國內外耐候鋼腐蝕疲勞試驗技術發展

鄭凱鋒，張 宇，衡俊霖，馮霄暘，王亞偉

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

耐候鋼的抗腐蝕性能是普通鋼材的2～8倍，可以免涂裝使用于結構，從而極大地降低維護成本. 耐候鋼在免涂裝使用過程中依然會銹蝕，由于其含有Cu、Ni等元素，其表面銹蝕層具有較普通結構鋼更好的致密性和穩定性，形成了一層能防止進一步銹蝕的保護層. 在腐蝕環境中，耐候鋼不僅發生均勻腐蝕，還會發生坑蝕[1]. 對于鋼結構，坑蝕是更具破壞性的腐蝕類型[2]. 在海洋環境中(含Cl離子)耐候鋼坑蝕更嚴重，并且環境pH值變化導致蝕坑的深寬比發生變化. 文獻[3]通過5 a腐蝕試驗表明，遮蔽條件和海洋環境的耐候鋼均勻腐蝕速率更高，而且會發生嚴重的坑蝕. 文獻[4]研究表明，中國高強度耐候鋼可以用于橋梁建設，同時在腐蝕作用下鋼材的疲勞強度會降低.

通過增加鋼材表面局部應力集中系數，坑蝕導致鋼材疲勞強度降低. 文獻[5]通過荷載試驗和Miner準則分析列車結構的疲勞壽命，結果表明，老舊列車的疲勞壽命會大大降低. 但是該方法只考慮了結構的均勻腐蝕，通過荷載試驗得到的應力幅，采用基于S-N曲線的損傷累積理論進行評估，結構具有一定局限性. 在理論分析的基礎上，疲勞試驗是確定材料疲勞性能最有效和直接的方法. 文獻[6]對自然環境中腐蝕的耐候鋼進行疲勞試驗，得到經過20 a腐蝕的免涂裝耐候鋼疲勞強度削減程度. 文獻[7]對長期大氣腐蝕后的耐候鋼梁進行疲勞試驗，試驗結果表明，腐蝕作用對不同疲勞細節的疲勞強度導致不同程度的削減. 文獻[8]對鹽水溶液中的鋼材進行疲勞試驗，結果也表明腐蝕環境中疲勞強度會有不同程度的削減. 以上疲勞試驗研究表明，不同的腐蝕環境條件、應力狀態和鋼材種類導致了不同的疲勞強度折減，耐候鋼在腐蝕環境中的疲勞性能研究需要考慮多種影響因素. 文獻[9]在對高性能鋼的綜述中指出，橋梁工程中鋼材的疲勞性能會主導多項設計要求. 因此，耐候鋼的腐蝕疲勞性能會影響免涂裝耐候鋼橋梁的設計. 目前，疲勞試驗已經成為確定橋梁結構疲勞強度的常用手段. 除了對于母材板材試件，針對橋梁局部構造試件和節段試件的疲勞試驗也大量開展[10-11]. 但是，中國橋梁耐候鋼的腐蝕疲勞試驗較少，仍然需要大量系統的研究；鋼材的疲勞試驗方法已經較為成熟，考慮腐蝕的疲勞試驗方法仍然需要系統研究.

本文介紹了腐蝕環境、腐蝕作用和腐蝕作用對耐候鋼疲勞性能的影響；通過回顧和分析大量腐蝕疲勞試驗及其結果，總結了腐蝕疲勞試驗試件設計、腐蝕試驗和疲勞試驗方法，并對HPS 485W和Q345CNH鋼開展腐蝕后的疲勞試驗，并與經自然腐蝕后耐候鋼的疲勞數據進行對比分析.

1 腐蝕及其對耐候鋼疲勞性能的影響

1.1 腐蝕環境

免涂裝耐候鋼橋梁在使用過程中需要抵抗來自環境的腐蝕作用. 文獻[1]在研究中指出，免涂裝耐候鋼橋梁設計中可以通過其所處環境分類進行腐蝕的評估.

