鹽霧預腐蝕對HRB400E抗震鋼筋超低周疲勞性能的影響
2021-11-15 02:04:59
changyuan
摘要
研(yan)究(jiu)了(le)鹽霧(wu)預(yu)腐(fu)蝕(shi)對HRB400E鋼的超(chao)低(di)周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞性能影(ying)響。用(yong)NaCl溶液在(zai)鹽霧(wu)腐(fu)蝕(shi)箱中對試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼加(jia)速腐(fu)蝕(shi)30~90 d，然后采用(yong)軸(zhou)向位移控制模(mo)擬強震載荷(he)進行(xing)超(chao)低(di)周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞試(shi)驗(yan)(yan)(yan)，獲得載荷(he)隨循環周(zhou)(zhou)次的變化關系(xi)和應(ying)變壽命曲(qu)線等；最后采用(yong)掃(sao)描電鏡對斷(duan)(duan)口形貌進行(xing)觀察，分(fen)析微(wei)觀斷(duan)(duan)裂(lie)機理。試(shi)驗(yan)(yan)(yan)結果表明：預(yu)腐(fu)蝕(shi)30、60和90 d的試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼壽命分(fen)別下降了(le)4.4%~10.2%、14.3%~31.8%和7.8%~30%；宏觀裂(lie)紋萌(meng)生(sheng)壽命占總壽命的90%，應(ying)變幅3%為超(chao)低(di)周(zhou)(zhou)與低(di)周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞的分(fen)界點；鹽霧(wu)腐(fu)蝕(shi)對試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼的循環響應(ying)特征與Masing特性無(wu)明顯影(ying)響；斷(duan)(duan)裂(lie)區(qu)呈月牙狀沿(yan)著試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼邊緣斷(duan)(duan)裂(lie)，較長(chang)鹽霧(wu)腐(fu)蝕(shi)時間和較高應(ying)變幅會導致最后斷(duan)(duan)裂(lie)區(qu)產(chan)生(sheng)韌窩特征。
關鍵詞： 金屬材料 ; HRB400E抗震(zhen)鋼筋 ; 鹽霧預腐(fu)蝕 ; 超低周疲勞 ; 微觀斷裂機理(li)
Abstract
The effect of pre-corrosion by salt spray on the extremely-low cycle fatigue performance of HRB400E steel was studied. The steel samples were firstly subjected to salt spray corrosion with NaCl solution for 30~90 days, and then subjected to extremely-low cycle fatigue test via an axial displacement control facility to simulate the strong earthquake loading. Therewith, the relationship between the loading and cycle numbers, as well as the strain-life curves were obtained. Finally, the fracture faces were characterized by scanning electron microscope （SEM）。 The results show that the decline rates of life after pre-corrosion for 30 days, 60 days and 90 days were 4.4%~10.2%, 14.3%~31.8% and 7.8%~30%, respectively. The crack initiation life accounts for 90% of the total life, and the strain amplitude of 3% is the turning point between ultra-low cycle and low cycle fatigue. Salt spray corrosion has no obvious effect on the cyclic response characteristics and Masing characteristics of the test material. At last, the fracture zone was crescent-shaped along the edge of the test material. Longer salt spray corrosion time and higher strain amplitude would lead to dimples in the final fracture zone.
Keywords： metallic materials ; HRB400E seismic steel bar ; salt spray pre-corrosion ; extremely low cycle fatigue （ELCF） ; microscopic fracture mechanism
諶理飛， 羅云(yun)蓉， 張應遷， 李(li)輝(hui)， 李(li)秀蘭， 廖(liao)文麗(li)。 鹽霧預腐蝕對HRB400E抗(kang)震鋼筋(jin)超低(di)周疲勞性能的影(ying)響。 材料研究學報(bao)[J], 2021, 35（2）： 101-109 DOI:10.11901/1005.3093.2020.409
CHEN Lifei, LUO Yunrong, ZHANG Yingqian, LI Hui, LI Xiulan, LIAO Wenli. Effect of Pre-corrosion by Salt Spray on Extremely Low Cycle Fatigue Performance of HRB400E Seismic Steel Bar. Earth Science[J], 2021, 35（2）： 101-109 DOI:10.11901/1005.3093.2020.409
