銹蝕鋼板力學(xué)性能的退化規(guī)律

邱 斌，徐善華

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055）

0 引 言

鋼材受環(huán)境作用普遍存在不同程度的銹蝕，銹蝕必然會(huì)導(dǎo)致鋼材各項(xiàng)力學(xué)性能發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的退化，其中強(qiáng)度退化對(duì)結(jié)構(gòu)承載性能的影響尤為重要。文獻(xiàn)［1—3］分別針對(duì)碳鋼在工業(yè)大氣環(huán)境下、含SO2的大氣環(huán)境下及海洋大氣環(huán)境下的耐蝕性、銹蝕產(chǎn)物、銹蝕形貌及銹蝕產(chǎn)物生長(zhǎng)過(guò)程等進(jìn)行了研究，但未對(duì)碳鋼銹蝕后的各項(xiàng)力學(xué)性能退化規(guī)律進(jìn)行分析。

目前，眾多學(xué)者往往以銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化規(guī)律為研究重點(diǎn)，且研究成果存在較大分歧。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，銹蝕對(duì)鋼筋的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度無(wú)顯著影響，但會(huì)使其斷后伸長(zhǎng)率下降［4－5］；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，銹蝕率較小時(shí)（通常截面銹蝕率在5%以?xún)?nèi)），鋼筋銹蝕較均勻，銹蝕對(duì)其力學(xué)性能無(wú)顯著影響，而銹蝕率較大時(shí)（不均勻銹蝕），銹蝕使其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都有所下降［6－11］。

銹蝕對(duì)鋼板力學(xué)性能的影響被長(zhǎng)期忽視，其研究成果寥寥無(wú)幾，文獻(xiàn)［12］通過(guò)試驗(yàn)研究表明，銹蝕對(duì)鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度無(wú)顯著影響，但對(duì)其塑性影響顯著。文獻(xiàn)［13］通過(guò)試驗(yàn)研究表明，銹蝕后鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨銹蝕程度增加呈線性下降，伸長(zhǎng)率的下降與銹蝕程度成冪函數(shù)關(guān)系，與文獻(xiàn)［12］的研究結(jié)果存在較大分歧。因此，研究銹蝕對(duì)鋼板各項(xiàng)力學(xué)性能影響具有重要意義。

銹蝕除引起鋼筋截面面積減小之外，還存在蝕坑處的應(yīng)力集中效應(yīng)，這種效應(yīng)在宏觀上表現(xiàn)為鋼筋力學(xué)性能的退化。由于銹蝕后鋼筋截面面積的減小程度只能通過(guò)一段范圍內(nèi)的截面面積減小平均值反映，同時(shí)銹蝕鋼筋力學(xué)性能的退化也是一段鋼筋的平均值。部分學(xué)者在研究銹蝕鋼筋強(qiáng)度退化時(shí)將應(yīng)力集中效應(yīng)和截面面積減小合二為一，通過(guò)力學(xué)性能的平均值研究銹蝕鋼筋力學(xué)性能的退化規(guī)律［10－11］，使得討論更加方便，同時(shí)也更直觀地反映銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響。

借助同樣的思路，作者對(duì)4種不同加速銹蝕環(huán)境下銹蝕的鋼板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用鋼板拉伸性能平均值研究分析銹蝕對(duì)鋼板力學(xué)性能的影響，并建立了銹蝕鋼材力學(xué)性能的退化規(guī)律。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用材料為熱軋Q235B鋼板，主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為0.16C，0.18Si，0.35Mn，0.035S，0.035P。將尺寸為280mm×50mm×8mm的試樣分別置于4種不同銹蝕環(huán)境下進(jìn)行加速銹蝕試驗(yàn)。試樣工作部分與圓弧過(guò)渡部分的連接處要求為光滑連接，不能產(chǎn)生任何凹陷。稱(chēng)試樣銹蝕前后質(zhì)量。

