加速腐蝕環(huán)境下壓型鋼板力學(xué)性能的退化規(guī)律*

徐吉民 幸坤濤 高向宇 郭小華 王 玲

(1.中冶建筑研究總院有限公司, 北京 100088； 2.北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100124)

壓型鋼板一般由預(yù)涂鍍薄板輥壓冷彎而成，以輕質(zhì)，高強(qiáng)，施工便捷，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在我國工業(yè)廠房、公共建筑、輕鋼房屋等工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。我國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特點(diǎn)導(dǎo)致大量壓型鋼板服役于工業(yè)大氣、海洋大氣等腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境中，由于其較薄的壁厚，壓型鋼板構(gòu)件對(duì)腐蝕的敏感性更高，壓型鋼板腐蝕構(gòu)件的安全隱患也更大。冷加工造成壓型鋼板強(qiáng)度提高而延性下降，彎曲部位應(yīng)力水平亦較高，且壓型鋼板構(gòu)件與普通熱軋鋼構(gòu)件腐蝕后的受力性能及破壞機(jī)制也存在一定差異[4]，而研究腐蝕對(duì)材料力學(xué)性能的影響是開展腐蝕構(gòu)件研究的基礎(chǔ)。

國內(nèi)外關(guān)于結(jié)構(gòu)腐蝕的研究大多為鋼材腐蝕對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響[5-6]，對(duì)腐蝕鋼結(jié)構(gòu)性能退化機(jī)理及評(píng)定方法的研究也取得一定成果。文獻(xiàn)[7-8]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)鋼材的強(qiáng)度和延性隨腐蝕程度的增大顯著降低，文獻(xiàn)[9]研究了中性鹽霧環(huán)境下Q235鋼材力學(xué)性能隨腐蝕率的變化規(guī)律，建立了應(yīng)力-應(yīng)變退化模型。但目前腐蝕鋼結(jié)構(gòu)的研究主要是針對(duì)普通鋼結(jié)構(gòu)，有關(guān)腐蝕薄壁鋼構(gòu)件的研究很少，文獻(xiàn)[10]對(duì)腐蝕后薄壁型鋼的材料性能進(jìn)行分析，未研究腐蝕對(duì)材料本構(gòu)模型的影響，而文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)樣本較少，不能定量表述腐蝕率與材料力學(xué)性能間的關(guān)系。

本研究通過對(duì)人工加速腐蝕試驗(yàn)得到的不同厚度、不同腐蝕程度的壓型鋼板試件進(jìn)行三維表面形貌試測(cè)及拉伸試驗(yàn)，根據(jù)對(duì)表面粗糙度參數(shù)隨腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律、不同腐蝕程度試件破壞形態(tài)、應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異、拉伸性能參數(shù)與腐蝕率的函數(shù)關(guān)系的分析，提出了腐蝕壓型鋼板的性能退化本構(gòu)模型。

1 試件制備及試驗(yàn)方法

1.1 試件制備

試件取自0.8，1.5 mm厚的Q235鋼板，采用銑床加工成尺寸規(guī)格為280 mm×50 mm的兩種厚度矩形試件各11塊。將試件進(jìn)行編號(hào)后分別取9塊試件放置于YWX/Q-020鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱中。根據(jù)GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》中的相關(guān)規(guī)定，采用銅加速乙酸鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行人工加速腐蝕。腐蝕介質(zhì)采用濃度為52.6 g/L的NaCl溶液，并在溶液中加入濃度為0.26 g/L的CuCl2·2H2O，鹽霧試驗(yàn)箱的溫度設(shè)定為50 ℃，飽和塔水溫為61℃，相對(duì)濕度大于95%，溶液的pH值為3.0～3.1。

