鋼結構涂層沖擊損傷特性及彈塑性特征分析

郝贠洪, 王 亭, 宣姣羽, 劉艷晨

（1.內蒙古工業大學土木工程學院, 內蒙古呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室, 內蒙古呼和浩特 010051；3.內蒙古工業大學內蒙古自治區建筑檢測鑒定與安全評估工程技術研究中心, 內蒙古呼和浩特 010051）

內蒙古中西部屬于沙塵暴多發地區[1］, 在強風天氣下鋼結構設施易受砂石等硬質顆粒的沖擊, 造成表面涂層材料的破損以及剝落, 進而導致鋼結構基體外露并發生腐蝕, 影響鋼結構設施的耐久性和安全性.表面涂層材料作為鋼結構設施防腐蝕的有效措施及重要保障, 起到隔離鋼結構與空氣中有害介質的作用.聚氨酯面漆因其附著力強、耐磨性好等優點[2-3］, 常作為一種鋼結構表面防腐涂層材料被應用到工程實踐當中.

關于鋼結構涂層的研究, 一方面集中于涂層材料本身的制備和改性研究[4-5］, 以制備出防腐蝕性能、力學性能等更優的新型功能型涂層材料[6-8］, 滿足不同工況的使用需求；另一方面是從理論分析、試驗研究和有限元模擬[9-10］角度對涂層抗沖蝕性能進行研究, 通過改變沖蝕條件來分析涂層的沖蝕磨損機理[11-12］.然而, 研究大顆粒砂石沖擊鋼結構涂層損傷特性方面的文章目前還比較少.通過形貌分析法對鋼結構涂層的沖擊損傷進行評價, 有助于鋼結構涂層研究的進一步發展.

本文采用自動球壓沖擊儀對鋼結構聚氨酯涂層進行沖擊試驗, 獲取不同沖擊高度下涂層的沖擊荷載值；通過激光共聚焦顯微鏡（LSCM）獲取涂層沖擊損傷區壓痕形貌, 分析鋼結構聚氨酯涂層的沖擊損傷過程, 并計算分析其彈塑性特征.通過研究鋼結構聚氨酯涂層的沖擊損傷擴展規律, 為鋼結構涂層的沖擊防護設計提供一定的理論參考.

1 試驗

1.1 試驗材料

鋼結構基體材料選用Q235B型普通低碳薄鋼板, 化學組成符合GB/T 3274—2007《碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》, 彈性模量為200 GPa, 泊松比為0.25, 尺寸為80 mm×80 mm×3 mm.鋼結構涂層材料選用鋼結構環氧富鋅底漆和鋼結構雙組分聚氨酯（PU）防腐面漆, 彈性模量為905 MPa, 泊松比為0.49.

1.2 涂層制備及性能

涂層制備：選用400#砂紙進行鋼結構基體表面的除銹工作, 并用無水乙醇清洗鋼結構基體表面.根據GB 50205—2020《鋼結構工程施工質量驗收規范》中“鋼結構涂裝工程”相關工藝要求, 制備鋼結構聚氨酯涂層試件.采用空氣壓縮機和霧化油漆噴槍, 噴涂底漆2道, 面漆6道, 涂層總厚度約800 μm, 采用涂層測厚儀對鋼結構涂層的厚度進行控制.將制備好的試件室溫養護7 d備用.

基本力學性能測試：涂層的硬度和彈性模量采用微米壓痕儀進行測試, 通過分析加卸載曲線計算得到硬度和彈性模量；柔韌性根據GB/T 1731—93《漆膜柔韌性測定法》規定使用的軸棒法, 采用QTX漆膜彈性測試儀進行測試；涂層與基材的結合強度根據GB/T 5210—2006《色漆與清漆拉開法附著力試驗》, 采用GTJTC-10S型涂層附著力測試儀進行測試.涂層材料的基本力學性能如表1所示.

表1 涂層材料的基本力學性能Table 1 Basic mechanical properties of coating material

1.3 試驗方法

采用自制自動球壓沖擊儀對鋼結構聚氨酯涂層試件進行沖擊試驗, 沖擊高度（h）為20～38 cm, 每隔2 cm設置1個高度, 共設置10個沖擊高度.通過自動球壓沖擊儀上的刻度尺調節沖擊球頭到底座支撐的距離.每個試件設置3個沖擊點, 沖擊點與試件邊緣距離大于2 cm, 相鄰沖擊點之間的距離根據前1個沖擊點的損傷情況適當進行調整, 旋轉手輪可改變沖擊點位置.沖擊球頭為直徑10 mm的碳化鎢球, 彈性模量為6×105MPa, 泊松比為0.15.

沖擊試驗后采用LEXTOLS4100型LSCM分別對不同沖擊高度作用下鋼結構聚氨酯涂層的沖擊損傷區形貌進行采集, 測量沖擊損傷區的壓痕直徑、壓痕深度和壓痕體積.