自然大氣酸霧加速銹蝕：將8組（每組3個(gè)）試樣按順序斜靠放置，用體積比為18%的鹽酸酸霧噴灑試樣的一個(gè)面至濕潤(rùn)，為確保兩面銹蝕狀況一致，需每周翻轉(zhuǎn)一次并進(jìn)行噴灑，銹蝕時(shí)間為122d。此法既模擬了鋼板實(shí)際處于自然大氣酸霧中時(shí)的干濕交替情況，又能達(dá)到加快銹蝕的目的。

恒溫恒濕加速銹蝕：將6組（每組3個(gè)）試樣按順序平放置于溫度為55℃、相對(duì)濕度為（95±3）%的恒溫恒濕箱中進(jìn)行加速銹蝕，為增強(qiáng)銹蝕速率，每隔5d將試樣浸泡于飽和NaCL溶液中濕潤(rùn)約5min，銹蝕時(shí)間為61d。

中性鹽霧箱加速銹蝕：將10組（每組3個(gè)）試樣與垂直方向成30°放置于YWX/Q-020型鹽霧箱內(nèi)，噴灑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈉鹽霧進(jìn)行加速銹蝕，鹽霧箱溫度為35℃，飽和器溫度為37℃，相對(duì)濕度大于95%，在箱底適當(dāng)加水補(bǔ)充箱內(nèi)水分以保證相對(duì)濕度要求。采用間隙噴霧，1d連續(xù)噴6h后停噴6h，停噴時(shí)不加熱，試樣在鹽霧箱內(nèi)自然冷卻。為確保兩面銹蝕狀況保持一致，需1d翻轉(zhuǎn)一次，取樣時(shí)間分別為14，20，40d，銹蝕時(shí)間總計(jì)178d。

自然大氣環(huán)境下中性鹽霧加速銹蝕：將17組（每組3個(gè)）試樣暴露于自然大氣環(huán)境下（西安建筑科技大學(xué)土木樓樓頂），為確保試樣兩面銹蝕狀況保持一致，每隔4～5d翻轉(zhuǎn)一次，同時(shí)在試樣表面均勻噴灑飽和氯化鈉溶液進(jìn)行加速銹蝕，銹蝕時(shí)間約3a。

試樣的銹蝕程度采用銹蝕率（質(zhì)量損失率）ηs進(jìn)行表征，即銹蝕前后的質(zhì)量差與銹蝕前質(zhì)量的百分比。

將銹蝕試樣制成尺寸為240mm×30mm×8mm的拉伸試樣，不同銹蝕環(huán)境下均預(yù)留一組試樣作為對(duì)比試樣并制作成拉伸試樣，按GB/T 228－2002在CSS-WAW300DL型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)銹蝕前后試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度10～30mm·s－1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

分別定義銹蝕鋼板的斷后伸長(zhǎng)率相對(duì)值ke、屈服強(qiáng)度相對(duì)值ky、抗拉強(qiáng)度相對(duì)值kt和彈性模量相對(duì)值kem，如式（1）～式（4）所示，并分別與平均銹蝕率進(jìn)行擬合。

式中：δ0，δ為未銹蝕鋼材和銹蝕鋼材的斷后伸長(zhǎng)率；σs0，σs為未銹蝕鋼材和銹蝕鋼材的屈服強(qiáng)度；σb0，σb為未銹蝕鋼材和銹蝕鋼材的抗拉強(qiáng)度；E0，E為未銹蝕鋼材和銹蝕鋼材的彈性模量。

2.1 彈性模量相對(duì)值

由圖1可知，不同銹蝕環(huán)境下銹蝕對(duì)彈性模量相對(duì)值的影響各不相同，可采用下式進(jìn)行表征：

式中：αs為銹蝕影響系數(shù)。

在自然大氣酸霧和中性鹽霧箱環(huán)境下，彈性模量相對(duì)值隨銹蝕程度的增加小幅降低，銹蝕影響系數(shù)αs較小；在恒溫恒濕環(huán)境下，彈性模量相對(duì)值在一條直線上下波動(dòng)，從統(tǒng)計(jì)角度而言，銹蝕對(duì)彈性模量相對(duì)值無(wú)影響；在自然大氣中性鹽霧環(huán)境下，彈性模量相對(duì)值隨銹蝕程度的增加小幅增長(zhǎng)，該規(guī)律不符合情理，應(yīng)是試驗(yàn)誤差及數(shù)據(jù)的離散性造成。綜上所述，銹蝕對(duì)鋼板彈性模量的影響比較復(fù)雜，應(yīng)進(jìn)一步分析研究。

