鹽霧預腐蝕對HRB400E抗震鋼筋超低周疲勞性能的影響
2021-11-17 00:41:08
changyuan
摘要
研究了鹽霧預腐蝕對HRB400E鋼的超低周疲勞性能影響。用NaCl溶液在鹽霧腐蝕箱中對試驗鋼加速腐蝕30~90 d，然后采用軸向位移控制模擬強震載荷進行超低周疲勞試驗，獲得載荷隨循環周次的變化關系和應變壽命曲線等；最后采用掃描電鏡對斷口形貌進行觀察，分析微觀斷裂機理。試驗結果表明：預腐蝕30、60和90 d的試驗鋼壽命分別下降了4.4%~10.2%、14.3%~31.8%和7.8%~30%；宏觀裂紋萌生壽命占總壽命的90%，應變幅3%為超低周與低周疲勞的分界點；鹽霧腐蝕對試驗鋼的循環響應特征與Masing特性無明顯影響；斷裂區呈月牙狀沿著試驗鋼邊緣斷裂，較長鹽霧腐蝕時間和較高應變幅會導致最后斷裂區產生韌窩特征。
關鍵詞： 金屬材料 ; HRB400E抗震鋼筋 ; 鹽霧預腐蝕 ; 超低周疲勞 ; 微觀斷裂機理
Abstract
The effect of pre-corrosion by salt spray on the extremely-low cycle fatigue performance of HRB400E steel was studied. The steel samples were firstly subjected to salt spray corrosion with NaCl solution for 30~90 days, and then subjected to extremely-low cycle fatigue test via an axial displacement control facility to simulate the strong earthquake loading. Therewith, the relationship between the loading and cycle numbers, as well as the strain-life curves were obtained. Finally, the fracture faces were characterized by scanning electron microscope （SEM）。 The results show that the decline rates of life after pre-corrosion for 30 days, 60 days and 90 days were 4.4%~10.2%, 14.3%~31.8% and 7.8%~30%, respectively. The crack initiation life accounts for 90% of the total life, and the strain amplitude of 3% is the turning point between ultra-low cycle and low cycle fatigue. Salt spray corrosion has no obvious effect on the cyclic response characteristics and Masing characteristics of the test material. At last, the fracture zone was crescent-shaped along the edge of the test material. Longer salt spray corrosion time and higher strain amplitude would lead to dimples in the final fracture zone.
Keywords： metallic materials ; HRB400E seismic steel bar ; salt spray pre-corrosion ; extremely low cycle fatigue （ELCF） ; microscopic fracture mechanism
諶理飛， 羅云蓉， 張應遷， 李輝， 李秀蘭， 廖文麗。 鹽霧預腐蝕對HRB400E抗震鋼筋超低周疲勞性能的影響。 材料研究學報[J], 2021, 35（2）： 101-109 DOI:10.11901/1005.3093.2020.409
