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。     

基于坑蚀随机性的混凝土构件抗弯可靠性分析

为了研究随机分布的腐蚀对现役结构可靠性能的影响,采用验算点法,分析了基于坑蚀随机性的混凝土构件抗弯可靠性随分布数量和服役时间的发展规律.结果表明,坑蚀随机性对混凝土构件抗弯可靠性的影响显著,可靠指标随着独立同分布的随机变量的数目的增大而减小,并随着服役年限的增加下降较快.分析表明,研究基于坑蚀随机性的混凝土构件可靠性能的发展规律,为有效预测混凝土构件的寿命奠定了理论基础.     

锈蚀脚手架钢管轴压稳定性试验研究

为研究锈蚀对扣件式脚手架体系中钢管立杆稳定性的影响,通过对不同锈蚀龄期的钢管进行表面形貌测试,分析锈蚀对钢管内、外壁表面形貌的影响;通过锈蚀钢管材料单调拉伸试验,探讨锈蚀条件下钢材力学性能的退化规律;基于锈蚀钢管的轴心受压试验结果,提出锈蚀钢管立杆稳定性的计算模型。结果表明：随着钢管失重率的增加,钢管表面坑蚀分布由独立蚀坑向溃疡状蚀坑群发展,外壁坑蚀率、算术平均高度和均方根高度均不同程度地高于钢管内壁;锈蚀钢材表面随机分布、大小不一的蚀坑会导致钢材强度与塑性变形能力下降、塑性变形能力劣化更明显;不同锈蚀程度的钢管轴压破坏模式均为整体弯曲失稳,锈蚀钢管的极限荷载随失重率的增加线性下降,峰值荷载对应的轴向位移值逐渐降低。     

氯盐侵蚀钢筋表面的坑蚀特征及蚀坑演变规律

对氯盐侵蚀环境下普通硅酸盐混凝土内锈蚀HRB335级变形钢筋表面上的蚀坑的形状、数量和尺寸进行了详细的观测和研究.通过统计分析建立了不同形状蚀坑的概率分布模型.结合金属腐蚀学的知识对蚀坑的生长机理进行了分析,并得到了蚀坑生长演变的规律.结果表明:在锈蚀初期,22％的微观蚀坑在闭塞电池作用下发展为深椭球形蚀坑,但多数蚀坑的纵横向腐蚀速率大于径向,使得40％的蚀坑呈圆球形,35％的蚀坑呈长椭球形;随着锈蚀率的逐渐提高,径向腐蚀速率下降,纵向腐蚀速率逐渐增大,深椭球形逐渐演变为其他形状,圆球形蚀坑逐渐演变为长椭球形;当锈蚀率超过4％以后,蚀坑横向曲率逐渐为0,长椭球形蚀坑逐渐演变为凹槽形.     

锈蚀不锈钢筋与混凝土黏结性能退化

通过不同锈蚀率下不锈钢筋混凝土试件的中心拉拔试验,分析锈蚀率、锈胀裂缝宽度对不锈钢筋/混凝土黏结性能退化的影响规律,分别基于质量锈蚀率和表面裂缝宽度建立不锈钢筋与混凝土黏结强度的预测公式,并与普通钢筋混凝土黏结性能进行对比分析. 研究结果表明：类似普通钢筋混凝土黏结退化规律,锈蚀不锈钢筋黏结强度随锈蚀率增大呈先增后减趋势,但拐点锈蚀率较普通钢筋更大;不锈钢局部坑蚀具有较强的随机性,使得锈胀裂缝宽度与锈蚀率的关系较为离散,与基于锈蚀率的黏结退化模型相比,基于表面锈胀裂缝宽度的模型可以更好地预测不锈钢筋与混凝土黏结强度的退化规律,工程实用性更强;在相同锈蚀程度下,不锈钢筋黏结强度退化程度较普通钢筋小,现有的普通钢筋黏结退化模型可以用于不锈钢黏结强度的预测,具有一定的安全保证.     

