàn)[22]通過(guò)干濕交替模擬了海洋環(huán)境下E690鋼材電化學(xué)腐蝕行為及機(jī)理，研究分析表明，隨著所處介質(zhì)中Cl-含量的增加，鋼材應(yīng)力腐蝕速率先上升后減小，濃度為3.5%時(shí)SCC（Stress Corrosion Cracking，簡(jiǎn)稱SCC）敏感性最高。文獻(xiàn)[23]采用動(dòng)電位極化法研究了靜水壓和溶解氧耦合作用對(duì)高強(qiáng)度鋼材腐蝕行為的影響，結(jié)果表明兩者共同作用能夠加速鋼材腐蝕產(chǎn)物生成，并且表面銹坑數(shù)量和尺寸明顯增加。文獻(xiàn)[24]通過(guò)模擬工業(yè)與海洋大氣環(huán)境，研究了30CrMnSiA高強(qiáng)鋼腐蝕行為，隨著暴露周期的增加，海洋大氣環(huán)境下銹層呈剝落行為，敏感性相對(duì)工業(yè)大氣環(huán)境下較強(qiáng)。

1.2 微觀掃描分析

微觀形貌測(cè)試方法經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期發(fā)展，由初始定性測(cè)量逐步發(fā)展到現(xiàn)階段高精度定量測(cè)定[25]。目前，研究腐蝕形貌測(cè)量時(shí)多采用接觸式和非接觸式測(cè)量方法進(jìn)行表面形貌的測(cè)量和評(píng)定。研究人員通過(guò)積累大量的研究數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)表面形貌具有隨機(jī)性，在分布上存在較大波動(dòng)性。微觀形貌掃描技術(shù)[26]主要提取銹蝕鋼材表面的銹坑尺寸、深度和分布范圍，對(duì)損傷展開(kāi)全過(guò)程的討論分析，通過(guò)建立不同腐蝕周期與粗糙度參數(shù)的定量關(guān)系，為鋼材腐蝕機(jī)理研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。

微觀形貌分布與掃描尺寸能夠反映鋼材表面銹坑隨時(shí)間的分布規(guī)律與變化特征，具備可靠性高、統(tǒng)計(jì)方便和分析簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，在研究領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，目前主要是通過(guò)電子掃描儀與光學(xué)掃描儀對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)微觀分析。文獻(xiàn)[27]采用3%NaCl溶液模擬高強(qiáng)鋼絲在雨水侵蝕作用下的腐蝕損傷行為，測(cè)定材料表面微觀形貌分布特征，結(jié)果表明未經(jīng)IC?CP（Impressed Current Cathodic Protection，簡(jiǎn)稱ICCP）保護(hù)的鋼絲表面較為粗糙，隨著暴露時(shí)間的增加，點(diǎn)蝕尺寸與數(shù)量明顯增多，腐蝕速率加快。文獻(xiàn)[28]通過(guò)表面掃描技術(shù)分析了銹層對(duì)模擬海岸環(huán)境下300M高強(qiáng)鋼腐蝕行為的影響因素，結(jié)果表明材料表面生成的α-FeOOH和α-Fe2O3致密銹層，對(duì)內(nèi)部基體具有良好的保護(hù)功能，此時(shí)耐久性能得到顯著改善。文獻(xiàn)[29]選取50 g/L的NaCl溶液（pH值為3.0）進(jìn)行了高強(qiáng)鋼絲室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，通過(guò)3D形貌掃描技術(shù)對(duì)銹蝕鋼絲表面進(jìn)行微觀分析，建立了三維形貌腐蝕模型，并分析了損傷程度與應(yīng)力集中系數(shù)間的變化關(guān)系。文獻(xiàn)[30]通過(guò)光學(xué)和SEM（Scanning Electron Microscope，簡(jiǎn)稱SEM）掃描技術(shù)，測(cè)定了銹蝕鋼筋表面產(chǎn)物分布及形貌變化規(guī)律，利用X射線得到生成物的化學(xué)成分，結(jié)果表明材料表面尺寸與鈍化效應(yīng)在大氣腐蝕過(guò)程中起著至關(guān)重要作用。

關(guān)于腐蝕試驗(yàn)，目前大多數(shù)研究考慮成因較為單一，未達(dá)到實(shí)際腐蝕效果。在研究過(guò)程中，實(shí)際配置溶液濃度差異較大，并且加速周期與環(huán)境溫度未給出統(tǒng)一的控制措施，致使各研究成果無(wú)法對(duì)比分析。所選儀器精度差異性偏高，導(dǎo)致實(shí)際擬合數(shù)據(jù)與微觀測(cè)得的腐蝕形貌的一致性不夠高，無(wú)法為后續(xù)腐蝕損傷分析提供指導(dǎo)。

