中性鹽霧腐蝕鋼板的滯回性能試驗

徐善華,秦廣沖,張宗星,王友德

(西安建筑科技大學 土木工程學院，西安710055)

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中性鹽霧腐蝕鋼板的滯回性能試驗

徐善華,秦廣沖,張宗星,王友德

(西安建筑科技大學 土木工程學院，西安710055)

為研究中性鹽霧環境下不同腐蝕程度鋼板的滯回性能變化規律，通過人工噴灑鹽霧加速腐蝕方法，獲得了不同腐蝕程度下鋼板試件；然后對每組試件進行循環加載試驗并得到滯回曲線，分析其滯回性能；同時采用Ramberg-Osgood模型擬合鋼材的循環骨架曲線，并分析其系數變化規律；最后基于首次加載準則，卸載準則，循環骨架準則，再加載曲線準則等建立了鋼材滯回本構模型.試驗結果表明：在循環荷載作用下，鋼材出現循環硬化、峰值點指向效應等現象；應用Ramberg-Osgood模型擬合效果較好；隨著腐蝕程度增加，鋼材各力學性能指標均出現下降，延性劣化加重，且鋼材循環強化系數呈現減小的趨勢，而循環強化指數變化規律不明顯；模型與試驗結果吻合較好.關鍵詞: 中性鹽霧；腐蝕鋼板；滯回性能；骨架曲線；本構模型

鋼結構由于其良好的力學性能、經濟性能和使用性能被廣泛地應用于大型橋梁、海上采油平臺、工業與民用建筑領域，其良好的延性更是抗震設計的首選，但若長期處于如土壤、大氣、酸雨、海洋環境等腐蝕環境下，均會出現腐蝕損傷現象[1].

腐蝕必然會導致材料各項力學性能發生不可逆轉的退化，目前有學者通過研究銹蝕鋼板[3]單調力學性能退化規律發現，銹蝕不僅造成試件截面減少、表面特征發生變化，還引起鋼材屈服強度、極限強度和延性降低，且對延性影響更為明顯.而延性的降低使得研究腐蝕鋼結構的抗震性能顯得尤為重要，低周往復荷載作用下鋼材塑性本構模型[4-10]是鋼結構抗震性能分析的基礎.目前尚未發現文獻涉及低周往復荷載作用下銹蝕鋼材損傷累積及其循環塑性本構模型研究，低周往復荷載作用下鋼材滯回循環屬于低周疲勞，銹蝕對低周往復荷載作用下鋼材塑性變形、裂紋擴展、斷裂韌性影響會十分明顯.

因此，為研究中性鹽霧環境下不同腐蝕程度鋼板的滯回性能退化規律及循環塑性本構模型，本文首先將對工程常見Q235鋼板進行加速腐蝕，并對腐蝕后的試件進行循環加載試驗，根據試驗結果分析鋼材的滯回性能，采用Ramberg-Osgood模型擬合不同腐蝕程度下鋼材的循環骨架曲線，分析隨腐蝕程度變化時相應參數變化規律，最后建立滯回本構模型，可為鋼結構的抗震特性研究提供基礎性數據.

1 試驗概況

1.1 腐蝕試驗

為研究實際工程已經發生或可能發生的金屬大氣腐蝕問題及有關理論問題，目前已采用的加速試驗方法包括濕熱、鹽霧、周期噴霧復合腐蝕、干濕周浸循環和多因子復合加速腐蝕試驗等.研究表明[11]，加速腐蝕試驗與長期自然暴露試驗相關性良好，且試驗周期短，試驗結果重現性較好，但試驗條件及環境因素與自然環境相差較大，很難完全模擬.

根據GB/T 10125—2012[12 ]和GB/T 24517—2009[13]，為了得到鹽霧環境下不同腐蝕狀態下的鋼板，采用人工噴霧加速法.其中NaCl溶液質量濃度為50 mg/L，PH值為6.2～7.2.將編號為A01-A71的8組板材試樣(280 mm×50 mm×8mm)與垂直方向成45°自然暴露放置于屋頂箱體內，將配置好的氯化鈉溶液倒入噴壺中，而外界環境溫濕度處于本地區自然氣候，每隔2～3 d將溶液以霧狀噴在試件兩側，為了保證試件兩面腐蝕均勻，試驗每進行一次翻一次.取樣時間分別為第1組(A1i)：30 d，第2組(A2i)：110 d，第3組(A3i)：150 d，第4組(A4i)：250 d，第5組(A5i)：310 d，第6組(A6i)：370 d，第7組(A7i)：440 d，總試驗時間為440 d.其中i取值1、2、3，i=1時代表用于低周往復試驗的試件，i=2、3時代表用于單調試驗的試件.每腐蝕一組后進行除銹，并采用質量損失率來評定鋼板腐蝕程度.

