M24高強(qiáng)螺栓腐蝕后力學(xué)行為研究

陳慶偉，謝 丹，楊晨晴，郭 琪，王志鵬，馬 輝，吳澤燕

(1.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南 250021；2.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

輸變電塔架是電網(wǎng)設(shè)備的重要組成部分，然而隨著服役時(shí)間的增長，輸變電塔架的運(yùn)營會(huì)出現(xiàn)一些安全隱患。作為輸送電能載體的輸變電塔架往往長期受海洋、河流、峽谷等嚴(yán)酷自然環(huán)境的影響，加之近些年工業(yè)污染嚴(yán)重，酸雨頻繁[1]，導(dǎo)致輸變電塔架腐蝕劣化嚴(yán)重。對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，鋼結(jié)構(gòu)的連接部位由于應(yīng)力集中，成為破壞敏感部位[2]，高強(qiáng)螺栓作為鋼結(jié)構(gòu)中常用的連接方式，其腐蝕情況及其腐蝕后的力學(xué)性能直接關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的安全性能。

綜上所述，目前關(guān)于高強(qiáng)螺栓腐蝕性能的研究主要集中在某一腐蝕階段，腐蝕全過程力學(xué)性能退化規(guī)律的研究較少。為此，本文研究M24高強(qiáng)螺栓在中性鹽霧腐蝕條件下腐蝕后的力學(xué)行為，探究不同腐蝕時(shí)間下螺栓腐蝕產(chǎn)物的宏觀形貌變化。然后，對(duì)比不同腐蝕時(shí)間的浸油和無浸油高強(qiáng)螺栓其力學(xué)性能的退化情況，建立質(zhì)量損失、剛度與加速腐蝕時(shí)間的關(guān)系式，分析伸長率和斷面收縮率隨腐蝕時(shí)間的變化情況。

1 研究內(nèi)容

1.1 加速腐蝕試驗(yàn)

1.1.1試件

用于試驗(yàn)的試件為中鐵山橋集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)度螺栓，螺栓的化學(xué)成分如表1所示。試件一共有兩種，分別為磷化-皂化-浸油M24、8.8級(jí)ML20MnTiB高強(qiáng)螺栓和磷化-皂化-無浸油M24、8.8級(jí)ML20MnTiB高強(qiáng)螺栓。腐蝕天數(shù)分別為2、4、8、12、24、36、48、60、90 d.試驗(yàn)前用天平測(cè)量試樣的初始重量，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量螺栓桿的初始直徑，最后對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)。

試件的編號(hào)如表2，其中“JY-2-1”的“JY”代表浸油高強(qiáng)螺栓，“2”代表腐蝕時(shí)間為2 d，“1”代表1號(hào)試件。“WY-NC”的“WY”代表無浸油高強(qiáng)螺栓，“NC”代表無腐蝕試件。

表1 螺栓的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of bolts %

表2 試件編號(hào)Table 2 Specimen number

1.1.2加速腐蝕方法

加速腐蝕試驗(yàn)采用鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)箱由江蘇安穩(wěn)特科技公司生產(chǎn)，型號(hào)為YWX/F-750，可以進(jìn)行持續(xù)鹽霧腐蝕試驗(yàn)和周期鹽霧腐蝕試驗(yàn)。腐蝕試驗(yàn)箱及箱內(nèi)試件的擺放情況如圖1和圖2所示。箱內(nèi)左側(cè)為無浸油高強(qiáng)螺栓，右側(cè)為浸油高強(qiáng)螺栓，左右兩邊螺栓、螺母及墊片的位置對(duì)稱擺放，以保證每一對(duì)比組的腐蝕情況相同。試樣在鹽霧箱中的擺放位置應(yīng)使試樣不受噴霧器直接噴射。