CHEN Lifei, LUO Yunrong, ZHANG Yingqian, LI Hui, LI Xiulan, LIAO Wenli. Effect of Pre-corrosion by Salt Spray on Extremely Low Cycle Fatigue Performance of HRB400E Seismic Steel Bar. Earth Science[J], 2021, 35（2）： 101-109 DOI:10.11901/1005.3093.2020.409
汶川地震以后，建筑物的抗震能力得到了更大的重視，建筑物的抗震能力往往取決于建筑用鋼。相關研究表明[1]，強震載荷頻率為1~3 Hz，持續時間在1 min以內，在此期間建筑物可能只經歷100以內循環周次。建筑鋼筋應具備抵抗高應變循環載荷的性能，要求鋼筋具有較高的塑韌性、優良的可焊性和一定的強度[2]。建筑物由于服役時間過長或由于外界因素會導致外層混凝土脫落，導致鋼筋暴露在空氣中受到腐蝕，或者與地下水接觸，導致鋼筋受到礦物質成分腐蝕。腐蝕性介質會在鋼筋表面產生損傷，破壞鋼筋的表面完整性，導致應力集中，從而加速裂紋萌生，而且腐蝕損傷部位還會與拉伸載荷共同作用加速疲勞裂紋擴展[3]。已有相關研究表明[4]，在鹽霧環境中，主要是氯離子加速材料的疲勞損傷。Apostolopoulos的研究表明[5~7]，鹽霧腐蝕會降低鋼筋的強度、塑性和疲勞性能。Ignasi Fernandez的研究表明[8]，腐蝕造成表面出現腐蝕坑，是降低鋼材疲勞性能的主要原因。
已對國內建筑用鋼開展了大量研究。徐慶元等[9]開展了HRB500與HRB400鋼筋疲勞性能對比試驗。研究結果表明，在1億次循環載荷內，HRB500的疲勞性能明顯優于HRB400的；超過1億次以后，優勢逐漸減小。孫傳智等[10]對630 MPa級超高強鋼筋的低周疲勞性能進行了研究，在高應變循環作用下，試驗鋼會發生先硬化、后軟化、再硬化的特征，疲勞破壞比較突然。而在較小應變幅下，試驗鋼只發生先硬化后軟化兩個過程，疲勞破壞前存在明顯的強度退化過程。HRB400E鋼作為高強抗震鋼筋，在國內的建筑行業應用廣泛。已有學者開展了HRB400E抗震鋼筋的相關性能研究。陳建云等[11]研究了對稱拉壓循環對HRB400E鋼的彈塑性行為影響。試驗結果表明，循環拉壓后再拉伸時材料的彈性模量有所下降，屈服應力隨循環拉壓應變幅的增大而增大，而強度極限和斷裂應變無明顯變化。羅云蓉等[12,13]研究了氧化腐蝕對HRB400E抗震鋼筋的低周疲勞性能影響，試驗結果表明裂紋起源于試驗鋼表面，材料內部存在大量孔洞。氧化腐蝕對低周疲勞性能影響極大，低周疲勞壽命下降率達10%~30%。
到目前，雖然對建筑用鋼已有較多研究，不過綜合來看，在以下兩點仍值得深入研究。第一，考慮到強震下的建筑物易在100循環周次以內發生破壞，而目前的研究大量集中在建筑鋼筋的低周疲勞行為，對超低周疲勞行為研究報道較少。因此，對建筑鋼在超高應變下超低周疲勞行為研究具有重要意義。第二，目前已開展的研究都是將試驗鋼加工為標準試樣，將表面的螺紋等表面特征清除，這與試驗鋼實際服役狀態不相符。為了模擬建筑鋼的實際服役環境，應采用表面未經過機械處理的試驗鋼來開展疲勞性能研究。鑒于此，本文針對應用廣泛的HRB400E抗震鋼筋，開展了鹽霧預腐蝕對保持原始形貌的鋼筋超低周疲勞行為影響研究。
1 試驗過程
試驗材料為HRB400E抗震鋼筋（以下簡稱試驗鋼），規格為f12 mm，其化學成分與力學性能分別如表1和2所示。將原材料切割成長度120 mm的試樣，并將切口打磨光滑，為了模擬鋼筋的真實工作狀況，試樣表面不做任何處理，保持原有的帶肋形狀，試樣為非標準試樣。
采用鹽霧腐蝕箱模擬大氣鹽霧環境，加速腐蝕試驗過程參照GB/T10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗-鹽霧試驗》進行。采用去離子水配制質量分數5%的NaCl溶液，腐蝕時間分為30、60和90 d。
超低周疲勞（ELCF）試驗在MTS 809液壓伺服疲勞試驗機上進行，試驗條件為常溫、大氣環境。試驗過程參照GB/T1524-2008《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》。對腐蝕前后的試樣，開展了四個應變幅疲勞試驗，分別為3%、3.2%、3.5%和4%，應變比R=-1，頻率為1 Hz。以試驗鋼斷裂作為失效依據。最后采用掃描電鏡對斷口形貌進行觀察，分析微觀斷裂機理。