2 疲勞性能研究

在鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)項(xiàng)目中，構(gòu)件連接主要形式為焊縫連接和螺栓連接，而疲勞斷裂與結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)安全性緊密相關(guān)，歷來(lái)是鋼結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)話題[31]。焊接節(jié)點(diǎn)受焊接工藝及殘余應(yīng)力等因素影響，在疲勞荷載作用下，裂紋萌生于焊縫區(qū)。螺栓連接作為現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的連接方式，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，其設(shè)計(jì)方法得到不斷發(fā)展和完善，疲勞裂紋一般生成于板件連接薄弱位置，疲勞強(qiáng)度受接頭形式、螺栓預(yù)拉力、表面處理等因素的影響。一般而言，結(jié)構(gòu)整體破壞往往是由連接或節(jié)點(diǎn)局部引起，因此能實(shí)現(xiàn)安全可靠連接的方式，已成為鋼結(jié)構(gòu)連接疲勞性能研究的重點(diǎn)。

基于材料層面考慮，文獻(xiàn)[32]和[33]分別進(jìn)行了Q460、Q690高強(qiáng)鋼母材、焊縫及螺栓連接疲勞性能試驗(yàn)，測(cè)定不同應(yīng)力比下的試件壽命，并建立了疲勞損傷分析模型，為高強(qiáng)度鋼材在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。文獻(xiàn)[34]對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，采用Walker方程擬合得到了S355、S690鋼材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，基于XFEM（Extended Finite Ele?ment Method，簡(jiǎn)稱 XFEM）法和VCCT（Virtual Crack Closure Technique，簡(jiǎn)稱VCCT）技術(shù)驗(yàn)證了疲勞失效歷程，預(yù)測(cè)了對(duì)接接頭的疲勞壽命。文獻(xiàn)[35]研究了P460NL高強(qiáng)鋼焊接接頭疲勞性能，預(yù)測(cè)了連接區(qū)域極限強(qiáng)度，采用XFEM法進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了該有限元法的真實(shí)可靠性。文獻(xiàn)[36]采用HPAW（High-frequency Pulse Plasma Welding，簡(jiǎn)稱HPAW）和GMAW（Gas Metal Arc Welding，簡(jiǎn)稱GMAW）連接工藝，得到Q500D高強(qiáng)鋼焊接試件，由疲勞試驗(yàn)結(jié)果可知，GMAW加工試件連接處存在較大應(yīng)力集中，處于循環(huán)荷載作用下，極易發(fā)生疲勞斷裂，實(shí)測(cè)壽命相比HPAW連接節(jié)點(diǎn)偏小。文獻(xiàn)[37]對(duì)疲勞損傷后的Q690高強(qiáng)鋼試件進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，建立了疲勞損傷與力學(xué)性能參數(shù)之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)了不同損傷程度下試件的力學(xué)性能，為服役高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際工程可靠性評(píng)估提供依據(jù)。文獻(xiàn)[38]通過(guò)對(duì)Q460高強(qiáng)鋼及焊縫進(jìn)行不同加載頻率下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對(duì)比，結(jié)果表明低頻加載實(shí)測(cè)壽命相比中高頻普遍要高，采用高頻加載試件實(shí)測(cè)壽命相對(duì)偏小。文獻(xiàn)[39]對(duì)Q460高強(qiáng)鋼T型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了高周疲勞試驗(yàn)，擬合得到不同應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的S-N曲線，研究發(fā)現(xiàn)裂紋首先萌生于節(jié)點(diǎn)焊縫區(qū)域，并由末端逐漸向外擴(kuò)展。此外，由結(jié)果對(duì)比可知CIDECT（International Regulatory Structure Research and Development Com?mittee，簡(jiǎn)稱CIDECT）和 DNV（Det Norske Veritas，簡(jiǎn)稱DNV）規(guī)范不適用于圓管節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)。基于斷裂力學(xué)損傷模型，文獻(xiàn)[40]研究10CrNi3MoV高強(qiáng)鋼焊縫缺陷、幾何尺寸與疲勞極限的關(guān)系，提出了十字焊縫節(jié)點(diǎn)疲勞壽命預(yù)估方法。

3 腐蝕疲勞研究

工程材料的破壞除因疲勞極限外，還可能由外部載荷和環(huán)境因素耦合作用引起。腐蝕疲勞是由交變應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用下的失效形式[41]。當(dāng)前，各類在役高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)、承重構(gòu)件均服役于不同程度的腐蝕環(huán)境中，在交變應(yīng)力的作用下，腐蝕性環(huán)境會(huì)顯著降低材料的斷裂韌性，加快疲勞裂紋形成和擴(kuò)展，縮短工程結(jié)構(gòu)的使用壽命[42-44]。

