Q355NH,Q355鋼的腐蝕及力學性能研究★

李偉偉，吳澤燕

(1.山西省建筑科學研究院集團有限公司,山西 太原 030001; 2.太原理工大學,山西 太原 030024)

0 引言

鋼結構由于其優(yōu)良的性能,在工程中廣泛應用,但是其腐蝕會引發(fā)嚴重的安全事故,帶來巨大的經濟損失。1965年,美國路易安那州輸氣管線在應力和腐蝕共同作用下開裂起火,事故造成多人傷亡;1970年,由于腐蝕導致的日本大阪地下鐵道內的管道破壞,引起瓦斯爆炸,造成嚴重的人員傷亡事故;2019年我國臺灣宜蘭南方澳跨港大橋發(fā)生斷裂垮塌,造成數人傷亡以及橋梁垮塌引起大面積停電、堵塞航道,經現場勘察研究,認為是由于鋼索腐蝕疲勞引起的吊桿斷裂失效,導致橋梁失去拉力支撐發(fā)生倒塌。除此之外,研究表示20世紀70年代前后國外一些國家因為腐蝕問題帶來的經濟損失占國民生產總值的1%～5%,美國因腐蝕造成的總損失為2 757億美元,我國每年的腐蝕損失高達5 000億元,占國民經濟的5%[1]。鑒于上述情況,鋼材的腐蝕問題是不容忽略的。

為減少鋼材腐蝕帶來的危害,耐腐蝕性較好的耐候鋼應運而生。耐候鋼是指在低合金鋼的基礎上添加少量的合金元素(如P,Cu,Ni,Cr等),在腐蝕過程中形成致密的內部銹層,降低腐蝕速率,具有良好的耐大氣腐蝕性、全壽命周期成本低和良好的機械性能[2-3],其耐腐蝕性是普通碳鋼的2倍～8倍、涂裝性是碳鋼的1.5倍～10倍[4]。因此,在建筑、橋梁和輸電塔等結構中的應用呈上升趨勢。

一些學者已經展開了耐候鋼的相關研究。夏妍等[5]開展了關于耐候鋼和碳鋼在氯離子環(huán)境下的室內干濕加速腐蝕試驗,表明在短期內耐候鋼銹層保護基體的能力較弱。王軍等[6]將CortenA耐候鋼暴露在青海鹽湖附近區(qū)域長達半年,對腐蝕試件進行拉伸試驗,發(fā)現腐蝕會導致耐候鋼的強度和伸長率退化。Zhang等[7]將工業(yè)環(huán)境下服役9 a的C型檁條的平部和角部進行加工,在腐蝕作用下檁條的表面形貌改變,厚度減少,斷裂模式改變,腐蝕加劇鋼材的冷彎成型效應,角部試件的強度下降更加明顯,蝕坑導致應力發(fā)展不均勻,最大深度處的應力遠高于其他區(qū)域,一般試件在此處斷裂。

然而,目前大多數關于耐候鋼的研究都是基于短期的腐蝕試驗,鋼材的腐蝕程度有限。此外,腐蝕后鋼材力學性能研究的對象大多是低碳鋼和低合金鋼,對性能優(yōu)良的耐候鋼研究較少,耐候鋼的腐蝕行為及力學性能劣化規(guī)律,尚未有具體的結論。

本文以耐候鋼Q355NH和低合金鋼Q355為研究對象,采用中性鹽霧加速腐蝕試驗,使試件處于較高濃度的氯離子環(huán)境中,模擬鋼材在海洋大氣環(huán)境中的長期腐蝕行為。建立了均勻腐蝕厚度、蝕坑深度與質量損失率之間的冪函數關系。并通過單調拉伸試驗,對兩種鋼材腐蝕后的力學性能進行了研究,明確了不同腐蝕程度下試件的斷裂模式和力學參數。

1 試驗研究

1.1 腐蝕試件

本試驗所用材料為耐候鋼Q355ENH、低合金鋼Q355B(后面簡稱Q355NH,Q355),厚3.75 mm,參考規(guī)范GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗》[8]設計試件。為保證試驗材料性能合格,在腐蝕試驗開始前,先開展材性試驗,獲得如圖1所示的應力應變曲線。