2 試驗結果與討論
取半壽命滯回環的彈性應變幅和塑性應變幅作為穩定值，ELCF試驗結果如表3所示。可見，試驗鋼的ELCF壽命隨應變幅和腐蝕時間的增加而減小，腐蝕30、60和90 d的壽命下降率分別為4.4%~10.2%、14.3%~31.8%和7.8%~30%。圖1給出了塑性變形占比與總應變幅的關系，隨著應變幅和腐蝕時間的增加，塑性應變幅所占比例（εpa/εa）也越來越大。說明高應變幅下，主要發生的是塑性變形，而且腐蝕會導致塑性變形加劇。在應變幅3%且未腐蝕情況下，塑性應變幅占比約53%，剛好大于彈性應變幅，此時的疲勞失效周次為98，剛好處于ELCF階段。其他試驗鋼的εpa/εa更大，循環周次都在100以內。說明對于試驗鋼而言，當εpa/εa超過53%時，極有可能在100周次以內斷裂，εa=3%是ELCF與LCF的分界點。
2.1 循環響應特征
圖2是試驗鋼的循環響應特征曲線，縱坐標的應力幅是循環過程最大拉應力和最大壓應力值的平均值。由圖可見，試驗鋼的應力幅值基本都隨著應變幅的增加而增大；圖2a~d曲線的特征都基本一致，說明鹽霧腐蝕對試驗鋼的循環響應特征無明顯影響。腐蝕前后試驗鋼的循環響應特征為：在初始階段快速硬化（≈0.05Nf），然后在中后期緩慢軟化（≈0.9Nf），最后急劇下降，發生疲勞斷裂失效。圖中所有曲線都有一個共同的特點，應力幅基本都是在0.9Nf時開始發生急劇下降，此時宏觀裂紋萌生，說明宏觀裂紋萌生壽命大概占90%Nf，裂紋擴展壽命大概占10%Nf。已有研究結果表明，試驗鋼在低周疲勞過程中，宏觀裂紋萌生壽命占80%Nf左右[14]。這與本文的結果類似，說明ELCF宏觀裂紋萌生壽命占總壽命比例比LCF宏觀裂紋萌生壽命占總壽命比例更大。
建筑鋼筋在混凝土中最重要的作用就是承受拉伸載荷。在本文中，如果采用應力來表征承受的拉伸載荷，則忽略了腐蝕導致橫截面積減小的影響，這樣對評價腐蝕后鋼筋的承載能力是不恰當的。因此，采用循環過程中最大拉力和壓縮力能更可靠的衡量腐蝕前后試驗鋼承載能力的變化。圖3展示了最大拉力和壓縮力隨循環周次的變化（εa=3%和εa=3.2%），可以看出腐蝕后的最大拉力明顯下降。取穩定的半壽命（0.5Nf）的最大拉力來評定腐蝕造成的影響，應變幅為3%時，腐蝕30、60和90 d試驗鋼的最大拉力相比未腐蝕的，分別下降5.4%、13.1%和15.1%；應變幅為3.2%時，分別下降8.8%、16.4%和21%。從圖中可以看出，最大壓縮力在初始階段快速增加，隨后一直保持緩慢下降的狀態，直到最后斷裂失效未發生大幅下降。而最大拉伸力也在初始階段快速增大，隨后保持比較穩定的狀態直到0.9Nf，此時最大拉力在0.9Nf時開始發生急劇下降，這是因為宏觀裂紋萌生導致試驗鋼的橫截面積減小。
2.2 應變壽命
應變壽命關系是表征材料疲勞特性的重要方法，ELCF疲勞的應變壽命關系通常由雙對數坐標中總應變幅與循環周次表征（εa-2Nf）。與此同時，彈性應變幅和塑性應變幅與循環周次的關系也在雙對數坐標系中給出（εe-2Nf和εp-2Nf），如圖4所示。由圖可見，總應變幅、彈性應變幅和塑性應變幅都隨循環周次呈線性變化，擬合精度良好。經過腐蝕后的ELCF壽命比未腐蝕的明顯要低，且腐蝕時間越長，疲勞壽命下降越嚴重。已有研究表明[14]，試驗鋼的低周疲勞壽命并非完全是隨腐蝕時間增加而下降程度越大，其中腐蝕30 d試樣的疲勞壽命比腐蝕60 d和90 d的更差，這是因為腐蝕30 d試驗鋼表面腐蝕不均勻，出現較多的腐蝕坑。這說明試驗鋼表面的腐蝕坑等缺陷對試驗鋼的LCF壽命影響大于ELCF，試驗鋼的ELCF壽命與腐蝕時間長短更相關。
對于試驗鋼而言，在ELCF階段，塑性應變幅總是大于彈性應變幅，說明疲勞損傷主要是由塑性變形導致。且塑性應變幅占比隨著總應變幅增加而增加，塑性變形的主導地位越來越明顯。材料的ELCF性能主要由塑性決定，累計的塑性變形決定了疲勞損傷。ELCF壽命與應變幅的關系可用Manson-Coffin表示：
式中，為疲勞強度系數，b為疲勞強度指數，E為彈性模量，
為疲勞延性系數，c為疲勞延性指數。其中，b和c的絕對值越大，說明材料的強度和塑性越好[15]。Hollomon公式定義了塑性應變和應力幅之間的關系，即：
