鹽霧預腐蝕對HRB400E抗震鋼筋超低周疲勞性能的影響
2021-11-17 00:41:08
changyuan
摘要(yao)
研(yan)究(jiu)了鹽霧(wu)預腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)對HRB400E鋼(gang)(gang)的(de)(de)超低周疲勞(lao)性能影響。用NaCl溶(rong)液(ye)在鹽霧(wu)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)箱中對試(shi)(shi)驗(yan)鋼(gang)(gang)加速腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)30~90 d，然后(hou)采(cai)(cai)用軸向(xiang)位移控制模擬強震載荷(he)進行(xing)超低周疲勞(lao)試(shi)(shi)驗(yan)，獲(huo)得載荷(he)隨循環周次的(de)(de)變(bian)化關系(xi)和應變(bian)壽(shou)命(ming)曲線等；最后(hou)采(cai)(cai)用掃描(miao)電鏡對斷(duan)(duan)口(kou)形貌進行(xing)觀(guan)察，分(fen)(fen)析微(wei)觀(guan)斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)機理。試(shi)(shi)驗(yan)結果表(biao)明(ming)(ming)：預腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)30、60和90 d的(de)(de)試(shi)(shi)驗(yan)鋼(gang)(gang)壽(shou)命(ming)分(fen)(fen)別下降了4.4%~10.2%、14.3%~31.8%和7.8%~30%；宏觀(guan)裂(lie)(lie)紋萌生壽(shou)命(ming)占(zhan)總壽(shou)命(ming)的(de)(de)90%，應變(bian)幅(fu)3%為超低周與(yu)低周疲勞(lao)的(de)(de)分(fen)(fen)界點(dian)；鹽霧(wu)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)對試(shi)(shi)驗(yan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)循環響應特征與(yu)Masing特性無(wu)明(ming)(ming)顯(xian)影響；斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)區呈月牙狀沿著試(shi)(shi)驗(yan)鋼(gang)(gang)邊(bian)緣斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)，較長鹽霧(wu)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)時間和較高應變(bian)幅(fu)會(hui)導致(zhi)最后(hou)斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)區產生韌窩特征。
關(guan)鍵詞： 金屬材料 ; HRB400E抗(kang)震鋼筋 ; 鹽霧預腐蝕 ; 超低(di)周疲勞 ; 微觀斷裂機理
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， 李(li)秀蘭， 廖文麗。 鹽霧預腐蝕對HRB400E抗(kang)震鋼筋超低周疲(pi)勞性(xing)能(neng)的(de)影響。 材料研究(jiu)學報[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(wen)川(chuan)地(di)震以(yi)后，建(jian)(jian)(jian)筑(zhu)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)抗震能(neng)力得到(dao)了更(geng)大的(de)(de)(de)(de)(de)重視，建(jian)(jian)(jian)筑(zhu)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)抗震能(neng)力往往取(qu)決于建(jian)(jian)(jian)筑(zhu)用鋼。相關(guan)研究(jiu)表(biao)明(ming)(ming)[1]，強震載(zai)荷頻率為1~3 Hz，持續時間(jian)在(zai)1 min以(yi)內，在(zai)此期間(jian)建(jian)(jian)(jian)筑(zhu)物(wu)可(ke)(ke)能(neng)只經歷100以(yi)內循(xun)環(huan)(huan)周次。建(jian)(jian)(jian)筑(zhu)鋼筋(jin)應具(ju)備抵抗高(gao)應變(bian)循(xun)環(huan)(huan)載(zai)荷的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)，要求(qiu)鋼筋(jin)具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)塑(su)(su)韌性(xing)(xing)、優良(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)(ke)焊(han)性(xing)(xing)和一定的(de)(de)(de)(de)(de)強度[2]。建(jian)(jian)(jian)筑(zhu)物(wu)由(you)于服役時間(jian)過(guo)長或由(you)于外(wai)界因素會導致(zhi)(zhi)外(wai)層混(hun)凝土脫落，導致(zhi)(zhi)鋼筋(jin)暴(bao)露(lu)在(zai)空氣中(zhong)受到(dao)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)，或者與地(di)下水接觸，導致(zhi)(zhi)鋼筋(jin)受到(dao)礦物(wu)質成分腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)。腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)性(xing)(xing)介(jie)質會在(zai)鋼筋(jin)表(biao)面產生(sheng)損(sun)(sun)傷(shang)，破壞鋼筋(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面完(wan)整(zheng)性(xing)(xing)，導致(zhi)(zhi)應力集(ji)中(zhong)，從(cong)而(er)加速(su)裂(lie)紋萌(meng)生(sheng)，而(er)且(qie)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)損(sun)(sun)傷(shang)部位還會與拉伸(shen)載(zai)荷共同作用加速(su)疲勞(lao)(lao)裂(lie)紋擴展[3]。已有相關(guan)研究(jiu)表(biao)明(ming)(ming)[4]，在(zai)鹽霧(wu)環(huan)(huan)境中(zhong)，主要是氯離(li)子(zi)加速(su)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)疲勞(lao)(lao)損(sun)(sun)傷(shang)。Apostolopoulos的(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)表(biao)明(ming)(ming)[5~7]，鹽霧(wu)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)會降(jiang)低鋼筋(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)強度、塑(su)(su)性(xing)(xing)和疲勞(lao)(lao)性(xing)(xing)能(neng)。Ignasi Fernandez的(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)表(biao)明(ming)(ming)[8]，腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)造成表(biao)面出現腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)坑(keng)，是降(jiang)低鋼材(cai)(cai)疲勞(lao)(lao)性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)主要原因。