參考規(guī)范GB/T 4171—2008耐候結構鋼[9]、GB/T 1591—2018低合金高強度結構鋼[10],Q355NH,Q355鋼的屈服強度的規(guī)范值都為355 MPa,極限強度的規(guī)范值分別為490 MPa～630 MPa,470 MPa～630 MPa。通過圖1將兩種鋼材的三個試件的試驗結果與規(guī)范要求的鋼材性能進行對比,不難發(fā)現材性試驗數據均超過了規(guī)范的限值,滿足規(guī)范要求,即所用試驗材料力學性能合格。

1.2 試驗設計

該試驗參考了規(guī)范GB/T 10125—2021人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗[11],氯化鈉溶液質量濃度為50 g/L±5 g/L,pH值控制在6.5～7.2。加速腐蝕時間設置為5 d,10 d,20 d,30 d,…,180 d,共19組。試驗采用鹽霧箱進行加速腐蝕。每種鋼材每組用于拉伸加載的試件各一個。

主要腐蝕試驗步驟如下:

1)量取蒸餾水,稱取氯化鈉固體,倒入潔凈桶中攪拌均勻,配制質量分數為5%氯化鈉溶液。

2)按照規(guī)范,將鹽霧箱溫度設置為35 ℃,將配好的氯化鈉溶液倒入鹽霧箱儲液槽中,調節(jié)噴霧壓力,設置噴霧方式為連續(xù)不間斷噴霧。

3)除去試件表面污垢,稱量試件腐蝕前重量,將試件按照角度擺放于鹽霧箱中,檢查鹽霧箱設置符合要求后啟動鹽霧箱進行噴霧。

4)取出達到預定腐蝕周期的試件,等試件干燥后,放入密封袋隔絕空氣。

1.3 腐蝕損失

Q355NH,Q355鋼經過長期中性鹽霧腐蝕后,鋼材形貌發(fā)生改變,體積減小,為了清楚了解鋼材的腐蝕情況,需要對腐蝕程度進行表征,這里采用質量損失率(η)來定量描述鋼材的腐蝕程度,質量損失率計算公式如式(1)所示。

(1)

其中,m0為試件的初始質量;m為試件腐蝕后的質量;η為試件的質量損失率。

不同腐蝕周期下的Q355NH,Q355鋼質量損失率見表1。

表1 Q355NH,Q355鋼的質量損失率

通過表1可以看出,在70 d以前,Q355NH鋼的質量損失率η要高于Q355鋼的質量損失率η。但是相較于Q355鋼,Q355NH鋼的質量損失率η增長緩慢,70 d之后Q355鋼的質量損失率η大于Q355NH鋼的質量損失率η。這表明,在腐蝕發(fā)生的早期,相比Q355鋼,Q355NH鋼的腐蝕速率更大,但在長期的腐蝕作用下,Q355NH鋼的耐腐蝕性更好。

2 腐蝕形貌

根據鋼材腐蝕后的形貌,將腐蝕損傷分為均勻腐蝕和局部腐蝕。均勻腐蝕是指鋼材厚度整體減小,局部腐蝕即鋼材表面隨機分布的不規(guī)則蝕坑[12-13]。均勻腐蝕對力學性能的影響比較容易確定,在工程應用上也較好控制。對于蝕坑,由于其形狀與分布均具有較高的隨機性,導致鋼材形貌改變較大,蝕坑處通常產生應力集中,出現薄弱截面,局部區(qū)域的高應變高應力狀態(tài)導致鋼材力學性能劣化嚴重。圖2為試件的三維腐蝕損傷模型圖。

2.1 均勻腐蝕厚度

采用三維非接觸式形貌掃描儀對腐蝕鋼板的表面形貌進行測量。三維非接觸式形貌掃描儀主要由掃描工作臺、測量系統(tǒng)、光學輔助系統(tǒng)及控制系統(tǒng)四部分組成,將需要掃描的試件置于工作臺上,調節(jié)好測量精度及焦距后,通過操縱工作臺移動使試件運動,測量系統(tǒng)不斷獲取試件的高度信息及光強數據,通過數據處理軟件提取掃描區(qū)域的相關形貌數據[14]。

