含裂紋鋼絲在應(yīng)力腐蝕作用下的力學(xué)性能*

王 鑫，杜思雨，高 洋

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林541004)

高強(qiáng)鍍鋅鋼絲作為橋梁的主要受力構(gòu)件，其工作狀態(tài)下的力學(xué)性能是橋梁設(shè)計(jì)、安全閾值設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測的重要依據(jù).傳統(tǒng)方法大多通過腐蝕鋼絲表面形貌對鋼絲進(jìn)行分級[1-2]，而對于服役的拉索鋼絲，在長時(shí)間受荷載的作用下這種操作是極易造成斷絲的.這是由于鋼絲在原始狀態(tài)下分布著大量的裂紋缺陷，荷載作用促使裂紋缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致鋼絲強(qiáng)度和剛度明顯降低[3].在產(chǎn)生裂紋的情況下，高強(qiáng)鍍鋅鋼絲繼續(xù)服役，持續(xù)受到應(yīng)力腐蝕，這使其力學(xué)性能遭到嚴(yán)重的破壞，因此探討含裂紋鋼絲的應(yīng)力腐蝕、損傷和拉伸受力性能是非常有意義的.

在過去的幾十年中，人們對鋼絲的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究[4-8]，通過試驗(yàn)與數(shù)值分析量化得出腐蝕是高強(qiáng)度鋼絲性能退化的主要原因之一.潘曉宇等[9-10]在對服役中更換下的鋼絲進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用刻痕的方法模擬鋼絲的表面缺陷，通過Abaqus有限元分析及拉伸試驗(yàn)研究了蝕坑形貌、個(gè)數(shù)對鋼絲力學(xué)性能的影響，建立了蝕坑參數(shù)與鋼絲極限應(yīng)變的定量關(guān)系，提出了考慮蝕坑形狀的銹蝕鋼絲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；但是，他們未對鋼絲進(jìn)行應(yīng)力腐蝕的現(xiàn)實(shí)環(huán)境模擬，這與實(shí)際工作中的橋梁纜索有較大差別.為了更貼合實(shí)際，張家男等[11-12]對高強(qiáng)鍍鋅鋼絲進(jìn)行不同周期的應(yīng)力腐蝕操作，再對腐蝕鋼絲完成靜力拉伸試驗(yàn)，測得不同周期的力學(xué)性能指標(biāo)，并建立了腐蝕因子，重點(diǎn)考察了某一處斷面；但是，他們并未考慮含缺陷的鋼絲腐蝕工況.鑒于對含裂紋高強(qiáng)鍍鋅鋼絲與應(yīng)力腐蝕環(huán)境耦合作用下的損傷機(jī)理及安全性能進(jìn)行分析，并給出定量依據(jù)，可以為服役期間橋梁纜索的腐蝕評價(jià)提供理論與數(shù)據(jù)支撐，筆者擬對預(yù)制刻痕的拉索鋼絲進(jìn)行應(yīng)力腐蝕，研究鋼絲的力學(xué)性能，并通過電鏡實(shí)驗(yàn)和有限元模擬，進(jìn)一步探討帶刻痕鋼絲的應(yīng)力腐蝕拉伸斷裂機(jī)理.

1 試驗(yàn)過程

1.1 材料設(shè)計(jì)與加載

為了研究中性鹽霧腐蝕對帶刻痕鋼絲力學(xué)性能的影響，選取強(qiáng)度等級1 770 MPa、彈性模量190 GPa的熱鍍鋅鋼絲(橫截面公稱直徑為7 mm，總長度為500 mm)，用電火花線切割技術(shù)預(yù)制得到15根刻痕深度為1 mm的高強(qiáng)鍍鋅鋼絲.表1給出了試件的相關(guān)參數(shù).

表1 高強(qiáng)鍍鋅鋼絲的化學(xué)成分組成

根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》[13]的規(guī)定，拉索高強(qiáng)鋼絲的容許應(yīng)力不能大于極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的40%.考慮到鋼絲的受力性能及工程可靠度，本次靜力中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)中對鋼絲施加的靜力確定為高強(qiáng)鍍鋅鋼絲標(biāo)準(zhǔn)值的40%，即27.24 kN.

加載設(shè)備由反力架(圖1)、鋼板和穿心式千斤頂組成.反力架采用Q236鋼，總長500 mm，寬120 mm，高360 mm，通過外覆防腐油漆防止反力架受腐蝕而使受力性能發(fā)生改變.

