海洋環境下銹蝕高強度鋼材滯回性能

郭宏超, 李彤宇, 王德法, 高兌現, 李曉蕾

(1.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室, 陜西 西安 710048; 2.西安理工大學 土木建筑工程學院, 陜西 西安 710048)

在實際工程中,一些鋼結構建筑因長期處于濕熱、鹽霧和酸雨等腐蝕環境中,會出現嚴重銹蝕問題.銹蝕不僅破壞構件截面,還影響鋼結構建筑的穩定性,導致其安全強度下降,鋼材延性降低,構件性能退化,嚴重影響結構的安全性[1-2].徐善華等[3]和Xu等[4]對銹蝕鋼材進行單調拉伸試驗,發現腐蝕使鋼材的屈服強度和極限抗拉強度線性下降,顯著影響鋼材的延性.梁巖等[5]通過銹蝕高強鋼筋往復加載試驗,發現隨著銹蝕率的上升,高強鋼筋的耗能能力下降,在地震環境中極易發生脆性破壞.鄭山鎖等[6]進行了室內快速腐蝕試驗和低周往復加載試驗,分析了不同銹蝕程度對框架梁破壞模式、承載力、變形和耗能能力的影響.

高強度鋼材(簡稱高強鋼)是指名義屈服強度超過420MPa的鋼材.在近海及海岸建構筑物中采用高強鋼能夠有效降低成本,減小構件截面、焊縫尺寸,提高波浪荷載作用下結構的疲勞強度,延長海洋腐蝕環境下結構的使用壽命,具有良好的經濟效益和社會效益[7-10].

目前,大量研究集中在普通鋼材銹蝕后的力學性能退化規律方面,而對銹蝕高強鋼的相關研究甚少.鑒于此,本文通過室內快速腐蝕試驗,獲得不同腐蝕程度下Q690高強鋼試件,對其進行循環往復加載試驗.采用Ramberg-Osgood模型[11]擬合了不同腐蝕程度下高強鋼的骨架曲線,分析不同腐蝕周期下關鍵控制參數的變化規律,并建立了銹蝕Q690高強鋼的滯回本構模型,同時驗證了模型的準確性和實用性,以期為海洋環境下Q690高強鋼抗銹蝕能力和結構安全評估提供基礎理論和科學依據.

1 試驗

1.1 腐蝕試驗

浪濺區是海洋環境中腐蝕最為嚴重的區域.根據GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》,采用鹽霧濕熱循環方法模擬海洋浪濺區環境.以無涂層Q690高強鋼為研究對象,進行浸潤—潮濕—干燥循環處理,具體處理步驟如下：首先將試件用飽和NaCl溶液浸泡6h;隨后放入濕熱箱內養護12h,箱內溫度恒定在35℃,相對濕度恒定在(93±3)%;最后將試件依次取出,置于室內自然晾干.

1.2 試件設計

分別對5批(每批2個)Q690高強鋼試件進行20、40、60、80、100d周期性腐蝕,編號分別為ZH-2、ZH-3、ZH-4、ZH-5、ZH-6;同時取另外1批試件(2個未銹蝕試件)作為對比試件,編號為ZH-1.試件尺寸如圖1所示.

圖1 試件尺寸圖Fig.1 Specimen drawing(size:mm)

1.3 循環加載方案

采用HT-9711動態材料試驗機,對6批試件進行低周往復加載試驗.加載采用應變控制,第1級荷載以1%為應變峰值,隨后應變以1%的增幅進行變幅加載,每級荷載循環2次,當應變達到6%時停止加載.

2 腐蝕結果及分析

2.1 宏觀形貌

不同腐蝕時間下試件的表面形貌如圖2所示.由圖2可見：腐蝕初期,試件銹蝕程度較小,以局部點蝕為主;隨著腐蝕時間的延長,試件銹蝕區域逐漸連通,由局部點蝕向均勻銹蝕過渡;隨著腐蝕程度進一步增加,試件表面出現紅褐色銹蝕產物,部分區域出現銹蝕物堆積現象;腐蝕后期,試件表面產生大量紅褐色銹蝕產物,有明顯鼓起現象,部分銹層開始脫落.

圖2 不同腐蝕時間下試件的表面形貌Fig.2 Morphology of specimens at different corrosion times

2.2 銹蝕率

鋼材的銹蝕率ηs(%)采用質量損失率來表征,其計算表達式為：

(1)

式中：m0為鋼材銹蝕前的質量,g;m為鋼材銹蝕后的質量,g.