汶川地震以(yi)后(hou)，建(jian)筑物的(de)(de)抗震能(neng)(neng)力(li)得到了更大的(de)(de)重視(shi)，建(jian)筑物的(de)(de)抗震能(neng)(neng)力(li)往(wang)往(wang)取決(jue)于建(jian)筑用鋼(gang)(gang)。相(xiang)關研究表(biao)明(ming)[1]，強(qiang)震載(zai)荷頻率為1~3 Hz，持續時間在1 min以(yi)內，在此期間建(jian)筑物可能(neng)(neng)只經歷100以(yi)內循環(huan)周次。建(jian)筑鋼(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)應(ying)(ying)具備抵抗高(gao)應(ying)(ying)變(bian)循環(huan)載(zai)荷的(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，要(yao)求鋼(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)具有(you)較(jiao)高(gao)的(de)(de)塑韌性(xing)(xing)(xing)、優(you)良(liang)的(de)(de)可焊性(xing)(xing)(xing)和一定的(de)(de)強(qiang)度[2]。建(jian)筑物由(you)于服役時間過長或(huo)由(you)于外(wai)界因素會(hui)導(dao)致(zhi)(zhi)外(wai)層混(hun)凝土脫落(luo)，導(dao)致(zhi)(zhi)鋼(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)暴(bao)露(lu)在空氣中受到腐(fu)蝕(shi)(shi)，或(huo)者與地下水接觸，導(dao)致(zhi)(zhi)鋼(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)受到礦物質成(cheng)分腐(fu)蝕(shi)(shi)。腐(fu)蝕(shi)(shi)性(xing)(xing)(xing)介質會(hui)在鋼(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)表(biao)面(mian)產生損(sun)傷(shang)，破壞(huai)鋼(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)表(biao)面(mian)完(wan)整性(xing)(xing)(xing)，導(dao)致(zhi)(zhi)應(ying)(ying)力(li)集中，從而(er)加(jia)速裂紋(wen)萌(meng)生，而(er)且腐(fu)蝕(shi)(shi)損(sun)傷(shang)部(bu)位還會(hui)與拉(la)伸載(zai)荷共同作用加(jia)速疲勞裂紋(wen)擴展[3]。已有(you)相(xiang)關研究表(biao)明(ming)[4]，在鹽霧環(huan)境中，主要(yao)是氯離子加(jia)速材(cai)料的(de)(de)疲勞損(sun)傷(shang)。Apostolopoulos的(de)(de)研究表(biao)明(ming)[5~7]，鹽霧腐(fu)蝕(shi)(shi)會(hui)降低鋼(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)強(qiang)度、塑性(xing)(xing)(xing)和疲勞性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)。Ignasi Fernandez的(de)(de)研究表(biao)明(ming)[8]，腐(fu)蝕(shi)(shi)造成(cheng)表(biao)面(mian)出(chu)現腐(fu)蝕(shi)(shi)坑，是降低鋼(gang)(gang)材(cai)疲勞性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)主要(yao)原(yuan)因。
已對(dui)國(guo)內(nei)建筑(zhu)用鋼(gang)開展(zhan)了(le)大(da)量研究(jiu)。徐慶元等(deng)(deng)(deng)[9]開展(zhan)了(le)HRB500與(yu)HRB400鋼(gang)筋(jin)(jin)疲(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能對(dui)比(bi)試(shi)驗(yan)。研究(jiu)結果(guo)表明(ming)，在(zai)(zai)1億次循(xun)環(huan)載荷內(nei)，HRB500的(de)(de)疲(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能明(ming)顯優于HRB400的(de)(de)；超(chao)過(guo)1億次以后(hou)，優勢逐漸減小(xiao)。孫(sun)傳智等(deng)(deng)(deng)[10]對(dui)630 MPa級超(chao)高強鋼(gang)筋(jin)(jin)的(de)(de)低(di)周(zhou)疲(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能進行(xing)了(le)研究(jiu)，在(zai)(zai)高應變(bian)(bian)循(xun)環(huan)作(zuo)用下(xia)，試(shi)驗(yan)鋼(gang)會發生先(xian)硬化(hua)(hua)、后(hou)軟化(hua)(hua)、再硬化(hua)(hua)的(de)(de)特征，疲(pi)勞(lao)破(po)(po)壞比(bi)較(jiao)突然。而在(zai)(zai)較(jiao)小(xiao)應變(bian)(bian)幅下(xia)，試(shi)驗(yan)鋼(gang)只發生先(xian)硬化(hua)(hua)后(hou)軟化(hua)(hua)兩個過(guo)程(cheng)，疲(pi)勞(lao)破(po)(po)壞前存在(zai)(zai)明(ming)顯的(de)(de)強度退化(hua)(hua)過(guo)程(cheng)。HRB400E鋼(gang)作(zuo)為(wei)高強抗(kang)震鋼(gang)筋(jin)(jin)，在(zai)(zai)國(guo)內(nei)的(de)(de)建筑(zhu)行(xing)業應用廣泛。