考慮腐蝕鋼板表面形貌的三維逆向重建及力學性能退化分析

徐善華，張宗星，秦廣沖

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

考慮腐蝕鋼板表面形貌的三維逆向重建及力學性能退化分析

徐善華，張宗星，秦廣沖

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

通過對Q235鋼板進行中性鹽霧加速腐蝕，得到了不同腐蝕率下的鋼板試件；采用三維形貌儀測得腐蝕鋼板表面特征，得到了腐蝕鋼板表面三維形貌以及孔洞率等腐蝕損傷參量；分析了三維形貌隨腐蝕時間的變化規(guī)律，建立了孔洞率與腐蝕率之間的關系；最后在試驗基礎上應用逆向工程軟件Geomagic Studio和有限元軟件ANSYS，來仿真模擬研究真實銹蝕表面下的單調拉伸力學性能。研究結果表明：腐蝕率及孔洞率較好地符合BidoseResp函數模型；采用逆向工程軟件Geomagic Studio可以與ANSYS直接進行數據交流，從而能夠運用計算機技術反映出腐蝕鋼板的力學性能退化:隨著腐蝕程度增加，鋼板力學性能線性退化明顯。

腐蝕鋼板； 三維特征； 逆向重建； 性能退化

1 引 言

在鋼結構正常使用過程中，若長期處于如土壤、大氣、酸雨、海洋環(huán)境等腐蝕環(huán)境下，均會出現腐蝕損傷現象[1]。為研究實際工程已經發(fā)生或可能發(fā)生的鋼結構大氣腐蝕問題及有關理論問題，目前多采用加速腐蝕試驗方法[2]，且研究表明，加速腐蝕試驗與長期自然暴露試驗相關性良好[3]。

材料腐蝕之后表面粗糙不平整且不規(guī)則[4-5]，為了對腐蝕狀況定量描述，可采用接觸式或非接觸式表面形貌儀等無損檢測手段得到表面腐蝕形貌[6-7]。由于腐蝕通常發(fā)生在材料的表面，而斷裂也往往是由表面產生裂紋后逐漸擴展導致的材料整體破壞[8-9]，因此腐蝕后材料的力學性能退化必然和材料表面微觀特征有很大的關聯。

目前對于鋼材表面統(tǒng)計特征與力學性能退化之間的關系采用模擬研究的很少，主要是由于獲取的三維數據點數量龐大，而直接將其導入到ANSYS中建模是非常復雜和困難的，因此本文采用逆向工程軟件的曲面模型完成表面形貌的重建，可以與ANSYS軟件直接進行數據交流[10-11]，從而能夠運用計算機技術真實有效地反映出腐蝕鋼板的力學性能退化，因此本文將在試驗基礎上應用逆向工程軟件Geomagic Studio和有限元軟件ANSYS來仿真模擬研究真實銹蝕表面下的鋼板單調拉伸力學性能。

2 試驗介紹

2.1 腐蝕試驗

本實驗選用Q235鋼為研究對象。將同一生產批號8mm厚的Q235鋼板采用氣割切割成長×寬=280×50mm(長邊沿鋼板軋制方向)的試件。按照不同腐蝕時間進行分組﹑編號，總共9組，編號為A01(未腐蝕)，A11，A21，A31，A41，A51，A61，A71，A81。

配制飽和氯化鈉溶液，將8組板材試樣與垂直方向成30°暴露放置于屋頂箱體內。將飽和的氯化鈉溶液倒入噴壺中，每隔2～3天將溶液以霧狀噴在試件兩側，為了保證試件兩面腐蝕均勻，試驗每進行一次翻一次，取樣時間分別為A1：30天、A2：70天、A3：110天、A4：150天、A5：250天、A6：310天、A7：370天、A8：440天，總試驗時間為440天。得到腐蝕試樣之后，將試件浸入緩蝕劑為 12% (體積比)的鹽酸溶液中 30min左右，用鋼刷清洗表面腐蝕產物，再用氫氧化鈣溶液中和，然后用水沖洗干凈，取出后放在干燥箱中烘干并稱重，并采用腐蝕率來評定鋼板質量損失。

2.2 表面測試

采用美國 NANOVEA 公司生產的PS50三維非接觸式表面形貌儀，見圖1所示。每個面測兩個中間區(qū)域，大小為40mm×20mm(40mm沿試件長度方向，步長50μm，20mm沿試件寬度方向，步長50μm)，編號在試件后面加字母a，b區(qū)分。

圖1 PS50三維非接觸式表面形貌儀Fig.1 Three-dimensional non-contact surface topography instrument