1.4 試驗原理

依據赫茲接觸理論[13］, 將球頭沖擊鋼結構涂層看作剛性球體和彈性半空間體的接觸問題.剛性球體的質量為m, 半徑為R, 彈性模量為E1, 泊松比為μ1；彈性半空間體的彈性模量為E2, 泊松比為μ2；沖擊荷載值為P, 形成的壓痕半徑為a.沖擊球壓模型如圖1所示.

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

2 結果與討論

2.1 壓痕尺寸-沖擊高度曲線

通過沖擊球壓試驗, 得到鋼結構聚氨酯涂層在不同沖擊高度作用下的表面損傷情況.表2為不同沖擊高度下涂層的沖擊荷載值.圖2為沖擊作用下聚氨酯涂層壓痕直徑及壓痕深度與沖擊高度的關系曲線.

表2 不同沖擊高度下涂層的沖擊荷載值Table 2 Impact load values of the coating under different impact heights

圖2 沖擊作用下聚氨酯涂層壓痕直徑及壓痕深度與沖擊高度的關系曲線Fig.2 Indentation diameter, indentation depth-impact height curve of PU coating under impact

在整個沖擊過程中, 可以將沖擊損傷區的擴展劃分為3個階段：

（1）第1階段為鋼結構涂層彈性變形階段, 從沖擊球頭接觸涂層表面開始到涂層壓縮深度達到材料屈服壓縮深度為止.鋼結構聚氨酯涂層屈服強度比較小, 彈性變形階段范圍較小, 不易通過試驗將其劃分出來.由圖2可見, 在沖擊高度為20 cm時, 涂層已經發生塑性變形.

（2）第2階段為鋼結構涂層塑性變形階段, 當沖擊荷載值超出材料屈服強度時, 涂層進入塑性變形擴展階段, 沖擊損傷區尺寸隨著球頭的沖擊作用不斷增大, 產生不可恢復的永久變形.聚氨酯是一種由氨基甲酸酯鍵、脲鍵、酯鍵、醚鍵以及油脂的不飽和鍵等組成的高分子材料, 由于聚酯或聚醚的分子鏈較長, 在沖擊荷載作用時, 聚氨酯材料易發生塑性變形[14］.隨著沖擊高度的不斷增加, 涂層表面壓痕直徑和深度不斷加速擴展.從圖2可以看出, 當沖擊高度達到34 cm后, 壓痕尺寸增加的趨勢明顯降低, 該現象是鋼基體的承壓作用造成的.

（3）第3階段為鋼結構涂層回彈卸荷階段, 當沖擊球頭速度減小到零, 此時沖擊荷載值達到最大, 沖擊損傷區尺寸隨即達到最大值, 隨后球頭受鋼結構涂層材料中儲存的彈性勢能作用發生回彈, 沖擊損傷區壓痕尺寸也產生一定程度恢復, 最終在涂層表面產生殘余塑性變形損傷區.在沖擊高度不斷增加的過程中, 沖擊損傷區涂層受沖擊產生擠壓變形, 在沖擊坑周圍形成突出于涂層平面的沖擊唇.當沖擊壓痕達到一定深度時, 球頭下方涂層受擠壓變形作用向四周擴展, 此時球頭與鋼基體之間產生接觸作用.在沖擊荷載作用下產生的沖擊唇不斷隆起, 使壓痕深度超出鋼結構涂層厚度, 并由于鋼基體的承壓作用導致鋼結構涂層變形被限制, 使得壓痕尺寸擴展速率最終趨于平緩.此時涂層已完全破壞, 鋼基體發生外露, 周圍部分涂層在沖擊荷載作用下發生脫落.

2.2 壓痕應力-應變關系曲線

沖擊壓痕應力-應變關系主要反映了材料在沖擊接觸區域上受力狀態與局部變形之間的變化關系.利用等效壓痕應力（σ=P/πa2）和等效壓痕應變（ε=a/R）得到PU涂層沖擊壓痕應力-應變的關系[15］, 如圖3所示.

圖3 聚氨酯涂層沖擊壓痕應力-應變的關系曲線Fig.3 Stress-strain relationship curve of PU coating impact indentation

鋼結構聚氨酯涂層材料屈服強度較小, 球頭以較低沖擊高度作用在材料表面時, 會導致沖擊接觸區發生局部塑性變形, 并且塑性變形程度隨著沖擊高度的變化發生明顯改變.由圖3可見, 涂層沖擊壓痕應力-應變曲線可大致分為3個階段：

（1）第1階段為沖擊荷載值較低階段, 反映在應力-應變曲線下降段的初始階段, 壓痕應力隨壓痕應變增大開始緩慢降低.聚氨酯涂層在低沖擊荷載作用下, 其沖擊接觸區域從彈性變形到塑性變形的過渡區域, 材料在該區域抵御沖擊能力較強, 壓痕應力隨壓痕應變增加而降低的趨勢相對比較平緩.

