冷彎薄壁型鋼腐蝕研究現(xiàn)狀及展望

聶 彪，徐善華

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

20世紀(jì)40年代以來(lái)，冷彎薄壁型鋼由于其質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、剛度大和易于加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。在美國(guó)，冷彎薄壁型鋼用量達(dá)到建筑用鋼的45%，夏威夷州甚至超過(guò)一半的居民住宅是冷彎薄壁型鋼建造的[1-2]，此外，日本、澳大利亞等國(guó)家也在廣泛使用冷彎薄壁型鋼。冷加工造成冷彎薄壁型鋼材強(qiáng)度提高而延性下降，與普通熱軋鋼存在一定差異。然而，隨著冷彎薄壁型鋼的大量應(yīng)用，許多長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題[3](如圖1所示)。腐蝕引起鋼結(jié)構(gòu)截面減小和表面粗糙不均勻，從而導(dǎo)致鋼材強(qiáng)度、延性和疲勞性能下降。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕問(wèn)題主要集中在普通熱軋鋼，而且研究較為廣泛，成果也較為顯著。然而，對(duì)銹蝕冷彎薄壁型鋼的研究還未見(jiàn)報(bào)道，因此，開(kāi)展銹蝕冷彎薄壁型鋼的研究，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

圖1 冷彎薄壁型鋼銹蝕Fig.1 Corroded cold-formed thin-walled steel

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

目前針對(duì)冷彎薄壁型鋼腐蝕開(kāi)展的研究工作幾乎還是空白，已開(kāi)展的研究工作主要針對(duì)熱軋鋼，本文主要介紹鋼材腐蝕機(jī)理、腐蝕程度與表面形貌表征方法、腐蝕對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響和冷彎薄壁型鋼屈曲承載力計(jì)算方法等方面的研究現(xiàn)狀。

1.1 鋼材腐蝕機(jī)理

腐蝕現(xiàn)象極為常見(jiàn)，很早就被廣泛關(guān)注，美國(guó)試驗(yàn)與材料學(xué)會(huì)早在1916年就開(kāi)始對(duì)大氣腐蝕進(jìn)行研究，我國(guó)于20世紀(jì)50年代對(duì)不同腐蝕環(huán)境(大氣、海水、土壤) 的鋼材進(jìn)行了大量研究[4]。鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的機(jī)制主要是受到大氣中所含水分、氧氣和腐蝕性介質(zhì)的聯(lián)合作用而引起的電化學(xué)破壞[5]。大氣腐蝕(電化學(xué)腐蝕)是最主要的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，主要包括：一般大氣、工業(yè)大氣和海洋大氣腐蝕。一般大氣和工業(yè)大氣腐蝕主要是由于SO2的排放，導(dǎo)致空氣中硫酸鹽含量增加引起的腐蝕；而海洋大氣腐蝕主要是由海水中Cl-引起的腐蝕，不同腐蝕介質(zhì)對(duì)腐蝕行為的過(guò)程和機(jī)理有不同影響[6-7]。

通常認(rèn)為冷加工對(duì)腐蝕有不利影響，包括均勻腐蝕和點(diǎn)蝕。FU et al[8]通過(guò)電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，對(duì)冷加工不銹鋼耐腐蝕性進(jìn)行顯微觀察，結(jié)果表明，冷加工在鋼材基體中產(chǎn)生了高缺陷，導(dǎo)致鈍化膜破壞，降低了耐腐蝕性。NAKHAIE et al[9]通過(guò)恒電位和動(dòng)電位試驗(yàn)，分析不同冷加工程度對(duì)鋼材點(diǎn)蝕的影響，研究表明，冷加工在鐵素基體和Mns的界面處，加速了夾雜物的溶解。FOROULIS et al[10]對(duì)熱處理后的冷加工鐵進(jìn)行了腐蝕速度測(cè)量，結(jié)果表明，冷加工后的鐵腐蝕速率增加，特別是加熱(77～100 ℃)處理后。TEFEC et al[11]通過(guò)腐蝕試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了不同程度冷加工鋼材的點(diǎn)蝕分布和尺寸，分析了冷加工對(duì)點(diǎn)蝕大小和數(shù)量的影響，結(jié)果表明，冷加工增加了45%的點(diǎn)蝕面積。

綜上所述，冷加工產(chǎn)生的微裂縫和殘余應(yīng)力會(huì)促進(jìn)鋼材腐蝕，但是目前研究主要針對(duì)不銹鋼，其研究成果不一定適用于冷加工熱軋鋼腐蝕領(lǐng)域，另外冷彎薄壁型鋼表面還具有鍍鋅層(鍍鋁鋅)，鍍鋅層(鍍鋁鋅)對(duì)鋼材腐蝕機(jī)理也會(huì)有不同的影響，因此需要對(duì)表面鍍鋅(鍍鋁鋅)的鋼板冷加工后的腐蝕性能進(jìn)行更深入的研究。

