應力腐蝕對橋梁用鋼磁記憶信號的影響機理研究

韋璐茜 何夏萱

（廣西民族大學建筑工程學院）

0 前言

應力腐蝕開裂（SCC）是金屬材料在應力與腐蝕介質共同作用下發生的一種特殊破壞過程，具有一定的突發性和不可預見性，往往造成災難性的事故和后果。對于在近海大氣環境中的橋梁鋼結構，鋼構件內部長期承受著應力作用，且焊接部位往往由于殘余應力的作用，也會產生應力腐蝕的傾向。研究表明，鋼構件腐蝕對構件的力學性能有明顯影響[1]。因此對鋼材受蝕情況進行檢測十分有必要。

金屬磁記憶檢測技術能對鐵磁構件中的宏觀缺陷進行無損檢測，也能確定早期的應力集中區，實現構件破壞預警。在荷載和地磁場的共同作用下，力磁效應使得構件內部的應力集中區發生磁場畸變并在缺陷發展的過程中產生磁疇的不可逆變化，該處的磁場強度法向分量Hy過零點且兩側分別產生波峰波谷，切向分量Hx具有最大值[2]。通過對構件表面磁場強度H 及其特征量（后文中統稱為磁信號）的測定，可以準確推斷構件缺陷的存在和位置。

在拉應力作用下，趙亞宇[3]等人對受腐蝕鋼構件進行了拉伸實驗，研究表明金屬磁記憶檢測技術適用于鋼構件腐蝕區域的準確識別。邢海燕[4]研究了應力腐蝕和腐蝕疲勞的磁信號變化規律，表明應力越大，磁信號改變越明顯。目前對于應力腐蝕與金屬磁信號變化之間的機理研究較少，闡明應力、腐蝕、磁信號三者之間的影響可為磁記憶技術在橋梁鋼結構腐蝕檢測上的定量分析和腐蝕反演提供理論基礎。

1 拉應力對腐蝕區域發展的影響

腐蝕分為均勻腐蝕和局部腐蝕，點蝕是不均勻腐蝕中的一種，其外觀隱蔽但破壞性極大。點蝕坑的形狀一般有半球形、半橢球形、錐形等。點蝕往往沿點蝕孔向縱深連續發展，是誘發裂紋并導致鋼材失效的重要誘因[5]。近海環境下的橋梁用鋼在大氣腐蝕過程中，空氣中的水分在鋼材表面形成薄液膜，可溶性的腐蝕介質溶于薄液膜中，使得鋼材發生電化學腐蝕，基體鐵單質不斷發生陽極溶解，生成中間腐蝕產物，經過進一步反應，形成最終腐蝕產物[6]。根據Pistorius 的研究發現，半橢球形點蝕坑的深度d 與時間t 的關系可以用冪指數函數表示[7]：

式中，C 是與材料和環境有關的參數，b 與坑內有無沉積層以及蝕坑形狀有關。對構件假定構件與腐蝕性介質接觸的面積為S=hl，h(t)為以時間為變量的構件厚度，l 為構件長度，施加恒定的拉力為P，則可得到[8]：

式中，σ 為構件受到的正應力大小。構件厚度與蝕坑深度之間的關系又可表示為：

因而式⑵可寫作：

式中，σ 為施加在構件上的載荷所產生的構件內部的正應力，t 為時間，σ0=P/lh（0）為構件的初應力（腐蝕開始之前），為常數。從式中可以發現構件的厚度變化隨應力變化的關系，應力增大時，蝕坑的深度也隨之增大，說明應力對蝕坑發展具有加速作用。

2 拉應力對金屬磁信號的影響

在拉應力作用下，磁信號的變化可分為彈性階段和塑性階段。在彈性階段初期，由于磁疇的重新排序，磁信號將產生不規律變化，隨著應力的增大，磁信號的變化幅值隨著應力的增長而增加。到塑性階段，由于釘扎效應的產生，導致磁信號產生驟降之后趨于平緩。在這三個階段中，拉應力對彈性階段的磁信號影響最大。

根據文獻[9]，則可以得到彈性階段鋼構件表面經過修正的有效磁場強度公式：

式中，σ 為外加應力，H 為外加磁場強度，α 為材料內部組成磁化強度的單個磁性單元的無量綱量。M 為磁化強度，當施加外磁場為地磁場時，H、α 幾乎恒定不變，可視為常數。α=2.1M（cos2θ－vsin2θ）×10-17/μ0，b=-3M（cos2θ－vsin2θ）×10-25/μ0，在考慮了磁場強度方向與應力軸之間的夾角的影響之后可認為θ=0。μ0為真空磁導率，為正值。從公式的分析中可知，a 和b 的正負號總是相反，在彈性階段，M 總是正值[10]。在拉應力作用下引起的有效磁場強度相較于應力較小部位會有較大的變化幅度。因此，在構件的應力集中區，磁信號的變化幅度要遠大于非應力集中區。