各試件的銹蝕率如表1所示.

表1 各試件的銹蝕率

由表1可見,隨著腐蝕時間的延長,試件銹蝕率呈增大趨勢.試件銹蝕率隨時間變化的線性擬合式為：

ηs=0.081t+0.405,R2=0.988

(2)

2.3 微觀形貌掃描分析

采用LEXT OLS40003D激光掃描共聚焦顯微鏡,得到試件表面3D微觀形貌,如圖3所示.由圖3可知：腐蝕初期,試件表面呈現大量針尖狀點銹,銹坑深度較淺;隨著腐蝕時間的增加,試件表面銹坑逐漸連通,銹坑尺寸和深度均逐漸擴大,由點蝕向大面積坑蝕發展;當腐蝕時間為100d時,試件表面最大銹坑深度達到600μm.

圖3 試件3D微觀形貌掃描照片Fig.3 3D morphology scan photos of specimens

用表面算數平均高度Sa(μm)和表面均方根高度Sq(μm)這2個粗糙度參數來表征銹蝕鋼材的形貌特征.兩者計算表達式為：

(3)

(4)

式中：A為評定區域D的面積;z(x,y)為殘存表面積;M、N為掃描區域內x、y方向離散點個數;lx、ly為采樣區域x、y方向的邊長.

試件的粗糙度參數如表2所示.由表2可知：腐蝕初期,試件的Sa、Sq隨著腐蝕時間的增加而增大;之后Sa、Sq隨腐蝕時間延長逐漸變緩,最終趨于平穩;2個粗糙度參數變化規律相似.這說明隨著腐蝕時間的增加,試件表面的粗糙程度越來越大.

表2 試件的粗糙度參數

3 試驗結果分析

3.1 滯回曲線

循環荷載作用下各試件滯回曲線(σ-ε)如圖4所示.由圖4可知：(1)6組試件的滯回曲線均十分飽滿,說明試件腐蝕程度較小,仍具有較好的塑性變形能力和耗能能力.(2)滯回曲線包括首次加載段、卸載段、再加載段和骨架曲線段.在首次加載段,彈性階段并未出現明顯的屈服平臺,隨著應變的增加,應力也在增加,發生循環硬化現象,但應力提高不明顯;在卸載段,卸載曲線與首次加載段彈性階段斜率基本一致;在再加載段,滯回曲線的屈服極限有所降低,出現包辛格效應,鋼材在塑性應變作用下為各向異性.

圖4 各試件的滯回曲線Fig.4 Hysteresis curves of specimens

由圖4還可見：(1)各試件的滯回曲線同一環體中受壓極限應力均大于受拉應力,同一應變幅值下兩滯回環并未完全重合,后圈要比前圈大.這是因為隨著應變的增加,屈服面隨循環次數增加而逐漸增大,出現了同向強化現象;隨著循環應變幅值的不斷增加,鋼材的循環強化效應使得試件在相同應變下應力不斷增大,并逐漸趨于穩定.(2)隨著腐蝕程度的加深,各級循環的卸載曲線彈性模量(E=σ/ε)略有降低,試件應力峰值呈下降趨勢.

3.2 滯回耗能

高強鋼的滯回耗能J代表其在循環荷載作用下的耗能能力,通常以滯回曲線中所有滯回環所圍成的面積之和表示.為方便對比,本試驗將滯回耗能取均值.表3為試件的滯回耗能.由表3可知：在相同滯回圈數下,試件滯回耗能隨腐蝕程度的增加而逐漸減小;相對未銹蝕試件,銹蝕率為7.21%的試件滯回耗能降低15.3%.

表3 試件的滯回耗能

高強鋼試件的滯回耗能隨腐蝕程度的增加而下降,對結構的抗震性能有較大影響.隨著腐蝕時間的延長,試件表面出現大小不均的銹坑,在反復荷載作用下容易形成應力集中,促使局部出現裂紋并迅速擴展,最終發生脆性破壞.

3.3 骨架曲線

不同腐蝕程度下Q690高強鋼試件骨架曲線如圖5所示.由圖5可知：試件在循環荷載作用下存在明顯的硬化現象,基本沒有屈服平臺;隨著腐蝕時間的延長,試件極限抗拉強度逐漸降低,腐蝕100d后,試件極限抗拉強度下降14.6%.