已有學者開展(zhan)了(le)HRB400E抗(kang)震鋼(gang)筋(jin)(jin)的(de)(de)相關性(xing)(xing)能研究(jiu)。陳(chen)建云(yun)等(deng)(deng)(deng)[11]研究(jiu)了(le)對(dui)稱拉壓(ya)(ya)循(xun)環(huan)對(dui)HRB400E鋼(gang)的(de)(de)彈塑性(xing)(xing)行(xing)為(wei)影(ying)響(xiang)(xiang)。試(shi)驗(yan)結果(guo)表明(ming)，循(xun)環(huan)拉壓(ya)(ya)后(hou)再拉伸時材料(liao)的(de)(de)彈性(xing)(xing)模量有所下(xia)降，屈(qu)服應力隨(sui)循(xun)環(huan)拉壓(ya)(ya)應變(bian)(bian)幅的(de)(de)增(zeng)大(da)而增(zeng)大(da)，而強度極(ji)限(xian)和(he)斷裂(lie)應變(bian)(bian)無明(ming)顯變(bian)(bian)化(hua)(hua)。羅云(yun)蓉等(deng)(deng)(deng)[12,13]研究(jiu)了(le)氧化(hua)(hua)腐蝕對(dui)HRB400E抗(kang)震鋼(gang)筋(jin)(jin)的(de)(de)低(di)周(zhou)疲(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能影(ying)響(xiang)(xiang)，試(shi)驗(yan)結果(guo)表明(ming)裂(lie)紋起源于試(shi)驗(yan)鋼(gang)表面，材料(liao)內(nei)部存在(zai)(zai)大(da)量孔洞(dong)。氧化(hua)(hua)腐蝕對(dui)低(di)周(zhou)疲(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能影(ying)響(xiang)(xiang)極(ji)大(da)，低(di)周(zhou)疲(pi)勞(lao)壽命下(xia)降率(lv)達(da)10%~30%。
到(dao)目前，雖然對建筑用(yong)鋼(gang)(gang)(gang)已有較(jiao)多(duo)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)，不過(guo)綜合(he)來看，在(zai)以下(xia)兩點仍值得深入研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)。第一，考慮到(dao)強(qiang)震下(xia)的(de)建筑物易在(zai)100循環周(zhou)次以內發生破(po)壞(huai)，而(er)目前的(de)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)大(da)量集中(zhong)在(zai)建筑鋼(gang)(gang)(gang)筋(jin)的(de)低周(zhou)疲(pi)勞(lao)(lao)行為(wei)(wei)，對超低周(zhou)疲(pi)勞(lao)(lao)行為(wei)(wei)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)報道較(jiao)少。因此，對建筑鋼(gang)(gang)(gang)在(zai)超高(gao)應變(bian)下(xia)超低周(zhou)疲(pi)勞(lao)(lao)行為(wei)(wei)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)具有重要(yao)意義。第二，目前已開(kai)展的(de)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)都是將試(shi)(shi)(shi)驗鋼(gang)(gang)(gang)加工(gong)為(wei)(wei)標(biao)準試(shi)(shi)(shi)樣，將表面(mian)的(de)螺紋(wen)等(deng)表面(mian)特征清除，這與試(shi)(shi)(shi)驗鋼(gang)(gang)(gang)實(shi)際服役狀態不相符。為(wei)(wei)了(le)模(mo)擬建筑鋼(gang)(gang)(gang)的(de)實(shi)際服役環境(jing)，應采用(yong)表面(mian)未經過(guo)機械(xie)處(chu)理(li)的(de)試(shi)(shi)(shi)驗鋼(gang)(gang)(gang)來開(kai)展疲(pi)勞(lao)(lao)性能研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)。鑒于此，本文針對應用(yong)廣泛(fan)的(de)HRB400E抗震鋼(gang)(gang)(gang)筋(jin)，開(kai)展了(le)鹽霧預(yu)腐(fu)蝕對保持原始形貌的(de)鋼(gang)(gang)(gang)筋(jin)超低周(zhou)疲(pi)勞(lao)(lao)行為(wei)(wei)影響研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)。
1 試(shi)驗過程
試(shi)驗材料為(wei)HRB400E抗震(zhen)鋼(gang)筋（以下簡(jian)稱試(shi)驗鋼(gang)），規格為(wei)f12 mm，其(qi)化(hua)學(xue)(xue)成分與力學(xue)(xue)性能分別如(ru)表(biao)1和2所示(shi)。將(jiang)(jiang)原(yuan)材料切割成長度120 mm的(de)試(shi)樣，并將(jiang)(jiang)切口打磨光滑，為(wei)了(le)模擬鋼(gang)筋的(de)真(zhen)實工作狀況，試(shi)樣表(biao)面(mian)不做任(ren)何處理，保持原(yuan)有的(de)帶肋形狀，試(shi)樣為(wei)非標準試(shi)樣。
采用鹽霧腐(fu)蝕箱(xiang)模擬大氣鹽霧環境，加速腐(fu)蝕試驗過程(cheng)參照GB/T10125-2012《人造(zao)氣氛(fen)腐(fu)蝕試驗-鹽霧試驗》進行。采用去離(li)子水配制質(zhi)量分數5%的NaCl溶液(ye)，腐(fu)蝕時(shi)間(jian)分為(wei)30、60和90 d。
