高强度钢材腐蚀疲劳研究综述

2021-01-08雷天奇魏欢欢郑东东关晓迪万亮婷

山东电力高等专科学校学报 2021年6期

雷天奇，魏欢欢，郑东东，关晓迪，万亮婷，李涛

（1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714099；2.杨凌职业技术学院，陕西咸阳 712100；3.西安理工大学，陕西西安 710048；4.商洛市人民防空办公室，陕西商洛 726000）

0 引言

腐蚀疲劳是引起工程结构失效的关键性因素之一，其中最大加载应力幅值往往要小于材料屈服极限，并且破坏前无任何预兆[1]。高强度钢材作为海工建造中的常备选材，考虑其属性，长期遭遇海洋地域高温、高氯离子、干湿循环与风浪载荷交替影响，上述损伤失效特征更为显著[2]。相关数据显示，每年腐蚀引起不可再利用材料约占全球生产总量的30%，而海域板块废料占有率为全年腐蚀总量的33%，外界环境介质损伤剥蚀是导致相关基础工程与设施丧失正常使用功能的重要组成因素[3]。若处于腐蚀疲劳效应耦合下，材料自身产生的损伤破坏程度十分严重，不但会造成经济损失，还会给实际工程带来潜在的安全隐患。例如，2007年，Minnesota，U.S.地区密西西比河大桥支座处，由于大气环境介质侵蚀影响，加之承重杆件疲劳损伤程度加剧，造成桥面瞬间坍塌，6人丧生[4]；2016年，California，U.S.地区一发电装置内旋转叶片的抗剪腹板萌生裂纹，最终发生了飞车倒塔事故[5]。综上所述，腐蚀疲劳损伤会降低工程结构可靠度，产生巨大的经济损失甚至人员伤亡，从而造成极为恶劣的负面影响。本文通过介绍国内外关于高强度钢材腐蚀疲劳相关成果，为该领域后续研究工作及工程应用提供指导。

1 高强度钢材腐蚀研究

1.1 腐蚀机理

从20世纪初期，国内外相关专家学者对于建筑用钢的腐蚀损伤行为展开研究分析[6-11]。在高强度钢材研究方面，主要集中于工程结构体系安全性和适用性等方面的研究分析[12-13]。但是，长期服役于工业大气、海洋及酸雨等环境下的工程钢结构，构件表面与周围环境介质发生化学作用或电化学作用，容易产生锈蚀，最终引起材质丧失原有力学性能，不均匀的锈坑分布极易增加钢材脆性破坏的可能性。腐蚀损伤行为不仅影响结构体系的安全性，而且对于耐久性影响程度十分明显[14]。

文献[15]通过建立环境影响变量与腐蚀速率模型，研究了海水温度、含盐量及溶解氧量对钢材的腐蚀行为，根据试验数据统计与分析结果，得到了影响高强度钢材腐蚀性能的因素及变化关系。文献[16]分析了高温作用和应变速率对高强度钢材腐蚀行为影响，由微观扫描结果可知，随着形变量和温度的升高，钢材晶粒尺寸逐渐增大，耐腐蚀性变差。文献[17]通过模拟海洋大气腐蚀环境，研究了E690高强钢及对接焊缝耐久性，结果表明，焊缝区微观晶粒与相邻母材区产生电荷流动，热影响区存在电化学腐蚀现象，并沿此晶间区域形成细微裂纹。文献[18]研究了湿热循环作用下X100高强钢腐蚀行为，结果表明长期暴露于高浓度的O2、Cl-及充足湿润环境中时，会加快钢材腐蚀速率，但是随着锈层表面α-FeOOH含量逐渐增多，金属材料腐蚀速率明显减小。文献[19]对Q690E高强钢进行了CASS（Acetic Acid Salt Spray，简称CASS）加速腐蚀试验，利用质量损失率讨论了钢材耐久性能，研究表明未加预应力的钢试件质量损失随腐蚀速率降低始终保持增大趋势，并且腐蚀行为主要以点蚀为主。文献[20]采用外加电流法得到锈蚀HRB400钢筋，研究了腐蚀损伤与高温对其力学性能的影响规律。文献[21]和文献[22]通过干湿交替模拟了海洋环境下E690钢材电化学腐蚀行为及机理，研究分析表明，随着所处介质中Cl-含量的增加，钢材应力腐蚀速率先上升后减小，浓度为3.5%时SCC（Stress Corrosion Cracking，简称SCC）敏感性最高。文献[23]采用动电位极化法研究了静水压和溶解氧耦合作用对高强度钢材腐蚀行为的影响，结果表明两者共同作用能够加速钢材腐蚀产物生成，并且表面锈坑数量和尺寸明显增加。文献[24]通过模拟工业与海洋大气环境，研究了30CrMnSiA高强钢腐蚀行为，随着暴露周期的增加，海洋大气环境下锈层呈剥落行为，敏感性相对工业大气环境下较强。