圖1 反力架結(jié)構(gòu)

1.2 中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)

為了模擬橋梁拉索在近海環(huán)境服役的工況，根據(jù)《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》[14]，采用中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)對已張拉好的鋼絲試件進(jìn)行加速腐蝕.試驗(yàn)中鹽霧溶液pH值為6.5～7.2，NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度恒定為35±2 ℃.在試驗(yàn)開始前，先對鋼絲試件進(jìn)行清洗、烘干，并測量鋼絲的直徑.

將鋼絲試件分為N-JL-5，N-JL-10，N-JL-15，N-JL-20，N-JL-30等5組不同試驗(yàn)周期，每組3根鋼絲，鹽霧腐蝕的時(shí)長見表2.

表2 高強(qiáng)鍍鋅鋼絲腐蝕時(shí)長

注：試件分組中，N表示中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)，JL表示靜力恒載，數(shù)字表示腐蝕天數(shù).

部分N-JL-5和N-JL-30腐蝕后鋼絲試件如圖2所示.由圖2可見：N-JL-5試件表面出現(xiàn)白色鋅銹，但尚未腐蝕到鐵基質(zhì)；N-JL-30試件表面出現(xiàn)大量紅褐色鐵銹，清洗后試件表面粗糙度較高.

圖2 應(yīng)力腐蝕后鋼絲表面形貌

1.3 拉伸試驗(yàn)

對已進(jìn)行應(yīng)力腐蝕的高強(qiáng)鍍鋅鋼絲作切割拆除(保證刻痕在鋼絲中間位置)后，按照《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[15]，在萬能試驗(yàn)機(jī)上對腐蝕鋼絲進(jìn)行拉伸試驗(yàn).試件長度為480 mm，試驗(yàn)加載采用位移加載(1 mm/min)，在裂紋下方10 mm處設(shè)置50 mm引伸計(jì)，用來測定試驗(yàn)過程中試件的彈性模量和屈服力.

1.4 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)完成后，根據(jù)《微米級長度的掃描電鏡測量方法通則》[16]對鋼絲斷面進(jìn)行掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)實(shí)驗(yàn)，通過觀察斷面刻痕處微觀形貌的變化情況，總結(jié)帶刻痕鋼絲應(yīng)力腐蝕后的斷裂機(jī)理.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 截面損失率

為了得到相對準(zhǔn)確的直徑數(shù)據(jù)，分別測量距離刻痕兩端15 cm處與左側(cè)1 cm處的直徑數(shù)據(jù)(左端為L，中部為M，右端為R)，測量處用游標(biāo)卡尺呈90°記錄2次鋼絲直徑數(shù)據(jù)，取平均值.基于3個(gè)位置的鋼絲直徑的最小值，計(jì)算得到不同腐蝕周期下的截面面積損失率δ(表3).

表3 應(yīng)力作用下中性鹽霧腐蝕鋼絲腐蝕前后截面對比

由表3可知，在腐蝕240 h時(shí)，截面面積損失率略微增加.通過觀察發(fā)現(xiàn)，第3組試驗(yàn)鋼絲直徑有突變.考慮到鋼絲在腐蝕過程中會(huì)出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕，導(dǎo)致鋼絲直徑差較大，通過數(shù)值分析后排除偶然誤差，即在帶刻痕高強(qiáng)鍍鋅鋼絲腐蝕期間，鋼絲表面呈均勻腐蝕狀態(tài)，腐蝕速率保持穩(wěn)定.

2.2 靜力中性鹽霧腐蝕下帶刻痕鋼絲的力學(xué)性能

將腐蝕好的鋼絲通過角磨機(jī)切割，鋼絲長度為440 mm，并令預(yù)制刻痕保持在鋼絲中間.利用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，輸出屈服力和彈性模量(表4).

表4 應(yīng)力作用下中性鹽霧腐蝕鍍鋅鋼絲力學(xué)性能

由表4可知，在腐蝕120 h時(shí)，鋼絲的平均屈服力最小，相對其他腐蝕周期同等受力下，提前進(jìn)入塑性階段.通過計(jì)算帶刻痕鋼絲腐蝕拉伸后與原狀鋼絲的彈性模量誤差，得出最大誤差不超過3%.這說明，裂紋與腐蝕不影響鋼絲彈性階段的受力規(guī)律，而是通過影響服役鋼絲進(jìn)入塑性的受力閾值，從而影響最終壽命.