對鋼板厚度方向進行掃描,得到掃描區(qū)域的圖像,測出鋼板兩側最大距離即腐蝕后鋼板的剩余厚度h,用鋼板初始厚度h0減去剩余厚度h即鋼板兩側總的均勻腐蝕厚度huni,計算原理如圖3所示,圖4,圖5分別為Q355NH,Q355鋼試件部分厚度掃描圖。

通過對數據進行擬合分析,建立了Q355NH,Q355鋼均勻腐蝕厚度同質量損失率之間的關系,如式(2)和式(3)所示。

Q355NH:huni=1.466η0.876R2=0.88

(2)

Q355:huni=1.508η0.783R2=0.93

(3)

2.2 蝕坑深度

蝕坑尺寸是影響鋼材力學性能的主要因素之一,隨著腐蝕程度增加,蝕坑尺寸變大,力學性能退化顯著[15-16]。為更好了解鋼材腐蝕后力學性能的劣化情況,有必要對蝕坑的演化過程進行研究。對腐蝕鋼板的表面進行掃描,得到腐蝕鋼板的表面輪廓,并利用相關軟件進行分析處理。

為了方便識別蝕坑,統(tǒng)計蝕坑形狀參數。金屬材料腐蝕后蝕坑形狀可以看作半橢球形[17-18],如圖6所示,并且半橢球形能較好地模擬鋼材腐蝕后的力學性能[19-21]。

通過對數據進行分析,建立兩種鋼材蝕坑深度隨質量損失率的變化關系,如式(4)和式(5)所示。

Q355NH:hpit=0.176η0.651R2=0.85

(4)

Q355:hpit=0.524η0.446R2=0.65

(5)

結果表明,兩種鋼材的蝕坑深度與質量損失率之間滿足冪函數關系,隨著質量損失率的增加,蝕坑深度增加,由于指數均在0～1之間,根據冪函數的特點當η較小時蝕坑深度增加較快,當η較大時蝕坑深度增加緩慢。

3 腐蝕后力學性能研究

3.1 斷裂模式

圖7,圖8分別為Q355NH,Q355鋼腐蝕試件加載后的破壞形態(tài)和斷口形貌圖,從圖中可以看出斷口形態(tài)主要有斜向斷口、平面斷口、弧形斷口。未腐蝕、腐蝕較輕、斷口附近腐蝕較均勻的試件,斷裂形式主要為斜向斷裂,表現出一定的塑性變形,如NH-10腐蝕程度較輕,試件表面沒有明顯薄弱截面、Q-120斷裂處腐蝕均勻無明顯蝕坑,在斷口附近蝕坑不明顯應力集中程度較小,沿加載方向應力發(fā)展較均勻,斷口表現出韌性斷裂的特征。由于蝕坑分布具有較大隨機性,當質量損失率較大時,試件整體腐蝕均勻的概率較小,故一般斜向斷裂主要發(fā)生在未腐蝕試件和腐蝕程度較輕的試件上。

隨著腐蝕程度的增加,開始出現水平斷口和弧形斷口,這兩種斷口形態(tài)下的塑性變形不明顯,表現出脆性斷裂的特征。如NH-90,Q-150試件斷口呈水平狀,NH-90,Q-150試件斷口附近蝕坑明顯,且多個蝕坑幾乎在同一水平線上,整體形成較長的薄弱截面,在荷載作用下該截面處應力集中明顯,應力提前發(fā)展,試件沿著蝕坑存在的位置斷裂,斷口呈水平狀。NH-150,Q-60試件斷口呈弧形,斷口附近蝕坑明顯,加載過程中蝕坑處產生應力集中,在高應力狀態(tài)下試件斷裂,由于蝕坑不在一條連線上,斷裂路徑隨蝕坑位置改變,故呈弧形。