3 彈性階段的磁-應力腐蝕檢測機制

拉應力的存在對鋼構件的腐蝕裂紋的產生具有催化作用，同時對鋼構件在腐蝕表面處的磁信號變化也具有促進作用。結合式⑷和式⑸可知，在彈性階段，應力作用下蝕坑深度越大，腐蝕區域形成應力集中區，鋼構件表面的磁信號值產生大幅度變化，因此通過測量鋼構件表面磁信號值的變化可以獲得構件的腐蝕位置、蝕坑深度相關信息。邢海燕[4]的實驗也證明了這個結論，詳見圖1。HP1～HP4分別是標準鋼構件在35kN 恒拉伸荷載作用下第0，2，10，30 天的磁記憶信號變化曲線，從曲線中可看出，在產生裂紋的40～50mm 位置處的磁信號值呈現典型的缺陷判斷特征,說明金屬磁記憶檢測技術對于應力腐蝕構件的腐蝕檢測具有可行性。

圖1 35kN 恒拉伸應力腐蝕過程的磁記憶信號變化曲線[4]

4 塑性階段的磁-應力腐蝕檢測機制

金屬磁記憶檢測技術能對拉應力腐蝕裂紋進行檢測的原因在于：腐蝕裂紋的形成和擴展過程與位錯大量增殖有關，而位錯的大量增殖提高了裂紋處的磁荷密度，從而使磁信號產生大幅度變化，得以被檢測到。

4.1 位錯-裂紋發展機制

腐蝕對塑性變形有促進作用。Magnin[11]提出了腐蝕促進塑性變形模型，即裂尖活化局部溶解，氫、空位沿晶面擴散，集中應力促進位錯發射形成塞積群，局部應力和氫的軟化作用使微裂紋在位錯塞積處不連續形核，滑移面與解理面張開。對于橋梁鋼結構來說，普遍存在氫致開裂問題。鋼材斷裂過程與材料內部晶體的位錯運動和氫的擴散有關。在拉伸應力作用下，金屬材料發生塑性變形時，在裂紋內部將產生大量的位錯，位錯會攜帶氫原子運動，氫擴散到裂紋前端以后能促進塑性變形，從而能促進斷裂過程。裂紋擴展過程如圖2。

圖2 腐蝕促進塑性變形模型作用下SCC 裂紋形核與擴展示意圖[11]

4.2 位錯-磁導率變化機制

拉應力導致腐蝕裂紋的擴展，鋼構件在腐蝕裂紋處將產生局部塑性變形。在晶體內部，進入塑性階段的區域會產生大量的位錯，裂紋擴展導致位錯密度的快速增加，這些位錯會形成釘扎效應從而阻礙磁疇的運動，即影響了材料的局部磁導率，從而使磁荷在應力集中區產生堆積。鐵磁構件內部相對磁導率的表達式為[12]。

式中：λm為飽和磁致伸縮系數，Bm為飽和磁感應強度，μ0為真空磁導率，μ1為初始磁導率。對于同一鐵磁構件，上述四個參數可視為常數。從表達式可看出，相對磁導率隨著應力的增加而減小。磁導率也可以看做導通磁荷的能力，隨著應力增加而減小的相對磁導率使得磁荷在應力集中區產生堆積，磁信號將大于非應力集中區。從能量的角度解釋，應力集中區產生很高的應力能，為了構件內部總的自由能趨于最小，在磁機械效應的作用下，試樣內部磁彈性能增加，因此內部產生遠遠高于地磁場的磁場強度，進行試件表面的磁信號檢測時就會在應力集中區產生較大的磁信號變化幅度。

5 結論

⑴應力致腐蝕裂紋萌生的過程與構件內部磁荷累積的過程具有相通之處，使得運用金屬磁記憶檢測技術對橋梁鋼構件進行應力腐蝕定位檢測具有可行性。

⑵拉應力的存在促進了蝕坑向深度發展甚至導致裂紋的萌生和擴展，裂紋區域稱作為應力集中區，其表面的磁信號產生大幅度改變，因此磁信號的變化可以反映試件內部應力腐蝕的情況。

⑶試件進入塑性發展階段，應力腐蝕裂紋的擴展伴隨著位錯的大量增殖，使得晶體的相對磁導率減小從而導致磁荷的累積，磁信號隨之增大，因此通過檢測試件表面的磁信號可以準確定位腐蝕區域，從而實現失效預警。