3 有限元分析

3.1 有限元模型驗(yàn)證

采用針對帶缺陷鋼絲的有限元建模方法[10]進(jìn)行含蝕坑拉索鋼絲的有限元模型驗(yàn)證.鋼絲長30 mm，直徑5 mm，蝕坑直徑0.5 mm，彈性模量207 GPa，泊松比0.27.在鋼絲實(shí)體模型的固定端，沿鋼絲軸向(z軸方向)對上頂面建立剛性面，并在面上選取一點(diǎn)約束該點(diǎn)截面內(nèi)(x軸方向與y軸方向)的自由度.在模型的自由端，通過施加沿軸向(z軸方向)的荷載或強(qiáng)制位移來模擬鋼絲受拉狀態(tài).模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用C3D8R單元，該單元為八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元，具有計(jì)算時(shí)間短、精度高的優(yōu)點(diǎn).在進(jìn)行彈性計(jì)算時(shí)，模型的加載方式釆用均布面荷載，荷載值為材料極限強(qiáng)度的30%，可以保證材料始終處于線彈性階段.在進(jìn)行彈塑性計(jì)算時(shí)，模型的加載方式采用位移加載，位移加載的最大值為模型長度的15%，以確保鋼絲能夠進(jìn)入彈塑性階段.表5和圖3給出了應(yīng)力集中系數(shù)(Kt)計(jì)算值與文獻(xiàn)值[10]的對比.

表5 含缺陷高強(qiáng)鍍鋅鋼絲彈性階段應(yīng)力集中系數(shù)驗(yàn)證

圖3 彈塑性階段模擬曲線

由表5和圖3可知：模擬彈性階段時(shí)，帶蝕坑高強(qiáng)鍍鋅鋼絲的最不利截面最大應(yīng)力、平均應(yīng)力、應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算值與文獻(xiàn)值[10]的誤差絕對值均小于4%；模擬彈塑性階段時(shí)，帶蝕坑高強(qiáng)鍍鋅鋼絲應(yīng)力應(yīng)變曲線與文獻(xiàn)[10]中的曲線保持一致.這說明本研究高強(qiáng)鍍鋅鋼絲的有限元仿真分析是準(zhǔn)確可靠的.

3.2 應(yīng)力集中系數(shù)

隨著一次腐蝕坑的進(jìn)一步發(fā)展，底部極易產(chǎn)生二次腐蝕坑.為了研究二次腐蝕坑對應(yīng)力集中的影響，將二次腐蝕坑模型等效為刻痕-球形腐蝕坑模型，利用千分尺測量鋼絲直徑差，得到最大蝕坑形狀參數(shù)，等效為球形蝕坑.腐蝕坑形狀參數(shù)見表6.

表6 等效球形蝕坑深度參數(shù)

采用文獻(xiàn)[10]中的建模思路，建立帶初始裂紋的高強(qiáng)鍍鋅鋼絲Abaqus模型.鋼絲長30 mm，直徑7 mm，刻痕深度1 mm，寬度0.2 mm，彈性模量190 GPa，抗拉強(qiáng)度1 770 MPa，泊松比0.27.在刻痕中間處設(shè)置二次蝕坑，二次蝕坑尺寸采用等效腐蝕坑形狀參數(shù)，約束條件及加載方式與文獻(xiàn)[10]的一致.帶刻痕鋼絲的有限元數(shù)據(jù)見表7.

表7 含刻痕高強(qiáng)鍍鋅鋼絲彈性階段應(yīng)力集中系數(shù)

由Abaqus模型中提取的應(yīng)力集中系數(shù)可知，應(yīng)力集中系數(shù)主要是由刻痕深度與蝕坑尺寸共同決定.在帶刻痕鋼絲腐蝕剛產(chǎn)生蝕坑時(shí)，蝕坑較細(xì)小，導(dǎo)致蝕坑處的應(yīng)力集中系數(shù)較大，進(jìn)行拉伸時(shí)更容易在此處產(chǎn)生進(jìn)一步裂紋擴(kuò)展破壞.

如圖4所示，鋼絲腐蝕120 h時(shí)開始出現(xiàn)微小蝕坑，并在彈性階段的蝕坑處應(yīng)力達(dá)到最高.由此可知，鋼絲在拉伸破壞時(shí)，裂紋擴(kuò)展發(fā)生在裂紋中的蝕坑位置，蝕坑越大，鋼絲橫截面的應(yīng)力集中系數(shù)越趨于平穩(wěn).這說明，帶刻痕鋼絲腐蝕剛出現(xiàn)蝕坑時(shí)為鋼絲最不利時(shí)期，蝕坑導(dǎo)致鋼絲截面局部提前開裂并引起鋼絲的脆性破壞，而隨著腐蝕程度的進(jìn)一步加深，鋼絲表面鍍鋅層脫落，鐵基質(zhì)開始腐蝕導(dǎo)使得鋼絲直徑減小，鋼絲的剩余承載力會(huì)進(jìn)一步降低.