大氣環境中含有水份、氧氣和各類腐蝕性物質(Cl離子、SOx、NOx等)，能夠導致鋼材的腐蝕. 在不同地區，大氣環境條件具有較大區別，從而導致同一材料腐蝕速率和程度都不相同. 規范[12]指出影響鋼材腐蝕性能的4個主要因素，其中包括年平均溫度、年平均濕度、年平均Cl離子沉積率和年平均SO2沉積率. 溫度升高會加速鋼材氧化速率，空氣中的水份是鋼材銹蝕的重要影響因素，通過K?ppen-Geiger氣候分類圖[13]可以得到各地區溫度和濕度的分布. 大氣中的SO2主要來自于化石能源燃燒，工業化的發展導致主要工業區SO2沉積率較高，當其與水份結合后對鋼材具有較強的腐蝕性[14]. 沿海地區大氣中還含有高濃度的Cl離子，此外，北方地區公路上使用的除冰鹽中更是含有高濃度的Cl離子，其與水份結合后也會導致鋼材嚴重的腐蝕[15]. 文獻[16]通過長期大氣腐蝕試驗研究，結果表明，SO2質量濃度主要影響鋼材腐蝕初期的腐蝕特性，Cl離子質量濃度和濕度主要影響鋼材后期的腐蝕特性.

根據不同的腐蝕環境及其對鋼材的腐蝕程度，ISO 9223將腐蝕環境分為了不同的腐蝕等級，其中隨腐蝕等級增加將腐蝕環境分為了C1、C2、C3、C4、C5和CX 6個等級[17].

1.2 均勻腐蝕

鋼材的均勻腐蝕是鋼材表面金屬與大氣中腐蝕性物質發生反應，整體消耗鋼材表面的過程，表現為金屬板材厚度的不斷減小. 對于橋梁結構，截面設計是為了保證其能夠滿足荷載作用下的強度、穩定等驗算指標. 當鋼材在腐蝕中消耗后，截面發生削減，橋梁強度、穩定等的檢算結果將發生變化. 因此，耐候鋼用于免涂裝耐候鋼橋梁時，其均勻腐蝕量需要被準確評估.

文獻[18]提出大氣環境下鋼材的腐蝕量遵循指數方程，其具體表達式為

C=Atn.

(1)

其中：C為鋼材腐蝕量，A為鋼材第1年腐蝕量，t為腐蝕時間，n為腐蝕指數.

文獻[19]總結了A242和A588兩種耐候鋼在全球各地區的大氣腐蝕數據，對耐候鋼均勻腐蝕評估具有重要意義. 文獻[20]在橋梁現場進行長期掛片腐蝕試驗，結果表明在同一橋梁不同部位耐候鋼的腐蝕速率存在較大差異. 在免涂裝耐候鋼橋梁設計過程中，處于不同部位、方向、暴露方式和養護措施的構件的均勻腐蝕評估是不同的，需要進行研究. 文獻[21-22]進行了類似的研究，對大量橋梁不同部位進行長期現場掛片腐蝕試驗，提出針對不同鋼材、構件暴露方式、暴露表面方向等因素對均勻腐蝕評估的修正.

1.3 坑蝕

坑蝕是一種自催化過程，在鋼材腐蝕過程中與均勻腐蝕同時進行的一種局部腐蝕形式，表現為分布在金屬表面的小坑槽. 文獻[23]通過研究表明，由于銹蝕層的破裂，腐蝕性物質通過銹層裂縫到達鋼材表面，導致銹層下鋼材局部銹蝕. 文獻[2]研究了海洋環境中海洋結構坑蝕的模擬，研究表明坑蝕過程中分為4個階段：銹蝕層形成，銹蝕層破裂，蝕坑萌生和蝕坑發展. 與均勻腐蝕相比，坑蝕增加了鋼材表面粗糙度，增大了表面局部應力，是最具危害性的一種腐蝕類型，因此，坑蝕過程的描述在免涂裝耐候鋼橋梁應用中非常重要. 研究表明，蝕坑的分布具有隨機性，但坑蝕的過程具有一定規律性[24]. 通過對電化學腐蝕的研究，文獻[25]利用法拉第定理用于坑蝕過程的評估，該方法不僅考慮了材料本身的特性，還能考慮腐蝕環境的影響，能夠更全面地對坑蝕過程進行評估. 文獻[6,26-27]通過試驗表明，坑蝕產生的蝕坑會嚴重影響鋼材的疲勞性能，并且蝕坑是導致裂紋萌生的重要因素，如圖1所示.

