耐候钢和高性能钢腐蚀后疲劳性能2019年度研究进展

免涂装耐候钢桥梁在使用过程中长期受到腐蚀作用,影响其性能的主要有均匀腐蚀和坑蚀。坑蚀能够直接导致钢材疲劳强度降低,并且疲劳细节等级越高,坑蚀对疲劳强度的削减越严重。在钢桥设计中,疲劳设计常为控制指标,需要对耐候钢和高性能钢腐蚀后的疲劳性能进行研究。针对中国耐候钢和高性能钢开展共计20个试件的腐蚀后疲劳试验,根据ISO规范对两种钢材进行中性盐雾干/湿循环腐蚀试验,盐雾采用5%的NaCl作为腐蚀溶液,其pH值为6.5,温度控制为35℃,腐蚀120个周期;针对腐蚀后的试件进行疲劳试验,并与未腐蚀试件的疲劳试验结果对比。试验结果表明,腐蚀后耐候钢和高性能钢的疲劳强度均大幅降低;不考虑保证率时,腐蚀后HPS 485W和Q345CNH钢2×10⁶次荷载循环的疲劳强度与未腐蚀试件相比分别降低了27.8%和26.6%;考虑95%保证率,采用m=3时,分别降低了34.7%和50.1%,并且低于FAT 125要求。腐蚀作用下,两种钢材表面形成稳定锈蚀层和蚀坑,其锈蚀层具有一定强度,疲劳裂纹均萌生于表面蚀坑部位。     

高强度耐候钢及其在桥梁中的应用与前景

为了解高强度耐候钢的性能及其桥梁中的技术应用,首先总结当前国内外高强度耐候钢在桥梁工程应用的研究进展和成果,回顾了耐候钢技术的发展历程. 然后,分析了高强度耐候钢的腐蚀机理、腐蚀环境、抗腐蚀性能以及各种腐蚀评估方法;归纳总结了高强度耐候钢的焊接性能,以及耐候钢的腐蚀疲劳性能与评估方法. 最后,阐述了高强度耐候钢在国内外桥梁工程中的应用以及中国高强度耐候钢的试验状况. 分析结果表明:虽然中国的耐候钢技术有较大发展,但中国的耐候钢桥梁技术还处于萌芽阶段;耐候钢桥梁在腐蚀作用下的强度、稳定和疲劳问题将成为今后的研究方向;关键部位采用新焊接技术可保证耐候钢桥梁的疲劳强度;中国高强度耐候钢未腐蚀状态下的疲劳和力学性能满足桥梁建设要求,腐蚀状态下高强度耐候钢的疲劳性能和力学性能有待深入研究;基于电化学腐蚀和断裂力学的腐蚀疲劳模型可用于高强度耐候钢的腐蚀疲劳寿命评估.     

中性盐雾腐蚀钢板的滞回性能试验

为研究中性盐雾环境下不同腐蚀程度钢板的滞回性能变化规律,通过人工喷洒盐雾加速腐蚀方法,获得了不同腐蚀程度下钢板试件;然后对每组试件进行循环加载试验并得到滞回曲线,分析其滞回性能;同时采用Ramberg-Osgood模型拟合钢材的循环骨架曲线,并分析其系数变化规律;最后基于首次加载准则,卸载准则,循环骨架准则,再加载曲线准则等建立了钢材滞回本构模型.试验结果表明:在循环荷载作用下,钢材出现循环硬化、峰值点指向效应等现象;应用Ramberg-Osgood模型拟合效果较好;随着腐蚀程度增加,钢材各力学性能指标均出现下降,延性劣化加重,且钢材循环强化系数呈现减小的趋势,而循环强化指数变化规律不明显;模型与试验结果吻合较好.     