超低周疲(pi)勞（ELCF）試(shi)驗(yan)在MTS 809液壓伺服疲(pi)勞試(shi)驗(yan)機上(shang)進行，試(shi)驗(yan)條件為常溫(wen)、大氣(qi)環境。試(shi)驗(yan)過程參照GB/T1524-2008《金屬材料軸向(xiang)等幅低循環疲(pi)勞試(shi)驗(yan)方(fang)法(fa)》。對(dui)腐蝕前后的(de)試(shi)樣，開展(zhan)了四個應變(bian)幅疲(pi)勞試(shi)驗(yan)，分別為3%、3.2%、3.5%和4%，應變(bian)比R=-1，頻率為1 Hz。以試(shi)驗(yan)鋼斷(duan)裂作為失效依據。最后采(cai)用掃描電鏡(jing)對(dui)斷(duan)口(kou)形貌進行觀察，分析微觀斷(duan)裂機理。
2 試驗(yan)結果與討論
取(qu)半壽命滯回環的(de)(de)(de)(de)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)(xing)(xing)應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)幅和塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)幅作為穩定(ding)值，ELCF試驗結果如(ru)表(biao)3所示。可見，試驗鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)ELCF壽命隨應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)幅和腐(fu)蝕(shi)時間的(de)(de)(de)(de)增加(jia)而(er)(er)減小，腐(fu)蝕(shi)30、60和90 d的(de)(de)(de)(de)壽命下降率(lv)分別為4.4%~10.2%、14.3%~31.8%和7.8%~30%。圖1給出了塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)占比與(yu)總應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)幅的(de)(de)(de)(de)關系，隨著應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)幅和腐(fu)蝕(shi)時間的(de)(de)(de)(de)增加(jia)，塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)幅所占比例(li)（εpa/εa）也越來越大。說(shuo)(shuo)明高應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)幅下，主要發(fa)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)，而(er)(er)且腐(fu)蝕(shi)會導致塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)加(jia)劇。在(zai)應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)幅3%且未腐(fu)蝕(shi)情況下，塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)幅占比約53%，剛好大于(yu)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)(xing)(xing)應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)幅，此時的(de)(de)(de)(de)疲勞失效周次為98，剛好處(chu)于(yu)ELCF階(jie)段。其他試驗鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)εpa/εa更大，循環周次都在(zai)100以內。說(shuo)(shuo)明對于(yu)試驗鋼(gang)(gang)而(er)(er)言(yan)，當εpa/εa超過53%時，極有可能在(zai)100周次以內斷裂，εa=3%是(shi)(shi)ELCF與(yu)LCF的(de)(de)(de)(de)分界點。
2.1 循環響應特征
圖2是試驗鋼(gang)(gang)的(de)(de)循環響應(ying)特征曲線(xian)，縱坐標(biao)的(de)(de)應(ying)力(li)(li)幅(fu)是循環過程最大拉應(ying)力(li)(li)和最大壓應(ying)力(li)(li)值(zhi)的(de)(de)平均值(zhi)。由圖可見，試驗鋼(gang)(gang)的(de)(de)應(ying)力(li)(li)幅(fu)值(zhi)基(ji)(ji)本都隨著應(ying)變幅(fu)的(de)(de)增(zeng)加而增(zeng)大；圖2a~d曲線(xian)的(de)(de)特征都基(ji)(ji)本一致，說明(ming)鹽霧腐(fu)蝕對試驗鋼(gang)(gang)的(de)(de)循環響應(ying)特征無明(ming)顯影(ying)響。腐(fu)蝕前后試驗鋼(gang)(gang)的(de)(de)循環響應(ying)特征為：在(zai)初始(shi)階段快(kuai)速硬化(hua)(hua)（≈0.05Nf），然(ran)后在(zai)中后期(qi)緩慢軟(ruan)化(hua)(hua)（≈0.9Nf），最后急(ji)劇(ju)下(xia)降，發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)疲(pi)勞斷裂(lie)(lie)失效。圖中所有曲線(xian)都有一個(ge)共同的(de)(de)特點(dian)，應(ying)力(li)(li)幅(fu)基(ji)(ji)本都是在(zai)0.9Nf時(shi)開始(shi)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)急(ji)劇(ju)下(xia)降，此時(shi)宏(hong)觀(guan)(guan)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)(sheng)(sheng)，說明(ming)宏(hong)觀(guan)(guan)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)(sheng)(sheng)壽(shou)命(ming)(ming)大概占90%Nf，裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)展壽(shou)命(ming)(ming)大概占10%Nf。