圖1 鋼材蝕坑處萌生的疲勞裂紋

1.4 腐蝕對耐候鋼疲勞性能的影響

近10 a間，隨著技術的進步，更先進的鋼材、分析設備、加載設備和觀測設備不斷出現，對耐候鋼疲勞性能的研究也陸續出現. 文獻[5]考慮均勻腐蝕對列車結構腐蝕疲勞壽命進行評估，結果表明，均勻腐蝕會導致列車結構疲勞壽命降低. 隨著腐蝕疲勞研究的開展，文獻[28]通過研究Albrecht的腐蝕疲勞試驗表明，僅考慮均勻腐蝕不能準確評估耐候鋼腐蝕后的疲勞壽命. 與橋梁結構類似，采用耐候鋼修建的鐵塔結構也受到環境腐蝕. 文獻[6]使用自然腐蝕20 a的鐵塔耐候鋼進行疲勞試驗，試驗結果表明，腐蝕和未腐蝕的試件相比，R=-1和R=0時，107次荷載循環的疲勞強度均大幅降低. 文獻[29]對A588鋼梁進行水霧和鹽霧環境中的疲勞試驗，結果表明，腐蝕環境能降低鋼梁疲勞強度，腐蝕性更高的環境導致的疲勞強度降低更嚴重.

近年對于鋼橋的腐蝕疲勞理論研究也逐步展開. 文獻[30-31]通過考慮了均勻腐蝕作用對結合梁橋疲勞壽命進行評估，結果表明，均勻腐蝕會大幅降低結合梁橋的疲勞壽命. 在此基礎上，文獻[32]同時考慮均勻腐蝕和坑蝕對鋼橋壽命的評估，結果表明，均勻腐蝕會降低結合梁橋疲勞壽命，加上坑蝕作用后疲勞壽命進一步大幅降低. 在考慮坑蝕和疲勞機理基礎上，文獻[33]針對耐候鋼的研究中提出腐蝕疲勞模型，分析結果表明，腐蝕作用會大幅降低耐候鋼疲勞壽命，并且受到應力、應力幅、腐蝕環境和荷載循環頻率影響.

基于腐蝕環境對鋼材疲勞性能的影響，各國橋梁設計規范也考慮了腐蝕作用對耐候鋼疲勞性能的影響，但是對于其影響程度較為籠統[34-36]. 1989年，美國《耐候鋼橋梁使用指南》[37]在大量試驗研究基礎上，推薦各腐蝕環境中各類疲勞細節疲勞強度的折減.

綜上所述，腐蝕環境中耐候鋼的疲勞強度會降低；不同的腐蝕環境導致其疲勞強度降低程度有差異；腐蝕程度與腐蝕環境和材料有密切關系；基于新耐候鋼的出現，橋梁設計規范對于免涂裝耐候鋼疲勞強度降低作用需要完善.

2 鋼材腐蝕疲勞試驗分類及其進展

2.1 3種腐蝕疲勞試驗

為評估免涂裝和暴露鋼結構疲勞強度，美國《耐候鋼橋梁使用指南》[37]提供了3種疲勞壽命：腐蝕后疲勞S-N壽命(weathering fatigue S-N life)、腐蝕-疲勞S-N壽命(corrosion fatigue S-N life)和腐蝕后的腐蝕-疲勞壽命(weathering and corrosion fatigue S-N life)，分別對應腐蝕后疲勞試驗、腐蝕-疲勞試驗和腐蝕后的腐蝕-疲勞試驗. 這3種試驗統稱腐蝕疲勞試驗，各種腐蝕疲勞試驗中鋼材的性能稱為腐蝕疲勞性能.

腐蝕后疲勞試驗是對腐蝕一定時間后的試件在干燥環境中進行疲勞加載試驗；該類型試驗能夠得到腐蝕后試件的疲勞強度，了解腐蝕作用對疲勞性能的影響，但不能研究腐蝕和疲勞之間的相互作用. 腐蝕-疲勞試驗是對腐蝕環境中的未腐蝕試件進行疲勞加載試驗；該類型試驗能夠得到腐蝕過程中的疲勞壽命，能夠反映腐蝕和疲勞之間相互作用. 腐蝕后的腐蝕-疲勞試驗是將腐蝕后的試件置于腐蝕性環境(潮濕或鹽份)中進行疲勞加載試驗，直到試件破壞.

