海洋腐蝕環(huán)境下Q690高強(qiáng)鋼對接焊縫連接的力學(xué)性能研究*

郭宏超， 張 鵬， 李彤宇， 李炎隆， 劉云賀

(1 西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 西安 710048；2 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院， 西安 710048)

0 引言

焊縫連接是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方式之一，腐蝕對焊接接頭失效的影響較為復(fù)雜[1]。腐蝕鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、斷后伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)會隨腐蝕程度的變化而變化。由于海洋環(huán)境腐蝕具有高溫、高濕、高氯離子和干濕交替的特點，海洋環(huán)境下鋼材腐蝕行為更為嚴(yán)重和復(fù)雜。開展海洋環(huán)境下高強(qiáng)鋼焊縫連接的力學(xué)性能退化研究，對評價鋼結(jié)構(gòu)在服役過程中的安全性和可靠性，預(yù)測結(jié)構(gòu)的使用壽命具有重大意義。

國內(nèi)外對腐蝕后鋼材的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2]通過對腐蝕試件和未腐蝕試件的壓縮試驗，研究了腐蝕對鋼材抗壓強(qiáng)度的影響。文獻(xiàn)[3-4]對酸性大氣環(huán)境下鋼框架結(jié)構(gòu)腐蝕進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和彈性模量隨著腐蝕程度的增加逐漸降低。文獻(xiàn)[5]對實海腐蝕試樣進(jìn)行研究，建立了屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)的退化規(guī)律。文獻(xiàn)[6]通過“間浸”腐蝕試驗研究了腐蝕對鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響，發(fā)現(xiàn)伸長率等參數(shù)退化率達(dá)到了20%。文獻(xiàn)[7]通過鹽霧試驗研究了焊接試件表面形貌和力學(xué)性能的變化，發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)的腐蝕更為嚴(yán)重，腐蝕后焊接試件的強(qiáng)度和延性顯著降低。文獻(xiàn)[8]通過干濕循環(huán)和恒電流加速腐蝕兩種室內(nèi)試驗揭示了銹蝕栓釘?shù)牧W(xué)性能變化規(guī)律，建立了腐蝕后的鋼材應(yīng)力-應(yīng)變退化本構(gòu)模型。文獻(xiàn)[9-10]通過中性鹽霧試驗研究了鋼材力學(xué)性能參數(shù)和銹蝕率之間的變化關(guān)系。

本文通過單調(diào)拉伸試驗研究海洋腐蝕環(huán)境下Q690高強(qiáng)鋼對接焊縫連接的力學(xué)性能退化規(guī)律，給出了屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度等基本力學(xué)性能參數(shù)與腐蝕時間之間的關(guān)系，建立了不同腐蝕程度下Q690高強(qiáng)鋼對接焊縫連接的本構(gòu)模型。

1 試驗概況

1.1 腐蝕環(huán)境模擬

本試驗依據(jù)《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分 試驗方法試驗Cab：恒定濕熱試驗》(GB/T 2 423.3—2006)和《金屬和合金的腐蝕鹽溶液周浸試驗》 (GB/T 19746—2005)設(shè)計了實驗室加速腐蝕試驗方案。腐蝕按以下步驟進(jìn)行。1)浸潤：將試件置于飽和NaCl溶液內(nèi)，浸潤溫度和室內(nèi)溫度一致，浸泡時間為6h，試件必須被溶液完全覆蓋且在溶液面下至少10mm；2)干燥：將試件從浸潤液中取出后置于室內(nèi)自然晾干，干燥時間為6h；3)潮濕：干燥后將試件置于恒溫恒濕試驗箱內(nèi)，潮濕時間為12h，溫度恒定在35℃，濕度恒定在95%(93%±3%)。試驗每隔20d取出一批試件，試驗分為5個周期，共計100d，試件腐蝕環(huán)境照片如圖1所示。形貌掃描設(shè)備采用激光共聚焦顯微鏡，試件掃描區(qū)域為以焊縫為中心，熱影響區(qū)內(nèi)30mm×30mm的區(qū)域。

圖1 試件腐蝕環(huán)境

1.2 試件設(shè)計與加工

所用材料為武鋼Q690D低合金高強(qiáng)鋼，板厚10mm，采用等強(qiáng)匹配形式，焊條選用CHE857Cr，直徑為4mm，采用手工電弧焊，焊縫質(zhì)量等級為一級，共制備了18個試件，試件詳圖和編號分別見圖2和表1。