式中，為循環強度系數，為循環強度指數。將ELCF試驗數據代入式（1）、（2）中，得到試驗鋼的ELCF參數，見表4?？梢姡g后試驗鋼的b和c的絕對值表現出減小的趨勢，說明鹽霧腐蝕會降低試驗鋼的強度和塑性。
在之前的研究中報道了鹽霧預腐蝕對試驗鋼LCF性能的影響[14]。為建立HRB400E鋼的LCF與ELCF壽命之間的聯系，將應變幅與循環周次置于雙對數坐標中，如圖5所示?？梢?，所有腐蝕時間下應變幅隨壽命基本呈線性變化。其中，未腐蝕、腐蝕60 d和90 d在LCF和ELCF階段均表現出疲勞壽命隨腐蝕時間增加而下降的趨勢。腐蝕30 d試驗鋼由于受到腐蝕坑影響，LCF數據略微分散并表現出最差的LCF壽命。根據擬合曲線得到，應變幅等于0.027（Nf=130）為腐蝕30 d試驗鋼的特征點；當應變幅大于0.027時，腐蝕30 d試驗鋼的疲勞壽命周次遵循隨腐蝕時間增加而降低的規律。
2.3 能量密度
取不同應變幅的半壽命滯回環，置于圖6中，飽滿對稱的滯回環說明試驗控制良好，且滯回環的面積隨應變幅的增加而增大。將不同應變幅的滯回環最低點移至同一點，可見，滯回環的上半段基本上完全重合，表明試驗鋼在腐蝕前后具有Masing特性。
材料的疲勞損傷過程可以理解為吸收能量的過程，隨著吸收能量的增加，材料會產生裂紋，并導致裂紋擴展，直到斷裂[15]。可見，材料的疲勞性能與吸收能量的能力緊密相關。Klima[16]的研究表明，循環載荷下的滯回能考慮了循環應力和應變，是表征疲勞損傷的重要參數。彈性應變能密度ΔWe和塑性應變能密度ΔWp可作為預測疲勞壽命的關鍵參數[17]，對具有Masing特性的材料，其應變能可由如下公式計算[17]：
式（4）中，是循環硬化指數。總能量密度ΔWt是彈性能量密度與塑性能量密度之和，即：
根據試驗數據和上述公式，可求出能量密度，如表3所示。在雙對數坐標中，能量密度與循環周次成線性關系，如圖7所示。可見，腐蝕時間越短的試驗鋼有著更大的總能量密度和塑性能量密度，意味著更好的抗疲勞性能。從而可以說明，試驗鋼的抗疲勞性能受到鹽霧腐蝕的影響顯著，且隨腐蝕時間增加，抗疲勞性能降低越嚴重。對ELCF而言，彈性應變能比塑性應變能明顯要小很多，僅占總應變能的19%~27%，表明彈性變形對ELCF疲勞破壞影響較小，主要由塑性變形導致。塑性越好，吸收的塑性應變能越多，越能抵抗疲勞載荷，從而有更長的使用壽命。
2.4 微觀斷裂機理
為研究ELCF疲勞失效微觀機理，對斷口形貌進行了掃描電鏡（SEM）觀察。圖8a、b和c分別是不同腐蝕時間的斷口全貌圖（εa=3%）。由圖可見，裂紋源都在試驗鋼表面萌生，朝著試驗鋼內部擴展，然后在裂紋源相對的邊緣瞬間斷裂。裂紋擴展區均伴隨著肉眼可見的微裂紋和微孔洞，在循環載荷作用下，微裂紋擴展并相互連接形成宏觀裂紋，宏觀裂紋的積累導致有效面積的減少，最后隨著應力達到材料的斷裂極限發生瞬間斷裂[18, 19]。
對比不同腐蝕時間的最后斷裂區可以發現，未腐蝕最后斷裂區的形狀成月牙形，沿著試驗鋼邊緣斷裂；腐蝕30 d最后斷裂區形狀與未腐蝕試樣的類似，不過沿試驗鋼邊緣斷裂的長度有所減小，腐蝕60 d最后斷裂區集中在試驗鋼邊緣的局部，長度較短，說明鹽霧腐蝕會使得最后斷裂區長度減小。
對最后斷裂區進行高倍數觀察，以研究斷裂區的微觀特征。圖9a和b是應變幅3%下未腐蝕和腐蝕60 d試樣的最后斷裂區形貌照片，圖9c和d是應變幅4%下未腐蝕和腐蝕60 d試樣的。由圖可見，圖9a未發現韌窩，而圖9b、c和d中帶有明顯的韌窩特征，說明經過長時間的鹽霧腐蝕會導致最后斷裂區帶有韌窩特征；隨著應變幅的增加，也會產生細小的韌窩分布在最后斷裂區，這一現象與Q235鋼的ELCF特征相似，Q235鋼隨著應變幅的增加，會在整個斷面產生韌窩特征[20]。
3 結論
（1） 鹽霧腐蝕明顯降低HRB400E鋼的ELCF壽命，腐蝕30、60和90 d壽命分別下降4.4%~10.2%、14.3%~31.8%和7.8%~30%。腐蝕前后的ELCF壽命均可由Manson-Coffin公式進行預測。
（2） HRB400E鋼腐蝕前后均有Masing特性，鹽霧腐蝕不會對循環響應特征產生影響，基本為循環軟化。
（3） 宏觀裂紋萌生階段占據了大部分ELCF疲勞壽命，約占90%左右。ELCF疲勞主要由塑性變形控制，應變幅越大，塑性變形的主導地位越明顯。εa=3%是試驗鋼超低周與低周的分界點。
（4） HRB400E鋼的最后斷裂區沿著邊緣斷裂，長度隨腐蝕時間增加而變短。較長鹽霧腐蝕時間和較大應變幅均會導致最后斷裂區帶有韌窩特征。