免涂裝耐候鋼橋梁建造過程中，腐蝕作用單獨作用于耐候鋼，橋梁運營階段腐蝕和活載同時作用. 因此，腐蝕后的腐蝕-疲勞試驗能夠更全面地反映免涂裝耐候鋼橋梁施工過程和運營使用過程，但是其實現方法最為復雜. 3種腐蝕疲勞試驗中，腐蝕后的疲勞試驗和腐蝕-疲勞試驗相互獨立，本文將著重對其試驗實施進行論述.

目前，已有學者針對鋼材的腐蝕-疲勞過程進行理論和試驗研究[33,38]，腐蝕后的腐蝕-疲勞試驗研究較少. 腐蝕疲勞試驗在疲勞試驗基礎上加入腐蝕試驗，導致腐蝕疲勞試驗影響因素較多，試驗過程可以參考ISO 11782-1[39]進行；研究需要有順序和層次地開展，逐一研究各因素的作用.

2.2 普通鋼和耐候鋼腐蝕疲勞試驗進展

20世紀80年代開始，對于耐候鋼腐蝕疲勞性能研究已經開始，并且通過大量試驗基本了解腐蝕作用對鋼材疲勞強度的降低. 隨著技術的進步，性能更好的耐候鋼也相繼出現，例如高性能鋼(high performance steel)[9]和抗腐蝕性更高的耐候鋼(含Ni元素)[20]. 1992年，ISO 9223規范對環境腐蝕等級進行分類，指出影響環境腐蝕等級的因素(溫度、濕度、硫化物、Cl離子等)，并且提出了環境腐蝕等級的評估方法[12]. 針對新的鋼材和環境腐蝕等級分類，新的腐蝕疲勞試驗也陸續開展. 20世紀80年代至今，據不完全統計，針對鋼材腐蝕疲勞的試驗及其試驗結果見表1. 其中，序號1、3和8試驗中采用結構鋼，其余試驗均采用耐候鋼.

表1 部分鋼材腐蝕疲勞試驗統計

文獻[26]將Q345qD、Q355NHD和Q355NHD焊接小試件放置于乙酸鹽霧環境中腐蝕，并采用液壓伺服疲勞試驗機進行疲勞試驗，試驗結果表明，腐蝕后的耐候鋼在2×106次循環荷載的疲勞強度是未腐蝕普通鋼的63.5%. 文獻[8]通過自制環境箱對鹽水溶液中的S355J2G2+N耐候鋼進行疲勞試驗，試驗結果表明，R= -1時，腐蝕試件4×106循環荷載的疲勞強度比未腐蝕試件降低47%；R=0時，同樣條件下疲勞強度降低51%.

根據腐蝕疲勞試驗統計，大多數試驗都是在人工腐蝕環境中進行；試件類型基本采用小試件；試驗基本是針對腐蝕后試件的疲勞試驗；腐蝕環境對鋼材疲勞強度削減程度有較大影響.

2.3 腐蝕疲勞試驗結果分析

基于以上腐蝕疲勞試驗結果，對試驗結果進行進一步歸納和分析.

文獻[6]針對自然腐蝕20 a的Atmofix 52A耐候鋼進行疲勞試驗，并與未腐蝕的同種鋼材進行對比，疲勞試驗加載頻率為40 Hz，當R=0時，其數據如圖2所示. 結果表明，腐蝕后的耐候鋼疲勞壽命顯著降低；未腐蝕耐候鋼疲勞數據離散型大于腐蝕后的耐候鋼；腐蝕前后耐候鋼疲勞數據S-N曲線斜率非常接近；疲勞裂紋萌生于蝕坑部位.

圖2 Atmofix 52A耐候鋼腐蝕前后疲勞試驗數據

文獻[8]中針對S355J2G3+N低碳鍛鋼進行腐蝕過程中的疲勞試驗，腐蝕物質為NaCl溶液，并與未腐蝕的同種鋼材進行對比，疲勞加載頻率為15 Hz，其中，當R=0時，其數據如圖3所示. 結果表明，腐蝕-疲勞會降低鋼材疲勞強度；未腐蝕的疲勞試件數據離散性略大于腐蝕-疲勞試件；與未腐蝕試件相比，腐蝕-疲勞數據S-N曲線斜率有較大變化.