3 試驗結果分析

3.1 表面三維形貌

表面形貌圖可以定性看出試件在鹽霧腐蝕環(huán)境中表面的真實腐蝕變化情況。得到的3D表面形貌圖由三部分組成：真實圖、彩色圖和顏色高度條。由于采樣表面形貌圖較多，這里只列出一組試件單側采樣的形貌圖，見圖2。

對表面形貌圖觀察分析發(fā)現，在腐蝕初期，只是局部發(fā)生了較為嚴重的腐蝕，且表面形貌大多為針孔狀，主要為縱向腐蝕，腐蝕深度較?。浑S著腐蝕時間增長，腐蝕向整個表面擴展，之前的小洞慢慢連成一起，出現了U形蝕坑，橢球形蝕坑，錐形蝕坑等不同形貌蝕坑；到了后期蝕坑繼續(xù)發(fā)展擴散，部分蝕坑產生次級蝕坑，板材表面產生局部剝落，腐蝕逐漸均勻，然而形貌更加復雜。

3.2 腐蝕率及孔洞率

由于中性鹽霧腐蝕伴隨有剝蝕和點蝕，腐蝕率(ρw)通過質量損失測得，孔洞率(Hw)通過專業(yè)3D分析軟件得到，平均板厚損失由游標卡尺多點取均值測出，將腐蝕率、孔洞率與腐蝕時間擬合見圖3所示。

通過圖示可以發(fā)現，數據較好地符合了BidoseResp函數模型。當腐蝕率控制在20%以內時，曲線可看作三個階段，這與R.E.Melchers[12]的室外自然暴露腐蝕實驗結果有良好的相關性。對比兩條曲線可看出，在腐蝕前期孔洞率大于整體腐蝕率，以點蝕為主，伴隨有全面均勻腐蝕，由于點蝕速率大于全面腐蝕速率，導致孔洞率大于整體腐蝕率，達到5%左右兩者有交點，之后孔洞率小于腐蝕率，主要是因為不均勻腐蝕，后期點蝕速率小于全面腐蝕速率，腐蝕后期形貌成潰瘍狀。將腐蝕率與孔洞率進行擬合得到公式，見(1)～(2)所示。

Vw=5.429-5.428×e(-1.053)ρw，(ρw≤7%)

R2=0.9915

(1)

Vw=0.761ρw，(ρw>7%)，R2=0.99383

(2)

4 三維形貌逆向重建及力學性能分析

4.1 三維形貌逆向重建

PS50三維非接觸式表面形貌儀測量40mm×

圖2 腐蝕鋼板3D表面形貌圖 (a) A11； (b) A31； (c) A51； (d) A71Fig.2 3D surface topography of corrosion steel

圖3 腐蝕率及孔洞率隨時間變化關系Fig.3 Relationship between corrosion rate (or porosity) and time

20mm范圍內表面三維坐標點數據就有32萬左右，將銹蝕鋼結構模型三維表面測試獲得的數據點坐標轉化為曲面幾何模型即完成了“實物逆向”，利用計算機技術還原實物模型的軟件有很多，其中Geomagic Studio人機交流暢通，可保留還原測試曲面微小的幾何特征。

本文以A21為例，逆向重建分為以下幾個步驟：

(1)點云數據處理與應用

腐蝕試件表面形貌測試設定的測量區(qū)域為40mm×20mm，集中在試件中部受力區(qū)域，其中兩個面距為所測平均板厚。經過數據對齊、去除噪聲點、數據精簡等操作步驟后，最終得到點云處理圖4所示。

圖4 測量區(qū)域點云處理圖 (a) 點云處理； (b) 局部放大Fig.4 Processing diagram of measuring area point

(2)多邊形階段及銹蝕曲面快速重建

多邊形階段主要是將存在多余的、錯誤的或者表達不準確的點所構成的三角形進行刪除或者其他編輯處理，進而最大限度地降低噪音，最大程度地保留腐蝕特征。多邊形處理后則進入精確曲面階段。首先，通過“探測曲率”命令，軟件系統(tǒng)會在曲率較大的輪廓部位生成輪廓線，在輪廓線內自動生成曲率線，見圖4(a)，完成曲率線的創(chuàng)建后，進入曲面片的創(chuàng)建，原則上曲面片越多越精細，但最終是要得到一個曲面，而使用Goemagic Studio2013軟件版本最大可以合并曲面片為999個，因此，本文研究的8×2組數據，長邊數字48，短邊數字20。得到多個小的NURBS曲面，見圖5(b)。

圖5 構造曲面片 (a) 自動曲率線； (b) 規(guī)則曲面片Fig.5 Configured patch

圖6 腐蝕鋼板表面形貌示意圖 (a) 肉眼下腐蝕形貌； (b) 三維測量腐蝕形貌； (c) 腐蝕形貌逆向重建Fig.6 Schematic surface topography of corrosion steel