1.2 微观扫描分析

微观形貌测试方法经过了长期发展，由初始定性测量逐步发展到现阶段高精度定量测定[25]。目前，研究腐蚀形貌测量时多采用接触式和非接触式测量方法进行表面形貌的测量和评定。研究人员通过积累大量的研究数据，发现表面形貌具有随机性，在分布上存在较大波动性。微观形貌扫描技术[26]主要提取锈蚀钢材表面的锈坑尺寸、深度和分布范围，对损伤展开全过程的讨论分析，通过建立不同腐蚀周期与粗糙度参数的定量关系，为钢材腐蚀机理研究提供基础依据。

微观形貌分布与扫描尺寸能够反映钢材表面锈坑随时间的分布规律与变化特征，具备可靠性高、统计方便和分析简洁等优点，在研究领域应用较为广泛，目前主要是通过电子扫描仪与光学扫描仪对材料进行结构微观分析。文献[27]采用3%NaCl溶液模拟高强钢丝在雨水侵蚀作用下的腐蚀损伤行为，测定材料表面微观形貌分布特征，结果表明未经IC⁃CP（Impressed Current Cathodic Protection，简称ICCP）保护的钢丝表面较为粗糙，随着暴露时间的增加，点蚀尺寸与数量明显增多，腐蚀速率加快。文献[28]通过表面扫描技术分析了锈层对模拟海岸环境下300M高强钢腐蚀行为的影响因素，结果表明材料表面生成的α-FeOOH和α-Fe2O3致密锈层，对内部基体具有良好的保护功能，此时耐久性能得到显著改善。文献[29]选取50 g/L的NaCl溶液（pH值为3.0）进行了高强钢丝室内加速腐蚀试验，通过3D形貌扫描技术对锈蚀钢丝表面进行微观分析，建立了三维形貌腐蚀模型，并分析了损伤程度与应力集中系数间的变化关系。文献[30]通过光学和SEM（Scanning Electron Microscope，简称SEM）扫描技术，测定了锈蚀钢筋表面产物分布及形貌变化规律，利用X射线得到生成物的化学成分，结果表明材料表面尺寸与钝化效应在大气腐蚀过程中起着至关重要作用。

关于腐蚀试验，目前大多数研究考虑成因较为单一，未达到实际腐蚀效果。在研究过程中，实际配置溶液浓度差异较大，并且加速周期与环境温度未给出统一的控制措施，致使各研究成果无法对比分析。所选仪器精度差异性偏高，导致实际拟合数据与微观测得的腐蚀形貌的一致性不够高，无法为后续腐蚀损伤分析提供指导。

2 疲劳性能研究

在钢结构工程建设项目中，构件连接主要形式为焊缝连接和螺栓连接，而疲劳断裂与结构服役期内安全性紧密相关，历来是钢结构研究的热点话题[31]。焊接节点受焊接工艺及残余应力等因素影响，在疲劳荷载作用下，裂纹萌生于焊缝区。螺栓连接作为现场较为可靠的连接方式，在工程中得到了广泛的应用，其设计方法得到不断发展和完善，疲劳裂纹一般生成于板件连接薄弱位置，疲劳强度受接头形式、螺栓预拉力、表面处理等因素的影响。一般而言，结构整体破坏往往是由连接或节点局部引起，因此能实现安全可靠连接的方式，已成为钢结构连接疲劳性能研究的重点。