圖3 S355J2G3+N低碳鍛鋼腐蝕疲勞試驗數據

文獻[26]采用經乙酸加速腐蝕后的Q355NHD鋼進行疲勞試驗，并與未腐蝕的Q345qD鋼進行對比，疲勞荷載頻率不固定，應力比變化(最小應力均為10 MPa)，其數據如圖4所示. 結果表明，與未腐蝕普通鋼相比，耐候鋼疲勞強度降低；在不同的應力比作用下，腐蝕后耐候鋼疲勞數據更趨于曲線；疲勞裂紋萌生于腐蝕缺陷部位.

圖4 未腐蝕普通鋼和腐蝕后耐候鋼疲勞試驗數據

綜上分析，腐蝕作用會對鋼材疲勞強度造成顯著的降低；腐蝕后的試件疲勞數據離散型要小于未腐蝕試件，并且兩組數據S-N曲線趨勢接近；腐蝕過程中的疲勞試驗會導致數據S-N曲線斜率發生變化；不同的應力比對數據S-N曲線的擬合造成影響；疲勞裂紋常萌生于蝕坑部位.

3 腐蝕疲勞試驗內容

3.1 腐蝕疲勞試件

腐蝕疲勞試驗試件根據試驗的目的可以分為普通疲勞試件和裂紋擴展試件. 普通疲勞試件用于測試疲勞裂紋萌生或疲勞破壞的壽命，該試件設計可以參照文獻[42]；裂紋擴展試件用于測試門檻值和裂紋擴展速率，該試件設計可以參考文獻[43-44].

根據2.2的總結，用于腐蝕疲勞設計的普通疲勞試件可以分為小試件和大試件(構件、節段、全橋縮尺等). 根據以上研究，小試件一般采用板狀試件或者棒狀試件，試件尺寸長度通常小于500 mm，寬度小于100 mm. ISO 11782-1[39]規范推薦了棒狀和板狀試件設計形式，并建議表面打磨處理，如圖5所示. 小試件具有加工方便、目的性明確、干擾因素較少和破壞模式單一等優點；但是，其受力模式與結構真實受力具有一定偏差. 大試件具有受力模式更接近真實結構受力，能直接確定構造細節的腐蝕疲勞強度；但是，這類試件尺寸較大，試驗過程中對場地、設備和生產制造的要求更高，并且在試驗中疲勞破壞的部位具有一定不確定性.

圖5 試件幾何外形

此外，文獻[45]通過研究指出，在高頻疲勞試驗中，小試件的幾何設計會影響試件溫度變化；試驗和測試結果表明，試件工作區段長度越短，溫度增加量越大. 文獻[46]針對能量耗散與疲勞壽命關系進行研究，試驗過程中過高的溫度會導致鋼材疲勞壽命變化. 因此，在參考規范設計疲勞試件基礎上還需要考慮合理工作區段長短.

裂紋擴展試件根據ASTM E647-15[43]和ASTM E740-88[44]規范規定，包含裂紋擴展(CT)試件和表面裂紋擴展(SCT)試件，分別如圖6所示.

(a)裂紋擴展試件 (b) 表面裂紋擴展試件

綜上，兩種類型的疲勞試件各有優勢；小試件試驗用于對腐蝕疲勞機理研究更有效；大試件試驗能更好地確定考慮結構構造影響的腐蝕疲勞壽命及其破壞模式. 因此，針對其不同的試驗目的，可采用不同目的腐蝕疲勞試驗；結合兩種類型試件，有層次地開展試驗更有助于對腐蝕疲勞性能的研究.

3.2 腐蝕試驗

腐蝕試驗包括自然腐蝕試驗和加速腐蝕試驗：

1)自然腐蝕試驗為將鋼材放置于自然環境中長期放置，在既定的時間取回試件進行后續試驗，試驗環境包含大氣環境[6]、土體環境和水體環境[47]，其中，大氣環境自然腐蝕包含普通自然腐蝕試驗[48-49]和結構原位腐蝕試驗[50-52]，分別如圖7(a)、7(b)所示. 耐候鋼需要在穩定銹蝕層形成以后才能發揮其抗腐蝕性能，但是自然環境中其穩定銹蝕層形成往往需要數年時間. 文獻[19]研究表明，根據環境腐蝕等級高低，耐候鋼穩定銹蝕層形成需要4～8 a. 自然腐蝕方法雖然能直接反映測試地點對鋼材的腐蝕程度，得到的腐蝕數據更真實有效，但是對研究周期有很高要求[53].