表1 試件編號

圖2 試件詳圖

1.3 靜力拉伸試驗

拉伸試驗加載方法按照《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228-2010)進(jìn)行，將試樣放置在10t的材料試驗機(jī)上進(jìn)行軸向拉伸試驗，采用25mm標(biāo)距的引伸計測量位移。彈性階段采用力控制加載，加載速率為0.72kN/s，屈服后采用位移控制加載，加載速率為0.035mm/s，至試件斷裂后結(jié)束加載，試驗結(jié)束。

2 結(jié)果分析

2.1 腐蝕現(xiàn)象分析

腐蝕現(xiàn)象如圖3所示。通過觀察圖3可知，腐蝕20d后，試件局部位置仍存在金屬光澤；腐蝕40d后，鐵銹覆蓋整個試件表面，基本失去金屬光澤;腐蝕60d后，試件局部有黃色腐蝕顆粒出現(xiàn)；腐蝕80d后，試件表面開始明顯出現(xiàn)紅褐色腐蝕產(chǎn)物，呈斑塊狀分布；腐蝕100d后，試件紅褐色腐蝕產(chǎn)物繼續(xù)增多，顏色逐漸加深，銹蝕物變得疏松，部分區(qū)域起皮后脫落。

圖3 試件腐蝕形貌

2.2 微觀形貌分析

三維掃描試件表面形貌如圖4所示，試件HWU4腐蝕程度較低，呈針孔狀，腐蝕深度在170μm范圍內(nèi)。試件HWU7中腐蝕凹陷逐漸增多，腐蝕主要分布在熱影響區(qū)，腐蝕深度在230μm范圍內(nèi)。試件HWU10中腐蝕深度不斷加深，點蝕逐漸發(fā)展成為坑蝕，腐蝕深度在260μm范圍內(nèi)。試件HWU13中開始出現(xiàn)大面積腐蝕現(xiàn)象，腐蝕以坑蝕為主，蝕坑沿水平向發(fā)展較大，蝕坑深度在260μm左右。試件HWU16中腐蝕基本擴(kuò)展至整個試件表面，銹層剝落現(xiàn)象明顯，蝕坑深度在440μm范圍內(nèi)。

圖4 三維掃描試件表面形貌

2.3 粗糙度參數(shù)分析

在三維表面粗糙度參數(shù)中，表面粗糙度平均高度Sa較為穩(wěn)定，輪廓表面均方根偏差Sq能準(zhǔn)確反映表面隨機(jī)特征。本文采用Sa和Sq對掃描區(qū)的表面形貌粗糙度進(jìn)行評價，見式(1)，(2)。

(1)

式中：A為評定區(qū)域D的面積；z(x,y)為殘存表面；M為掃描區(qū)域內(nèi)X向離散點個數(shù)；N為掃描區(qū)域內(nèi)Y向離散點個數(shù)；lx為采樣區(qū)域X向的邊長；ly為采樣區(qū)域Y向的邊長；l為評定區(qū)域D的長度；x，y分別為殘存表面分布沿x向和y向的長度。

對粗糙度參數(shù)Sa，Sq和腐蝕時間進(jìn)行回歸分析，粗糙度參數(shù)與腐蝕時間的關(guān)系曲線如圖5所示。通過擬合的函數(shù)可知，各參數(shù)與腐蝕時間呈冪函數(shù)關(guān)系，其表達(dá)式為式(3)，(4)，式(3)，(4)的R2值分別為0.860 1和0.804 4。

圖5 粗糙度參數(shù)與腐蝕時間的關(guān)系

Sa=14.743t0.282 5

(3)

Sq=17.553t0.290 3

(4)

3 力學(xué)性能退化規(guī)律

3.1 破壞形態(tài)

高強(qiáng)鋼未腐蝕試件的斷口存在明顯頸縮現(xiàn)象，屬于延性斷裂。隨著腐蝕時間的增加，斷口處的頸縮現(xiàn)象逐漸消失，屈服平臺均明顯縮短。試件斷裂發(fā)生在母材區(qū)域、熱影響區(qū)域和焊縫區(qū)域，斷裂位置隨著腐蝕時間的增加逐漸由母材區(qū)域向焊縫區(qū)域靠近。熱影響區(qū)域由于在焊接時受到不均勻的加熱和冷卻，材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，受腐蝕后出現(xiàn)大量的宏觀蝕坑，極易形成應(yīng)力集中，在拉伸荷載下發(fā)生斷裂。試件斷裂情況如圖6所示。