1.2 鋼材腐蝕程度和表面形貌表征方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直以來(lái)采用宏觀指標(biāo)質(zhì)量損失率(厚度損失率)來(lái)表征鋼材腐蝕程度，然而，并沒(méi)有考慮鋼材腐蝕表面形貌特征，隨著檢測(cè)手段的發(fā)展，DUQUESNAY et al[12]研究發(fā)現(xiàn)，蝕坑深度是預(yù)測(cè)試件疲勞壽命的合適參數(shù)，并且建議在實(shí)際工程中，用最大蝕坑深度作為預(yù)測(cè)銹損鋼材疲勞壽命指標(biāo)；但是SANKARAN et al[13]通過(guò)試驗(yàn)研究了點(diǎn)蝕對(duì)疲勞壽命的影響，結(jié)果表明，所測(cè)得的疲勞壽命通常與平均蝕坑深度而不是最大蝕坑深度的預(yù)測(cè)結(jié)果一致；徐善華等[14]用最小截面平均厚度損失率表征銹蝕程度，結(jié)果表明，極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與平均厚度損失率呈線性關(guān)系；安琳等[15]采用了最大截面損失率，研究了最大截面損失率對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響；陳露[16]采用線粗糙度檢測(cè)儀對(duì)不同環(huán)境下銹蝕鋼材表面形貌進(jìn)行測(cè)量，研究了銹蝕鋼材表面分形特征，并建立了不同環(huán)境下鋼材質(zhì)量損失率與分形維數(shù)的定量關(guān)系。XU et al[17]對(duì)鋼材銹蝕程度的表征方法進(jìn)行了總結(jié)，劃分為宏觀和細(xì)觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，見(jiàn)表1.銹蝕鋼板表面粗糙不平，如圖2所示，其形貌表征方法也有少量研究，蔣慶[18]以Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)模型為基礎(chǔ)對(duì)鋼板表面銹蝕輪廓進(jìn)行了表征，結(jié)果表明該模型表征銹蝕鋼材表面形貌是合適的； MELCHERS et al[19]和RAHHAR-RANJI[20]使用功率譜的方法對(duì)銹蝕鋼板不規(guī)則表面進(jìn)行了表征，并且用非線性有限元法對(duì)其極限強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。

圖2 銹蝕鋼板表面形貌Fig.2 Surface morphology of corroded steel plate

通過(guò)上述分析可以看出，鋼材銹蝕程度的表征方法已經(jīng)進(jìn)行了較多研究，但是研究?jī)?nèi)容不同表征方法也會(huì)發(fā)生變化，甚至相同研究?jī)?nèi)容表征方法也不相同，銹蝕程度的表征方法并沒(méi)有統(tǒng)一結(jié)論，因此適合的銹蝕程度表征方法還需要進(jìn)行更深入研究。對(duì)于冷彎薄壁型鋼而言，由于腐蝕機(jī)理和力學(xué)性能不同，鋼材銹蝕程度的表征方法有可能也會(huì)發(fā)生變化，現(xiàn)有表征方法不一定適合銹蝕冷彎薄壁型鋼，因此需要對(duì)銹蝕冷彎薄壁型鋼的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系進(jìn)行研究。

1.3 腐蝕對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響

安琳等[15]利用加速腐蝕試驗(yàn)得到了質(zhì)量損失率為0～55%的不同銹蝕程度的熱軋鋼筋，測(cè)得了最大截面損失率，結(jié)果表明，銹蝕與未銹蝕鋼筋估計(jì)的名義強(qiáng)度可近似取銹蝕后的最大殘余面積率，受坑蝕影響較小，而斷后延伸率隨最大截面損失率呈指數(shù)下降，受銹坑應(yīng)力集中的影響顯著。魏瑞演[21]對(duì)6組不同海洋大氣腐蝕時(shí)間和位置的Q235鋼材進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，腐蝕導(dǎo)致屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率顯著降低，并且降低趨勢(shì)與腐蝕程度成正比，另外屈服強(qiáng)度比隨腐蝕程度的加劇而增大。文獻(xiàn)[22-23]通過(guò)鹽霧箱試驗(yàn)得到銹蝕鋼板，而后進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，得到了銹蝕鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率下降與失重率之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[16，24]采用室內(nèi)加速腐蝕方法，得到了不同環(huán)境下(酸性土壤、鹽性土壤、酸性大氣、鹽性大氣和干濕循環(huán))銹蝕鋼板，研究表明，隨銹蝕率增大屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度線性減小而伸長(zhǎng)率呈冪函數(shù)降低。NAKAI et al[25-27]采用人工打孔的方法模擬坑蝕，得到了不同坑蝕深度和密度的鋼板，結(jié)果表明，坑蝕導(dǎo)致銹蝕鋼材的強(qiáng)度和延性急劇下降。對(duì)于腐蝕冷彎薄壁型鋼也有少量研究，徐善華等[14]對(duì)工業(yè)環(huán)境下服役10年的冷彎薄壁型鋼進(jìn)行了單調(diào)拉伸試驗(yàn)研究，分析了不同腐蝕類型(點(diǎn)蝕和全面腐蝕)對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，點(diǎn)蝕試件屈服平臺(tái)和頸縮段消失，而全面腐蝕試件達(dá)到較大腐蝕程度時(shí)才會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。另外，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、極限位移和彈性模量都隨腐蝕程度增大而降低。對(duì)于銹蝕后鋼材力學(xué)性能預(yù)測(cè)，國(guó)內(nèi)外提出了許多預(yù)測(cè)公式，WANG et al[28]對(duì)銹蝕鋼板力學(xué)性能預(yù)測(cè)公式進(jìn)行了匯總，如表2所示。