2)加速腐蝕試驗通過增加試驗環境介質的腐蝕性，并且控制試驗溫度、濕度等因素加快腐蝕速率，達到短時間內獲得等效于長期自然腐蝕效果的目的，極大地提高試驗效率. 但是，該類試驗不能直接反映真實環境的腐蝕過程，需要通過恰當的腐蝕當量進行換算. 因此，試驗中需要嚴格控制腐蝕條件：腐蝕溫度、濕度、pH值、腐蝕介質和腐蝕時間. 文獻[54]研究耐候鋼加速腐蝕試驗，對耐候鋼的加速腐蝕試驗進行介紹和研究，結果表明，通過條件控制加速腐蝕試驗能夠很好地模擬城市、工業和海洋大氣環境. 加速腐蝕試驗腐蝕的腐蝕介質包含氣體、噴霧和液體. 其中，氣體常用SO2氣體[14]；噴霧一般采用純水[29]、NaCl溶液[29]或乙酸溶液[26]等，如圖7(c)所示；液體一般采用NaCl溶液[8]、FeCl3溶液[27]或硫酸根溶液[54]等. 同時，ISO也對鹽霧加速腐蝕試驗的環境條件進行了規定，可作為腐蝕試驗的參考[55]. 除此之外，還可以采用外加電流法進一步加速腐蝕速率. 文獻[56]通過對浸泡在NaCl溶液中的試件通電，進一步加速了鋼材的腐蝕速率，達到坑蝕的效果，如圖7(d)所示. 類似地，文獻[57]也采用了上述加速腐蝕方法對鋼材進行腐蝕.

圖7 腐蝕試驗

綜上所述，自然腐蝕試驗能較好地反映耐候鋼在實際環境和不同結構部位的腐蝕情況，但短期內很難達到預期的腐蝕效果；加速腐蝕試驗能高效地模擬鋼材的腐蝕過程，但是需要嚴格控制腐蝕環境. 根據各種腐蝕試驗特點，腐蝕后的疲勞試驗可以采用上述兩種腐蝕試驗方法進行，腐蝕-疲勞試驗一般采用加速腐蝕試驗進行；同時，自然腐蝕試驗需要長期持續進行，作為加速腐蝕試驗的對照和修正.

3.3 疲勞試驗

疲勞試驗作為腐蝕疲勞試驗的重要組成部分，需要對其方法進行了解. 國際焊協推薦了用于評估材料疲勞性能的方法，其中包含基于S-N曲線的評估方法和基于裂紋擴展計算的評估方法[58].

采用基于S-N曲線的評估方法一般使用無預制裂紋試件，如圖5所示，對不同的疲勞細節進行疲勞試驗，分別確定其S-N曲線. 通過大量疲勞試驗得到疲勞細節受不同應力幅作用的疲勞壽命，根據各數據點擬合出雙對數坐標系中的曲線，并且對曲線進行概率化處理，得到95%保證率的曲線作為該疲勞細節的S-N曲線，并且采用200萬次疲勞荷載對應的疲勞強度作為該疲勞細節的疲勞強度.

采用基于裂紋擴展計算的評估方法一般使用預制裂紋試件，如圖6所示. 試驗過程中需要測量額定循環次數內裂紋擴展的長度/深度，分析各階段裂紋尺寸對應的應力強度因子幅(ΔK)；通過裂紋擴展速率關系反映其發展過程. 通過不同的加載方式可以得到裂紋擴展速率關系和裂紋擴展門檻值(ΔKth).

根據兩種疲勞試驗特點和腐蝕疲勞過程，腐蝕是產生和加劇鋼材表面缺陷的過程，疲勞裂紋萌生于鋼材初始缺陷部位. 因此，為了排除其余干擾因素，一般采用無預制裂紋試件用于腐蝕疲勞試驗.

4 耐候鋼腐蝕疲勞試驗

4.1 耐候鋼腐蝕后的疲勞試驗

腐蝕后的疲勞試驗的開展主要分為3部分：1)試件選擇；2)腐蝕試驗；3)疲勞試驗. 在試驗中，可以選取不同的腐蝕試驗種類和疲勞試驗種類進行組合.

