郝贠洪， 田旭樂， 韓 燕， 宣姣羽， 馬思晗

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)建筑檢測鑒定與安全評估工程技術(shù)研究中心， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)是中國沙塵暴多發(fā)地區(qū)之一，該地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)設(shè)施長期遭受風(fēng)沙顆粒介質(zhì)的沖擊磨損，鋼結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)銹蝕,而涂層能極大地改善鋼結(jié)構(gòu)的表面性能，從而起到防護(hù)作用[1]，鋼結(jié)構(gòu)表面涂層在顆粒沖擊、碰撞、沖蝕等復(fù)雜工況下服役，容易發(fā)生破壞失效[2-4]，使涂層產(chǎn)生微裂紋甚至破損剝落，導(dǎo)致構(gòu)件的承載力下降，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性.因此，研究鋼結(jié)構(gòu)表面涂層的抗沖擊性能對鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)具有重要意義.

目前以赫茲接觸理論[5]為基礎(chǔ)的小能量接觸損傷研究方法主要用于金屬、玻璃陶瓷和復(fù)合材料領(lǐng)域[6-8]，而有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)涂層受小能量顆粒介質(zhì)沖擊后損傷形貌的研究鮮有報道，對于鋼結(jié)構(gòu)涂層的損傷研究大多數(shù)集中在涂層抗沖蝕性能方面[9-10]，對涂層的抗沖擊性能研究較少.球壓法是一種根據(jù)赫茲接觸理論來研究球體與半無限體接觸問題的方法，可用來表征和評價材料表面性能[11]，在研究材料彈塑性力學(xué)特征、斷裂損傷機(jī)制等方面做出了突出貢獻(xiàn)[12].本文采用球壓法研究了鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層與氟碳涂層在沖擊荷載作用下的損傷行為，并應(yīng)用體式顯微鏡和超景深三維顯微鏡分析了其沖擊損傷形貌.

1 試驗(yàn)

1.1 試件制備

基體材料選用尺寸為100mm× 100mm，厚度為5mm的Q235B型普通低碳鋼薄鋼板，拉伸強(qiáng)度為375～460MPa，屈服強(qiáng)度為 235MPa，伸長率為26%，其化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示，滿足GB/T 3274—2007《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》的要求.鋼板材料經(jīng)砂紙打磨除銹后用毛刷清除表面顆粒和雜質(zhì)，要求無浮塵和顆粒物.

表1 基體材料的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of matrix material w/%

根據(jù)GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中“鋼結(jié)構(gòu)涂裝工程”的工藝要求，利用空氣壓縮機(jī)和霧化油漆噴槍對鋼板材料進(jìn)行噴涂.分別選用聚氨酯面漆與氟碳樹脂面漆作為涂層材料，涂層平均厚度均為800μm.

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

1.3 試驗(yàn)原理

騰格里沙漠沙粒中形狀近似圓形和橢圓形的沙?？蛇_(dá)80%以上[14]，且風(fēng)沙粒子的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)涂層的硬度，故可將風(fēng)沙粒子對鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖擊行為視為剛性球體與彈性半空間體的接觸問題.假設(shè)1個質(zhì)量m、半徑R、彈性模量E1，泊松比v1的剛性球體垂直沖擊在1個彈性模量E、泊松比v的彈性半空間體材料表面，沖擊過程中產(chǎn)生沖擊荷載為P，接觸壓痕半徑為a.根據(jù)Hertz接觸理論，沙粒沖擊鋼結(jié)構(gòu)涂層表面的沖擊球壓模型如圖1所示.

