免涂裝耐候鋼腐蝕后的疲勞試驗研究*

梁健宇 姚 諫， 張玉玲

(1.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058;2.浙江樹人大學城建學院，杭州 310015)

0 引言

腐蝕會造成鋼結構截面削弱、剛度下降，可能導致其強度或穩定性不滿足原設計要求，甚至會使結構破壞。因此防止或減緩鋼材腐蝕并同時提高材料的力學性能具有重要的意義。使用耐大氣腐蝕高性能鋼材來代替傳統鋼材，是解決鋼結構腐蝕問題的一條新途徑［1］。

耐候鋼在大氣環境下具有優秀的耐腐蝕性，屬于低合金高強度結構鋼［2-3］。耐候鋼是通過添加少量的銅、鉻、鎳等合金元素，使其在金屬基體表面上形成致密且附著性很強的保護銹層［4-5］。外表的保護銹層能阻礙銹蝕進一步向表層內的基體擴散和發展，提高鋼材的耐大氣腐蝕性能［6］。

耐候鋼在大氣下的耐蝕性通常為普通鋼的2～8倍［7-8］，能在結構使用期內有效減少腐蝕帶來的損失，降低維護成本甚至免維護，最終達到結構總成本的下降。

如今，耐候鋼已應用于橋梁、鐵路、汽車、建筑、輸電塔等領域［8-10］。在橋梁、軌道上裸露使用，耐候鋼處于帶銹狀態的同時，還需要承受循環荷載［6，11］。為了獲得耐候鋼腐蝕后的疲勞性能，得到其應力-疲勞壽命(S-N)曲線，本文對Q355NHD耐候鋼及其焊接試件的腐蝕后疲勞性能進行試驗研究。同時為了比較，還對涂裝后的Q345qD普通鋼進行了疲勞性能試驗。

1 試件制作

Q355NHD耐候鋼及其焊接試件(以下分別簡稱耐候鋼試件和耐候鋼焊接試件)分別為6個和5個，涂裝后的 Q345qD普通鋼試件(以下簡稱普通鋼試件)6個，試件尺寸及構造如圖1所示［12］。圖1b示焊接試件中部對接焊采用CO2氣體保護焊打底(焊絲 JQ.YJ501NiCrCu-1)、埋弧焊填充的方法焊接，埋弧焊采用PREMIER WELDTM Ni1K(直徑4.8 mm)焊絲 +JF-B焊劑焊接，保留焊縫余高。普通鋼試件的上下表面以及側邊都進行涂裝處理(用噴砂處理方式凈化試件表面，使表面質量達到 Sa2.5級，然后覆以80 μm環氧富鋅底漆、150 μm環氧云鐵中間漆和40 μm氟碳面漆)，以模擬實際工程中涂裝后的普通鋼表面獲得較好維護不產生銹點時的使用狀態。

耐候鋼試件及其焊接試件進行24 d乙酸鹽霧循環腐蝕試驗，其腐蝕時長相當于廣州、江津大氣自然腐蝕 21.55 年和 10.92 年［13］。

試件用Q355NHD耐候鋼和Q345qD普通鋼的非Fe主要化學元素組成以及力學性能如表1所示，表中fy、fu和Es分別為屈服強度、抗拉強度和彈性模量［13］。

表1 鋼材非Fe主要化學元素組成及其力學性能指標Table 1 Main chemical elements except Fe and mechanical properties of the steels

2 疲勞試驗

2.1 試驗概況

試件疲勞試驗在浙江樹人大學結構試驗大廳進行，加載采用1 000 kN液壓伺服疲勞試驗機進行加載，可提供最大軸力正負1 000 kN。疲勞試驗機如圖2所示。對試件采用應力控制加載。每個試件的荷載頻率由荷載幅值以及試驗機的運行狀態決定。對不同的荷載幅值選用使疲勞試驗機振動較小且荷載曲線符合正弦曲線形態的最大頻率。為了保證試驗安全，當試件疲勞裂紋貫穿厚度方向，并沿寬度方向擴展至試件寬度的約1/3時，認為其發生疲勞破壞，并將此時的荷載循環次數作為其疲勞壽命。

采用應力控制的單點法對試件進行疲勞試驗，拉-拉循環加載，最小應力均為10 MPa;一個試件對應一個應力幅(最大應力與最小應力代數差)，在對應應力水平下測得該試件的S-N曲線。從最高應力水平開始，逐級降低應力幅，記錄在各級應力幅下試件的疲勞壽命，直到完成全部試驗為止［14］。