岩土预应力锚索腐蚀损伤演化规律研究

研究应力腐蚀对岩土预应力锚索长期耐久性的影响可以有效减少应力腐蚀重要环节。文章基于室内腐蚀试验,利用超景深三维数字显微系统对预应力索体在不同腐蚀时间下的锈蚀损伤形貌进行了观测,采用蚀坑面积、深度、长轴长度等指标作为其表面腐蚀损伤的统计参数,通过函数描述了参数指标与时间的关系,分析了应力腐蚀的表观损伤演化规律;利用热场发射扫描电子显微镜对索体显微组织、裂纹萌生及其发展规律进行观测,从微观结构层面探求腐蚀损伤演化的力学本质。结果表明:在腐蚀介质环境中蚀坑长轴长度、面积随时间呈指数关系,平均腐蚀深度与时间呈幂函数关系,酸性腐蚀介质更有助于腐蚀坑槽的贯通;随腐蚀时间延长,预应力锚索试件的屈服和断裂荷载均逐渐减小,到达屈服点时试件所产生的位移也有所减小;随腐蚀时间延长,材料的塑性降低,脆性逐渐增强;酸性溶液中腐蚀时间较长的试件在拉伸破坏时易表现出应力腐蚀的特征。     

钢材表面多重分形随锈蚀龄期的变化规律

为研究钢材的表面形貌随锈蚀龄期的变化规律,通过中性盐雾环境下的快速锈蚀试验得到9组不同锈蚀龄期的钢板试件,采用PS50三维非接触式表面形貌扫描仪对试件的上、下表面进行扫描,得到表面形貌和粗糙度S_q.根据多重分形理论对表面进行分析,计算其多重分形谱,得到特征参数Δα和Δf的变化规律,并根据这一规律研究试件表面形貌与锈蚀龄期之间的关系.结果表明,随着锈蚀龄期的增加,试件表面的平均Δα呈现出“增大（424.34%）—减小（26.5%）—增大（29.7%）”的变化趋势,该趋势符合四次幂函数曲线;平均Δf则呈现出符合二次曲线的下降（53.2%）趋势.随着锈蚀龄期的增加,1）试件表面的蚀坑形态由深窄型过渡到浅宽型,并进一步演化出了二级蚀坑; 2）试件表面的高度差异经历了“显著增大—增速减缓—渐趋稳定”的变化规律;3）表面不同高度区域之间的过渡越来越平缓.     

锈蚀冷弯薄壁型钢板材力学性能退化规律

为了研究锈蚀对冷弯薄壁型钢和热轧钢材料力学性能的不同影响,通过对工业环境下服役多年的冷弯薄壁C型钢进行拉伸试验,借助3Dscan手持式激光扫描仪得到腐蚀钢板表面形貌,探讨了锈蚀程度对其材料力学性能的影响。将试验结果与锈蚀热轧钢进行对比分析,比较了锈蚀对两种钢材表面形貌、断口形式、应力-应变曲线、力学性能指标的不同影响。研究结果表明:锈蚀冷弯薄壁型钢三维粗糙度参数S_a、S_q随锈蚀率的增大而呈现逐渐增大趋势,且增长速率高于热轧钢;锈蚀冷弯薄壁型钢的弹性模量、屈服强度、极限强度和极限应变均随着锈蚀率的增大呈线性下降,但伸长率随锈蚀率的增大呈二次曲线下降;同等锈损深度下,冷弯薄壁型钢的弹性模量、屈服强度、极限强度、极限应变和伸长率的下降速率均大于热轧钢,证明了锈蚀对冷弯薄壁型钢力学性能的影响高于热轧钢。     

模拟海洋与工业大气环境下结构钢腐蚀行为

分别采用室内盐雾试验模拟海洋大气环境、周浸试验模拟工业大气环境,研究碳素结构钢在两种不同模拟环境下的腐蚀行为.通过SEM扫描电镜分析了碳素结构钢在两种不同环境下的腐蚀微观形貌差异,采用三维非接触表面形貌仪获得腐蚀试样点蚀深度分布模型和点蚀深度变异系数.结果表明：两种不同大气环境下碳素结构钢腐蚀形貌有明显差异;平均腐蚀深度与时间呈幂函数关系;点蚀深度近似服从正态分布,点蚀深度变异系数随腐蚀时间的增长有减小趋势,可作为碳素结构钢腐蚀特征评价指标之一.进一步采用灰色系统理论对碳素结构钢室内外腐蚀相关性进行分析,验证了室内模拟加速腐蚀试验的合理性,并建立了室内外腐蚀相关性预测模型,可用于碳素结构钢在海洋大气和工业大气环境下腐蚀程度的预测.     