圖1 沖擊球壓模型Fig.1 Impact ball pressure model

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊荷載-時間曲線

通過沖擊球壓試驗(yàn)，得到2種涂層在不同沖擊高度下的沖擊荷載-時間曲線，如圖2所示.由 圖2(a) 可知，球頭首次沖擊鋼結(jié)構(gòu)氟碳涂層后并未停止，而是隨著涂層表面的彈性恢復(fù)回彈至一定高度后繼續(xù)沖擊，回彈幾次后趨于靜止.根據(jù)Hertz接觸理論可知，球頭沖擊涂層的過程可以分為2個階段：第1階段為球頭沖擊涂層表面，相對沖擊速度為0時，材料表面壓縮變形達(dá)到最大值；第2階段材料發(fā)生彈性變形后給球頭1個沖量，材料表面形成球冠狀沖擊坑，使之發(fā)生二次沖擊，相應(yīng)地，產(chǎn)生二次沖擊時作用在材料表面的荷載峰值稱為二次沖擊荷載峰值.圖2(a)中，當(dāng)沖擊高度為22、26、30、34、 38cm 時，氟碳涂層的沖擊荷載峰值分別為720.00、1477.30、1784.90、3236.20和4860.55N，二次沖擊荷載峰值分別為140.20、219.10、257.00、468.10、1716.40N，二次沖擊的時間間隔分別為0.032、0.049、0.059、0.087、0.180s.由此可知，隨著沖擊高度的增加，氟碳涂層的沖擊荷載峰值增大，二次沖擊荷載峰值增大，二次沖擊的時間間隔延長.這是因?yàn)椋弘S著沖擊高度的增加，沖擊球頭的重力勢能以及彈簧的彈性勢能所提供的沖擊動力增大，因此沖擊荷載峰值及二次沖擊荷載峰值增大；沖擊球頭離開涂層表面后，只受重力作用，不再受其他力的作用，且球頭的性質(zhì)未發(fā)生變化，因此產(chǎn)生二次沖擊的時間間隔只與球頭的回彈高度有關(guān).根據(jù)自由落體位移公式：

h=0.5gt2

(1)

式中：g為重力加速度，g=9.8m/s2；t為時間，s.

由式(1)可以得到，隨著沖擊高度的增加，球頭回彈的高度增大，產(chǎn)生二次沖擊的時間間隔延長[15].

根據(jù)圖2(b)可知，與氟碳涂層相似，聚氨酯涂層在沖擊過程中產(chǎn)生的沖擊荷載峰值和二次沖擊荷載峰值隨著沖擊高度的增加而增大，二次沖擊的時間間隔也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律.

圖2 2種涂層在不同沖擊高度下的沖擊荷載-時間曲線Fig.2 Impact load-time curves of two coatings at different impact heights

由圖2還可見，在相同沖擊高度下，與聚氨酯涂層相比，氟碳涂層的沖擊荷載峰值、二次沖擊荷載峰值與時間間隔均較小.這是因?yàn)樵谙嗤瑳_擊高度作用下，沖擊球頭作用于涂層表面時，氟碳涂層產(chǎn)生的彈性變形大于聚氨酯涂層材料，前者在沖擊過程中能夠吸收相對較多的能量用于彈性變形，且由于氟碳樹脂中的部分氟原子取代了原來的氫原子，而F—C鍵長較短，導(dǎo)致相鄰氟原子之間產(chǎn)生非常明顯的排斥作用，以致氟原子沿著已經(jīng)呈鋸齒狀的C—C鍵呈螺旋形排列，在碳主鏈的周圍形成屏蔽層[16]，從而具有非常優(yōu)異的耐候性及耐沖擊性.因此氟碳涂層沖擊荷載峰值與二次沖擊荷載峰值均小于聚氨酯涂層，說明其抗沖擊能力優(yōu)于聚氨酯涂層.