試件與豎直方向呈30°斜放于鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)，取樣時(shí)間分別為72，144，216，312，384，480，552，744，840 h。試件腐蝕前后的情況如圖1所示。

a—腐蝕前; b—腐蝕后。圖1 試件腐蝕前、后Fig.1 Photographs of specimens before and after corrosion

取樣后放入含有六次甲基四胺(3.5 g/L)緩蝕劑的鹽酸溶液(50%體積分?jǐn)?shù))除銹，然后進(jìn)行烘干稱量，并按照式(1)計(jì)算試件的質(zhì)量損失率(腐蝕率)：

(1)

式中：η為質(zhì)量損失率(腐蝕率)；m0為未腐蝕的試件質(zhì)量;m為腐蝕后的試件質(zhì)量。

1.2 試驗(yàn)方法

首先通過ST400型號(hào)三維非接觸式表面形貌儀分別采集腐蝕時(shí)間為144，312，480，552，744，840 h試件的表面形貌，采樣區(qū)域?yàn)?0 mm×10 mm。然后將矩形試件按圖2所示尺寸制作成拉伸試件，并采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)腐蝕前后的試件進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)加載過程按照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》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

圖2 拉伸件尺寸 mmFig.2 Dimensions of specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 表面形貌結(jié)果評(píng)定

部分腐蝕試件(厚度1.5 mm)的三維表面形貌如圖3所示，利用三維掃描數(shù)據(jù)可由式(2)求得試件最薄弱處的厚度損失率。

a—腐蝕時(shí)間144 h; b—腐蝕時(shí)間552 h。圖3 三維表面形貌掃描 mmFig.3 Appearance scan of 3D surfaces

(2)

式中：Dh為最薄截面處的平均厚度損失率;t0為試件初始厚度;t′為腐蝕試件最薄截面處的平均厚度。

各試件厚度損失率及三維粗糙度參數(shù)如表1所示。表中Sa、Sq分別表示表面輪廓偏離參考面絕對(duì)值的算數(shù)平均值及均方根值，其值越大，表明腐蝕深度及腐蝕不均勻度越高。可見，最薄截面處的平均厚度損失率與質(zhì)量損失率的變化趨勢(shì)基本一致。

表1 厚度損失率及三維粗糙度參數(shù)Table 1 Thickness loss rates and 3Droughness parameters

Sa、Sq與腐蝕時(shí)間的關(guān)系曲線如圖4所示(假定未腐蝕試件的表面粗糙度參數(shù)為0)?？芍涸诔跗诟g階段，表面粗糙度參數(shù)Sa、Sq增大速率最快；進(jìn)入試驗(yàn)中期，兩種試件的Sa、Sq增大速率均趨緩；試驗(yàn)后期，試件的表面粗糙度參數(shù)增長速率先加快后減緩，曲線整體呈階梯狀變化。

a—0.8 mm; b—1.5 mm?！猄a； Sq。圖4 Sa、Sq與腐蝕時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relations between Sa or Sq and time

分析該現(xiàn)象的原因?yàn)椋寒?dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到中期時(shí)，腐蝕產(chǎn)物開始阻礙腐蝕介質(zhì)接觸試件基體，蝕坑處的腐蝕速率減慢，到試驗(yàn)后期，腐蝕產(chǎn)物開始脫落，阻礙腐蝕介質(zhì)接觸基體的能力削弱，腐蝕速率重新加快，而后新產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物又繼續(xù)阻礙腐蝕介質(zhì)，腐蝕速率減緩。

通過金相顯微鏡獲取不同腐蝕程度試件的表面損傷如圖5所示?？梢钥闯?試件表面粗糙度隨腐蝕率的增大而增大，蝕坑的深度、寬度也隨之增大；此外，當(dāng)腐蝕率較大時(shí)，蝕坑間相互貫通，形成較明顯的微裂縫，影響試件受力性能。

a—η=5.49%; b—η=10.67%; c—η=28.59%。圖5 0.8 mm試件表面損傷Fig.5 Surface damage of specimens with 0.8 mm thickness