圖2 1 000 kN液壓伺服疲勞試驗機Fig.2 Hydraulic servo fatigue testing machine of 1 000 kN

2.2 疲勞試驗結果及分析

2.2.1 試件斷口形態

試件疲勞試驗的典型斷口如圖3所示，圖中1和2分別表示光滑區和粗糙區。腐蝕后耐候鋼試件疲勞試驗的典型斷口如圖3a所示：所有試件裂紋起始面均為在腐蝕試驗中朝上的表面，即腐蝕較為嚴重的一面;裂紋出現后，先向寬度方向擴展，同時向厚度方向貫穿。因為腐蝕在表面產生腐蝕坑，造成了表面不平整，所以疲勞裂紋的形成基本發生在腐蝕坑處，腐蝕坑附近截面急劇變化產生的應力集中促成疲勞裂紋的產生與擴展。

腐蝕后耐候鋼焊接試件疲勞試驗的典型斷口如圖3b所示：斷口均出現在焊縫處;明顯的裂紋出現后，先沿著焊縫向寬度方向擴展，同時向厚度方向貫穿。

圖3 試件疲勞試驗斷口示意Fig.3 Scrhematic diagram of fracture surface of specimens

普通鋼試件在試件截面角部(如圖3c左下角)：疲勞裂紋出現后，先向厚度方向擴展;隨著加載的進行，裂紋貫穿厚度方向后，裂紋的擴展方向發生改變，轉變為往試件寬度方向發展，直至斷裂，典型斷口如圖3c所示。腐蝕后的耐候鋼試件試驗段表面因腐蝕產生疲勞源，所以在該處產生了裂紋，最終導致與普通鋼試件不同的斷口方式。

此外，比較不同應力水平下的試件表面銹層發現，隨著最大應力的增加，會加劇對表面銹層的破壞，導致其脫落。在實際工程中，耐候鋼表面銹層脫落將會使腐蝕介質易于侵入基體，降低其耐大氣腐蝕性。所以在實際使用耐候鋼時，對承受循環荷載作用的高應力部位，宜采取涂裝處理等防護措施，以免表面銹層脫落而降低耐腐蝕性。

2.2.2 試驗數據分析

試驗結果如表2所示，經回歸分析，得到耐候鋼試件、耐候鋼焊接試件以及普通鋼試件的S-N擬合曲線分別為：

式中：N為疲勞壽命;Δσ為應力幅。

表2 疲勞試驗結果Table 2 The results of the fatigue test

式(1)在雙對數坐標中的曲線形式如圖4所示。顯見，耐候鋼的S-N曲線位于普通鋼的下方，耐候鋼焊接試件的S-N曲線位于3條曲線最下方，即在相同的循環周次下，涂裝后普通鋼的疲勞強度最高，耐候鋼焊接試件的最低。

圖4 疲勞試驗結果與擬合曲線Fig.4 Fatigue test results and fitting curves

通過擬合曲線計算得到200萬次壽命時，耐候鋼試件、耐候鋼焊接試件以及普通鋼試件的應力幅分別為 217.95，178.54，343.39 MPa。

表3給出了按式(1)計算得到的不同疲勞壽命(循環周次)下3種試件的應力幅比值，表中Δσ耐、Δσ焊和Δσ普分別為耐候鋼試件、焊接試件和普通鋼試件的應力幅。可見，隨著疲勞壽命增加，耐候鋼試件相對普通鋼試件、耐候鋼焊接試件相對于耐候鋼試件的疲勞強度降低百分比逐漸擴大。

表3 應力幅比值Table 3 The radio of stress range

2.2.3 考慮存活率的S-N曲線

采用試驗值擬合得到的S-N曲線，為50%存活率的曲線。實際工程中，通常會要求獲得較高存活率P下的S-N曲線，即P-S-N曲線。所以確定P-S-N曲線對于結構材料的安全壽命預測研究具有重要意義［15-16］。文獻［17］給出了基于單點法并采用極大似然估計對P-S-N曲線參數進行估計的方法。該計算方法基于三參數S-N曲線模型。下面簡要介紹該方法的使用原理。常用的三參數S-N曲線模型為：