圖1 鹽霧腐蝕箱Fig.1 Salt spray corrosion box

圖2 試件擺放情況Fig.2 Specimen placement

本次試驗(yàn)進(jìn)行的是持續(xù)中性鹽霧試驗(yàn)(NSS)，參考《人造環(huán)境中的腐蝕試驗(yàn)-鹽霧試驗(yàn)》[10](ISO 9227-2017)，箱內(nèi)的試驗(yàn)溫度為35 ℃，飽和溫度為45 ℃.配制得到的氯化鈉溶液的質(zhì)量濃度為50 g/L，pH值為7.試件的擺放角度大約與垂直方向呈20°.確保80 cm2水平面積上鹽霧的平均沉降率為1.5 mL/h.試驗(yàn)期間鹽霧箱內(nèi)的鹽濃度和溫度保持恒定。試件達(dá)到既定腐蝕時(shí)間之后取出，放置于干燥鍋內(nèi)進(jìn)行干燥。螺栓干燥后放入密封袋進(jìn)行密封，避免螺栓進(jìn)一步地自然腐蝕。

1.2 靜力拉伸試驗(yàn)

1.2.1試件處理

對(duì)編號(hào)為1的腐蝕后試件進(jìn)行除銹處理，采用型號(hào)為F-009SD的超聲波清洗儀和含六次甲基四胺的HCl緩蝕液。除銹過程中因除銹劑有刺鼻性氣味以及腐蝕性，試驗(yàn)過程中需做好防護(hù)。除銹后對(duì)試件進(jìn)行稱重，以測(cè)定試件的失重率。

1.2.2試驗(yàn)方法

靜力拉伸試驗(yàn)采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)除銹后的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行拉伸，儀器型號(hào)為SHT4605.參考規(guī)范《金屬材料 拉伸試驗(yàn)》[11](GB/T 228.1-2010)，試驗(yàn)過程中采用力控的方式進(jìn)行持續(xù)加載，加載速率為2.7 kN/s，直至螺栓被拉斷，停止加載。試驗(yàn)裝置如圖3所示。夾具上的蓋板起到防護(hù)作用，避免螺栓拉斷時(shí)飛出細(xì)小顆粒。

圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Test setup

2 加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

2.1 銹層形貌及厚度

浸油、無浸油高強(qiáng)螺栓分別腐蝕4、12、24、60、90 d后的表面銹層形貌如圖4所示?？梢钥吹?，兩種高強(qiáng)螺栓腐蝕初期的產(chǎn)物均為淡黃色和橙色，分析淡黃色的物質(zhì)為赤鐵礦(β-FeOOH)，橙色物質(zhì)為纖鐵礦(γ-FeOOH)，二者均為不穩(wěn)定的氧化氫氧化物。隨著腐蝕時(shí)間的增加，可以明顯看出銹層逐漸變厚，顏色逐漸變深。腐蝕后期的產(chǎn)物為棕色和亮黑色，棕色的物質(zhì)為針鐵礦(α-FeOOH)，亮黑色物質(zhì)為磁鐵礦(Fe3O4)，二者均為穩(wěn)定氧化物。由此可得，銹層隨著腐蝕時(shí)間的增加趨于穩(wěn)定，不穩(wěn)定的氫氧化物向穩(wěn)定的氧化物進(jìn)行轉(zhuǎn)化。兩種螺栓的腐蝕都是從局部開始的，隨著腐蝕時(shí)間的延長，腐蝕產(chǎn)物逐漸覆蓋整個(gè)試樣表面，此外表面粗糙度逐漸增大，銹層附著能力增強(qiáng)且更為致密。無浸油的螺栓局部腐蝕嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物呈河流狀，銹層松散易脫落；而浸油的螺栓腐蝕區(qū)域相對(duì)均勻，銹層附著能力較好。

圖4 不同天數(shù)下高強(qiáng)螺栓腐蝕后的銹層形貌Fig.4 Rust layer morphology of high strength bolt after corrosion in different days