根據2.2的總結，目前腐蝕后的疲勞試驗多采用小試件進行；但是，小試件的尺寸設計需要特別注意. 根據文獻[6,26]的研究結果，自然腐蝕和加速腐蝕均可有效模擬腐蝕作用對鋼材疲勞性能的影響. 在疲勞試驗的選擇中，一般采用無預制裂紋的試件進行疲勞試驗，得到其S-N曲線；但是，不同的加載設備會對疲勞結果造成較大影響. 以下針對疲勞加載設備和加載參數對疲勞試驗的影響進行總結和分析.

目前常用的疲勞加載設備包括液壓伺服疲勞機和電磁伺服疲勞機，其加載噸位和頻率各有特點. 對于小試件，一般采用電磁伺服疲勞機，由于加載頻率相對較高，可以縮短試驗周期，但是與低頻加載相比，加載頻率高會導致疲勞強度改變. 文獻[59]對HPS 485W進行疲勞裂紋擴展研究中指出，隨著加載頻率降低，裂紋擴展速率隨之增加. 對于大試件(構件)，由于加載噸位較大，多采用液壓伺服疲勞機. 文獻[29]在對工字梁的腐蝕疲勞試驗中采用液壓伺服疲勞機，加載頻率為0.75 Hz.

綜上所述，針對耐候鋼腐蝕疲勞性能研究中，主要采用腐蝕后的疲勞試驗；后續研究需要合理地設計試件、設定腐蝕條件和選取加載頻率，以保證可靠的試驗結果；可在大量小試件研究基礎上開展大試件的腐蝕疲勞試驗.

4.2 耐候鋼腐蝕-疲勞試驗

腐蝕-疲勞試驗的開展主要分為兩部分：1)試件的選擇；2)腐蝕-疲勞試驗. 在試驗中，需要恰當的腐蝕試驗種類和疲勞試驗種類進行組合.

由于腐蝕-疲勞試驗是在腐蝕環境中進行疲勞加載試驗，試件的選擇很大程度上受加載設備的限制，同時還要考慮加載設備的抗腐蝕措施，以下主要討論加載設備的選取. 腐蝕-疲勞試驗設備需要集成疲勞加載設備和腐蝕設備，目前該類設備較少，多數需要在普通疲勞加載設備基礎上進行改造. 對于小試件，需要自制腐蝕試驗箱為試件創造腐蝕環境(氣體、噴霧和液體)，可將加載作動頭整體放置于腐蝕環境箱內[38]，如圖8(a)所示；此外，也可自制腐蝕環境箱安裝于試件工作區段之上[8]，如圖8(b)所示. 對于大試件，需要創造一個相對大的腐蝕空間，還要自制腐蝕環境箱安裝于試件之上，并隔離疲勞加載設備，腐蝕一般采用霧態腐蝕介質. 文獻[29]對腐蝕后的工字梁進行了腐蝕-疲勞試驗，其中采用了液壓伺服疲勞機，在疲勞過程中為試件營造了水霧和鹽霧腐蝕環境，具有很好的參考意義.

圖8 腐蝕-疲勞試驗

綜上所述，用于腐蝕后的疲勞試驗設備需要經過一定的改造才能用于腐蝕-疲勞試驗；目前對于耐候鋼的腐蝕-疲勞試驗較少，需要在對耐候鋼腐蝕試驗參數控制和疲勞試驗設備性能充分掌握的基礎上展開腐蝕-疲勞試驗.

5 耐候鋼和高性能鋼腐蝕后的疲勞試驗研究

5.1 腐蝕后的疲勞試驗

高性能鋼比普通耐候鋼具有更高的抗腐蝕性能、強度和可焊性，屬于質量更高的耐候鋼. 根據上述的試驗方法，本文作者開展了針對HPS 485W和Q345CNH鋼(以下稱兩種鋼材)的腐蝕疲勞試驗，研究在模擬海洋環境中腐蝕后其疲勞性能. 為了明確腐蝕作用對兩種鋼材疲勞性能的影響，研究其單軸拉伸常幅疲勞性能. 因此，試驗采用板狀小試件進行，所有試件經線切割和表面打磨拋光處理，其設計如圖5(a)所示. 其中，兩種鋼材試件數目均為10個. 為了提高效率，采用加速腐蝕方式對試件進行腐蝕. 試驗采用鹽霧干/濕交替方式對兩種鋼進行腐蝕，過程中嚴格控制環境溫度、噴霧壓力和NaCl腐蝕溶液(質量濃度和pH值)，如圖7(c)所示；每個腐蝕周期為8 h，共計進行120個腐蝕周期，腐蝕前后試件如圖9所示；腐蝕后，試件表面已經產生一定厚度粗糙的銹蝕層，并且銹蝕層非常穩定致密.