1.2 循環荷載試驗

加工試件圖紙及加工完試件尺寸見圖1(a).加載裝置采用Instron Model1341拉壓扭萬能疲勞試驗機，其中位移計標距為50 mm，其量程在受拉方向為50%，受壓方向為10%,見圖1(c).為了防止板材在較大壓應變作用下發生側向屈曲變形，設計防屈曲裝置.試件采用應變控制，進行大應變循環加載，以0.3%的增幅進行變幅加載，每級荷載循環兩次，所有循環加載波形為三角波，應變加載速率0.000 25/s.當壓應變達到2.1%時，不再施加循環荷載，而后對試件施加單向拉伸荷載，直到試件斷裂，循環加載制度示意圖見圖1(b).

2 試驗結果分析

2.1 滯回曲線

由于鋼板銹蝕后，其表面凹凸不平，很難得到鋼材的真實強度，為了客觀地反應銹蝕對鋼材滯回性能的影響，本文采用名義應力，即實際荷載與設計面積的比值.圖2為所有試件循環應力-應變曲線.

從圖2可以看出，滯回曲線主要由骨架曲線、卸載曲線以及再加載曲線三部分組成.個別曲線出現不規則變化，可能是防屈曲裝置與位移計產生輕微擦碰有關.鋼材的首次加載曲線沿著單調拉伸曲線進行，為單向拉伸效應；鋼材的卸載按照彈性直線卸載，隨著應變的增加，各級循環的卸載曲線彈性模量略有降低；鋼材再加載曲線的指向滿足峰值指向模型；鋼材下一級循環加載的峰值應力對上一級循環有較大依賴性；隨著應變增加，鋼材出現循環硬化效應，受拉方向的強化效應比受壓方向強化效應更明顯；在相同的應變幅下，后一圈的應力均大于前一圈的應力，表現出應力強化現象；未銹蝕鋼材與銹蝕鋼材的滯回環均比較飽滿，表明銹蝕鋼材同樣具有較好的抗震耗能性能.

圖1 試件尺寸、試驗加載裝置及制度圖

圖3為未銹蝕鋼材在單調荷載及低周往復荷載下的應力-應變曲線.滯回曲線與單調曲線最大的區別就在于屈服效應的不存在，同時鋼材在循環荷載下強化效應提前，應力峰值點和鋼材斷裂點變化較大.通過對兩種不同的加載制度對比發現，循環荷載下鋼材的極限強度和斷裂強度所對應的應變及斷裂伸長率相對于單調曲線要低很多，說明鋼材在循環荷載下的累計損傷效應對其延性具有較大的影響.

表1匯總了試件試驗的主要力學性能參數.表中fu為極限強度，εu為極限應變.從表1可以看出隨著腐蝕程度增加，鋼材在循環荷載下的極限強度呈降低趨勢，并且極限強度對應的應變及斷后伸長率整體亦呈減小趨勢；試驗過程中部分銹蝕試件在其達到最大強度時便發生斷裂，說明在循環荷載下銹蝕鋼材的延性嚴重退化.將腐蝕率與滯回能關系進行擬合

J=64.499×exp(-ρw/13.541)+189.905，

(1)

式中：J指滯回能，ρw為腐蝕率(質量損失率).可以看出，在相同的滯回圈數下，隨著腐蝕程度的增加，鋼材抗震耗能性能呈指數降低.

圖2 試件循環應力-應變曲線

圖3 未腐蝕鋼材單調和滯回曲線對比

2.2 骨架曲線

圖4為不同銹蝕程度下鋼材的循環應力-應變骨架曲線.可以看出鋼材在循環荷載作用下存在明顯的循環硬化現象，且不存在屈服平臺.與未銹蝕鋼材相比，銹蝕鋼材的強度均出現降低，銹蝕程度越大，強度下降程度越明顯.