表1 腐蝕評(píng)價(jià)指標(biāo)匯總Table 1 Summary of corrosion evaluation indexes

以上研究結(jié)果表明，腐蝕對(duì)鋼材力學(xué)性能影響主要原因是：截面的減小和表面銹坑引起的應(yīng)力集中。截面的減小會(huì)減小極限荷載，后者會(huì)導(dǎo)致名義強(qiáng)度、塑性性能和疲勞性能降低。冷彎薄壁型鋼力學(xué)性能跟熱軋鋼并不同，并且其銹蝕表面特征和坑蝕分布規(guī)律也不盡相同，銹蝕對(duì)冷彎薄壁型鋼材料力學(xué)性能的影響也有可能有較大變化，因此需要更多的試驗(yàn)對(duì)銹蝕冷彎薄壁型鋼材料力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。

表2 銹蝕鋼材力學(xué)性能預(yù)測(cè)公式Table 2 Prediction formula of mechanical properties of corroded steel plate

1.4 冷彎薄壁型鋼穩(wěn)定承載力計(jì)算方法

對(duì)于一些冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)，達(dá)到屈曲荷載并不會(huì)破壞，屈曲后強(qiáng)度還可以利用，其主要原因是板在一個(gè)方向受外力作用而凸曲時(shí)，在另一個(gè)方向上產(chǎn)生的薄膜拉力會(huì)對(duì)板件起到支持作用，從而增強(qiáng)板的抗彎剛度，進(jìn)而提高板的強(qiáng)度[29]。研究表明，薄壁結(jié)構(gòu)局部屈曲后強(qiáng)度有較大提高[30]，畸變屈曲后強(qiáng)度也有提高但是沒(méi)有局部屈曲后提高幅度大[31-32]，而整體屈曲后強(qiáng)度無(wú)明顯提高。

早期一般采用有效寬度法計(jì)算冷彎薄壁結(jié)構(gòu)局部屈曲承載力。1932年KARMAN et al第一次提出“有效寬度法”的概念，該方法通過(guò)板件有效寬度上均勻分布應(yīng)力代替實(shí)際板件非均勻分布應(yīng)力，如圖3所示。該方法主要難點(diǎn)是如何確定有效寬度，現(xiàn)有有效寬度計(jì)算都是由Winter有效寬度公式發(fā)展而來(lái)，計(jì)算公式如下：

當(dāng)λ<0.673時(shí)，be=b.

(1)

(2)

圖3 板件有效寬度Fig.3 Effective width of plate

有效寬度法計(jì)算冷彎薄壁型鋼構(gòu)件時(shí)，需要計(jì)算每個(gè)板件截面特性和有效寬度，計(jì)算復(fù)雜。隨著冷彎薄壁型鋼截面形式的多樣化，構(gòu)件受力的復(fù)雜化，導(dǎo)致有效寬度法越來(lái)越難以滿足實(shí)際工程的應(yīng)用，并且有效寬度方法很難考慮畸變屈曲對(duì)承載力的影響。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法，滿足實(shí)際工程的應(yīng)用，部分學(xué)者提出了新的設(shè)計(jì)方法，即直接強(qiáng)度法[33]。直接強(qiáng)度法采用的是整個(gè)構(gòu)件的彈性屈曲應(yīng)力，避免了對(duì)每個(gè)板件的屈曲應(yīng)力計(jì)算。下面給出了北美規(guī)范直接強(qiáng)度法計(jì)算冷彎薄壁型鋼軸壓承載力(整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和畸變穩(wěn)定承載力)公式。

整體穩(wěn)定性承載力計(jì)算公式：

(3)

(4)

局部穩(wěn)定性承載力計(jì)算公式：

當(dāng)λ1≤0.776時(shí)，F(xiàn)nl=Fne.