2.2 斷后伸長(zhǎng)率相對(duì)值

由圖2可知，斷后伸長(zhǎng)率相對(duì)值隨銹蝕程度增加而顯著降低，下降規(guī)律顯著服從下式：

不同銹蝕環(huán)境下斷后伸長(zhǎng)率相對(duì)值的下降規(guī)律不同。在自然大氣酸霧、恒溫恒濕及中性鹽霧箱環(huán)境下，斷后伸長(zhǎng)率相對(duì)值隨銹蝕程度的增加呈顯著的線形降低，服從線性退化規(guī)律；在自然大氣中性鹽霧環(huán)境下，隨銹蝕程度的增加，斷后伸長(zhǎng)率相對(duì)值較顯著地服從兩折線退化規(guī)律，即銹蝕率不大于4%時(shí)，銹蝕對(duì)斷后伸長(zhǎng)率相對(duì)值的影響不顯著；銹蝕率大于4%時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率相對(duì)值與銹蝕率呈現(xiàn)顯著指數(shù)關(guān)系，如圖2（d）所示。

2.3 屈服強(qiáng)度相對(duì)值

由圖3可知，不同環(huán)境中屈服強(qiáng)度相對(duì)值隨銹蝕程度的增加較好地服從兩折線退化規(guī)律。銹蝕率不大于4%時(shí)，ky＝1；銹蝕率大于4%時(shí)呈下列規(guī)律：

圖1 不同環(huán)境加速銹蝕后彈性模量相對(duì)值－銹蝕率擬合曲線Fig.1 Fitted curves of relative value of elasticity modulus and corrosion ratio after accelerated corrosion in different environments：（a）acid spray in natural atmosphere；（b）constant temperature and humidity；（c）neutral salt spray in box and（d）neutral salt spray in natural atmosphere

圖2 不同環(huán)境加速銹蝕后斷后伸長(zhǎng)率相對(duì)值－銹蝕率擬合曲線Fig.2 Fitted curves of relative value of break elongation and corrosion ratio after accelerated corrosion in different environments：（a）acid spray in natural atmosphere；（b）constant temperature and humidity；（c）neutral salt spray in box and（d）neutral salt spray in natural atmosphere

圖3 不同環(huán)境加速銹蝕后屈服強(qiáng)度相對(duì)值－銹蝕率擬合曲線Fig.3 Fitted curves of relative value of yield strength and corrosion ratio after accelerated corrosion in different environments：（a）acid spray in natural atmosphere；（b）constant temperature and humidity；（c）neutral salt spray in box and（d）neutral salt spray in natural atmosphere

2.4 抗拉強(qiáng)度相對(duì)值

由圖4可知，不同環(huán)境中抗拉強(qiáng)度相對(duì)值隨銹蝕程度增長(zhǎng)同樣也較好地服從兩折線退化規(guī)律。

銹蝕率不大于4%時(shí)，kt＝1；銹蝕率大于4%時(shí)有如下規(guī)律：

圖4 不同環(huán)境加速銹蝕后抗拉強(qiáng)度相對(duì)值－銹蝕率擬合曲線Fig.4 Fitted curves of relative value of tensile strength and corrosion ratio after accelerated corrosion in different environments：（a）acid spray in natural atmosphere；（b）constant temperature and humidity；（c）neutral salt spray in box and（d）neutral salt spray in natural atmosphere