曲面片完成之后就可以構造柵格，完成格柵造型后可以擬合曲面，然后合并曲面片，合并之后的NURBS曲面即為鋼結構銹蝕表面幾何重構模型，見圖6所示。Goemagic Studio軟件中初步生成銹蝕鋼結構幾何重構曲面模型，為ANSYS中創(chuàng)建三維實體模型做好準備，是非常關鍵的一步。而Goemagic Studio可以輸出文件的格式也有很多，其中IGS格式可以被ANSYS所接收，因此本文儲存銹蝕曲面模型IGS格式，完成鋼結構表面銹蝕幾何模型重構全過程。

4.2 力學性能分析

4.2.1 模型建立及網格劃分 Geomagic Studio與ANSYS的數據對接效果很好，將導入ANSYS的兩個銹蝕形貌幾何曲面模型作為三維模型的兩個面，創(chuàng)建立方體后利用布爾運算最終實現三維建模。模型尺寸取表面測試試件范圍內的鋼材尺寸，為40mm×20mm，以A21為例，實測鋼材平均厚度為7.23mm。雖然ANSYS在復雜三維模型顯示方面有局限性，無法精確顯示Geomagic Studio中建立的銹蝕表面幾何曲面特征，但不影響測算結果。

此模塊包含視頻信息的增刪查改功能。點擊新增鏈接，在彈框中輸入章節(jié)、名稱、簡介、視頻鏈接后提交，頁面刷新后在列表中即可找到剛剛新增的視頻；在APP視頻列表中亦能找到對應的視頻，還能對視頻列表中的視頻元素進行編輯和刪除。

本文研究的三維模型采用20節(jié)點solid95實體單元，網格尺寸劃分為0.003，采用四面體網格，自由劃分，如圖7所示，上面為網格劃分整體表示，下面為局部放大圖。

圖7 網格劃分Fig.7 Mesh

4.2.2 施加荷載及邊界條件 由前期試驗測得未腐蝕鋼板彈性模量E=1.916×105MPa，泊松比ν=0.3。首先從試件試驗名義應力-應變曲線中找到屈服點(應變0.0013)，硬化點，曲線上升段中點(位移)，極限點(應變0.28)等四個點作為模型應力-應變曲線的節(jié)點，然后在各節(jié)點之間找出幾個平均值點，具體見圖8所示。

圖8 模型應力應變曲線Fig.8 Stress-strain curve of model

選用多線性隨動強化模型，位移加載方式，在計算模型長邊一側端部y=40mm處施加固端約束，可以簡化計算并有利于收斂，在另一側y=0mm端部實現位移拉伸加載。由于模型的未腐蝕鋼板設計尺寸為40mm×20mm×8mm，因此在靜力分析中，根據圖中關鍵點進行位移加載，每個時間步又分為10個子步。

4.2.3 應力分布分析 以A21為例，分析屈服點和硬化點加載后的應力圖。從圖9可以看出，由于表面不平整，蝕坑處容易產生應力集中，導致表面應力分布不均，而最大點在被約束面的角點，這是由于圣維南原理的影響。

4.2.4 應力應變曲線 以A21為例，通過提取每步支座反力，求出位移對應的荷載，從而得到模擬應力應變曲線。其中應力為支座反力/20/每個試件相應的平均板厚，平均板厚見表1所示；應變?yōu)樗O置的時間步對應位移/40。具體應力應變曲線見圖10所示?？梢钥闯?，隨著腐蝕時間增大，應力應變曲線所對應的各力學性能指標整體成降低趨勢。

4.2.5 力學性能指標退化規(guī)律 根據應力應變曲線彈性階段的應力和應變的比值求出彈性模量，取屈服平臺的下屈服點所對應的應力為屈服強度，強化階段的應力最大值為極限應力。得到不同批次試件下模擬結果匯總見表1所示，可以看出，隨著腐蝕程度加重，彈性模量，屈服強度、極限強度指標均呈下降趨勢。

將孔洞率與力學性能指標擬合見圖11所示。

將孔洞率與力學性能指標擬合，見公式3～5所示，可以看出：

(a) 屈服點應力圖-A面； (b) 屈服點應力圖-B面； (c) 硬化點應力圖-A面； (d) 硬化點應力圖-B面圖9 部分曲線點對應應力圖Fig.9 Portion of the curve points corresponding stress map

圖10 試件模擬應力應變曲線Fig.10 Stress-strain curve of specimens

NumberElasticmodulus/105MPaYieldstrength/MPaUltimatestrength/MPaA0119162516538461A1118612375836407A2118352342135863A3118342327235758A4118062273835017A5117462187933727A6117882258034683A7117302177333702A8116642104132533