腐蝕疲勞問(wèn)題作為工程結(jié)構(gòu)耐久性的主要影響因素[45]，備受國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者重視。文獻(xiàn)[46]通過(guò)對(duì)6組不同腐蝕周期高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行疲勞載荷試驗(yàn)，擬合得到S-N曲線，隨著鋼絲損傷程度增加，曲線斜率逐漸增大，文中所給損傷模型在一定程度上可反映材料腐蝕疲勞耦合效應(yīng)。文獻(xiàn)[47]選用鹽水浸泡對(duì)AISI4340高強(qiáng)鋼進(jìn)行了腐蝕疲勞試驗(yàn)，研究了銹蝕基體疲勞損傷機(jī)理。文獻(xiàn)[48]根據(jù)既有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立三維有限元模型，研究了表面銹坑分布與尺寸對(duì)其疲勞壽命的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[49]分別設(shè)計(jì)了90組Q460D、Q550E高強(qiáng)鋼試件，研究了腐蝕損傷對(duì)其疲勞性能影響因素，得到了不同周期下S-N曲線，根據(jù)兩者對(duì)比可知，在疲勞裂紋臨界過(guò)渡階段，Q550E鋼材擬合曲線相比Q460D具有更高平坦度；隨著應(yīng)力水平的增加，試件的疲勞壽命將快速減小。文獻(xiàn)[50]和文獻(xiàn)[51]基于元細(xì)胞有限元模型，對(duì)高強(qiáng)鋼絲腐蝕疲勞進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得出，腐蝕疲勞相互耦合影響，導(dǎo)致材料力學(xué)性能快速衰減，隨著銹坑模型尺寸增加，疲勞壽命逐漸減小。文獻(xiàn)[52]對(duì)43根等邊角鋼進(jìn)行了腐蝕疲勞試驗(yàn)，基于簡(jiǎn)化單點(diǎn)-似然法及單點(diǎn)-成組法擬合了S-N曲線，研究表明酸雨大氣環(huán)境會(huì)縮短試件疲勞壽命，對(duì)高應(yīng)力水平下的壽命影響較小。文獻(xiàn)[53]基于預(yù)腐蝕鋼絲疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，對(duì)銹蝕鋼絲恒幅和變幅疲勞壽命進(jìn)行分析，屈服強(qiáng)度和門(mén)檻值的相關(guān)性隨屈服強(qiáng)度和應(yīng)力比上升而增強(qiáng)，腐蝕鋼絲變幅疲勞評(píng)估結(jié)果對(duì)門(mén)檻值的變化較敏感。文獻(xiàn)[54]對(duì)Q460D、Q550E高強(qiáng)鋼試件進(jìn)行室內(nèi)電化學(xué)加速腐蝕試驗(yàn)和不同周期單軸疲勞荷載試驗(yàn)，根據(jù)擬合S-N曲線分析了銹蝕率對(duì)試件疲勞性能影響規(guī)律，結(jié)果表明實(shí)測(cè)壽命隨著銹蝕率增加逐漸變小，失效斷口處存在明顯的裂紋擴(kuò)展特征及變化規(guī)律。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外耐久性團(tuán)隊(duì)關(guān)于碳鋼、低合金鋼腐蝕疲勞展開(kāi)了一系列研究工作，針對(duì)高強(qiáng)度鋼材腐蝕疲勞試驗(yàn)測(cè)試與理論分析仍然較少。此外，目前主要基于損傷力學(xué)模型，對(duì)銹蝕高強(qiáng)度鋼材疲勞壽命退化關(guān)系進(jìn)行了討論，后續(xù)可從微觀角度對(duì)其裂紋擴(kuò)展過(guò)程及演化規(guī)律開(kāi)展研究，建立相關(guān)損傷理論分析模型。

4 結(jié)語(yǔ)

在復(fù)雜惡劣環(huán)境下的高強(qiáng)度鋼材表面容易生成不均勻分布銹坑，腐蝕行為是材料與周圍環(huán)境發(fā)生相互作用的結(jié)果，受腐蝕環(huán)境類型、周期影響程度極為明顯，由于鋼材腐蝕后的表面形狀、強(qiáng)度等發(fā)生改變，容易發(fā)生較為嚴(yán)重的工程事故。

關(guān)于高強(qiáng)度鋼材及普通建筑用鋼的腐蝕疲勞性能取得了較多研究成果，但是大多集中于材料范圍、屈服強(qiáng)度相對(duì)較低的合金鋼材等領(lǐng)域，針對(duì)高強(qiáng)度鋼材腐蝕疲勞性能的研究主要集中于預(yù)腐蝕疲勞，關(guān)于腐蝕疲勞耦合失效機(jī)理研究較少，缺乏相關(guān)理論模型的支撐。此外，高強(qiáng)鋼連接節(jié)點(diǎn)及結(jié)構(gòu)體系的腐蝕疲勞性能研究目前仍處于空白。