圖9 腐蝕疲勞試件

選取高頻疲勞機對經過腐蝕的試件進行疲勞試驗，其加載頻率約為100 Hz，應力比為0.09，如圖10所示. 其中，當進行了107次荷載循環仍未破壞，停止該試件試驗.

圖10 腐蝕后的疲勞試驗

5.2 耐候鋼和高性能鋼腐蝕后的疲勞結果

通過120個周期(40 d)干/濕交替加速腐蝕，兩種鋼材發生疲勞破壞試件的應力幅及其對應的疲勞壽命結果如圖11所示，其中疲勞壽命取以10為底的對數坐標；HPS 485W和Q345CNH鋼分別有1個和兩個試件未發生破壞，且未發生破壞試件的最低應力幅均為178 MPa；分別與本文作者前期研究數據[4]和文獻[6,26]中腐蝕后耐候鋼的試驗數據作為對比，如圖11所示.

圖11 腐蝕前后耐候鋼疲勞數據

試驗結果表明，腐蝕后兩種鋼材的疲勞性能顯著降低；兩種鋼材腐蝕后的疲勞數據具有更好的規律性，其離散性明顯小于未腐蝕的試件，與文獻[6]數據(圖2)和文獻[8]數據(圖3)規律一致；兩種鋼材數據S-N線斜率趨勢與Atmofix 52A結果[6]較為一致，由于鋼材不同，其疲勞強度有差別；腐蝕后兩種鋼材疲勞數據與Q355NHD較為接近[26]. 綜上所述，該腐蝕后疲勞試驗的設計可指導同類型試驗.

6 結論與建議

1)腐蝕環境會導致耐候鋼均勻腐蝕和坑蝕，兩種腐蝕均會導致鋼材疲勞強度的降低；其中，坑蝕作用對疲勞強度的降低更顯著；腐蝕疲勞試驗是研究鋼材腐蝕作用下疲勞性能的有效手段；橋梁設計規范對耐候鋼疲勞強度降低要求需要完善.

2)腐蝕疲勞試驗有3種類型：腐蝕后疲勞試驗、腐蝕-疲勞試驗和腐蝕后的腐蝕-疲勞試驗；腐蝕后的疲勞試驗是最常用的類型；腐蝕-疲勞試驗會導致鋼材S-N曲線斜率變化，從而反映腐蝕和疲勞之間相互作用. 基于S-N曲線的評估方法，無預制缺陷的試件為目前常用的試件類型；用于腐蝕疲勞試驗的小試件不僅需要參考相關規范進行設計，還應該考慮其在試驗過程中的能力耗散. 腐蝕試驗中，自然腐蝕試驗具有較高的可靠性，但試驗周期較長；加速腐蝕試驗可以較快速地得到預期腐蝕效果，但環境條件控制較為嚴格.

3)腐蝕后疲勞試驗結果表明，耐候鋼和高性能鋼的疲勞性能顯著降低；與未腐蝕的試件相比，腐蝕后試件的疲勞數據離散性更小；與經自然腐蝕后耐候鋼疲勞數據對比表明，該試驗設計取得良好的效果；該腐蝕疲勞試驗方法能用于指導同類型試驗.

4)基于對腐蝕疲勞試驗技術的研究和開展的腐蝕疲勞試驗，提出以下建議：針對耐候鋼腐蝕疲勞性能研究，可從腐蝕后疲勞試驗開始，隨著認識的深入，逐漸過渡到腐蝕后的腐蝕-疲勞試驗；有順序和層次地開展試驗才能全面掌握結構鋼的腐蝕疲勞特性. 同時，在大量小試件腐蝕疲勞試驗基礎上開展一定規模大試件腐蝕疲勞試驗，有助于研究耐候鋼結構腐蝕疲勞機理. 此外，以加速腐蝕試驗為主，長期持續自然腐蝕試驗作為其參考和修正，腐蝕試驗的效率和準確性才能得到充分保證.