注：腐蝕時(shí)間0→72 h→144 h→216 h→312 h→384 h→480 h→552 h→744 h→840 h。圖6 不同腐蝕時(shí)間下1.5 mm厚試件拉伸破壞形態(tài)Fig.6 Tensile failure modes of specimens with 1.5 mm thickness after different corroded time

2.2 破壞形態(tài)

1.5 mm試件拉伸破壞形態(tài)如圖6所示，可以看出：試件頸縮現(xiàn)象隨腐蝕時(shí)間的增長逐漸減輕，試件拉伸斷裂部位由中間向過渡段偏移。試件斷口形式由平滑斜斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀或階梯狀斷裂。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

0.8，1.5 mm厚的試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示，可以看出，試件的彈性模量及彈性極限均隨腐蝕程度的增大逐漸減?。辉嚰那?qiáng)度隨腐蝕時(shí)間的增加呈不斷下降趨勢(shì)，且屈服平臺(tái)逐漸變短直至消失；試件塑性強(qiáng)化階段及頸縮退化階段均隨腐蝕時(shí)間的增長而縮短，當(dāng)腐蝕率達(dá)到25%以上時(shí)，試件基本無頸縮退化階段。這是由于表面蝕坑的不斷加深導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象更加顯著，同一截面處的蝕坑與其他區(qū)域應(yīng)變發(fā)展不均勻，蝕坑處首先出現(xiàn)裂紋且不斷擴(kuò)展，進(jìn)而引起頸縮階段的不斷縮短直至出現(xiàn)脆斷；腐蝕后的試件延性大幅降低，腐蝕時(shí)間為840 h的0.8，1.5 mm試件斷裂應(yīng)變分別較未腐蝕試件減小69.2%、64.7%。

a—0.8 mm; b—1.5 mm。圖7 不同厚度試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of tensile specimens with different thickness

2.4 力學(xué)性能分析

為便于研究腐蝕壓型鋼板材料的本構(gòu)關(guān)系，將各試件的主要力學(xué)性能參數(shù)列于表2，其中，fy為屈服強(qiáng)度，fu為抗拉強(qiáng)度，εy為屈服應(yīng)變，εu為抗拉強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，Es為彈性模量，δ為斷后伸長率，εd為強(qiáng)化初始應(yīng)變。腐蝕率與屈服強(qiáng)度相對(duì)值、抗拉強(qiáng)度相對(duì)值、斷后伸長率相對(duì)值的擬合關(guān)系式如圖8所示。其中fy0、fu0、δ0分別表示未腐蝕試件的初始屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率。

表2 試件主要力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Main mechanical properties of test specimens

a—fy/fy0-η(0.8 mm); b—fu/fu0-η(0.8 mm); c—δ/δ0-η(0.8 mm); d—fy/fy0-η(1.5 mm); e—fu/fu0-η(1.5 mm); f— δ/δ0-η(1.5 mm)。圖8 試件拉伸性能參數(shù)與質(zhì)量損失率的關(guān)系Fig.8 Relations between tensile property parameters and mass loss rates

由表2及圖8可以看出：兩種厚度的試件拉伸性能參數(shù)隨腐蝕程度的變化趨勢(shì)基本相同。其中試件屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度隨腐蝕程度的增大呈e指數(shù)下降(試驗(yàn)前期下降速率較快，隨著腐蝕率的增大，下降速率漸趨平緩)；當(dāng)腐蝕率達(dá)到20%后，試件屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度與腐蝕率變化的相關(guān)性顯著減?。粯O限應(yīng)變及斷后伸長率均隨腐蝕率的增大呈線性下降趨勢(shì)，0.8，1.5 mm的腐蝕試件最終極限應(yīng)變較未腐蝕試件分別降低59.3%、50.9%，斷后伸長率分別降低65.7%、56.5%；隨著上屈服點(diǎn)及屈服平臺(tái)的逐步消失，試件的屈服應(yīng)變逐漸減小。