2.2 沖擊荷載-壓痕尺寸曲線

鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖擊試驗(yàn)和無涂層基體材料的沖擊試驗(yàn)有很大的區(qū)別，沖擊荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)涂層的抗沖擊性能不僅取決于涂層材料，還取決于基體和界面層的性質(zhì)，因此鋼結(jié)構(gòu)涂層在沖擊荷載作用下會產(chǎn)生不同程度的損傷變形.圖3為不同沖擊高度下鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖擊荷載-壓痕尺寸曲線.由圖3可以看出：隨著沖擊荷載的增大，2種涂層的壓痕尺寸均增加，壓痕尺寸的增長速率排序?yàn)榉纪繉?聚氨酯涂層；當(dāng)沖擊荷載值超過某一臨界荷載值后，無論沖擊高度如何增加，沖擊荷載值增長都遠(yuǎn)小于壓痕尺寸的增長，該臨界荷載值為涂層承受的極限荷載值，氟碳涂層與聚氨酯涂層所承受的極限荷載值分別5200.10、4230.80N，即氟碳涂層所承受的極限荷載值大于聚氨酯涂層.由于聚氨酯涂層和氟碳涂層均具有良好的附著力，可承受的極限荷載值均較高，但2種涂層材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)存在差異，聚氨酯材料的化學(xué)組成中除含有氨酯鍵外，還含有醚鍵、酯鍵、脲鍵以及油脂的不飽和鍵等，由于聚酯或聚醚的分子鏈一般較長，因此在受到外力作用時，聚氨酯材料易發(fā)生塑性變形；而氟碳涂層的特征官能團(tuán)來源于氟碳樹脂的C—F鍵結(jié)構(gòu)，氟元素是電負(fù)性最大的元素，形成的C—F鍵極短，而鍵能較大，使氟原子在聚合物碳鏈周圍緊密排列，從而提高了其抗塑性變形能力；且由于涂層材料的非均質(zhì)性，存在分布較為離散的測點(diǎn)，而氟碳涂層材料的離散程度小于聚氨酯涂層，氟碳涂層在受到?jīng)_擊時受力較為均勻，具有良好的力學(xué)性能.因此，在沖擊荷載作用下氟碳涂層的抗塑性變形能力優(yōu)于聚氨酯涂層.

圖3 不同沖擊高度下鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖擊荷載-壓痕尺寸曲線Fig.3 Impact load-indentation dimension curves of steel structure coatings at different impact heights

2.3 涂層沖擊表面形貌分析

2.3.1沖擊表面二維形貌分析

采用PXS9-T三目連續(xù)體式顯微鏡對沖擊高度為34cm時鋼結(jié)構(gòu)涂層的表面損傷形貌進(jìn)行測量，得到其二維形貌圖，如圖4所示.由圖4可以看出，在沖擊荷載作用下2種涂層均產(chǎn)生了損傷壓痕，整個壓痕形貌呈球冠狀，壓痕內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的塑性變形.

圖4 沖擊高度為34cm時涂層的壓痕二維形貌圖Fig.4 Two dimensional indentation morphology of coatings at impact height of 34cm

由圖4(b)可見，聚氨酯涂層在沖擊作用下，壓痕周圍產(chǎn)生堆積隆起，壓痕外部產(chǎn)生許多較寬的徑向裂紋，沖擊坑內(nèi)外出現(xiàn)少量同心不同半徑的環(huán)向裂紋，裂紋拓展較多，這是材料受到?jīng)_擊時內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷演變由遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)的拉伸裂紋與接近沖擊點(diǎn)邊界的剪切裂紋共同作用的結(jié)果[17-18].而由圖4(a)可見，氟碳涂層的壓痕未出現(xiàn)材料的堆積隆起，沖擊產(chǎn)生的徑向裂紋較聚氨酯涂層少，且裂紋寬度較細(xì)，未出現(xiàn)明顯的環(huán)向裂紋.

2.3.2 沖擊表面三維形貌分析

采用德國Leica公司生產(chǎn)的Z16APOA型超景深三維顯微鏡觀察鋼結(jié)構(gòu)涂層受沖擊后的損傷形貌.本研究選取沖擊損傷較為明顯的區(qū)域進(jìn)行超景深三維顯微鏡觀測，放大倍數(shù)為12.5倍，能夠清晰地還原沖擊表面損傷形貌.