2.2 除銹前后對(duì)比

圖5為試樣JY-60-1螺桿光滑段與螺紋交界處腐蝕前后對(duì)比圖。除銹后，可以觀察到螺栓桿原本光滑的表面有大量蝕坑，表面粗糙不平。在螺紋段，絲扣凸起部位腐蝕嚴(yán)重，絲扣出現(xiàn)分層現(xiàn)象。并且隨著腐蝕時(shí)間的增加，腐蝕產(chǎn)生的蝕坑越來越明顯，說明腐蝕情況越劇烈，對(duì)基體的損傷越嚴(yán)重。同時(shí)也說明浸油處理并不能完全抑制螺栓的腐蝕，相對(duì)于無任何處理的螺栓只能延緩腐蝕的速率[9]。

圖5 螺紋和螺桿腐蝕前后對(duì)比Fig.5 Comparison of thread and screw before and after corrosion

2.3 質(zhì)量損失

試件腐蝕前的初始質(zhì)量記為m0(精確至0.01 g)，除銹后的質(zhì)量為mt，通過式(1)計(jì)算得出質(zhì)量損失百分比w.

(1)

從圖6可以看出，腐蝕時(shí)間的對(duì)數(shù)lgt和質(zhì)量損失百分比w呈指數(shù)關(guān)系，w隨lgt的增加而增加。浸油螺栓、無浸油螺栓腐蝕速率差別不大，基本一致。在加速腐蝕時(shí)間不超過24 d的時(shí)候，兩種螺栓的質(zhì)量損失百分比均小于1%。ρ與lgt的關(guān)系如式(2)、(3)所示：

圖6 腐蝕時(shí)間的對(duì)數(shù)-質(zhì)量損失百分比關(guān)系Fig.6 Logarithm of corrosion time-versus mass loss percentage

w=(-4.236 44±0.701 12)(1-1.006 45lgt).

(2)

w=(-3.621 72±0.875 05)(1-1.007 41lgt).

(3)

對(duì)比浸油和無浸油螺栓，在腐蝕后期，無浸油的螺栓質(zhì)量損失要比浸油的多，因?yàn)榻吐菟ū砻嬉驗(yàn)橛幸粚臃栏停瑢?duì)高強(qiáng)螺栓具有一定的保護(hù)作用。

3 靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.1 斷口形貌

試驗(yàn)過程中，失效螺栓的斷裂在螺母與螺桿擰緊交界面處，均為螺栓桿光滑段與螺紋段交界處，斷裂時(shí)從應(yīng)力集中程度較高的螺紋槽圓弧倒角處啟裂。由圖7和圖8可以觀察到螺紋段斷口附近有明顯的宏觀塑性變形，所以螺栓為韌性斷裂。從斷口的宏觀形貌(圖7)可以看出斷口均呈杯錐狀，錐面與主應(yīng)力呈45°角。斷口表面粗糙不平，螺栓達(dá)到屈服極限產(chǎn)生塑性變形時(shí)，在單向拉應(yīng)力的作用下，試樣的局部區(qū)域會(huì)形成小空穴，其原因?yàn)榭傋冃魏途植孔冃尾灰恢?。螺栓斷口形貌基本一致，其中JY-8-1試件斷口形貌較為特殊，其原因可能是靜力拉伸試驗(yàn)時(shí)，螺栓放置可能有偏心，受到偏心拉力，從而導(dǎo)致斷口不平整。

圖7 螺栓斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of bolt

圖8 浸油高強(qiáng)螺栓試件Fig.8 Oil-immersed high strength bolt specimen

觀察靠近斷裂面的螺紋可以發(fā)現(xiàn)凹槽內(nèi)有裂紋產(chǎn)生，且螺紋有彎曲變形的現(xiàn)象，距離斷裂面較遠(yuǎn)的螺紋凹槽內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