2.5 討 論

銹蝕鋼板的彈性模量隨銹蝕程度增加的退化規(guī)律仍需通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，因?yàn)橛绊戜P蝕鋼板彈性模量的因素除平均銹蝕程度外，還有表面銹蝕形貌特征。銹蝕不僅引起鋼板截面面積減小，同時(shí)也導(dǎo)致蝕坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，若以絕對(duì)均勻銹蝕鋼板作為參照，蝕坑處的彈性模量較小，而其余部位的彈性模量較大，此時(shí)，銹蝕鋼板彈性模量的退化規(guī)律很大程度上取決于其表面蝕坑的分布、尺寸及數(shù)量等因素，故銹蝕鋼板彈性模量退化速率仍需要通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨銹蝕程度的增加均較好地服從兩折線退化規(guī)律，說(shuō)明銹蝕對(duì)鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在不同銹蝕階段具有不同的影響。其主要原因在于銹蝕初期試樣以規(guī)模較小的局部坑蝕為主，蝕坑尺寸相對(duì)較小，蝕坑處的應(yīng)力集中不足以影響試樣的強(qiáng)度；隨著銹蝕程度增大，試樣逐漸轉(zhuǎn)化為全面銹蝕，蝕坑尺寸逐漸增大，蝕坑處的應(yīng)力集中對(duì)試樣強(qiáng)度的影響也逐漸增大。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在自然大氣中性鹽霧環(huán)境下，雖然其銹蝕率高達(dá)40%左右，但各項(xiàng)性能退化規(guī)律擬合式的銹蝕影響系數(shù)最小。這主要因?yàn)樵谧匀淮髿庵行喳}霧環(huán)境加速銹蝕試驗(yàn)中，對(duì)銹蝕試樣的銹蝕均勻性控制得相對(duì)較好，銹蝕對(duì)鋼板力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在截面面積減小，而銹蝕不均勻性對(duì)鋼板力學(xué)性能的影響尚未充分表現(xiàn)出來(lái)。

斷后伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的銹蝕影響系數(shù)不等于1，說(shuō)明雖然銹蝕鋼板的力學(xué)性能隨試樣銹蝕程度線性退化，但其退化速率并不等于銹蝕程度的增大速率，進(jìn)一步證明影響銹蝕鋼板的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的因素除平均銹蝕程度外，還與銹蝕鋼板表面銹蝕形貌特征有關(guān)。原因在于銹蝕不僅引起鋼板截面面積減小，同時(shí)也導(dǎo)致蝕坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，兩者共同作用導(dǎo)致鋼板強(qiáng)度與斷后伸長(zhǎng)率降低。

由于試驗(yàn)所取試樣均為Q235B鋼板，且銹蝕率在40%以?xún)?nèi)，所以上面各公式的適用范圍也僅限于此，其它如Q345等鋼板的力學(xué)性能隨銹蝕程度增長(zhǎng)而退化的規(guī)律仍需進(jìn)一步研究分析。

3 結(jié) 論

（1）由于銹蝕對(duì)鋼板彈性模量的影響較為復(fù)雜，因此不同銹蝕環(huán)境下不同銹蝕程度的鋼板彈性模量退化規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。

（2）銹蝕鋼板的斷后伸長(zhǎng)率隨銹蝕程度的增大顯著退化，但不同銹蝕環(huán)境下的退化規(guī)律不同，自然大氣酸霧、恒溫恒濕和中性鹽霧箱環(huán)境下，斷后伸長(zhǎng)率隨銹蝕程度的增加呈現(xiàn)出較好的線性退化規(guī)律，而自然大氣中性鹽霧環(huán)境下，斷后伸長(zhǎng)率隨銹蝕程度的增大呈現(xiàn)出兩折線退化規(guī)律。

（3）銹蝕鋼板的強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度）隨銹蝕程度增大服從較顯著的兩折線退化規(guī)律，當(dāng)銹蝕率不大于4%時(shí)，銹蝕對(duì)鋼板強(qiáng)度無(wú)顯著影響，而銹蝕率大于4%時(shí)，鋼板強(qiáng)度隨銹蝕程度的增大而較好地呈現(xiàn)線性退化規(guī)律，退化速率與銹蝕鋼板表面銹蝕形貌特征密切有關(guān)。

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