（2）當沖擊高度繼續增大, 沖擊荷載值達到某一臨界值后進入第2階段, 此時壓痕應力隨壓痕應變增大而迅速降低, 說明材料已經完全進入塑性變形階段, 沖擊區變形損傷程度不斷加大.

（3）在曲線后半段, 壓痕應力隨壓痕應變增大又出現逐漸升高的趨勢, 此處為第3階段.出現壓痕應力升高是因為當沖擊荷載達到一定值時, 沖擊接觸區涂層材料被沖擊力擠壓到球頭周圍形成沖擊唇, 沖擊深度已經達到涂層最大厚度.此后, 當繼續增大沖擊高度, 涂層已經失去防護效果, 沖擊荷載由鋼基體承擔, 產生的壓痕應力因此出現增加趨勢.

2.3 沖擊損傷區形貌分析

圖4為沖擊損傷區壓痕的二維形貌變化圖.在沖擊荷載作用下, 鋼結構聚氨酯涂層表面產生球冠型壓痕, 壓痕內部發生明顯塑性變形.在鋼結構涂層受沖擊過程中, 涂層表面最大接觸半徑范圍內為壓應力, 在最大接觸半徑范圍外則產生拉應力[16］.接觸區內部的主要破壞形式為沖擊球頭的擠壓破壞, 在球冠型壓痕內部會產生環向裂紋；接觸區外部受拉應力作用繞壓痕邊緣產生1圈徑向微裂紋, 同時, 產生幾條均勻分布的呈放射狀的徑向長裂紋.由于徑向長裂紋的擴展, 導致被裂紋分割區域的涂層開始與基體發生分離.由圖4可見：在裂紋末端2～3 mm范圍內, 涂層表面可以看到輕微的凸起印跡, 表明該區域涂層與基體之間在拉應力作用下發生了一定程度的分離, 該區域也可作為一次沖擊對涂層造成損傷及影響的最大區域；相比20 cm沖擊高度, 在30 cm沖擊高度下的損傷區壓痕尺寸明顯增大, 徑向長裂紋發生拓展延伸.由于沖擊荷載的增大, 導致在球冠型壓痕邊緣處的部分涂層發生脫落.

現對沖擊高度為30 cm試件的損傷程度進行評估.自動球壓沖擊儀的沖擊過程即自由落體運動, 忽略空氣阻力和摩擦力等做功, 根據能量守恒定律m1gh=m2v2/2, 可以將不同沖擊高度轉換為相應的沖擊速度, 對實際中的沖擊情況進行等效.對沖擊高度30 cm的條件進行速度轉換, 經計算半徑10 mm的砂石顆粒以25 m/s的速度垂直沖擊涂層表面時, 沖擊坑形貌如圖4（b）所示, 此時涂層已發生明顯塑性變形, 沖擊坑深度達到涂層總厚度的一半.

圖4 沖擊損傷區壓痕的二維形貌變化圖Fig.4 Two-dimensional morphology change diagram of indentation in impact damage zone

圖5為不同沖擊高度下損傷區壓痕三維形貌變化圖.由圖5可見：隨著沖擊高度的增加, 損傷區壓痕三維尺寸呈現逐漸增大的趨勢；隨著沖擊高度的增加, 沖擊荷載值增大, 壓痕邊緣沖擊唇高度也表現出增高趨勢, 整個損傷區壓痕呈現為類似火山型凸起, 壓痕周圍產生的徑向長裂紋不斷擴展, 同時裂紋兩側也出現凸起現象；當沖擊高度達到34 cm后, 壓痕邊緣處涂層已完全凸起, 更有部分涂層在沖擊力作用下發生大面積剝落, 造成鋼基體外露現象發生.

圖5 不同沖擊高度下損傷區壓痕三維形貌變化圖Fig.5 Three-dimensional morphological changes of indentation in the damage zone under different impact heights

2.4 彈塑性特征分析

鋼結構涂層在沖擊過程中會發生彈塑性變形, 采用能量轉換法對沖擊過程進行分析.動態硬度（Hd）和恢復性系數（e）作為材料在沖擊過程中的2項彈塑性特征指標, 可以反映材料抵抗沖擊變形和恢復的能力.

沖擊過程中球頭攜帶的部分能量與被沖擊材料表面所產生壓痕體積的比值被看作動態硬度.根據Tabor理論[17］, 材料的動態硬度表示為：

式中：W為粒子在沖擊過程中消耗的總能量, J；V為粒子沖擊對材料表面造成損傷的體積, mm3.

