銹損冷成型鋼表面形貌及力學(xué)性能

徐善華 余潔 聶彪

摘? ?要：為研究銹蝕對(duì)冷成型鋼表面形貌特征和力學(xué)性能的影響，對(duì)工業(yè)環(huán)境下服役10 a的冷成型鋼進(jìn)行表面三維形貌掃描、單調(diào)拉伸試驗(yàn)和斷口掃描，得到了銹蝕鋼材表面二維和三維形貌圖、銹蝕損傷參數(shù)、應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)、力學(xué)性能指標(biāo)以及微觀(guān)斷口形貌圖，并分析了銹蝕損傷參數(shù)、力學(xué)性能指標(biāo)的變化規(guī)律，最后建立了銹蝕冷成型鋼材料本構(gòu)模型. 結(jié)果表明：隨著銹蝕程度增加，鋼材表面蝕坑數(shù)量減少且蝕坑形貌發(fā)生明顯變化，均勻銹蝕所占比例、最大蝕坑深度逐漸增大，銹蝕鋼材表面變得越來(lái)越粗糙;彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率隨材料損失率的增加呈線(xiàn)性下降趨勢(shì)，屈服平臺(tái)變短甚至消失，宏、微觀(guān)斷口形貌變化明顯，并且所建立的本構(gòu)模型能夠精準(zhǔn)地反映銹蝕冷成型鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的變化趨勢(shì).

關(guān)鍵詞：銹蝕;冷成型鋼;表面形貌;力學(xué)性能;斷口

中圖分類(lèi)號(hào)：TU511? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674—2974（2021）01—0163—10

Abstract：Three-dimensional morphology scanning， monotonic tensile test， and fracture scanning of cold-formed steel with 10 years of service in the industrial environment were performed to investigate the effect of corrosion on the surface morphology and mechanical properties of cold-formed steel. The two-dimensional and three-dimensional surface topography， corrosion damage parameters， stress-strain curves， mechanical property indexes， and microscopic fracture topography of the corroded cold-formed steel were obtained. The variation rules of the corrosion damage parameters and mechanical property indexes were also analyzed. Finally， a constitutive model of the corroded cold-formed steel was established. The results indicate that the number of corrosion pits on the steel surface decreased， and the morphology of corrosion pits changed significantly with the increase in corrosion degree. The proportion of the uniform corrosion and maximum depth of the corrosion pits gradually increased， and the surface of the corroded steel became increasingly rougher. The elastic modulus， yield strength， ultimate strength， and elongation after fracture linearly decreased with an increase of the material loss rate. The yield platform also became shorter or even disappeared. Moreover， the macrofracture and microfracture morphologies changed obviously. The established constitutive model can accurately reflect the variable trend of the stress-strain curve of the corroded cold-formed steel.

Key words：corrosion;cold-formed steel;surface morphology;mechanical properties;fracture

冷成型鋼的問(wèn)世開(kāi)拓了借助合理截面形狀而非增加截面面積來(lái)提高構(gòu)件承載力的途徑，憑借其高效、經(jīng)濟(jì)的特性在建筑、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用. 相比普通鋼結(jié)構(gòu)，冷成型鋼具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能好、施工快捷等優(yōu)點(diǎn).

冷成型鋼壁厚較薄，稍有銹蝕就會(huì)造成較高的材料損失率. 銹蝕不僅會(huì)引起鋼材厚度損失，還會(huì)在鋼材表面形成大小不一的點(diǎn)蝕坑，引起局部應(yīng)力集中現(xiàn)象[1-4]，使得裂紋更容易在蝕坑處形核[5-6]，造成鋼材力學(xué)性能及服役年限明顯下降[7-8]，因此，點(diǎn)蝕的相關(guān)信息是研究銹蝕鋼材力學(xué)性能的重要數(shù)據(jù). 近年來(lái)，一些物理探測(cè)技術(shù)（掃描電子顯微鏡[9]、原子力顯微鏡[10]、X光斷層掃描[11]、白光軸向色差[12]）已經(jīng)被應(yīng)用于表征點(diǎn)蝕特征和量化銹蝕程度中，并取得了不錯(cuò)的效果. 但是，目前開(kāi)展的銹蝕鋼結(jié)構(gòu)的材料性能研究多針對(duì)于普通熱軋鋼，對(duì)于銹蝕冷成型鋼開(kāi)展的研究很少.