3.2 螺栓力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算

以WY-2-1試件為例，通過拉伸試驗(yàn)得到荷載-位移曲線，按照規(guī)范《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[12](GB/T 3098.1-2010)對(duì)曲線進(jìn)行處理。其中A點(diǎn)為屈服點(diǎn)，可以求得試件的屈服強(qiáng)度值；選取B點(diǎn)計(jì)算規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度，B點(diǎn)為測(cè)定0.004 8d(d=16 mm)非比例延伸強(qiáng)度Rpf的載荷Fpf；C點(diǎn)為極限承載力點(diǎn)，可以求得試件的抗拉強(qiáng)度；由于在實(shí)際工程中螺栓產(chǎn)生較大的裂紋時(shí)性能會(huì)急劇下降，裂紋迅速發(fā)展至螺栓斷裂，安全隱患過大，故選取D點(diǎn)為失效點(diǎn)計(jì)算伸長率。

圖9 位移-荷載曲線Fig.9 Displacement load curve

3.3 荷載位移曲線和強(qiáng)度

根據(jù)規(guī)范《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.1-2010)的要求，統(tǒng)一對(duì)荷載-位移曲線進(jìn)行了對(duì)比。從圖10可以看出，螺栓的荷載位移曲線先緩慢升高，再快速升高，達(dá)到峰值，即極限抗拉強(qiáng)度后，曲線快速下降，直到試件被破壞。隨著腐蝕天數(shù)的增多，螺栓的荷載-位移曲線開始向右移動(dòng)，曲線的斜率越來越小，在達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變逐漸增多，腐蝕2 d的螺栓荷載位移曲線的上升速度最快，36、60 d的螺栓應(yīng)力應(yīng)變曲線上升的速度最慢，這說明隨著腐蝕程度的增大，螺栓剛度逐漸減少，延性略微增強(qiáng)。

圖10 荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curve

根據(jù)荷載-位移曲線可以得到螺栓腐蝕0、2、4、8、12、24、36、60、90 d后的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度。如圖11所示，腐蝕天數(shù)在60 d以內(nèi)時(shí)，隨著腐蝕天數(shù)的增加，兩種螺栓的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度略有下降，但無明顯差異，基本不變。說明60 d以內(nèi)腐蝕天數(shù)對(duì)浸油和無浸油螺栓的強(qiáng)度無較大影響。腐蝕時(shí)間達(dá)到90 d時(shí)，浸油、無浸油螺栓的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度相較于無腐蝕試件分別下降7.12%、4.91%和6.36%、4.37%.說明腐蝕天數(shù)超過60 d時(shí)，浸油和無浸油螺栓的強(qiáng)度開始明顯下降。

圖11 腐蝕時(shí)間和強(qiáng)度關(guān)系Fig.11 Relationship between corrosion time and strength

在腐蝕2 d時(shí)無浸油螺栓的強(qiáng)度均有下降，這可能是由于腐蝕具有隨機(jī)性，腐蝕坑在試件表面隨機(jī)分布，以及運(yùn)輸搬運(yùn)時(shí)導(dǎo)致試件表面有輕微劃痕、試件加工工藝的差異等不可避免的因素。其與整體變化趨勢(shì)相比下降程度較低，故本文末考慮該誤差對(duì)結(jié)果的影響。

3.4 剛度

以荷載-位移曲線的彈性擬合段斜率來確定剛度，由于實(shí)際加載中螺栓在力加載到一定程度才進(jìn)入穩(wěn)定受力狀態(tài)，故選取了穩(wěn)定狀態(tài)以后的標(biāo)準(zhǔn)線性段到屈服前的一段來代表彈性階段。按照上述的剛度定義得出各個(gè)試件的剛度，并排除試驗(yàn)過程中的誤差點(diǎn)，將各數(shù)據(jù)點(diǎn)整理并擬合出剛度-腐蝕時(shí)間關(guān)系，如圖12所示。

圖12 剛度-腐蝕時(shí)間關(guān)系Fig.12 Stiffness corrosion time relationship

無浸油高強(qiáng)螺栓和浸油高強(qiáng)螺栓的剛度與腐蝕時(shí)間關(guān)系表達(dá)式：

y=-0.238x+61.188 .