圖11 孔洞率與力學性能指標關系圖Fig.11 Diagram of porosity and mechanical properties

E=1.916-0.01739×HwR2=0.97225

(3)

σu=384.61-4.673×HwR2=0.94302

(4)

σy=251.65-3.25702×HwR2=0.94729

(5)

5 結 論

1.對表面形貌圖觀察分析發(fā)現，在腐蝕初期表面形貌大多為縱向發(fā)展的針孔狀；隨著腐蝕時間增長，腐蝕向整個表面擴展出現了U形蝕坑，橢球形蝕坑，錐形蝕坑等不同形貌蝕坑；到了后期蝕坑繼續(xù)發(fā)展擴散，部分蝕坑產生次級蝕坑，板材表面產生局部剝落，腐蝕逐漸均勻，但是形貌更加復雜；

2.腐蝕率及孔洞率較好地符合BidoseResp函數模型，并建立了腐蝕率與孔洞率的關系式；

3.采用Geomagic Studio和ANSYS模擬真實銹蝕表面下的單調拉伸力學性能；結果表明，隨著腐蝕程度增加，力學性能指標退化明顯且與孔洞率呈線性關系。

[1] 柯偉.中國工業(yè)與自然環(huán)境腐蝕調查[J].全面腐蝕控制, 2003, 17(1):1～10.

[2] Li J, Li M, Sun Z. Development of an artificial climatic complex accelerated corrosion tester and investigation of complex accelerated corrosiontest tester methods[J]. Enviroormantal Technology,2002,55(5):498～502.

[3] 駱鴻,李曉剛,董超芳,肖葵.304不銹鋼在熱帶海洋大氣下暴露實驗和加速腐蝕試驗研究[J].中國腐蝕與防護學報, 2013, 33(3):193～198.

[4] R.J.K.Wood, J.C.Walker, et al. Influence of microstructure on the erosion and erosion-corrosion characteristics of 316 stainless steel[J]. Wear, 2013, 306(1-2):254～262.

[5] 黃美發(fā),程雄,劉惠芬,陳磊磊. 表面形貌評定方法對比分析[J]. 機械設計, 2012, 29(5):10～13+24.

[6] 馮秀,顧伯勤. 表面形貌的研究現狀及發(fā)展趨勢[J].潤滑與密封, 2006, (2):168～170.

[7] 孫遼,姚衛(wèi)星. 鋁合金蝕坑損傷參量評述[J].力學與實踐, 2013, 35(4):10～19.

[8] Luis A.M.Mendes, Luis M.S.S.Castro. Reinforcing steel model suitable for cyclic loading including ultra-low-cycle fatigue effects[J]. Engineering Structures, 2014, (68):155～164.

[9] Shan-hua Xu,You-de Wang. Estimating the effects of corrosion pits on the fatigue life of steel plate based on the 3D profile[J].International Journal of Fatigue, 2015,(72):27～41.

[10] 劉偉軍,孫玉文,等.逆向工程原理、方法及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2008.

[11] K.H. Lee, H. Woo, T. Suk. Data Reduction Methods for Reverse Engineering [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2001,17(10): 735～743.

[12] R.E. Melchers, T. Wells. Models for the anaerobic phases of marine immersion corrosion[J].Corrosion Science, 2006, 48(7): 1791～1811.

Three-dimensional Reconstruction and Degradation of Mechanical Properties Based on Real Surface of Corrosion Steel

XU Shanhua， ZHANG Zongxing， QIN Guangchong

(Xi’an University of Architecture and Technology, Civil Engineering, Xi’an 710055, China)

Salt spray was applied to accelerate the corrosion on steel plates, in which the specimens of varying degrees of corrosion on the surfaces were obtained; The surface characteristics of the corrosion steel plate were measured by three dimensional topography, and the corrosion damage parameters such as surface morphology and void ratio were obtained; The variation of the three dimensional morphology with the corrosion time was analyzed, and the relationship between void ratio and corrosion rate was established. Based on the experiment, reverse engineering software Geomagic Studio and finite element software ANSYS were used to simulate the monotonic tensile mechanical properties of real corroded surface. The results show that: The corrosion rate and void ratio are in good accordance with the BidoseResp function model; Using the reverse engineering software Geomagic studio can exchange data directly with ANSYS, which can reflect the degradation of mechanical properties of steel plate by using computer technology; With the increase of corrosion degree, mechanical properties of steel are degraded linearly and significantly.

corrosion steel； surface characteristics； reconstruction； mechanical degradation

1673-2812(2017)01-0081-06

2015-10-05；

2016-03-04

國家自然科學基金資助項目(51378417)；教育部長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT13089)

徐善華(1963-)，男，博導，研究方向為工程結構耐久性。 通訊作者：張宗星，E-mail:942060497@qq.com。

TU511

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.016