本文采用三維非接觸表面形貌測(cè)量?jī)x對(duì)銹蝕冷成型鋼表面形貌進(jìn)行測(cè)量，得到了銹蝕試件表面三維及二維形貌圖，并分析了銹蝕損傷參數(shù)的變化規(guī)律;采用掃描電子顯微鏡對(duì)冷成型鋼拉伸斷口進(jìn)行觀(guān)測(cè)，探究其微觀(guān)失效機(jī)理;通過(guò)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)冷成型鋼進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，分析銹蝕試件的力學(xué)性能退化規(guī)律，并建立了銹蝕冷成型鋼的單調(diào)拉伸本構(gòu)模型.

1? ?試? ?驗(yàn)

1.1? ?材料和試樣的制備

以工業(yè)環(huán)境下服役10 a的壓型鋼板為對(duì)象（圖1），按不同銹蝕程度從腹板截取7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件（A0、A1、A2、A3、A4、A5、A6）. 對(duì)銹蝕拉伸試件先采用機(jī)械方法去除表面疏松銹蝕產(chǎn)物，然后將試件浸入體積比為12%的稀鹽酸溶液中，15 min后取出，用鋼絲球刷洗附著在試件表面的銹蝕產(chǎn)物，最后用氫氧化鈣稀溶液中和表面鹽酸，并用清水沖洗擦干[13]（圖2）. 標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸見(jiàn)圖3.

1.2? ?表面形貌采集

因銹蝕基本集中在壓型鋼板朝向廠(chǎng)房?jī)?nèi)一側(cè)，而另一側(cè)基本未銹蝕，故本文采用美國(guó) Nanovea公司生產(chǎn)的ST400三維非接觸式表面形貌儀僅對(duì)試件銹蝕面進(jìn)行形貌采集. 數(shù)據(jù)采集區(qū)（50 mm×10 mm）覆蓋拉伸試件標(biāo)距段. 縱向和橫向掃描步長(zhǎng)分別為200 μm和100 μm，共得到251×101個(gè)3D數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用所得數(shù)據(jù)點(diǎn)提取銹蝕損傷參數(shù)并對(duì)試件表面形貌進(jìn)行分析.

1.3? ?單調(diào)拉伸試驗(yàn)

采用DNS300型號(hào)的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（圖4）進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn). 試件標(biāo)距段（50 mm）變形使用引伸計(jì)測(cè)量. 按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1—2010）[14]要求，彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段試驗(yàn)加載速率均設(shè)為0.2 mm/min;荷載曲線(xiàn)下降段加載速率設(shè)為0.5 mm/min，直至試件拉斷，試驗(yàn)結(jié)束，取下引伸計(jì). 試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)力和變形等數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、記錄.

1.4? ?斷口觀(guān)測(cè)

將拉伸試驗(yàn)斷口用醋酸纖維紙（7%的醋酸纖維素、丙酮溶液制成的均勻薄膜）復(fù)型進(jìn)行清理. 然后，使用Hitachi公司型號(hào)為S-4800、高壓為15 kV的掃描電子顯微鏡對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀(guān)測(cè).

2? ?試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1? ?表面形貌及銹蝕損傷參數(shù)

2.1.1? ?表面形貌

利用掃描所得數(shù)據(jù)點(diǎn)分別繪制冷成型鋼銹蝕前期（A1試件）、銹蝕中期（A3試件）以及銹蝕后期（A5試件）的典型三維和二維形貌圖（圖5）. 從圖5可以清楚地觀(guān)察到銹蝕表面形貌隨銹蝕程度增加的演變過(guò)程：銹蝕較輕的A1試件由多個(gè)深度較小的“V型”蝕坑構(gòu)成，蝕坑間相互獨(dú)立未發(fā)生連通現(xiàn)象;隨著銹蝕程度的增加，A3試件的蝕坑形貌由“V型”向“U型”轉(zhuǎn)變，蝕坑深徑比減小且數(shù)量減少;在試件銹蝕后期，A5試件的蝕坑深度明顯增加且底部出現(xiàn)較大的平臺(tái)，在主蝕坑底部可以觀(guān)察到次級(jí)蝕坑的存在，這應(yīng)該是較小的蝕坑上部相互連通后殘留的蝕坑底部，這與文獻(xiàn)[15]所述基本一致.

2.1.2? ?銹蝕損傷參數(shù)

銹蝕深度的平均值Dave能夠反映試件因銹蝕而造成的材料損失量，是用來(lái)評(píng)估銹蝕程度的常用參數(shù)，它的計(jì)算方法為所有測(cè)量點(diǎn)處銹蝕深度的平均值，并且可以通過(guò)銹蝕深度平均值Dave來(lái)計(jì)算試件的材料損失率ρ：

式中：M和N分別為單個(gè)試件在縱向和橫向上掃描點(diǎn)的數(shù)量;D（xi，yj）為掃描點(diǎn)處殘余厚度與未銹蝕試件厚度的差值（μm）;h0為未銹試件的厚度（μm）. 計(jì)算結(jié)果匯總在表1中.