(4)

y=-0.151x+64.165 .

(5)

可以看出同一腐蝕時(shí)間下浸油螺栓的剛度始終高于無浸油螺栓的剛度，兩種螺栓的剛度基本都隨著腐蝕時(shí)間的增加而線性降低，無浸油螺栓的剛度比浸油螺栓的剛度下降速率更快。說明沒有進(jìn)行浸油處理的高強(qiáng)螺栓腐蝕損傷更嚴(yán)重，從而降低了螺栓的剛度。

3.5 伸長率和斷面收縮率

根據(jù)荷載-位移曲線和規(guī)范《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.1-2010)可以求得螺栓腐蝕2、4、8、12、24、36、60、90 d后的伸長率和斷面收縮率。對(duì)腐蝕時(shí)間與伸長率和斷面收縮率的關(guān)系進(jìn)行分析，得到圖13的散點(diǎn)圖。

伸長率和斷面收縮率在腐蝕時(shí)間90 d內(nèi)無顯著變化，圖13(a)可以看出浸油、無浸油螺栓的伸長率分別在18.06%、19.23%上下小幅波動(dòng)，腐蝕后的伸長率亦滿足規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》[13](GB/T 1231-2006)中12%限值的要求。圖13(b)中浸油、無浸油螺栓的斷面收縮率分別在27.62%、27.36%上下小幅波動(dòng)。由此可以得出，在腐蝕時(shí)間90 d以內(nèi)時(shí)，浸油、無浸油高強(qiáng)螺栓的伸長率和斷面收縮率沒有顯著變化，這是因?yàn)槁菟◤?qiáng)度較高且直徑較大，較短的腐蝕天數(shù)不會(huì)對(duì)其延性產(chǎn)生較大影響。

圖13 腐蝕時(shí)間和延性關(guān)系Fig.13 Relationship between corrosion time and ductility

4 結(jié)論

本研究的目的是通過中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)，研究有無浸油處理的高強(qiáng)螺栓在海洋大氣中腐蝕后的力學(xué)性能。定性分析了高強(qiáng)螺栓腐蝕后的表面形貌以及拉斷后的斷口形貌，定量分析了腐蝕后的基本力學(xué)性能及退化情況。得到以下結(jié)論：

1)根據(jù)表面形貌可知，隨著腐蝕時(shí)間的增加，銹層趨于穩(wěn)定，螺栓表面粗糙度逐漸增大。浸油的螺栓的腐蝕區(qū)域比無浸油螺栓的相對(duì)均勻，銹層附著能力較好。

2)除銹后可以觀察到螺栓桿表面有大量蝕坑，表面粗糙不平。在螺紋段，絲扣凸起部位腐蝕嚴(yán)重，絲扣出現(xiàn)分層現(xiàn)象。浸油處理不能抑制腐蝕，但能適當(dāng)降低腐蝕速率。

3)建立了浸油和不浸油高強(qiáng)螺栓腐蝕時(shí)間和質(zhì)量損失的定量關(guān)系，二者質(zhì)量損失均隨腐蝕時(shí)間的增加而增加。腐蝕后期，浸油螺栓的腐蝕速率比無浸油螺栓略小，說明浸油處理對(duì)螺栓具有一定的保護(hù)作用。

4)根據(jù)荷載-位移曲線和強(qiáng)度分析可得，浸油、無浸油高強(qiáng)螺栓的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度在腐蝕時(shí)間達(dá)到90 d時(shí)出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，分別下降了7.12%、4.91%和6.36%、4.37%.浸油、無浸油螺栓的伸長率斷面收縮率隨腐蝕時(shí)間沒有顯著變化。

5)建立了剛度-腐蝕時(shí)間關(guān)系，浸油、無浸油螺栓的剛度均隨腐蝕時(shí)間的增加而線性下降，無浸油螺栓的剛度比浸油螺栓的剛度下降速率更快，腐蝕損傷更為嚴(yán)重。