式中：m、C和 σ0為與材料性質等相關的參數。對式(2)等號兩端取自然對數，并引入依賴應力幅的對數正態隨機變量Z(Δσ)，則式(2)變為：

Z(Δσ)的標準差為 s(Δσ)。從理論上可以證明［18］：當S-N曲線和P-S-N曲線在對數坐標系中為直線時，對數疲勞壽命的標準差將隨著對數應力水平的降低而線性增大，通常假定與對數應力幅存在線性關系［17-18］。

根據lnN服從正態分布，獲得其對數似然函數，然后根據極大似然原理解極大似然方程組即可獲得ln C等相關參數。則存活率P下的疲勞壽命Np可根據下式獲得：

式中：up為標準正態偏量;不同的存活率對應不同的值，見表 4。P-S-N 曲線計算過程如圖 5 所示［16，19］。

表4 不同存活率下標準正態偏量取值表［21］Table 4 The standard positive deviation values at different survival rates

對試驗數據(表2)進行三個參數S-N模型的擬合，可得耐候鋼試件、耐候鋼焊接試件以及普通鋼試件的三參數S-N曲線如下：

采用上述計算原理(圖5)，代入本文試驗結果進行計算，計算過程以及參數的求解采用MATLAB計算軟件實現。根據式(4)與表4的標準正態偏量，耐候鋼試件、耐候鋼焊接試件以及普通鋼試件的三參數S-N曲線具有存活率P=90%的P-S-N曲線分別為：

圖5 P-S-N曲線計算流程［19］Fig.5 Calculation flow chart of P-S-N curve

圖6 給出了式(6)—式(7)所示的P-S-N曲線。可以看出，P-S-N曲線與S-N曲線有相同的變化趨勢，并且曲線形狀較為相似;隨著應力幅的增加，疲勞壽命不斷減小;提高存活率，疲勞壽命明顯下降，即隨著存活率的不斷增大，相應的P-S-N曲線相對于50%存活率的曲線不斷下降，相同的疲勞壽命下，隨著存活率的增加，對應的應力幅逐漸減小，結果趨于保守。通過計算結果發現，基于單點法試驗所計算得到的P-S-N曲線，具有形式統一，整體規律較好的優點［22］。

圖6 疲勞P-S-N曲線Fig.6 P-S-N curves

2.2.4 置信水平下 P-S-N曲線

為使估算出的疲勞壽命安全、可靠，需要考慮P-S-N曲線的置信水平 g，獲得具有置信水平 γ、存活率P的疲勞壽命Npγ。文獻［20］給出了利用 t分布［23］的特點，計算一定置信水平下的P-S-N曲線方法。利用該方法，計算得到本文耐候鋼試件、耐候鋼焊接試件以及普通鋼試件在不同置信水平g、不同存活率P時的P-S-N曲線為(圖7)：

從圖7可以看出，γ-P-S-N曲線與 P-S-N曲線雖然有相同的變化趨勢、曲線相似，但是受置信水平影響較大。同一存活率下，當置信水平變為95%時，材料疲勞壽命有所下降，即P-S-N曲線會整體下降，結果偏向保守。當不考慮置信水平時，置信水平為0，γ-P-S-N曲線轉化為P-S-N曲線。考慮置信水平的P-S-N曲線，因展現的是母體的真實值，故有一定概率落在與試驗值有關的區間內。即置信區間提高了試驗的可信程度，為使估算出的疲勞壽命安全、可靠，需要考慮P-S-N曲線的置信水平。

圖7 疲勞γ-P-S-N曲線Fig.7 γ-P-S-N curves

通過計算結果可以發現，按照上述方法計算得到的γ-P-S-N曲線，變化趨勢較為理想，變化分布合理，整體規律較好。

3 結束語

1)腐蝕后耐候鋼的疲勞強度比涂裝后普通鋼的低，腐蝕后耐候鋼焊接試件的疲勞強度最低。在疲勞壽命為2×106次時，耐候鋼的疲勞強度為普通鋼的63.5%，耐候鋼焊接試件的疲勞強度為耐候鋼的81.9%。腐蝕后試件表面產生的腐蝕坑以及焊接試件的焊縫處力學不均勻性是導致疲勞性能降低的主要原因。

2)基于極大似然估計法建立、分析三種試件的P-S-N以及γ-P-S-N曲線可知，提高存活率或置信水平時，在相同的疲勞壽命下，對應的應力幅減小，即考慮存活率或者置信水平的S-N曲線與50%存活率的基于試驗結果擬合的S-N曲線相比更加安全，擬合得到的曲線更加可靠。