铁道车辆用高耐蚀型耐候钢耐腐蚀性能研究

采用周期浸润腐蚀试验对铁道车辆用S450EW高耐蚀型耐候钢进行了耐腐蚀性能评价,结合SEM、XRD等分析测试手段研究了S450EW高耐候钢在模拟工业大气环境中的腐蚀行为。研究结果表明,S450EW高耐候钢具有良好的耐腐蚀性能,经过72h加速腐蚀后腐蚀失重率为Q345B的29%;S450EW高耐候钢锈层均匀致密且裂纹较少,锈层主要成分为α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe_3O_4,随着腐蚀时间延长增加,稳定致密的α-FeOOH含量增加,腐蚀失重速率下降速度减慢并逐渐趋于稳定。     

腐蚀预应力钢绞线的疲劳试验分析

为了研究钢绞线腐蚀后的疲劳性能,采用通电加速腐蚀方法制作了包括5根无腐蚀与22根腐蚀预应力钢绞线试件,并通过轴向拉伸疲劳试验对预应力钢绞线腐蚀后的疲劳性能退化规律进行了研究分析,试验主要考察了腐蚀率与应力水平对钢绞线疲劳寿命的影响。试验结果表明,腐蚀后的钢绞线疲劳寿命显著降低,腐蚀钢绞线的名义应力幅与疲劳寿命在双对数坐标系下仍近似符合线性关系,同级荷载水平下的钢绞线疲劳寿命随腐蚀率的增长按指数函数衰减。此外,本文根据试验结果还建立了腐蚀钢绞线的疲劳曲面方程,并给出了不同保证率下的腐蚀钢绞线疲劳强度建议值。     

X70钢在模拟深海环境中的腐蚀对力学及疲劳性能影响分析

基于模拟深海环境腐蚀试验,分析获得深海常用管线钢X70的腐蚀规律,采用三维扫描仪获得不同腐蚀时间对应的腐蚀坑分布和深度。基于腐蚀规律和扫描结果采用MATLAB编程获得标准试件表面腐蚀坑分布,采用ABAQUS建立不同腐蚀程度的标准试件模型,并模拟试件拉伸和单轴疲劳试验,以获得腐蚀影响的X70钢力学和疲劳性能。结果表明,随着腐蚀时间增加,X70钢的腐蚀速率随着腐蚀时间增加呈现先增大后减少最终趋于稳定的趋势。随着腐蚀速率增加,X70钢屈服强度和极限抗拉强度变化不大,但是伸长率明显降低;X70钢的疲劳性能明显降低,在疲劳寿命为10⁷时的疲劳强度从未腐蚀的195 MPa最大降低至121 MPa,下降率高达37.95%。     

钢桥腐蚀-疲劳耦合计算模型及影响因素分析

为了研究钢桥在交通荷载和腐蚀环境共同作用下的疲劳性能,考虑钢桥腐蚀-疲劳耦合效应,建立有2个阶段的腐蚀-疲劳耦合计算模型.在点蚀坑萌生阶段,考虑循环交通荷载对腐蚀过程的加速作用;在裂纹扩展阶段,引入裂纹扩展腐蚀加速因子,考虑腐蚀环境对裂纹扩展的影响.对钢桥顶板和纵肋焊接节点的腐蚀疲劳寿命算例分析表明：考虑腐蚀-疲劳耦合作用的疲劳强度相对于疲劳试验、规范AASHTO、规范BS5400和不考虑腐蚀-疲劳耦合作用的情况,分别降低41.25%、28.80%、44.60%和10.90%.对所建模型开展加载频率、腐蚀环境、腐蚀坑形貌特征等影响因素的比较研究,结果表明：随着加载频率的增加,焊接节点的腐蚀疲劳强度递增,当加载频率大于0.6 Hz时,焊接节点的腐蚀疲劳强度相近;随着腐蚀环境变强,腐蚀电流和腐蚀速率逐渐增大;腐蚀疲劳强度随着腐蚀坑形貌特征的增大而增大.     

铌对09CuPRe耐候钢腐蚀性能的影响

通过实验室周期浸润加速腐蚀试验,研究了铌对09CuPRe耐候钢在工业大气环境下腐蚀规律的影响.本试验分别采用激光共聚焦(LSCM)和扫描电镜(SEM)观察试验钢表面腐蚀形貌和试验钢锈层截面,并通过X射线衍射仪(XRD)测定腐蚀产物的物相组成.结果表明:在模拟工业大气条件下,铌元素在一定程度上提高了09CuPRe耐候钢的耐蚀性.     