對球壓沖擊過程中的能量轉換進行分析：球頭沖擊至材料表面, 在其發生變形之前的總能量為U, 被沖擊材料表面發生彈塑性變形, 其中的彈性變形能為Ue, 塑性變形能為Up.沖擊過程中彈性波在材料內部傳播的能量Uw僅占總能量的1%～3%, 以及更少量的局部熱能和聲音振動產生的能量, 這些能量相比于整個能量轉換系統是及其微弱的, 所以在分析時將其忽略[18-19］.因此, 沖擊過程中的總能量、彈性變形能和塑性變形能可以表示為：

式中：Vin為沖擊粒子速度, m/s；E為接觸系統的有效彈性模量, MPa.

球頭沖擊至材料表面, 使其完成壓縮變形后, 材料內部產生的彈性變形會發生恢復, 使沖擊球頭發生回跳.岳漢威等[20］依據牛頓建立的恢復性系數概念, 提出用球頭回跳的能量Ur占總能量的比值來表示材料在沖擊荷載作用下的彈塑性恢復能力.球頭回跳的能量Ur源自沖擊過程中材料的彈性變形能Ue.因此, 恢復性系數e可表示為：

恢復性系數e越大, 表明材料的彈性恢復能力越強.當材料僅處于彈性變形階段時, 其恢復性系數e=1.根據上式可以對受沖擊材料表面的彈性特征進行評價.

動態硬度和恢復性系數不是材料的固有屬性, 會隨環境因素及外界條件的變化而發生變化.采用自動球壓沖擊儀采集鋼結構聚氨酯涂層在不同沖擊高度作用下的沖擊荷載值, 并利用LSCM測量沖擊后試件表面損傷區的壓痕尺寸.根據式（5）、（6）計算涂層在不同沖擊高度下的動態硬度和恢復性系數, 分析鋼結構聚氨酯涂層的彈塑性特征.表3為聚氨酯涂層在不同沖擊高度下的壓痕尺寸.

表3 聚氨酯涂層在不同沖擊高度下涂層的壓痕尺寸Table 3 Indentation size of PU coating under different impact heights

圖6為不同沖擊高度下聚氨酯涂層的動態硬度和恢復性系數.由圖6可見, 隨著沖擊高度的增大, 聚氨酯涂層的動態硬度值表現為逐漸降低的趨勢.由于聚氨酯涂層屬于一種彈塑性材料, 且彈性變形較小, 隨沖擊能量的增加, 材料很快進入塑性變形階段, 其抵抗沖擊變形的能力逐漸降低, 表現為涂層塑性變形不斷加大, 涂層動態硬度值逐漸降低.同時, 當沖擊高度較低時, 由于涂層還沒有達到完全塑性變形階段, 仍然具有一定的抗沖擊變形能力和恢復能力, 所以其恢復性系數在低沖擊高度時較大, 并隨沖擊高度的增加而降低.聚氨酯涂層的動態硬度和恢復性系數隨沖擊高度的變化趨勢基本一致, 但由于沖擊高度較高時, 聚氨酯涂層在沖擊荷載作用下會發生嚴重塑性變形, 沖擊能量部分作用在鋼基體上, 導致沖擊荷載值增大, 從而影響恢復性系數的回增.

圖6 不同沖擊高度下聚氨酯涂層的動態硬度和恢復性系數Fig.6 Dynamic hardness and recovery coefficient of PU coating under different impact heights

3 結論

（1）鋼結構聚氨酯涂層沖擊損傷區壓痕尺寸隨著沖擊高度的增加不斷增大, 當沖擊高度達到34 cm后, 涂層開始發生脫落, 涂層基本失效.壓痕尺寸擴展表現為穩定擴展、加速擴展和趨于平緩3個階段.

（2）隨著沖擊高度的不斷增加, 鋼結構聚氨酯涂層沖擊損傷區壓痕應力隨壓痕應變增大先減小后略有回增, 同樣表現為平穩降低、加速降低和略有回增3個階段.當壓痕應力開始回增時, 涂層已基本失去防護效果.

（3）沖擊荷載作用下, 鋼結構聚氨酯涂層表面產生球冠型壓痕, 壓痕內部及邊緣產生環向裂紋和徑向微裂紋及徑向長裂紋.徑向長裂紋末端2～3 mm范圍內, 涂層發生輕微凸起.隨著沖擊高度的增大, 徑向長裂紋不斷擴展, 壓痕邊緣沖擊唇不斷隆起, 最終導致壓痕邊緣涂層發生脫落.

（4）涂層材料動態硬度值隨沖擊高度的不斷增大逐漸下降, 抵抗變形能力不斷降低；恢復性系數同樣表現出類似的變化趨勢.動態硬度和恢復性系數可用來表征鋼結構聚氨酯涂層在沖擊過程中的彈塑性特征.