圖4 帶刻痕鋼絲二次蝕坑下最不利截面應(yīng)力

4 電鏡掃描分析

4.1 斷口宏觀形貌

取N-JL-5～N-JL-20帶刻痕靜力腐蝕鋼絲拉伸的斷口進(jìn)行SEM實(shí)驗(yàn)，得到含刻痕高強(qiáng)鍍鋅鋼絲在應(yīng)力腐蝕后經(jīng)拉伸斷裂斷口宏觀形貌(圖5).斷口形貌分為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，預(yù)制刻痕處為鋼絲裂紋初始萌生區(qū)，裂紋源區(qū)上部臺(tái)階處為裂紋擴(kuò)展區(qū)，鋼絲中間裂紋小脊處為瞬斷區(qū).脊?fàn)钚螒B(tài)通常是由材料撕裂形成的，脊越大，抗斷裂的能力越強(qiáng).

圖5 帶刻痕鋼絲腐蝕斷裂斷口宏觀形貌

由圖5可見，含有初始裂紋應(yīng)力腐蝕鋼絲的斷口呈現(xiàn)多裂紋源特征.這種斷口的宏觀形貌通常包含2個(gè)或2個(gè)以上裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)，且鋼絲裂紋源都趨近于鋼絲中間而不是刻痕邊緣.這說明帶刻痕鋼絲在與應(yīng)力腐蝕耦合作用下，拉伸斷裂的主要源頭在刻痕底部腐蝕蝕坑.

4.2 斷口微觀形貌

以瞬斷區(qū)中心韌窩為觀察對象，分析不同腐蝕周期下帶刻痕腐蝕鋼絲斷裂斷口的微觀形貌(圖6).

圖6 帶刻痕鋼絲腐蝕斷裂斷口微觀形貌

由圖6可見，當(dāng)局部SEM放大5 000倍時(shí)，隨著腐蝕程度加深，韌窩變得更密集，中性鹽霧腐蝕期間韌窩中還伴隨有劈刀式凹坑，腐蝕360～720 h時(shí)劈刀式凹坑明顯減少，韌窩趨于平坦.這表明隨著腐蝕程度的加深，鋼絲在斷裂時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸增大，鋼絲破壞進(jìn)一步增強(qiáng)，更趨近于脆性斷裂.腐蝕120 h和480 h試樣的斷口表面雖然有很大不同，但材料(瞬斷區(qū))在微觀形貌上表現(xiàn)出相似的韌窩結(jié)構(gòu)，且材料力學(xué)性能沒有變化.這說明，在整個(gè)腐蝕過程中蝕坑有助于裂紋的形成，但不會(huì)改變含裂紋鋼絲的微觀結(jié)構(gòu).值得注意的是，不同腐蝕程度的鋼絲相同位置處的韌窩均會(huì)隨著腐蝕程度的加深變得更密集且更均勻.

5 結(jié)論

(1)由帶刻痕鋼絲鹽霧腐蝕試驗(yàn)與單向靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知：為期720 h的中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)為均勻腐蝕，且腐蝕速率大體相同；在力學(xué)性能上，腐蝕120 h的帶刻痕鋼絲由于應(yīng)力集中提前進(jìn)入塑性階段.

(2)通過帶刻痕腐蝕鋼絲的Abaqus有限元分析可知：影響鋼絲性能的主要因素為初始裂紋；在腐蝕初期，鋼絲的應(yīng)力集中系數(shù)較大，隨著腐蝕程度的加深，應(yīng)力集中系數(shù)會(huì)稍微減少但之后會(huì)趨于平穩(wěn)；Mises應(yīng)力分布圖顯示，應(yīng)力集中系數(shù)最大處在腐蝕鋼絲刻痕底部中間的蝕坑處，由此判斷鋼絲初始斷裂應(yīng)在刻痕中間部位.

(3)由SEM斷口表面結(jié)果可知：鋼絲裂紋擴(kuò)展區(qū)為鋼絲刻痕二次腐蝕的應(yīng)力集中處；帶刻痕鋼絲腐蝕過程中，材料性能在微觀結(jié)構(gòu)方面沒有發(fā)生性質(zhì)上的改變，但隨著腐蝕程度的加深，應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增加，帶刻痕腐蝕鋼絲更趨于脆性斷裂，使得韌窩變得更密集且更均勻，裂紋擴(kuò)展處更平坦.