疲劳荷载下锈蚀钢筋混凝土粘结性能研究

为研究复合作用对混凝土与钢筋间粘结性能的影响,设计制作了一批变形钢筋混凝土粘结试件.在疲劳和加速锈蚀同时进行后,通过粘结试件的拔出试验得到混凝土与钢筋间粘结应力-滑移曲线,分析了复合作用对粘结应力-滑移曲线影响,并且总结了钢筋混凝土粘结试件破坏模式.试验研究表明:在复合作用下,钢筋混凝土试件的失效模式大致可分为两类:劈裂破坏、剪切破坏.其中低循环疲劳荷载作用下的试件多出现劈裂破坏,而高循环疲劳荷载作用下的试件多为剪切破坏;在单一因素作用下,试件的粘结应力分布基本呈"单峰"分布,而在复合作用下,应力分布曲线呈"双峰"分布;复合作用后,极限粘结应力及试件破坏时滑移值都出现了一定程度的降低.     

预腐蚀后超载对LC4CS铝合金疲劳性能的影响

首先用加速腐蚀环境谱对无裂纹试件进行腐蚀试验,然后进行拉伸超载疲劳试验。实验结果表明,在等幅载荷谱前加上一个拉伸超载,并定义该超载值与等幅载荷谱的峰值比为超载比,那么超载比越大,超载对无裂纹试件的增益作用越明显,但在超载比一定的情况下,超载的增益作用由于腐蚀程度的增加而降低。因此,在构件寿命的初期,必须考虑超载对无裂纹寿命的增益作用,以得到较长的寿命指标,但在寿命的后期随着腐蚀程度的增加无需考虑超载增益。     

锈蚀对钢材低周疲劳性能的影响分析

以我国钢桥结构中使用较多的Q345钢材为例,对人工加速锈蚀试样进行2种应变幅下的低周疲劳试验研究.应用精细的有限元模型分析,基于微观断裂判据--循环空穴扩张模型（CVGM）,对锈蚀钢材的低周疲劳断裂机理进行分析,讨论蚀坑对钢材低周疲劳（LDF）寿命的影响机理,并验证方法的有效性.结果表明,质量损失率约为6%的锈蚀Q345钢材试样的低周疲劳寿命比无锈蚀钢材减少约30%;完好试样与锈蚀试样的稳定滞回环形状几乎相同,锈蚀对钢材承载能力影响较小;在1%应变幅作用下,试样破坏现象为脆性的低周疲劳破坏,而在2.5%应变幅作用的循环荷载下,试样发生延性的超低周疲劳破坏.锈蚀引起钢材超低周疲劳寿命下降程度与蚀坑位置的应变集中有关,随着应变集中程度的增加,疲劳寿命的下降增大.     

锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能

对8根模拟锈蚀钢筋混凝土梁进行了高周疲劳试验,研究和探讨了模拟锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能。结果表明,交变荷载作用下试件的斜裂纹出现并迅速发展成主裂缝;模拟锈蚀钢筋混凝土梁多在端部发生剪切疲劳破坏;试件的挠度发展、裂缝分布与破坏形态密切相关;随循环次数增加,锈蚀主筋的最大、最小应力不断增长,应力幅值基本不变;混凝土的最大、最小压应变快速增长,应变幅值平稳增长;试件的疲劳寿命具有较大的离散型;同等条件下,锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳寿命往往比锈蚀钢筋的轴向拉伸疲劳寿命长。     

锈蚀疲劳后混凝土中钢筋力学性能试验

为研究锈蚀疲劳后混凝土中钢筋的力学性能退化规律,对锈蚀钢筋混凝土梁疲劳破坏后取出的梁内主筋进行轴向拉伸试验,结合试验得到的锈蚀疲劳钢筋的应力-应变曲线,定量化地提出了锈蚀疲劳后混凝土中钢筋的本构关系模型,并对模型计算值与试验实测值进行对比验证.试验结果表明,未锈蚀钢筋在疲劳循环200万次后表现出与原状钢筋相同较好的延性破坏特征,疲劳作用对未锈蚀钢筋的力学性能没有实质影响;锈蚀疲劳后钢筋的应力-应变曲线发生了显著变化:屈服台阶特征改变、延伸率减小、屈服强度降低,变化幅度的大小与锈蚀疲劳程度有关,软钢不同程度地硬化;疲劳裂纹的出现使得钢筋在极低的延伸率下即突然拉断破坏,强度大幅降低,延性几乎完全丧失.     