受硫酸盐腐蚀钢筋混凝土梁延性分析

为了研究受硫酸盐腐蚀钢筋混凝土梁的延性退化规律,分别利用截面分析法和分形理论对受硫酸盐腐蚀钢筋混凝土梁的延性特性进行了分析计算.在平截面假定的基础上,考虑钢筋和混凝土的腐蚀特点,讨论了钢筋锈蚀与混凝土腐蚀对钢筋混凝土梁延性的影响,分析了受腐蚀梁截面曲率延性系数随钢筋锈蚀率及混凝土劣化系数的演变规律;根据受硫酸盐腐蚀钢筋混凝土梁力学性能的实验研究结果,建立了受硫酸盐腐蚀钢筋混凝土梁截面延性系数的简化计算公式,得到了构件表面裂缝分形维数与构件延性之间的关系.     

考虑均匀/非均匀锈蚀特征参数的钢筋力学与变形性能

开展了45个混凝土试件中135根加速锈蚀钢筋的单轴拉伸试验,分别建立了均匀/非均匀锈蚀特征参数与锈蚀钢筋的力学性能参数和变形性能参数之间的定量关系,进而提出了基于均匀/非均匀锈蚀特征参数的锈蚀钢筋应力应变关系模型。结果表明：锈蚀钢筋的力学和变形性能参数与锈蚀特征参数之间的相关性较大,随着质量锈蚀率、最大截面锈蚀率和最大锈蚀深度相对值的增加呈现线性减小趋势,而随着最小剩余截面积相对值和面积点蚀因子的增大呈现线性增大趋势;随着钢筋锈蚀程度的增加,锈蚀钢筋的屈服平台会出现明显退化现象,当质量锈蚀率、最大截面锈蚀率和最大锈蚀深度相对值分别大于20%、60%和40%左右或最小剩余截面积相对值和面积点蚀因子分别小于40%和60%左右时,屈服平台基本消失;轻度锈蚀钢筋可以利用均匀和非均匀锈蚀特征参数来描述应力应变关系曲线,而重度锈蚀钢筋采用非均匀锈蚀特征参数来描述应力应变关系曲线更合理。     

Evaluation Indicators and Extraction Method for Pitting Corrosion of Structural Steel

A set of evaluation indicators based on corrosion ratio in theory for assessing the extent of pitting corrosion and performance reduction are proposed. In order to quantify the morphology of pitting co...     

建筑结构用钢的大气腐蚀模型研究综述

腐蚀是钢结构面临的一大耐久性问题,而大气腐蚀是最常见、造成腐蚀损失最大的一类腐蚀.多年来,国内外学者通过在役结构的原位测试、大气暴露试验、室内加速试验、电化学测试等手段对各种钢材的大气腐蚀进程进行了大量研究,对不同环境中的钢材腐蚀机理进行了分析,并提出钢材的腐蚀模型.本文从典型腐蚀性大气环境中建筑结构用钢的腐蚀机理、钢材的腐蚀失重时变模型和钢材表面的蚀坑发展和分布规律等三方面论述了建筑结构用钢的大气腐蚀模型的研究现状和进展.     

Fractal Characteristic of Pits Distribution on 304 Stainless Steel Corroded Surface and Its Application in Corrosion Diagnosis

Electrochemical techniques and fractal theory were employed to study the corrosion behaviors and pits distribution characteristics on the corroded surfaces of 304 stainless steel exposed in FeCl3 solution. Fractal features of pits distribution over the corroded surfaces were observed and described by the fractal dimension. A 5-8-2 back-propagation （BP） artificial neural network model for the diagnoses of the pitting corrosion rate and pits deepness of 304 stainless steel under various conditions was developed by considering the fractal dimension as a key parameter for describing the pitting corrosion characteristics. The predicted results are well in agreement with the experimental data of pitting corrosion rate and pit deepness. The max relative errors between their experimental and simulation data are 6.69% and 4.62%, respectively.     