圖5 試件的骨架曲線Fig.5 Skeleton curves of specimens

4 滯回本構模型

4.1 理論模型

Ramberg-Osgood模型可以較好地模擬Q690高強鋼的循環特性,其表達式為：

(5)

式中：Δε為總應變幅;Δεe為彈性應變幅;Δεp為塑形應變幅;E為彈性模量;K′為循環強化系數;n′為循環強化指數;Δσ為應力增量.

4.2 擬合模型參數

為便于比較不同銹蝕鋼材的骨架曲線,對式(5)進行簡化處理,如式(6)所示.

(6)

運用式(6)對高強鋼試件的骨架曲線進行擬合,可得到循環強化系數K′和循環強化指數n′,其具體擬合值如表4所示.

表4 骨架曲線模型參數

由表4可見：隨著腐蝕時間的延長,試件的循環強化系數K′呈線性下降趨勢,鋼材在循環荷載下的強化效應有所減弱，其腐蝕100d時的K′較未腐蝕試件降低10.20%;而循環強化指數n′變化規律不明顯,未銹蝕Q690高強鋼材為0.03672,腐蝕100d 后為0.03707,其變化范圍在3.34%之內.對未腐蝕、腐蝕60、100d試件的骨架曲線進行擬合,來研究腐蝕損傷對試件滯回性能影響.3種試件的擬合骨架曲線見圖6.由圖6可見：利用Ramberg-Osgood模型擬合的骨架曲線較為準確;骨架曲線上升段和單調加載曲線基本一致,沒有明顯屈服點,存在循環硬化現象.

圖6 3種試件的擬合骨架曲線Fig.6 Fitting skeleton curves of three kinds of specimens

4.3 銹蝕高強鋼滯回準則

Q690腐蝕高強鋼材循環本構模型由循環骨架曲線和滯回準則組成.試件的循環本構模型見圖7.由圖7(a)可見,再加載曲線的斜率處于卸載剛度Es與起始點到終點的切線剛度Ek之間.為減少計算,將再加載曲線分為兩段函數,表達式如式(7)、(8)所示.

圖7 循環本構模型Fig.7 Cyclic constitutive model

(7)

(8)

式中：σA、εA為點A處的應力和應變;σB、εB為點B處的應力和應變；η為比例系數，0≤η≤1.

圖7(b)描述了試件完整的循環加載過程：首次加載時曲線沿著單調拉伸曲線O-A1達到A1點屈服強度;隨后按照循環骨架曲線準則到達峰值點A2;在達到峰值點后,根據彈性模量彈性卸載,卸載剛度Es與初始彈性模量相同,直到到達x軸得到再加載起始點O1,至此再加載過程開始.首次指向為受壓方向的屈服點B1,峰值過后,曲線沿著循環骨架曲線繼續進行,直到到達受壓方向的卸載點B2,此點同樣是下一周期的峰值指向點.卸載到x軸上的O3點之后,再加載過程發生,受拉達到最大值A3后,進行第2圈擬合時,重復上述過程.

圖8為試件通過循環本構模型得到的計算值和試驗值擬合曲線.由圖8可見,試件的試驗曲線與擬合曲線吻合的較為良好,表明該本構模型可以預測高強鋼在不同腐蝕程度下的滯回性能,同時也可以預測不同周期下銹蝕試件的剩余強度.

圖8 理論模型與試驗數據對比Fig.8 Model and test data comparison

5 結論

(1)Q690高強鋼的銹蝕率與腐蝕時間呈線性增長,隨著腐蝕時間的增加,試件表面粗糙度逐漸增大,銹坑逐漸連通,由點蝕向大面積坑蝕發展,最大銹坑深度可達600μm.

(2)隨著銹蝕程度的增加,試件的滯回耗能和抗拉強度均出現明顯退化.銹蝕率為7.21%的試件滯回耗能較未銹蝕試件降低15.2%,極限抗拉強度降低14.6%.

(3)隨著腐蝕時間的增加,試件在循環荷載下的強化效應有降低的趨勢,其循環強化系數與循環強化指數在腐蝕100d后較未銹蝕試件分別降低10.20%和3.34%.

(4)Ramberg-Osgood模型能較好地預測銹蝕Q690高強鋼在循環荷載作用下的骨架曲線,滯回本構模型具有較好適用性.