圖6 試件斷裂位置

3.2 力學(xué)性能

試件的彈性模量Es、屈服強(qiáng)度fy、極限強(qiáng)度fu及屈強(qiáng)比等力學(xué)性能參數(shù)見表2。對不同腐蝕程度下力學(xué)性能參數(shù)和腐蝕時間進(jìn)行回歸分析，力學(xué)性能參數(shù)與腐蝕時間關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 力學(xué)性能參數(shù)與腐蝕時間關(guān)系

表2 試件力學(xué)性能參數(shù)

由圖7和表2可知，試件的彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度隨著腐蝕時間的增加而降低，與腐蝕時間呈線性關(guān)系，屈強(qiáng)比隨著腐蝕時間的增加變化不大。其中，腐蝕100d后，彈性模量相對值降低了7.8%，屈服強(qiáng)度下降了8.28%，極限強(qiáng)度相對值降低了6.67%。擬合的力學(xué)性能參數(shù)與腐蝕時間關(guān)系見式(5)～(7)。式(5)～(7)的R2值分別為0.236 4，0.736 9，0.549 1。

Es=-184.43t+215 150

(5)

fy=-0.567 9t+725.25

(6)

fu=-0.521 4t+800.24

(7)

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同腐蝕時間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。由圖可知，在彈性階段腐蝕對試件的影響程度很小，不同腐蝕時間下曲線沒有明顯差異。在屈服階段，試件屈服強(qiáng)度逐漸降低，屈服平臺變短，說明隨著腐蝕時間的增加，試件較早進(jìn)入了塑性強(qiáng)化，腐蝕造成試件橫截面面積發(fā)生變化，在蝕坑位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，試件提前屈服，影響其延性。在強(qiáng)化階段，隨著腐蝕時間的增加，大量蝕坑逐漸貫通，微裂紋逐漸擴(kuò)展，試件有效面積減小，極限強(qiáng)度降低，發(fā)生突然脆性斷裂，變形能力明顯下降。

圖8 試件應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線

4 腐蝕高強(qiáng)鋼對接焊縫連接的本構(gòu)模型

4.1 本構(gòu)模型

Esmaeily和Xiao認(rèn)為鋼材的單調(diào)加載曲線包括彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、二次屈服階段，其本構(gòu)模型為二次塑流模型[11]，如式(8)所示。

(8)

理論模型與試驗結(jié)果對比的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示。由圖可知，二次塑流模型與試驗曲線擬合效果良好，說明模型能夠較準(zhǔn)確地反映不同腐蝕程度下Q690高強(qiáng)鋼對接焊縫連接在單調(diào)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

圖9 理論模型與試驗結(jié)果對比的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.2 形狀參數(shù)

對形狀控制參數(shù)k1，k2與腐蝕時間進(jìn)行回歸分析，如圖10所示。由圖可知，形狀控制參數(shù)k1，k2與腐蝕時間呈線性下降的關(guān)系。

圖10 k1，k2與腐蝕時間的關(guān)系

由形狀控制參數(shù)k1，k2的定義可知，隨著腐蝕時間的增加，Q690高強(qiáng)鋼對接焊縫連接試件的屈服平臺逐漸變短，材料極限強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變逐漸減小，試件的塑性變形能力逐漸降低。k1，k2與腐蝕時間的關(guān)系如式(9)，(10)所示。式(9)，(10)的R2值分別為0.038 4，0.095 1。

k1=-0.007 9t+5.86

(9)

k2=-0.015t+16.314

(10)

5 結(jié)論

(1)隨著腐蝕時間的增加，蝕坑沿水平方向趨于貫通，蝕坑深度逐漸增加。粗糙度參數(shù)Sa，Sq與腐蝕時間呈冪函數(shù)關(guān)系。

(2)高強(qiáng)鋼未腐蝕試件的斷口存在明顯頸縮現(xiàn)象，屬于延性斷裂。隨著腐蝕時間的增加，斷口處的頸縮現(xiàn)象逐漸消失，屈服平臺均明顯縮短。

(3)試件彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度隨腐蝕時間呈線性下降趨勢，而屈強(qiáng)比沒有明顯變化。腐蝕100d后，彈性模量相對值降低了7.8%，極限強(qiáng)度下降了6.67%。

(4)二次塑流模型能較準(zhǔn)確反映不同腐蝕程度下高強(qiáng)鋼對接焊縫的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，形狀參數(shù)k1，k2隨腐蝕時間的增加呈線性遞減趨勢。