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.     

Method for Calculating the Ultimate Strength of Pitting Corrosion Ship Structural Plates Under Combined Loads

联合载荷作用下点蚀船体板的极限强度计算方法研究

滑林^1,2,吴梵^1,2,牟金磊^1,2,马晓龙¹

（1. 海军工程大学 舰船与海洋学院,武汉 430033;

2. 海军舰艇技术鉴定船体结构强度校核中心, 武汉 430033）

创新点说明：

1）结合实船（舰艇）点蚀勘验数据,提出了点蚀矩阵的概念,建立了点蚀分布的数学模型,为全面开展点蚀相关研究提供了新的途径;

2）采用新的灵敏度计算方法开展了点蚀特征（分布,点蚀深度及蚀坑半径等）对船体板极限强度的贡献值计算;

3）提出了刚度缩减因子的概念,并拟合出了点蚀损伤船体板极限强度的计算评估公式。

关键词：船体结构;点蚀损伤;极限强度;联合载荷;灵敏度分析

     

点蚀孔腐蚀钢构件力学性能劣化简化分析方法

点蚀是一种局部和剧烈的腐蚀形态,导致钢结构构件力学性能退化,突然之间发生事故,对结构整体造成安全隐患.本文针对具有点蚀孔腐蚀特征的钢构件,提出一种通过等效弹性模量定量评价其力学性能劣化程度的简化分析方法.依据周期喷雾复合试验数据,以锈蚀率和最大点蚀深度为基础,对点蚀孔深度、直径及分布情况作出适当假定;考虑涂层寿命的影响,以锈蚀率相等为原则建立人工加速腐蚀试验和海洋大气条件下Q235钢构件腐蚀情况的转换关系.建立考虑点蚀影响的有限元构件模型,通过轴向均布力作用下的构件变形确定海洋大气环境不同暴露时间下点蚀构件的等效弹性模量,提出点蚀构件力学性能劣化分析的实用计算方法.数值算例验证了上述采用等效弹性模量分析腐蚀构件受力性能方法的正确性;计算结果表明,在相同锈蚀率条件下,点蚀构件的等效弹性模量低于均匀腐蚀构件.     

Susceptibility of two types of low-alloy hull steels to pit initiation

Four low-alloy hull steels with different alloy elements were selected. Their susceptibility to pitting corrosion was compared by means of electrochemical polarization test. The inclusions in the steels and their pitting corrosion characteristics were studied by an electron probe micro-analyzer (EPMA). The results indicate that some inclusions are the main sources of pitting corrosion. The susceptibility of nickel-chromium steel to pit initiation is less than that of manganese steel. Under the same conditions, nickelchromium steel is easier to passivate than manganese steel, and the passive films on nickel-chromium steel surface are more stable than that on manganese steel. In low-alloy steels, the higher the contents of nickel and chromium, the lower the critical passive pH value. In the same kind of steel, multi-phase inclusions containing sulfide are easier to initiate pitting corrosion than other inclusions.     

高浓缩倍率冷却水中304不锈钢耐蚀性能研究

高浓缩冷却水中离子浓度的提高对冷却管的耐蚀性能会产生影响。采用某电厂循环水补充水,研究了304不锈钢在不同浓缩倍率的冷却水、经某低磷药剂处理的冷却水,以及含低磷药剂并加酸处理的冷却水中的耐蚀性能。结果显示:在未经处理的冷却水中,随着浓缩倍率的提高,不锈钢的过钝化电位或点蚀电位下降,点蚀敏感性增大;冷却水中加入低磷药剂时,不锈钢耐蚀性能随着药剂浓度的增加而提高;当含低磷药剂的冷却水经进一步加酸处理时,不锈钢的耐蚀性能也得到进一步的增强。通过不同处理引起的冷却水p H值及阴离子浓度变化,讨论了加阻垢剂和加酸处理提高冷却水中黄铜耐蚀性能的原因。