表1 試件主要力學性能參數匯總表

利用試驗所得每一級循環加載下的最大正應力及正應變，并結合Ramberg-Osgood模型，對不同銹蝕程度下鋼材的滯回骨架曲線進行擬合.Ramberg-Osgood模型數學表達式為

(2)

式中：Δε為總應變幅，Δεe為彈性應變幅，Δεp為塑形應變幅，E為鋼材的彈性量，K′為循環強化系數，n′為循環強化指數，Δσ為穩定的應力幅，下同.

圖4 不同銹蝕程度下鋼板滯回骨架曲線

為了便于計算和比較，對上式進行簡化變形，具體數學表達式為

(3)

利用式(3)對循環加載骨架曲線進行擬合，K′和n′的具體擬合值見表2，擬合曲線見圖5(以A01、A41及A71為例)，從圖5曲線的擬合程度可知，采用Ramberg-Osgood模型對循環骨架曲線的擬合效果比較理想.

表2 骨架曲線模型參數

圖5 骨架曲線擬合模型

2.3 循環骨架曲線模型參數退化規律

不同銹蝕程度下的K′見圖6.隨著銹蝕鋼板腐蝕率的增加，鋼材循環強化系數呈現減小的趨勢，而循環強化指數變化規律不明顯.根據指數函數的意義，循環強化系數減小說明了隨著鋼材銹蝕程度的加重，鋼材在循環荷載下其強化效應減弱.根據圖6分析得到K′與鋼板腐蝕率之間的關系為

圖6 循環強化系數K′與腐蝕率關系

Fig.6 Relationship between recycling intensified factor K′ and corrosion rate

K′=285.926×exp(-ρw/0.046)+531.090.

對于循環強化指數n′，變化規律不明顯，未腐蝕鋼板為0.211，腐蝕率達到19%的鋼板為0.201，銹蝕率在18%以內時，n′為0.16n，其中n可取值范圍為0.95～1.05.

3 鋼板循環本構模型

從圖2可看出，滯回曲線主要由骨架曲線、卸載曲線以及再加載曲線三部分組成.其中鋼材的首次加載及峰值指向參見2.2及3.1節，卸載剛度(初始彈性模量Es)見表2.

3.1 循環骨架準則

雖然Ramberg-Osgood模型可以較為準確地模擬循環骨架曲線的形狀，但是此函數不包含屈服點，對于屈服位置的判斷不明確，并且應變是應力的函數，其反函數難以求得，不利于滯回準則的實現.因此可提出兩段式循環骨架曲線：第一階段在鋼材屈服之前，為彈性部分；第二階段是循環強化部分，具體表達為

式中：參數a，b，c用于控制循環骨架曲線的形狀.由于循環荷載下屈服效應不明顯，屈服強度不容易確定，而在以往的腐蝕鋼板單調性能研究中，未腐蝕與腐蝕鋼板的屈服強度所對應的應變在0.001 2～0.001 3，本文取應變0.001 2所對應的應力作為屈服強度.以A11為例，試驗及模型對比見圖7，可看出提出的函數形式可對Q235不同腐蝕率下的循環受力特征進行很好地模擬，能夠較好反映循環骨架曲線.

根據腐蝕率及滯回曲線試驗數據，可得到循環骨架曲線參數與腐蝕率關系：

其中系數c變化規律不明顯，除未腐蝕試件為-26.7外，其余不同腐蝕率下可取-62.2K，其中K可取值范圍為0.70～1.20.

圖7 A11循環骨架模型曲線

3.2 再加載準則

本文再加載曲線參照文獻[7]在論文中提出的計算模型，結合本文試驗結果對模型進行了部分修正，見圖8.

圖8 再加載曲線模型

如圖8所示，CA段為卸載曲線，AB段為受拉再加載曲線.其中A點為再加載曲線的起點(εAi，0)，εAi定義為位移加載制度中相對應的數值；B點為再加載曲線的目標點(εbi，σbi)，定義為每級循環受拉對應的最大值，可參照骨架曲線準則模型；C點為受壓再加載曲線目標點，定義為每級循環受壓對應的最大值，可參照骨架曲線準則模型；Es為卸載斜率(剛度)，可參見表2；線a與ε軸所對應的角度為Ek；假設X點為所求應力，則線b為Ek(ε-εAi)，線e為Es(ε-εAi)，線c+d為(Es-Ek)(ε-εAi)，假設線d占c+d線比例為η，則線d為η(Es-Ek)(ε-εAi).