在工業(yè)環(huán)境中，鋼材的銹蝕損失一般包括非均勻銹蝕和均勻銹蝕，這兩種類(lèi)型銹蝕損失對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響機(jī)制存在較大差異. 一般來(lái)說(shuō)，均勻厚度的減少只會(huì)導(dǎo)致鋼材承載性能下降而不影響其變形性能，非均勻銹蝕不僅導(dǎo)致材料損失還會(huì)引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而影響鋼材的變形性能[16]. 為探究點(diǎn)蝕與均勻銹蝕的變化規(guī)律，本文提出如下計(jì)算公式：

式中：ρn為非均勻銹蝕率（%）;ρu為均勻銹蝕率（%）;hi為第i個(gè)銹蝕試件的最大殘余厚度（μm）. 計(jì)算結(jié)果匯總在表1中. 圖6給出了非均勻銹蝕率及均勻銹蝕率的變化規(guī)律，從圖6可以發(fā)現(xiàn)，材料損失率較低時(shí)，非均勻銹蝕比例較高，隨著材料損失率的增加，均勻銹蝕所占比例逐漸增大. 這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)榻饘倬w中存在一定數(shù)量的諸如位錯(cuò)、空穴等顯微或亞顯微缺陷，這些晶體結(jié)構(gòu)不完整或畸變的區(qū)域總處于較高的勢(shì)能狀態(tài)，蝕坑從這些高勢(shì)能區(qū)域以“點(diǎn)狀”開(kāi)始形成. 隨著蝕坑的長(zhǎng)大，蝕坑邊緣逐漸遠(yuǎn)離這些高勢(shì)能區(qū)，點(diǎn)蝕坑生長(zhǎng)速率下降，但整個(gè)試件表面仍以一定速率V0被均勻溶蝕[17].

三維粗糙度參數(shù)是對(duì)試件表面輪廓幾何特征的描述，能夠直觀(guān)地反映點(diǎn)蝕坑形貌隨銹蝕程度增加的變化規(guī)律. 算術(shù)平均高度Sa、均方根高度Sq、表面峰最大高度Sp、表面谷最大深度Sv以及表面最大高度Sz的計(jì)算方法如下，計(jì)算結(jié)果匯總在表1中.

應(yīng)該特別注意的是，式（5）～式（8）中的Z值是指實(shí)際銹蝕表面與通過(guò)最小二乘法擬合的中間平面的距離，Sa、Sq是評(píng)判銹蝕鋼材表面輪廓偏離中間平面程度的參數(shù). 觀(guān)察圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著材料損失率的增加，Sa和Sq的值均逐漸變大，說(shuō)明蝕坑的起伏程度變大，試件表面變得越來(lái)越粗糙. 圖8反映了最大蝕坑深度與材料損失率之間的數(shù)量關(guān)系，當(dāng)銹蝕程度較低時(shí)，Sz隨材料損失率的增加呈增大趨勢(shì);當(dāng)銹蝕程度較大（材料損失率大于20.7%）時(shí)，Sz的值增長(zhǎng)速度變慢甚至出現(xiàn)減小的情況，最大蝕坑深度變化不再明顯.

2.2? ?銹蝕試件力學(xué)性能分析

在以前的研究中，計(jì)算名義應(yīng)力時(shí)多使用未銹蝕試件的橫截面積，但是這種計(jì)算方法得到的應(yīng)力值明顯低于真實(shí)應(yīng)力值，造成計(jì)算所得各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)明顯降低. 為使得計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)值，本文使用最大殘余厚度hi代替未銹蝕試件厚度h0計(jì)算橫截面積.

圖9為各試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，試驗(yàn)拉伸的主要力學(xué)性能指標(biāo)匯總在表2中. 從表2中的屈服平臺(tái)長(zhǎng)度ε△的值可以發(fā)現(xiàn)，屈服平臺(tái)的長(zhǎng)度隨材料損失率的增加而逐漸減小甚至消失，鋼材的塑性性能明顯減弱. 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：隨著銹蝕程度的增加，蝕坑深度逐漸增長(zhǎng)，導(dǎo)致應(yīng)力集中越來(lái)越明顯，同一截面處，蝕坑周?chē)鷳?yīng)力發(fā)展較快，其他區(qū)域應(yīng)力發(fā)展較慢，致使無(wú)法同時(shí)屈服，變形不一致，表現(xiàn)為屈服平臺(tái)變短甚至消失[18].