已有研究結果(guo)表明(ming)，試驗鋼(gang)(gang)在(zai)低周疲(pi)勞過程中，宏(hong)觀(guan)(guan)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)(sheng)(sheng)壽(shou)命(ming)(ming)占80%Nf左右[14]。這與(yu)本文的(de)(de)結果(guo)類似，說明(ming)ELCF宏(hong)觀(guan)(guan)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)(sheng)(sheng)壽(shou)命(ming)(ming)占總(zong)壽(shou)命(ming)(ming)比例比LCF宏(hong)觀(guan)(guan)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)(sheng)(sheng)壽(shou)命(ming)(ming)占總(zong)壽(shou)命(ming)(ming)比例更大。
建筑鋼(gang)(gang)筋在(zai)(zai)混凝土(tu)中最重(zhong)要的(de)(de)作用(yong)就是(shi)承(cheng)(cheng)受拉(la)(la)伸載(zai)荷。在(zai)(zai)本(ben)文中，如果采用(yong)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)來表(biao)征承(cheng)(cheng)受的(de)(de)拉(la)(la)伸載(zai)荷，則忽略了(le)腐(fu)蝕(shi)導(dao)致橫截(jie)面積(ji)減小(xiao)的(de)(de)影(ying)(ying)響，這(zhe)樣對評價腐(fu)蝕(shi)后(hou)鋼(gang)(gang)筋的(de)(de)承(cheng)(cheng)載(zai)能力(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)不恰當的(de)(de)。因此，采用(yong)循環過程中最大(da)(da)(da)拉(la)(la)力(li)(li)(li)(li)(li)和壓縮(suo)力(li)(li)(li)(li)(li)能更(geng)可(ke)靠(kao)的(de)(de)衡量腐(fu)蝕(shi)前后(hou)試(shi)驗鋼(gang)(gang)承(cheng)(cheng)載(zai)能力(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)變化。圖3展(zhan)示了(le)最大(da)(da)(da)拉(la)(la)力(li)(li)(li)(li)(li)和壓縮(suo)力(li)(li)(li)(li)(li)隨(sui)(sui)循環周次的(de)(de)變化（εa=3%和εa=3.2%），可(ke)以看出腐(fu)蝕(shi)后(hou)的(de)(de)最大(da)(da)(da)拉(la)(la)力(li)(li)(li)(li)(li)明顯下(xia)降(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)。取穩定(ding)的(de)(de)半壽(shou)命（0.5Nf）的(de)(de)最大(da)(da)(da)拉(la)(la)力(li)(li)(li)(li)(li)來評定(ding)腐(fu)蝕(shi)造成(cheng)的(de)(de)影(ying)(ying)響，應(ying)(ying)變幅為(wei)3%時(shi)(shi)，腐(fu)蝕(shi)30、60和90 d試(shi)驗鋼(gang)(gang)的(de)(de)最大(da)(da)(da)拉(la)(la)力(li)(li)(li)(li)(li)相比(bi)未腐(fu)蝕(shi)的(de)(de)，分(fen)別下(xia)降(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)5.4%、13.1%和15.1%；應(ying)(ying)變幅為(wei)3.2%時(shi)(shi)，分(fen)別下(xia)降(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)8.8%、16.4%和21%。從圖中可(ke)以看出，最大(da)(da)(da)壓縮(suo)力(li)(li)(li)(li)(li)在(zai)(zai)初始階(jie)段快速(su)增(zeng)加，隨(sui)(sui)后(hou)一直保(bao)持(chi)緩(huan)慢(man)下(xia)降(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)的(de)(de)狀(zhuang)(zhuang)態，直到最后(hou)斷裂失效未發(fa)生(sheng)大(da)(da)(da)幅下(xia)降(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)。而最大(da)(da)(da)拉(la)(la)伸力(li)(li)(li)(li)(li)也在(zai)(zai)初始階(jie)段快速(su)增(zeng)大(da)(da)(da)，隨(sui)(sui)后(hou)保(bao)持(chi)比(bi)較(jiao)穩定(ding)的(de)(de)狀(zhuang)(zhuang)態直到0.9Nf，此時(shi)(shi)最大(da)(da)(da)拉(la)(la)力(li)(li)(li)(li)(li)在(zai)(zai)0.9Nf時(shi)(shi)開(kai)始發(fa)生(sheng)急劇下(xia)降(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)，這(zhe)是(shi)因為(wei)宏觀裂紋萌生(sheng)導(dao)致試(shi)驗鋼(gang)(gang)的(de)(de)橫截(jie)面積(ji)減小(xiao)。
2.2 應變壽命