因此圖示X點應力：

其中

根據試驗結果，系數a，b取值并沒有特別的變化規律，a取值在1.05～1.4，b取值在0.05～0.6.

3.3 試驗及模型對比

綜合上述幾種準則及滯回曲線試驗結果，滯回曲線發展準則見圖9：首次加載時曲線沿著單調拉伸O-A1曲線(參見2.2節及3.1節)進行，達到A1點屈服強度；按照循環骨架曲線的準則(參見3.1節)到達峰點A2；即達到鋼材的卸載點后按彈性直線卸載至O1點(應變為峰值應力與彈性模量Es的比值)，卸載剛度和初始彈性模量Es相同(參見表2)；然后在受壓循環第一圈的時候指向的峰值為受壓屈服點B1(參見3.2節)；經過屈服點后，沿著受壓骨架曲線前進，到達卸載點B2；直線卸載后到達再加載點-O1(應變為峰值應力與彈性模量Es的比值)；受拉達到最大值A2后，然后進行第二圈，重復以上步驟(即卸載至O1點，壓至B2點，卸載至-O1點)，最終沿著骨架曲線經過A2點到達卸載點A3(參見3.2節)；彈性卸載后到達受壓再加載曲線起點O2，重復前述過程.

圖9 滯回準則具體描述

將采用循環本構模型計算的曲線與鋼板試驗循環加載的滯回曲線進行對比分析，以A11為例，見圖10所示，可見計算模型與試驗結果基本吻合.說明本文中的鋼材循環本構模型不僅可以較為準確地預測鋼材在不同腐蝕率下的滯回性能，同時可以預測試件的剩余強度.

圖10 A11模型及試驗數據對比

Fig.10 Comparison chart between model and experimental data of A11

4 結 論

1)在循環荷載作用下，未腐蝕鋼材與腐蝕鋼材均出現循環硬化、峰值點指向效應等現象，并且滯回環比較飽滿；且隨著腐蝕程度增加，腐蝕鋼材在循環荷載作用下各項力學性能呈現下降趨勢，腐蝕鋼材的延性劣化加重.

2)Ramberg-Osgood模型較好地擬合了腐蝕鋼板在循環荷載下的骨架曲線，并且隨著腐蝕程度增加，鋼材循環強化系數呈現減小的趨勢，但循環強化指數的變化規律并不明顯.

3)本文建立了腐蝕鋼板循環本構模型，包括首次加載準則，卸載準則，循環骨架準則，再加載曲線準則等，且模型與試驗結果對比基本吻合.因此本文提出的鋼材循環本構模型不僅可以較為準確地預測鋼材在不同腐蝕率下的滯回性能，同時可以預測試件的剩余強度.

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(編輯 趙麗瑩)

Experimental study on hysteretic behavior of corrosion steel in the neutral salt spray

XU Shanhua, QIN Guangchong, ZHANG Zongxing, WANG Youde

(School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

To study the hysteretic characteristics of corrosion steel plate in the neutral salt spray environment, steel specimens under different corrosion degree were got by sprinkling salt spray to accelerate corrosion. Then each specimen was subjected to cyclic loading test and analyzed the hysteretic behavior, Ramberg Osgood model was adopted to fit with the circular skeleton curve of steel, and model for hysteretic constitutive of corrosion steel was established based on the first time loading criterion, unloading criterion, cycle skeleton criterion and reloading curve criterion. The experimental results shows that: corrosive steel appeares the phenomenon of cyclic hardening and peak point pointing effect under cyclic loading; and the Ramberg Osgood model has better simulated results. With the corrosion degree increasing, the mechanical properties of the steel decrease, the deterioration of ductility becomes more serious and coefficient of steel circular enhancement shows a decreasing trend, whereas the variation of cyclic hardening exponent is not obvious. The proposed model agrees well with the experimental results.

neutral salt spray; corrosion steel; hysteretic behavior; skeleton curve; constitutive model

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.11.029

2015-10-29

國家自然科學基金(51378417);教育部長江學者和創新團隊發展計劃項目(IRT13089)

徐善華(1963—)，男，教授，博士生導師

秦廣沖,qinguangchong@126.com

TU50

A

0367-6234(2016)11-0183-06