圖10給出了彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度以及斷后伸長(zhǎng)率的折減率與材料損失率的定量關(guān)系：

由圖10可知，本試驗(yàn)中試件的彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度隨材料損失率的增加均呈線(xiàn)性下降趨勢(shì). 造成銹蝕鋼材力學(xué)性能下降的原因是：一方面，蝕坑使得鋼材橫截面積減小;另一方面，銹蝕損傷使得金屬表面晶格產(chǎn)生畸變，勢(shì)能增加，體系混亂度增大，穩(wěn)定性降低，在低應(yīng)力條件下可產(chǎn)生高應(yīng)變[19]. 斷后伸長(zhǎng)率的大小是判斷鋼材塑性性能的重要指標(biāo)，從圖10可以看出，隨著銹蝕程度的增加，斷后伸長(zhǎng)率逐漸減小，鋼材的塑性性能變差. 這是因?yàn)槲g坑造成局部應(yīng)力水平增加，進(jìn)而加速表面出現(xiàn)塑性區(qū)，導(dǎo)致材料中心和表層塑性變形不均勻，應(yīng)力集中系數(shù)越大，塑性變形能力越弱[15].

將本文得到的銹蝕冷成型鋼力學(xué)性能退化規(guī)律與文獻(xiàn)[20]中銹蝕熱軋鋼的試驗(yàn)結(jié)果相比，可以發(fā)現(xiàn)：隨著銹蝕程度的增加，冷成型鋼的力學(xué)性能退化速度明顯快于普通熱軋鋼，銹蝕對(duì)冷成型鋼力學(xué)性能的影響更大.

2.3? ?斷口分析

2.3.1? ?宏觀(guān)斷口分析

試件的斷口形貌如圖11所示. 從圖11可知，1）A0、A1試件斷口有較明顯的頸縮，其余試件的頸縮現(xiàn)象均不明顯，說(shuō)明A0、A1試件的塑性較好，其余試件因?yàn)殇P蝕的影響，表現(xiàn)出脆性斷裂特征. 2）試件的斷口形貌發(fā)生改變，A0、A1、A2試件呈現(xiàn)出剪切型斷口，A3、A4試件為圓弧型斷口，A5、A6試件為階梯型斷口. 由于本次試驗(yàn)的試件較薄，斷裂是在二向應(yīng)力條件下由切應(yīng)力分量作用造成的剪切斷裂，故表現(xiàn)為A0、A1、A2試件的剪切型斷口;A3、A4試件的圓弧型斷口則是在斷口中間部位首先發(fā)生了一段由正應(yīng)力造成的平斷口;A5、A6的階梯型斷口是在斷口中間部位首先發(fā)生了兩段由正應(yīng)力造成的平斷口，而在這些平斷口周?chē)廊话l(fā)生剪切型斷口. 斷口的形態(tài)反映了斷裂過(guò)程特點(diǎn)和材料的塑性水平，斜斷口占斷口總面積的比例越高，斷裂過(guò)程中吸收的塑性變形功越多，材料的塑性水平越高. 隨著銹蝕程度的增加，試件中平斷口的區(qū)域逐漸增加，材料塑性性能變差.

2.3.2? ?微觀(guān)斷口分析

圖12為剪切型斷口（A0試件）、圓弧型斷口（A3試件）以及階梯型斷口（A6試件）的典型微觀(guān)全貌圖. 從圖中可以發(fā)現(xiàn)：試件A0的斷口主要由纖維區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)構(gòu)成，纖維區(qū)面積較大，說(shuō)明未銹試件A0斷裂時(shí)塑性變形比較充分;A3、A6斷口的微觀(guān)形貌圖除含有纖維區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)外，在接近銹蝕表面的地方還出現(xiàn)了一個(gè)顏色較深的斷口區(qū)域，這是由銹蝕坑相互連通而形成的銹蝕裂紋擴(kuò)展區(qū)，由于銹蝕裂紋擴(kuò)展區(qū)的出現(xiàn)，A3試件的纖維斷裂區(qū)面積有所減小，而A6試件的纖維斷裂區(qū)面積減小非常明顯. 說(shuō)明隨著銹蝕程度的增加，鋼材的塑性性能逐漸減弱.