應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)壽(shou)命(ming)(ming)(ming)關系是表(biao)(biao)征材料(liao)疲(pi)勞(lao)(lao)特性的(de)(de)(de)(de)重要方法，ELCF疲(pi)勞(lao)(lao)的(de)(de)(de)(de)應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)壽(shou)命(ming)(ming)(ming)關系通常由雙對數坐標(biao)中(zhong)總(zong)(zong)應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)幅與(yu)循(xun)(xun)環(huan)周(zhou)次表(biao)(biao)征（εa-2Nf）。與(yu)此同時(shi)，彈性應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)幅和塑性應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)幅與(yu)循(xun)(xun)環(huan)周(zhou)次的(de)(de)(de)(de)關系也在雙對數坐標(biao)系中(zhong)給出（εe-2Nf和εp-2Nf），如圖(tu)(tu)4所(suo)示。由圖(tu)(tu)可見，總(zong)(zong)應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)幅、彈性應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)幅和塑性應(ying)變(bian)(bian)(bian)(bian)幅都隨(sui)循(xun)(xun)環(huan)周(zhou)次呈線性變(bian)(bian)(bian)(bian)化，擬合精度良好(hao)。經(jing)過腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)后的(de)(de)(de)(de)ELCF壽(shou)命(ming)(ming)(ming)比未腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)明(ming)顯(xian)要低，且腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)時(shi)間(jian)(jian)越長，疲(pi)勞(lao)(lao)壽(shou)命(ming)(ming)(ming)下降越嚴重。已有研(yan)究表(biao)(biao)明(ming)[14]，試驗(yan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)低周(zhou)疲(pi)勞(lao)(lao)壽(shou)命(ming)(ming)(ming)并非完全是隨(sui)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)時(shi)間(jian)(jian)增(zeng)加而下降程度越大，其中(zhong)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)30 d試樣的(de)(de)(de)(de)疲(pi)勞(lao)(lao)壽(shou)命(ming)(ming)(ming)比腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)60 d和90 d的(de)(de)(de)(de)更差，這(zhe)是因為腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)30 d試驗(yan)鋼(gang)(gang)表(biao)(biao)面(mian)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)不均勻，出現較多的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)坑(keng)。這(zhe)說明(ming)試驗(yan)鋼(gang)(gang)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)坑(keng)等缺(que)陷對試驗(yan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)LCF壽(shou)命(ming)(ming)(ming)影響大于ELCF，試驗(yan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)ELCF壽(shou)命(ming)(ming)(ming)與(yu)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)時(shi)間(jian)(jian)長短更相關。
對于試(shi)驗鋼而言，在ELCF階段，塑(su)(su)(su)性(xing)應(ying)(ying)變幅(fu)總是(shi)(shi)大(da)于彈(dan)性(xing)應(ying)(ying)變幅(fu)，說(shuo)明疲(pi)勞損傷主要(yao)是(shi)(shi)由(you)塑(su)(su)(su)性(xing)變形導致。且塑(su)(su)(su)性(xing)應(ying)(ying)變幅(fu)占比隨著總應(ying)(ying)變幅(fu)增(zeng)加(jia)而增(zeng)加(jia)，塑(su)(su)(su)性(xing)變形的(de)主導地位越(yue)來越(yue)明顯。材料的(de)ELCF性(xing)能主要(yao)由(you)塑(su)(su)(su)性(xing)決定，累計的(de)塑(su)(su)(su)性(xing)變形決定了(le)疲(pi)勞損傷。ELCF壽命與應(ying)(ying)變幅(fu)的(de)關系可用(yong)Manson-Coffin表(biao)示：
式中，為(wei)(wei)疲(pi)勞強(qiang)度系數，b為(wei)(wei)疲(pi)勞強(qiang)度指數，E為(wei)(wei)彈性(xing)模量(liang)，
為(wei)疲(pi)(pi)勞(lao)延(yan)(yan)性(xing)系(xi)數(shu)，c為(wei)疲(pi)(pi)勞(lao)延(yan)(yan)性(xing)指數(shu)。其中(zhong)，b和c的(de)絕對值越大，說(shuo)明材料(liao)的(de)強度和塑性(xing)越好(hao)[15]。Hollomon公式定義了塑性(xing)應變和應力幅之間(jian)的(de)關系(xi)，即(ji)：
式(shi)中，為循環強度系數(shu)，為循環強度(du)(du)指數(shu)。將ELCF試驗(yan)數(shu)據代(dai)入式（1）、（2）中(zhong)，得(de)到試驗(yan)鋼(gang)的ELCF參數(shu)，見(jian)表(biao)4。可見(jian)，腐蝕(shi)后試驗(yan)鋼(gang)的b和c的絕對(dui)值(zhi)表(biao)現出(chu)減小的趨勢，說明鹽霧腐蝕(shi)會(hui)降低試驗(yan)鋼(gang)的強度(du)(du)和塑性。