圖5為沖擊高度為34cm時鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層沖擊損傷三維形貌圖.由圖5可以看出，鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層在球頭沖擊下所產(chǎn)生的壓痕是1個球冠狀的沖擊坑，沖擊坑及周圍由于存在拉壓應(yīng)力而導(dǎo)致涂層破壞，壓痕內(nèi)部呈現(xiàn)出塑性變形的特征，沖擊壓痕周圍有明顯的材料堆積隆起，與二維顯微鏡觀測結(jié)果一致.由圖5(a)可知，當(dāng)沖擊高度為34cm時，聚氨酯涂層表面有明顯凹陷孔洞，涂層厚度高差明顯，這是因?yàn)榫郯滨ネ繉优c基體的附著力等級和結(jié)合強(qiáng)度不高，在沖擊作用下涂層整體形貌損傷痕跡比較明顯.

圖5 沖擊高度為34cm時鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層沖擊損傷三維形貌圖Fig.5 Three dimensional morphology of impact damage of polyurethane coating on steel structure at impact height of 34cm

圖6為沖擊高度為34cm時鋼結(jié)構(gòu)氟碳涂層沖擊損傷三維形貌圖.由圖6可知，在沖擊荷載作用下，氟碳涂層表面形成沖擊坑，壓痕內(nèi)部呈現(xiàn)出塑性變形的特征，壓痕內(nèi)部的材料在沖擊荷載作用下更加密實(shí)，與二維顯微鏡觀測結(jié)果一致.由圖6(a)可知，當(dāng)沖擊高度為34cm時，氟碳涂層表面平整度較好，這是因?yàn)樵跊_擊球頭垂直下落的瞬間，球頭的大部分彈性能量被氟碳涂層的氟碳鍵(F—C)吸收，這部分彈性能量的釋放會造成球頭的回彈，使沖擊坑發(fā)生部分彈性恢復(fù)，形成的塑性變形較小，從而降低其損傷程度，提高其抗沖擊性能.

對比圖5、6可知，在相同沖擊高度(34cm)下，2種涂層表面均出現(xiàn)不同程度的塑性變形，表面壓痕形成沖擊坑，但氟碳涂層表面的平整度優(yōu)于聚氨酯涂層.這是因?yàn)?種涂層的粗糙度存在差異，氟碳涂層形成的機(jī)械互鎖作用較強(qiáng)，因此具有較高的附著力，從而提高了涂層與基體間的化學(xué)鍵作用力.氟碳涂層與聚氨酯涂層的壓痕深度分別為87.3、 360.0μm，前者較后者降低76%；氟碳涂層與聚氨酯涂層的沖擊壓痕寬度分別為2.5、5.1mm，說明氟碳涂層抗塑性變形能力更好.

圖6 沖擊高度為34cm時鋼結(jié)構(gòu)氟碳涂層沖擊損傷三維形貌圖Fig.6 Three dimensional morphology of impact damage of fluorocarbon coating on steel structure at impact height of 34cm

3 結(jié)論

(1)隨著沖擊高度的增加，鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖擊荷載峰值增大，二次沖擊荷載峰值增大，二次沖擊的時間間隔延長；鋼結(jié)構(gòu)氟碳涂層沖擊荷載峰值與二次沖擊荷載峰值均小于聚氨酯涂層，氟碳涂層的抗沖擊能力優(yōu)于聚氨酯涂層.

(2)隨著沖擊荷載的增加，鋼結(jié)構(gòu)氟碳涂層與聚氨酯涂層壓痕尺寸的增長速率表現(xiàn)為：氟碳涂層<聚氨酯涂層，氟碳涂層所承受的極限荷載值大于聚氨酯涂層，說明在沖擊荷載作用下氟碳涂層的抗塑性變形能力較強(qiáng).

(3)沖擊荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)涂層表面產(chǎn)生球冠狀沖擊坑，聚氨酯涂層壓痕周圍出現(xiàn)材料堆積以及環(huán)向與縱向裂紋，而氟碳涂層壓痕則未出現(xiàn)材料的堆積隆起，沖擊產(chǎn)生的徑向裂紋較聚氨酯涂層少，裂紋寬度較細(xì)，且未出現(xiàn)明顯的環(huán)向裂紋；相同沖擊高度(34cm)下，氟碳涂層沖擊壓痕深度較聚氨酯涂層下降76%，壓痕寬度明顯小于聚氨酯涂層.