根據這兩種鋼材的斷裂形狀可知,鋼板腐蝕后塑性變形減小,主要呈脆性斷裂,斷口形狀主要受蝕坑的位置、形狀尺寸和截面厚度削弱的影響。

3.2 力學性能

在長期中性鹽霧環(huán)境下,Q355NH,Q355鋼應力應變曲線的四個階段隨腐蝕天數的增加應變減少,應力減小,屈服強度、極限強度、彈性模量等力學參數都隨腐蝕程度的增加整體呈現下降趨勢,且腐蝕嚴重時屈服平臺消失。

經過長期中性鹽霧腐蝕的Q355NH鋼,腐蝕時間小于80 d時,屈服平臺長度減小不明顯,大于80 d時,觀察到屈服平臺明顯變短甚至消失。同時,隨著腐蝕時間增加,頸縮段長度變小,當腐蝕時間大于60 d時,可以看到試件達到極限強度之后,在發(fā)展少量應變的情況下斷裂。

經過長期中性鹽霧腐蝕的Q355鋼,當腐蝕時間較短時,屈服平臺長度沒有明顯變化,但是在屈服階段應力波動比未腐蝕試件更加明顯,且腐蝕50 d時屈服階段應力基本呈上升趨勢,當腐蝕時間大于110 d,屈服平臺消失,試件在屈服后快速進入硬化階段。頸縮段的長度隨著腐蝕時間的增加呈減小趨勢,0 d～60 d內隨著腐蝕時間增加減小明顯,腐蝕60 d以后,大部分試件在應力狀態(tài)達到極限強度后,只需少量的位移加載便斷裂。

為便于比較兩種鋼材應力應變曲線變化情況,選取幾個腐蝕天數下的應力應變曲線進行比較,如圖9所示。觀察圖9中兩種鋼材的應力應變曲線可知:

1)兩種鋼材的屈服平臺都是在腐蝕110 d時消失,但是在110 d前,可以看見Q355NH的屈服平臺要長于Q355;2)Q355NH的屈服強度明顯大于Q355,極限強度相差較小;3)Q355鋼硬化階段的應力增加幅度更大,Q355鋼的強屈比更大;4)兩種鋼材頸縮階段的變化趨勢接近,長時間腐蝕后頸縮段長度減小顯著,如腐蝕80 d后,兩種鋼材在應力達到極限強度后只能發(fā)展少量的應變便斷裂。

4 結論

本文以Q355NH,Q355鋼為研究對象,通過開展中性鹽霧腐蝕試驗來模擬這兩種鋼材在氯離子環(huán)境下的腐蝕,研究了這兩種鋼材的銹層性質以及銹蝕后的力學性能,從而得到以下結論:

1)將兩種鋼材的質量損失率η進行對比發(fā)現,在70 d以前,Q355NH鋼的質量損失率η要高于Q355鋼的質量損失率η。但是相較于Q355鋼,Q355NH鋼的質量損失率η增長緩慢,70 d之后Q355鋼的質量損失率η大于Q355NH鋼的質量損失率η。2)對兩種鋼材腐蝕后的各種性狀進行分析,發(fā)現在腐蝕發(fā)生的早期,相比Q355鋼,Q355NH鋼的腐蝕速率更大,但在長期腐蝕作用下,Q355NH鋼的耐腐蝕性更好。3)通過數據分析,建立了Q355NH鋼和Q355鋼的均勻腐蝕厚度、蝕坑深度與質量損失率的冪函數定量關系。腐蝕初期,蝕坑深度增長速率較快,一段時間之后增長速率有減緩的趨勢。屈服強度隨質量損失率增加而下降,兩種鋼材的變化趨勢接近。4)Q355NH,Q355鋼腐蝕后斷裂模式改變,腐蝕較輕的試件斷口呈斜向,腐蝕驗證的試件斷口呈弧形或水平狀,隨著腐蝕天數增加,應力應變曲線的形狀改變,屈服段和頸縮段明顯變短,腐蝕110 d時這兩種鋼材的屈服平臺消失。