基于材料层面考虑，文献[32]和[33]分别进行了Q460、Q690高强钢母材、焊缝及螺栓连接疲劳性能试验，测定不同应力比下的试件寿命，并建立了疲劳损伤分析模型，为高强度钢材在实际工程中的应用提供理论依据。文献[34]对试验数据进行汇总统计，采用Walker方程拟合得到了S355、S690钢材的疲劳裂纹扩展速率，基于XFEM（Extended Finite Ele⁃ment Method，简称 XFEM）法和VCCT（Virtual Crack Closure Technique，简称VCCT）技术验证了疲劳失效历程，预测了对接接头的疲劳寿命。文献[35]研究了P460NL高强钢焊接接头疲劳性能，预测了连接区域极限强度，采用XFEM法进行了数值模拟，验证了该有限元法的真实可靠性。文献[36]采用HPAW（High-frequency Pulse Plasma Welding，简称HPAW）和GMAW（Gas Metal Arc Welding，简称GMAW）连接工艺，得到Q500D高强钢焊接试件，由疲劳试验结果可知，GMAW加工试件连接处存在较大应力集中，处于循环荷载作用下，极易发生疲劳断裂，实测寿命相比HPAW连接节点偏小。文献[37]对疲劳损伤后的Q690高强钢试件进行了力学性能试验，建立了疲劳损伤与力学性能参数之间的关系，预测了不同损伤程度下试件的力学性能，为服役高强钢结构实际工程可靠性评估提供依据。文献[38]通过对Q460高强钢及焊缝进行不同加载频率下的试验数据分析对比，结果表明低频加载实测寿命相比中高频普遍要高，采用高频加载试件实测寿命相对偏小。文献[39]对Q460高强钢T型节点进行了高周疲劳试验，拟合得到不同应力状态时的S-N曲线，研究发现裂纹首先萌生于节点焊缝区域，并由末端逐渐向外扩展。此外，由结果对比可知CIDECT（International Regulatory Structure Research and Development Com⁃mittee，简称CIDECT）和 DNV（Det Norske Veritas，简称DNV）规范不适用于圆管节点疲劳设计。基于断裂力学损伤模型，文献[40]研究10CrNi3MoV高强钢焊缝缺陷、几何尺寸与疲劳极限的关系，提出了十字焊缝节点疲劳寿命预估方法。

3 腐蚀疲劳研究

工程材料的破坏除因疲劳极限外，还可能由外部载荷和环境因素耦合作用引起。腐蚀疲劳是由交变应力和腐蚀环境共同作用下的失效形式[41]。当前，各类在役高强钢结构、承重构件均服役于不同程度的腐蚀环境中，在交变应力的作用下，腐蚀性环境会显著降低材料的断裂韧性，加快疲劳裂纹形成和扩展，缩短工程结构的使用寿命[42-44]。

腐蚀疲劳问题作为工程结构耐久性的主要影响因素[45]，备受国内外相关学者重视。文献[46]通过对6组不同腐蚀周期高强钢丝进行疲劳载荷试验，拟合得到S-N曲线，随着钢丝损伤程度增加，曲线斜率逐渐增大，文中所给损伤模型在一定程度上可反映材料腐蚀疲劳耦合效应。文献[47]选用盐水浸泡对AISI4340高强钢进行了腐蚀疲劳试验，研究了锈蚀基体疲劳损伤机理。文献[48]根据既有试验数据，建立三维有限元模型，研究了表面锈坑分布与尺寸对其疲劳寿命的影响规律。文献[49]分别设计了90组Q460D、Q550E高强钢试件，研究了腐蚀损伤对其疲劳性能影响因素，得到了不同周期下S-N曲线，根据两者对比可知，在疲劳裂纹临界过渡阶段，Q550E钢材拟合曲线相比Q460D具有更高平坦度；随着应力水平的增加，试件的疲劳寿命将快速减小。文献[50]和文献[51]基于元细胞有限元模型，对高强钢丝腐蚀疲劳进行了数值模拟，并与试验结果对比得出，腐蚀疲劳相互耦合影响，导致材料力学性能快速衰减，随着锈坑模型尺寸增加，疲劳寿命逐渐减小。文献[52]对43根等边角钢进行了腐蚀疲劳试验，基于简化单点-似然法及单点-成组法拟合了S-N曲线，研究表明酸雨大气环境会缩短试件疲劳寿命，对高应力水平下的寿命影响较小。文献[53]基于预腐蚀钢丝疲劳寿命预测方法，对锈蚀钢丝恒幅和变幅疲劳寿命进行分析，屈服强度和门槛值的相关性随屈服强度和应力比上升而增强，腐蚀钢丝变幅疲劳评估结果对门槛值的变化较敏感。文献[54]对Q460D、Q550E高强钢试件进行室内电化学加速腐蚀试验和不同周期单轴疲劳荷载试验，根据拟合S-N曲线分析了锈蚀率对试件疲劳性能影响规律，结果表明实测寿命随着锈蚀率增加逐渐变小，失效断口处存在明显的裂纹扩展特征及变化规律。

近年来，国内外耐久性团队关于碳钢、低合金钢腐蚀疲劳展开了一系列研究工作，针对高强度钢材腐蚀疲劳试验测试与理论分析仍然较少。此外，目前主要基于损伤力学模型，对锈蚀高强度钢材疲劳寿命退化关系进行了讨论，后续可从微观角度对其裂纹扩展过程及演化规律开展研究，建立相关损伤理论分析模型。