(5)

當(dāng)λ1>0.776時(shí)，

(6)

畸變穩(wěn)定性承載力計(jì)算公式：

當(dāng)λ1≤0.561時(shí)，F(xiàn)nd=Fy.

(7)

當(dāng)λ1>0.561時(shí)，

(8)

以上分析表明，冷彎薄壁型鋼屈曲后強(qiáng)度可以利用，但是銹蝕以后構(gòu)件截面粗糙，屈曲后強(qiáng)度可能發(fā)生較大變化。從上述承載力計(jì)算公式可以看出，難點(diǎn)主要是彈性屈曲應(yīng)力的計(jì)算，對(duì)于未銹冷彎薄壁型鋼可以通過(guò)理論公式、有限元法、有限條法、廣義梁法等進(jìn)行計(jì)算，最常用的是使用有限條法軟件CUSUM，因?yàn)槠鋺?yīng)用簡(jiǎn)單方便，但是銹蝕構(gòu)件表面并不均勻，該方法不再適用，因此銹蝕冷彎薄壁型鋼彈性屈曲荷載計(jì)算方法還需要進(jìn)一步研究。大量試驗(yàn)和理論都驗(yàn)證了有效寬度法和直接強(qiáng)度法計(jì)算冷彎薄壁型鋼承載力的可靠性，但是銹蝕以后截面厚度和表面形貌都發(fā)生較大變化，現(xiàn)有的有效寬度法和直接強(qiáng)度法是否適用于銹蝕冷彎薄壁型鋼構(gòu)件還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，因此需要開(kāi)展銹蝕冷彎薄壁型鋼構(gòu)件試驗(yàn)研究，提出適用于銹蝕冷彎薄壁型鋼構(gòu)件承載力計(jì)算方法。

2 冷彎薄壁型鋼腐蝕研究展望

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要針對(duì)銹蝕熱軋鋼腐蝕機(jī)理、表面形貌特征、力學(xué)性能退化進(jìn)行了較為廣泛的研究，但很少涉及銹損冷彎薄壁型鋼，因此需要對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究。本文認(rèn)為今后需要開(kāi)展的工作主要包括以下幾點(diǎn)：

1) 冷彎薄壁型鋼腐蝕機(jī)理和評(píng)價(jià)方法研究。冷彎薄壁型鋼具有表面鍍鋅(鍍鋁鋅)和經(jīng)過(guò)冷加工等特點(diǎn)，需對(duì)其獨(dú)有的腐蝕機(jī)理進(jìn)行深入的研究；利用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)(X射線斷層掃描、白光干涉測(cè)量和白光共聚焦等技術(shù))對(duì)銹蝕鋼材(平板和彎角)進(jìn)行表面細(xì)觀特征測(cè)試，分析表面形貌參數(shù)，提出腐蝕評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系。

2) 銹損冷彎薄壁型鋼材料力學(xué)性能退化規(guī)律研究。通過(guò)單調(diào)拉伸試驗(yàn)，揭示銹損冷彎薄壁型鋼材料(平板和彎角)力學(xué)性能退化機(jī)理，建立腐蝕評(píng)價(jià)參數(shù)和屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈強(qiáng)比等性能指標(biāo)的關(guān)系，提出銹損冷彎薄壁型鋼材料(平板和彎角)和腐蝕評(píng)價(jià)參數(shù)有關(guān)的單調(diào)拉伸本構(gòu)模型。

3) 銹損冷彎薄壁型鋼構(gòu)件(梁和柱)彈性屈曲研究。通過(guò)試驗(yàn)研究和有限元模擬，揭示銹損冷彎薄壁型鋼構(gòu)件彈性屈曲性能(局部屈曲、畸變屈曲和整體屈曲)退化機(jī)理，建立銹損冷彎薄壁型鋼構(gòu)件彈性屈曲應(yīng)力理論計(jì)算公式，通過(guò)簡(jiǎn)化或等效等手段，提出通過(guò)軟件CUFSM計(jì)算彈性屈曲應(yīng)力的模型。

4) 銹損冷彎薄壁型鋼構(gòu)件承載力(梁和柱)研究。通過(guò)銹損冷彎薄壁型鋼柱和梁的試驗(yàn)和有限元模擬，分析銹損冷彎薄壁型鋼構(gòu)件屈曲后性能，揭示銹損冷彎薄壁型鋼構(gòu)件承載力(局部屈曲承載力、畸變屈曲承載力和整體屈曲承載力)退化機(jī)理，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有直接強(qiáng)度法和有效寬度法進(jìn)行改進(jìn)，提出銹損冷彎薄壁型鋼構(gòu)件承載力計(jì)算方法。