锈蚀高强度钢丝的力学性能与评级方法

为了建立高强度钢丝的锈蚀分级标准,以4座服役10 a以上的拱桥吊杆高强度钢丝样本为对象,在进行原状钢丝拉伸和疲劳试验研究的基础上,用刻痕方法模拟钢丝的表面蚀坑,通过有限元分析以及拉伸试验研究蚀坑形貌对钢丝力学性能的影响,建立蚀坑参数与钢丝极限应变的定量关系,提出考虑蚀坑形状的锈蚀钢丝评价标准。结果表明,锈蚀对钢丝弹性模量和极限强度的影响不敏感,但蚀坑引起钢丝的延性下降;锈蚀钢丝的延性下降程度与蚀坑部位的应力集中状况有关,用蚀坑形状参数可以较精确地评价钢丝受锈蚀影响的程度。     

Corrosion damage evolution and residual strength of corroded aluminum alloys

The LY12CZ aluminum alloy specimens were corroded under the conditions of different test temperatures and exposure durations. After corrosion exposure, fatigue tests were performed. Scanning electron microscopy and optical microscope analyses on corrosion damage were carried out. The definition of surface corrosion damage ratio was provided to describe the extent of surface corrosion damage. On the basis of the measured data sets of the corrosion damage ratio, the probabilistic model of corrosion damage evolution was built. The corrosion damage decreased the fatigue life by a factor of about 1.25 to 2.38 and the prediction method of residual strength of the corroded structure was presented.     

近海环境下锈蚀箍筋约束混凝土本构模型

采用人工气候环境模拟技术模拟近海环境,对36组约束混凝土棱柱体试件进行加速腐蚀,开展轴压试验,研究箍筋锈蚀对约束混凝土峰值应力、峰值应变和应力-应变曲线形状的影响. 通过对试验结果的回归分析,得到考虑箍筋锈蚀率影响的混凝土峰值应力和应变修正系数拟合公式,以形状系数作为应力-应变曲线形状参数,基于Mander模型确定考虑箍筋锈蚀率影响的形状系数的计算公式,建立近海环境下的锈蚀箍筋约束混凝土本构模型. 与试验结果对比发现：采用该模型计算得到的各试件峰值应力、峰值应变及应力-应变曲线形状均与试验结果符合较好,表明建立的本构模型能够较准确地反映锈蚀箍筋约束混凝土力学性能,可以用于该环境下的锈蚀RC结构剩余承载力及抗震性能评估.     

Effect of pre-corrosion on fatigue life of high strength steel 38CrMoAl

The effect of pre-corrosion on fatigue behavior of high strength steel 38CrMoAl was investigated with a fatigue test method using the accelerated pre-corrosion specimen in the neutral salt spray environment. The methods of weight-loss and energy dispersive spectrum (EDS) were adopted. The corrosion weight-loss rate was fitted with the test time using power law, and the relationship between the corrosion weight-loss rate and the time was formulated. Moreover, the fatigue behaviors of the steel for different pre-corrosion time were investigated by the axis-direction tensile fatigue test. The fatigue life distribution characteristics of the pre-corrosion specimens were studied using the statistical probability methods, and the mathematical expectations and the standard tolerances of the material fatigue lives after different pre-corrosion time were obtained. It was found that the crack initiation of the high strength steel was accelerated by the preferential corrosion at the local plastic deform areas. The fatigue life obeys the lognormal distribution perfectly. Furthermore, within the common time range of the engineering, the standard tolerances of the logarithm of the fatigue life were independent of the pre-corrosion time.     

盐水介质对12CrNi3MoV钢焊接接头微区疲劳裂纹扩展速率的影响

本文研究了12CrNi3MoV钢焊接接头在3.5%NaCl水溶液中的腐蚀疲劳行为,对显微组织和电化学因素的影响以及疲劳试验数据的分散性进行了一定分析.