圖13給出了A0、A3、A6試件斷口纖維區(qū)微觀(guān)形貌圖. A0試件的微觀(guān)形貌圖由大量較深的韌窩構(gòu)成，韌窩邊緣較平緩、圓滑;A3試件的微觀(guān)形貌圖大部分由韌窩構(gòu)成，但是韌窩較淺且邊緣比較尖銳，局部出現(xiàn)了河流紋形貌的解理斷裂區(qū)域;A6試件微觀(guān)形貌出現(xiàn)了大面積的解理斷裂區(qū)域，韌窩深度比A3試件小，韌窩邊緣尖銳呈撕裂狀. 說(shuō)明A0試件在斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展速度較慢，韌窩變形充分，表現(xiàn)出很好的塑性性能，而A3和A6試件由于銹蝕造成試件實(shí)際受力區(qū)域減小，蝕坑周?chē)霈F(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得裂紋擴(kuò)展速度較快，韌窩變形不夠充分甚至出現(xiàn)解理斷裂形貌，試件的材料性能下降，試件由塑性斷裂逐漸向脆性斷裂轉(zhuǎn)變.

3? ?銹蝕冷成型鋼材料本構(gòu)模型

參考張偉平等[21-22]的三折線(xiàn)模型，得到銹蝕冷成型鋼本構(gòu)模型為：

式中：k1、k2為強(qiáng)化段形狀參數(shù);k3為極限應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的比值. 使用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)強(qiáng)化階段進(jìn)行擬合，將擬合得到的k1、k2以及計(jì)算得到的k3匯總在表3中. 可以發(fā)現(xiàn)k1、k2和k3的值在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，故取平均值k1 = 0.614 3、k2=0.341 6、k3=1.169 5. 并將上述的屈服平臺(tái)末端應(yīng)變?chǔ)舠h和極限應(yīng)變?chǔ)舥與材料損失率ρ進(jìn)行回歸分析，得到各力學(xué)性能指標(biāo)與材料損失率之間的關(guān)系：

最終，將k1、k2和k3的值以及式（10）（11）（15）～（17）代入式（14）中，建立了由材料損失率表征鋼材銹蝕程度的銹蝕冷成型鋼單調(diào)本構(gòu)模型，具體如下：

從圖14、圖15可以看出，計(jì)算模型的彈性階段與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，屈服階段和強(qiáng)化階段由于部分試驗(yàn)曲線(xiàn)波動(dòng)較大，計(jì)算模型與試驗(yàn)結(jié)果存在少許誤差，但是誤差在工程應(yīng)用許可范圍內(nèi). 本文理論模型可用于銹損薄壁冷成型鋼的單調(diào)拉伸本構(gòu)關(guān)系，但是否適用壁厚更厚的冷成型鋼，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證.

4? ?結(jié)? ?論

1）銹蝕造成鋼材表面特征明顯變化，隨著銹蝕程度的增加，蝕坑形貌由“V型”向“U型”轉(zhuǎn)變，蝕坑數(shù)量減少且深徑比減小，在銹蝕程度較大的A5試件中，在主蝕坑底部可以發(fā)現(xiàn)次級(jí)坑的存在.

2）隨著材料損失率的增加，非均勻銹蝕率和均勻銹蝕率均逐漸增大，但非均勻銹蝕率占材料損失率的比例逐漸減小;算術(shù)平均高度Sa和均方根高度Sq均逐漸變大，試件表面變得越來(lái)越粗糙;當(dāng)銹蝕程度較低時(shí)，最大蝕坑深度Sz隨材料損失率增加呈增大趨勢(shì)，當(dāng)銹蝕程度較大（材料損失率大于20.7%）時(shí)，Sz變化不再明顯.

3）隨著材料損失率的增加，試件截面尺寸減小并且蝕坑周?chē)膽?yīng)力集中越來(lái)越明顯，使得彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能指標(biāo)逐漸減小，屈服平臺(tái)變短甚至消失.

4）A0、A1試件出現(xiàn)明顯頸縮，其余試件頸縮均不明顯. 隨銹蝕程度的增加，斷口形貌由剪切型斷口轉(zhuǎn)變?yōu)閳A弧型斷口及階梯型斷口，斷口中脆性破壞特征的平斷區(qū)域逐漸增多，說(shuō)明鋼材塑性性能減弱. 從斷口微觀(guān)形貌圖中可以發(fā)現(xiàn)由蝕坑相互連通而產(chǎn)生銹蝕裂紋擴(kuò)展區(qū)，纖維區(qū)面積和韌窩深度隨銹蝕程度增加逐漸減小，試件由塑性斷裂逐漸向脆性斷裂轉(zhuǎn)變.

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