在之(zhi)前的(de)研究中(zhong)報(bao)道了鹽霧預腐(fu)蝕對試(shi)驗(yan)(yan)鋼(gang)LCF性能的(de)影響[14]。為建立HRB400E鋼(gang)的(de)LCF與ELCF壽命(ming)之(zhi)間的(de)聯系，將應變(bian)幅(fu)(fu)與循環(huan)周次(ci)置于雙對數坐標中(zhong)，如(ru)圖(tu)5所(suo)示(shi)。可見，所(suo)有腐(fu)蝕時(shi)間下應變(bian)幅(fu)(fu)隨(sui)壽命(ming)基本呈線性變(bian)化(hua)。其中(zhong)，未(wei)腐(fu)蝕、腐(fu)蝕60 d和(he)90 d在LCF和(he)ELCF階段(duan)均表(biao)現(xian)出疲勞(lao)壽命(ming)隨(sui)腐(fu)蝕時(shi)間增加而(er)下降(jiang)的(de)趨勢。腐(fu)蝕30 d試(shi)驗(yan)(yan)鋼(gang)由于受到(dao)腐(fu)蝕坑影響，LCF數據略微分(fen)散并表(biao)現(xian)出最差的(de)LCF壽命(ming)。根據擬合曲線得到(dao)，應變(bian)幅(fu)(fu)等于0.027（Nf=130）為腐(fu)蝕30 d試(shi)驗(yan)(yan)鋼(gang)的(de)特(te)征點；當應變(bian)幅(fu)(fu)大于0.027時(shi)，腐(fu)蝕30 d試(shi)驗(yan)(yan)鋼(gang)的(de)疲勞(lao)壽命(ming)周次(ci)遵循隨(sui)腐(fu)蝕時(shi)間增加而(er)降(jiang)低(di)的(de)規(gui)律。
2.3 能量密(mi)度
取不同應變幅(fu)的半壽命滯回(hui)(hui)環(huan)，置于圖(tu)6中，飽滿對稱的滯回(hui)(hui)環(huan)說(shuo)明(ming)試驗控制良好(hao)，且(qie)滯回(hui)(hui)環(huan)的面(mian)積隨應變幅(fu)的增加(jia)而增大。將不同應變幅(fu)的滯回(hui)(hui)環(huan)最(zui)低點移至同一點，可(ke)見(jian)，滯回(hui)(hui)環(huan)的上半段基本(ben)上完(wan)全重合，表明(ming)試驗鋼在腐蝕前后具(ju)有Masing特性。
材(cai)(cai)料的(de)(de)疲(pi)勞(lao)損傷過程可(ke)以理解為吸收能(neng)(neng)(neng)(neng)量的(de)(de)過程，隨著吸收能(neng)(neng)(neng)(neng)量的(de)(de)增加(jia)，材(cai)(cai)料會(hui)產生裂(lie)(lie)紋，并(bing)導致裂(lie)(lie)紋擴展，直(zhi)到斷裂(lie)(lie)[15]。可(ke)見，材(cai)(cai)料的(de)(de)疲(pi)勞(lao)性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)與吸收能(neng)(neng)(neng)(neng)量的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)力緊密相關。Klima[16]的(de)(de)研究(jiu)表明，循(xun)環(huan)載荷下的(de)(de)滯回能(neng)(neng)(neng)(neng)考慮了循(xun)環(huan)應(ying)(ying)力和應(ying)(ying)變，是表征疲(pi)勞(lao)損傷的(de)(de)重要參數(shu)。彈性(xing)應(ying)(ying)變能(neng)(neng)(neng)(neng)密度(du)ΔWe和塑性(xing)應(ying)(ying)變能(neng)(neng)(neng)(neng)密度(du)ΔWp可(ke)作(zuo)為預(yu)測疲(pi)勞(lao)壽命(ming)的(de)(de)關鍵參數(shu)[17]，對具(ju)有Masing特(te)性(xing)的(de)(de)材(cai)(cai)料，其應(ying)(ying)變能(neng)(neng)(neng)(neng)可(ke)由如(ru)下公式計算[17]：
式（4）中(zhong)，是循環硬化(hua)指數。總(zong)能(neng)量(liang)(liang)密度(du)ΔWt是彈性能(neng)量(liang)(liang)密度(du)與(yu)塑性能(neng)量(liang)(liang)密度(du)之和，即(ji)：
根據(ju)試驗數(shu)據(ju)和上述公式(shi)，可求出(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)密度，如表3所示。在雙對數(shu)坐標(biao)中，能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)密度與循(xun)環周(zhou)次(ci)成線性(xing)(xing)關系，如圖7所示。可見，腐(fu)蝕(shi)時間越短(duan)的試驗鋼有(you)著(zhu)更(geng)大的總能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)密度和塑性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)密度，意(yi)味(wei)著(zhu)更(geng)好的抗(kang)疲(pi)勞性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)。從(cong)而(er)可以說明，試驗鋼的抗(kang)疲(pi)勞性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)受到鹽霧腐(fu)蝕(shi)的影(ying)響顯(xian)著(zhu)，且隨(sui)腐(fu)蝕(shi)時間增加，抗(kang)疲(pi)勞性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)降(jiang)低越嚴重。對ELCF而(er)言，彈(dan)性(xing)(xing)應(ying)變(bian)能(neng)(neng)(neng)(neng)比塑性(xing)(xing)應(ying)變(bian)能(neng)(neng)(neng)(neng)明顯(xian)要小(xiao)很(hen)多(duo)(duo)，僅占總應(ying)變(bian)能(neng)(neng)(neng)(neng)的19%~27%，表明彈(dan)性(xing)(xing)變(bian)形(xing)對ELCF疲(pi)勞破壞(huai)影(ying)響較小(xiao)，主(zhu)要由塑性(xing)(xing)變(bian)形(xing)導(dao)致。塑性(xing)(xing)越好，吸收(shou)的塑性(xing)(xing)應(ying)變(bian)能(neng)(neng)(neng)(neng)越多(duo)(duo)，越能(neng)(neng)(neng)(neng)抵抗(kang)疲(pi)勞載荷(he)，從(cong)而(er)有(you)更(geng)長的使用壽(shou)命。
