銹蝕鋼板力學性能的退化規律

邱 斌，徐善華

（西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710055）

0 引 言

鋼材受環境作用普遍存在不同程度的銹蝕，銹蝕必然會導致鋼材各項力學性能發生不可逆轉的退化，其中強度退化對結構承載性能的影響尤為重要。文獻［1—3］分別針對碳鋼在工業大氣環境下、含SO2的大氣環境下及海洋大氣環境下的耐蝕性、銹蝕產物、銹蝕形貌及銹蝕產物生長過程等進行了研究，但未對碳鋼銹蝕后的各項力學性能退化規律進行分析。

目前，眾多學者往往以銹蝕鋼筋力學性能退化規律為研究重點，且研究成果存在較大分歧。一種觀點認為，銹蝕對鋼筋的屈服強度和抗拉強度無顯著影響，但會使其斷后伸長率下降［4－5］；另一種觀點則認為，銹蝕率較小時（通常截面銹蝕率在5%以內），鋼筋銹蝕較均勻，銹蝕對其力學性能無顯著影響，而銹蝕率較大時（不均勻銹蝕），銹蝕使其屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率都有所下降［6－11］。

銹蝕對鋼板力學性能的影響被長期忽視，其研究成果寥寥無幾，文獻［12］通過試驗研究表明，銹蝕對鋼板的屈服強度、抗拉強度無顯著影響，但對其塑性影響顯著。文獻［13］通過試驗研究表明，銹蝕后鋼板的屈服強度、抗拉強度隨銹蝕程度增加呈線性下降，伸長率的下降與銹蝕程度成冪函數關系，與文獻［12］的研究結果存在較大分歧。因此，研究銹蝕對鋼板各項力學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，還存在蝕坑處的應力集中效應，這種效應在宏觀上表現為鋼筋力學性能的退化。由于銹蝕后鋼筋截面面積的減小程度只能通過一段范圍內的截面面積減小平均值反映，同時銹蝕鋼筋力學性能的退化也是一段鋼筋的平均值。部分學者在研究銹蝕鋼筋強度退化時將應力集中效應和截面面積減小合二為一，通過力學性能的平均值研究銹蝕鋼筋力學性能的退化規律［10－11］，使得討論更加方便，同時也更直觀地反映銹蝕對鋼筋力學性能的影響。

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

1 試樣制備與試驗方法

試驗用材料為熱軋Q235B鋼板，主要化學成分（質量分數/%）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種不同銹蝕環境下進行加速銹蝕試驗。試樣工作部分與圓弧過渡部分的連接處要求為光滑連接，不能產生任何凹陷。稱試樣銹蝕前后質量。

自然大氣酸霧加速銹蝕：將8組（每組3個）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面至濕潤，為確保兩面銹蝕狀況一致，需每周翻轉一次并進行噴灑，銹蝕時間為122d。此法既模擬了鋼板實際處于自然大氣酸霧中時的干濕交替情況，又能達到加快銹蝕的目的。

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

中性鹽霧箱加速銹蝕：將10組（每組3個）試樣與垂直方向成30°放置于YWX/Q-020型鹽霧箱內，噴灑質量分數為5%的氯化鈉鹽霧進行加速銹蝕，鹽霧箱溫度為35℃，飽和器溫度為37℃，相對濕度大于95%，在箱底適當加水補充箱內水分以保證相對濕度要求。采用間隙噴霧，1d連續噴6h后停噴6h，停噴時不加熱，試樣在鹽霧箱內自然冷卻。為確保兩面銹蝕狀況保持一致，需1d翻轉一次，取樣時間分別為14，20，40d，銹蝕時間總計178d。

自然大氣環境下中性鹽霧加速銹蝕：將17組（每組3個）試樣暴露于自然大氣環境下（西安建筑科技大學土木樓樓頂），為確保試樣兩面銹蝕狀況保持一致，每隔4～5d翻轉一次，同時在試樣表面均勻噴灑飽和氯化鈉溶液進行加速銹蝕，銹蝕時間約3a。