經(jīng)384 h(0.8 mm)腐蝕試件的腐蝕率與經(jīng)744 h(1.5 mm)腐蝕試件的腐蝕率基本相同，兩試件的拉伸性能退化率對(duì)比見表3?？梢钥闯觯和葪l件下，腐蝕對(duì)較薄厚度試件的拉伸性能參數(shù)影響更大且極限應(yīng)變、斷后伸長率等應(yīng)變參數(shù)與腐蝕率的相關(guān)性高于屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等應(yīng)力參數(shù)。

2.5 鋼材性能退化本構(gòu)模型

石永久提出可采用簡化的二次塑流模型對(duì)鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行模擬[12]，相對(duì)于傳統(tǒng)的雙線性、三線性模型，該模型能夠較好地體現(xiàn)鋼材的塑性硬化效應(yīng)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(3)所示：

表3 拉伸性能參數(shù)退化率對(duì)比Table 3 Comparisons of degradation rates of tensile property parameters

fyr、fur、εur、δr分別表示在該銹蝕率下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變、斷后伸長率較未銹蝕構(gòu)件相應(yīng)值減小的百分比。

(3)

式中:K1、K2、K3均為本構(gòu)模型的形狀控制參數(shù)，K1、K2分別為強(qiáng)化初始應(yīng)變、峰值應(yīng)變與屈服應(yīng)變的比值；K3為抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度比值，即強(qiáng)屈比。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得K值表達(dá)式如下：

(4a)

(4b)

(4c)

a—η=0(0.8 mm); b—η=19.06%(0.8 mm); c—η=0(1.5mm); d—η=11.20%(1.5mm); e—文獻(xiàn)[11]?！囼?yàn)結(jié)果； ----本構(gòu)模型曲線。圖9 試驗(yàn)與本構(gòu)模型曲線對(duì)比Fig.9 Comparisons between the test curves and constitutive model curves

采用該退化本構(gòu)模型對(duì)部分試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行表征并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)[11]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證該模型的正確性，相關(guān)對(duì)比結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯涸撏嘶緲?gòu)模型曲線與試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線吻合良好，說明其能夠較好地表征不同腐蝕程度下鋼材力學(xué)性能的退化規(guī)律，但是由于腐蝕試件表面蝕坑的隨機(jī)性及二次塑流模型的局限性，本構(gòu)模型曲線與試驗(yàn)曲線之間仍存在一定誤差。且該模型主要針對(duì)加速腐蝕環(huán)境下的壓型鋼板材料力學(xué)性能退化規(guī)律，是否能夠表征自然腐蝕環(huán)境下其他種類鋼材的性能退化規(guī)律還需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

1)腐蝕產(chǎn)物可阻礙腐蝕介質(zhì)接觸試件基體，減緩腐蝕速率。試件表面粗糙度參數(shù)隨腐蝕時(shí)間呈階梯狀變化，當(dāng)腐蝕率較大時(shí)，表面蝕坑間形成較明顯的微裂縫，影響試件受力性能。

2)隨著腐蝕程度的增加，試件屈服平臺(tái)及頸縮段逐漸縮短，屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度呈e指數(shù)下降，當(dāng)腐蝕率達(dá)20%時(shí)，試件屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度與腐蝕率變化的相關(guān)性顯著減小。極限應(yīng)變及斷后伸長率隨腐蝕程度的增大顯著退化。

3)同等條件下，腐蝕對(duì)較薄厚度試件的拉伸性能參數(shù)影響更大且極限應(yīng)變、斷后伸長率等應(yīng)變參數(shù)與腐蝕率的相關(guān)性高于屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等應(yīng)力參數(shù)。

4)建立的鋼材性能退化本構(gòu)模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，能夠較準(zhǔn)確地表征加速腐蝕環(huán)境下不同腐蝕程度的壓型鋼板力學(xué)性能退化規(guī)律，但對(duì)于其他自然腐蝕環(huán)境及鋼材的表征情況還需進(jìn)一步驗(yàn)證。