2.4 微觀(guan)斷(duan)裂機理
為研(yan)究ELCF疲勞失效(xiao)微(wei)觀機(ji)理(li)，對斷口形貌(mao)進行了掃描電(dian)鏡（SEM）觀察。圖8a、b和c分別(bie)是不同(tong)腐蝕時間(jian)的(de)斷口全(quan)貌(mao)圖（εa=3%）。由圖可(ke)見(jian)，裂(lie)(lie)(lie)紋源(yuan)都在(zai)(zai)試驗(yan)鋼(gang)表(biao)面萌生，朝(chao)著(zhu)試驗(yan)鋼(gang)內部擴展，然后在(zai)(zai)裂(lie)(lie)(lie)紋源(yuan)相對的(de)邊(bian)緣瞬間(jian)斷裂(lie)(lie)(lie)。裂(lie)(lie)(lie)紋擴展區均伴隨著(zhu)肉眼可(ke)見(jian)的(de)微(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋和微(wei)孔洞，在(zai)(zai)循環(huan)載荷作用下，微(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋擴展并相互連接形成宏(hong)觀裂(lie)(lie)(lie)紋，宏(hong)觀裂(lie)(lie)(lie)紋的(de)積(ji)累導致(zhi)有效(xiao)面積(ji)的(de)減少(shao)，最后隨著(zhu)應力達到材料(liao)的(de)斷裂(lie)(lie)(lie)極限(xian)發生瞬間(jian)斷裂(lie)(lie)(lie)[18, 19]。
對比不(bu)同(tong)腐蝕(shi)時間的最(zui)(zui)后(hou)斷(duan)裂區(qu)(qu)可(ke)以發現，未腐蝕(shi)最(zui)(zui)后(hou)斷(duan)裂區(qu)(qu)的形狀成月牙形，沿(yan)著試(shi)(shi)驗(yan)鋼邊(bian)緣斷(duan)裂；腐蝕(shi)30 d最(zui)(zui)后(hou)斷(duan)裂區(qu)(qu)形狀與未腐蝕(shi)試(shi)(shi)樣的類似，不(bu)過沿(yan)試(shi)(shi)驗(yan)鋼邊(bian)緣斷(duan)裂的長度(du)(du)(du)有(you)所(suo)減(jian)小，腐蝕(shi)60 d最(zui)(zui)后(hou)斷(duan)裂區(qu)(qu)集(ji)中在試(shi)(shi)驗(yan)鋼邊(bian)緣的局部，長度(du)(du)(du)較短，說明(ming)鹽霧腐蝕(shi)會使得最(zui)(zui)后(hou)斷(duan)裂區(qu)(qu)長度(du)(du)(du)減(jian)小。
對最(zui)后(hou)斷(duan)裂區(qu)(qu)進行(xing)高倍數(shu)觀(guan)察，以研究斷(duan)裂區(qu)(qu)的(de)(de)微觀(guan)特(te)(te)征。圖9a和(he)b是(shi)應(ying)變幅(fu)3%下(xia)(xia)未腐蝕和(he)腐蝕60 d試樣的(de)(de)最(zui)后(hou)斷(duan)裂區(qu)(qu)形貌照片，圖9c和(he)d是(shi)應(ying)變幅(fu)4%下(xia)(xia)未腐蝕和(he)腐蝕60 d試樣的(de)(de)。由圖可見(jian)，圖9a未發現韌(ren)(ren)窩(wo)，而圖9b、c和(he)d中(zhong)帶有(you)明顯的(de)(de)韌(ren)(ren)窩(wo)特(te)(te)征，說明經過長時間的(de)(de)鹽霧腐蝕會導致(zhi)最(zui)后(hou)斷(duan)裂區(qu)(qu)帶有(you)韌(ren)(ren)窩(wo)特(te)(te)征；隨(sui)著(zhu)應(ying)變幅(fu)的(de)(de)增加(jia)，也(ye)會產生(sheng)細小的(de)(de)韌(ren)(ren)窩(wo)分布在(zai)最(zui)后(hou)斷(duan)裂區(qu)(qu)，這(zhe)一現象與Q235鋼的(de)(de)ELCF特(te)(te)征相似，Q235鋼隨(sui)著(zhu)應(ying)變幅(fu)的(de)(de)增加(jia)，會在(zai)整個斷(duan)面產生(sheng)韌(ren)(ren)窩(wo)特(te)(te)征[20]。
3 結論
（1） 鹽霧(wu)腐(fu)蝕(shi)明顯降低(di)HRB400E鋼的ELCF壽(shou)命，腐(fu)蝕(shi)30、60和90 d壽(shou)命分(fen)別下降4.4%~10.2%、14.3%~31.8%和7.8%~30%。腐(fu)蝕(shi)前后的ELCF壽(shou)命均可(ke)由Manson-Coffin公(gong)式(shi)進行預測。
（2） HRB400E鋼腐蝕(shi)前后均有Masing特性，鹽霧(wu)腐蝕(shi)不會對(dui)循(xun)環響(xiang)應特征(zheng)產生影響(xiang)，基本(ben)為(wei)循(xun)環軟化。
（3） 宏觀裂紋萌生階段占(zhan)據了大部分ELCF疲勞壽(shou)命，約占(zhan)90%左(zuo)右。ELCF疲勞主(zhu)要由塑(su)性(xing)變(bian)形控(kong)制，應(ying)變(bian)幅越大，塑(su)性(xing)變(bian)形的主(zhu)導(dao)地位越明顯。εa=3%是試驗鋼(gang)超低周(zhou)與低周(zhou)的分界點。
（4） HRB400E鋼(gang)的最(zui)后斷裂區沿著邊緣斷裂，長度隨(sui)腐蝕(shi)時(shi)(shi)間(jian)增(zeng)加(jia)而變短。較(jiao)長鹽霧腐蝕(shi)時(shi)(shi)間(jian)和(he)較(jiao)大應變幅均會導致最(zui)后斷裂區帶(dai)有韌窩特征(zheng)。