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

將銹蝕試樣制成尺寸為240mm×30mm×8mm的拉伸試樣，不同銹蝕環境下均預留一組試樣作為對比試樣并制作成拉伸試樣，按GB/T 228－2002在CSS-WAW300DL型電液伺服萬能試驗機上對銹蝕前后試樣進行室溫拉伸試驗，拉伸速度10～30mm·s－1。

2 試驗結果與討論

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

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

2.1 彈性模量相對值

由圖1可知，不同銹蝕環境下銹蝕對彈性模量相對值的影響各不相同，可采用下式進行表征：

式中：αs為銹蝕影響系數。

在自然大氣酸霧和中性鹽霧箱環境下，彈性模量相對值隨銹蝕程度的增加小幅降低，銹蝕影響系數αs較小；在恒溫恒濕環境下，彈性模量相對值在一條直線上下波動，從統計角度而言，銹蝕對彈性模量相對值無影響；在自然大氣中性鹽霧環境下，彈性模量相對值隨銹蝕程度的增加小幅增長，該規律不符合情理，應是試驗誤差及數據的離散性造成。綜上所述，銹蝕對鋼板彈性模量的影響比較復雜，應進一步分析研究。

2.2 斷后伸長率相對值

由圖2可知，斷后伸長率相對值隨銹蝕程度增加而顯著降低，下降規律顯著服從下式：

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

2.3 屈服強度相對值

由圖3可知，不同環境中屈服強度相對值隨銹蝕程度的增加較好地服從兩折線退化規律。銹蝕率不大于4%時，ky＝1；銹蝕率大于4%時呈下列規律：

圖1 不同環境加速銹蝕后彈性模量相對值－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 不同環境加速銹蝕后斷后伸長率相對值－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 不同環境加速銹蝕后屈服強度相對值－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 抗拉強度相對值

由圖4可知，不同環境中抗拉強度相對值隨銹蝕程度增長同樣也較好地服從兩折線退化規律。

銹蝕率不大于4%時，kt＝1；銹蝕率大于4%時有如下規律：

圖4 不同環境加速銹蝕后抗拉強度相對值－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律仍需通過大量試驗數據確定，因為影響銹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，同時也導致蝕坑處產生應力集中效應，若以絕對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，銹蝕鋼板彈性模量的退化規律很大程度上取決于其表面蝕坑的分布、尺寸及數量等因素，故銹蝕鋼板彈性模量退化速率仍需要通過大量的試驗數據確定。

屈服強度和抗拉強度隨銹蝕程度的增加均較好地服從兩折線退化規律，說明銹蝕對鋼板的屈服強度和抗拉強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模較小的局部坑蝕為主，蝕坑尺寸相對較小，蝕坑處的應力集中不足以影響試樣的強度；隨著銹蝕程度增大，試樣逐漸轉化為全面銹蝕，蝕坑尺寸逐漸增大，蝕坑處的應力集中對試樣強度的影響也逐漸增大。

同時可以發現，在自然大氣中性鹽霧環境下，雖然其銹蝕率高達40%左右，但各項性能退化規律擬合式的銹蝕影響系數最小。這主要因為在自然大氣中性鹽霧環境加速銹蝕試驗中，對銹蝕試樣的銹蝕均勻性控制得相對較好，銹蝕對鋼板力學性能的影響主要體現在截面面積減小，而銹蝕不均勻性對鋼板力學性能的影響尚未充分表現出來。

斷后伸長率、屈服強度及抗拉強度的銹蝕影響系數不等于1，說明雖然銹蝕鋼板的力學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，進一步證明影響銹蝕鋼板的強度和斷后伸長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。原因在于銹蝕不僅引起鋼板截面面積減小，同時也導致蝕坑處產生應力集中效應，兩者共同作用導致鋼板強度與斷后伸長率降低。

由于試驗所取試樣均為Q235B鋼板，且銹蝕率在40%以內，所以上面各公式的適用范圍也僅限于此，其它如Q345等鋼板的力學性能隨銹蝕程度增長而退化的規律仍需進一步研究分析。

3 結 論

（1）由于銹蝕對鋼板彈性模量的影響較為復雜，因此不同銹蝕環境下不同銹蝕程度的鋼板彈性模量退化規律仍需進一步研究。

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

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

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