已對(dui)國內建筑用(yong)鋼(gang)(gang)(gang)開展了(le)大(da)量(liang)研(yan)(yan)究(jiu)。徐慶(qing)元等(deng)[9]開展了(le)HRB500與HRB400鋼(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)性(xing)(xing)(xing)能對(dui)比(bi)試(shi)(shi)驗(yan)。研(yan)(yan)究(jiu)結果(guo)表明(ming)，在(zai)(zai)1億次(ci)循(xun)(xun)環(huan)(huan)載(zai)荷內，HRB500的疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)性(xing)(xing)(xing)能明(ming)顯優于(yu)HRB400的；超(chao)(chao)過1億次(ci)以后(hou)，優勢逐漸減小。孫傳智等(deng)[10]對(dui)630 MPa級(ji)超(chao)(chao)高強(qiang)鋼(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)的低周疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)性(xing)(xing)(xing)能進行(xing)(xing)(xing)了(le)研(yan)(yan)究(jiu)，在(zai)(zai)高應(ying)變(bian)循(xun)(xun)環(huan)(huan)作用(yong)下(xia)，試(shi)(shi)驗(yan)鋼(gang)(gang)(gang)會發(fa)生先硬化(hua)(hua)(hua)、后(hou)軟化(hua)(hua)(hua)、再(zai)硬化(hua)(hua)(hua)的特征，疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)破壞比(bi)較(jiao)突然。而(er)(er)在(zai)(zai)較(jiao)小應(ying)變(bian)幅下(xia)，試(shi)(shi)驗(yan)鋼(gang)(gang)(gang)只發(fa)生先硬化(hua)(hua)(hua)后(hou)軟化(hua)(hua)(hua)兩個(ge)過程，疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)破壞前存(cun)在(zai)(zai)明(ming)顯的強(qiang)度(du)退化(hua)(hua)(hua)過程。HRB400E鋼(gang)(gang)(gang)作為(wei)高強(qiang)抗震鋼(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)，在(zai)(zai)國內的建筑行(xing)(xing)(xing)業應(ying)用(yong)廣泛。已有學者開展了(le)HRB400E抗震鋼(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)的相關性(xing)(xing)(xing)能研(yan)(yan)究(jiu)。陳(chen)建云等(deng)[11]研(yan)(yan)究(jiu)了(le)對(dui)稱拉壓循(xun)(xun)環(huan)(huan)對(dui)HRB400E鋼(gang)(gang)(gang)的彈塑(su)性(xing)(xing)(xing)行(xing)(xing)(xing)為(wei)影響。試(shi)(shi)驗(yan)結果(guo)表明(ming)，循(xun)(xun)環(huan)(huan)拉壓后(hou)再(zai)拉伸時材料的彈性(xing)(xing)(xing)模量(liang)有所下(xia)降(jiang)，屈(qu)服應(ying)力(li)隨(sui)循(xun)(xun)環(huan)(huan)拉壓應(ying)變(bian)幅的增大(da)而(er)(er)增大(da)，而(er)(er)強(qiang)度(du)極限和斷裂應(ying)變(bian)無明(ming)顯變(bian)化(hua)(hua)(hua)。羅(luo)云蓉(rong)等(deng)[12,13]研(yan)(yan)究(jiu)了(le)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)腐(fu)蝕(shi)(shi)對(dui)HRB400E抗震鋼(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)(jin)的低周疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)性(xing)(xing)(xing)能影響，試(shi)(shi)驗(yan)結果(guo)表明(ming)裂紋起源于(yu)試(shi)(shi)驗(yan)鋼(gang)(gang)(gang)表面，材料內部存(cun)在(zai)(zai)大(da)量(liang)孔(kong)洞。氧(yang)化(hua)(hua)(hua)腐(fu)蝕(shi)(shi)對(dui)低周疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)性(xing)(xing)(xing)能影響極大(da)，低周疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)壽命下(xia)降(jiang)率達10%~30%。
到目前(qian)，雖然對建筑(zhu)(zhu)用(yong)鋼已有較多(duo)研(yan)究(jiu)(jiu)，不過(guo)綜合來(lai)(lai)看，在以下(xia)兩點仍(reng)值(zhi)得深入研(yan)究(jiu)(jiu)。第一，考(kao)慮到強震下(xia)的(de)建筑(zhu)(zhu)物易(yi)在100循(xun)環(huan)周(zhou)次以內發生(sheng)破壞(huai)，而(er)目前(qian)的(de)研(yan)究(jiu)(jiu)大量集中在建筑(zhu)(zhu)鋼筋的(de)低(di)周(zhou)疲(pi)勞(lao)行為(wei)(wei)，對超(chao)低(di)周(zhou)疲(pi)勞(lao)行為(wei)(wei)研(yan)究(jiu)(jiu)報道(dao)較少。因(yin)此，對建筑(zhu)(zhu)鋼在超(chao)高應變(bian)下(xia)超(chao)低(di)周(zhou)疲(pi)勞(lao)行為(wei)(wei)研(yan)究(jiu)(jiu)具有重要意義(yi)。第二，目前(qian)已開展的(de)研(yan)究(jiu)(jiu)都是將試驗鋼加工為(wei)(wei)標準試樣，將表面(mian)的(de)螺紋等表面(mian)特征(zheng)清除，這(zhe)與試驗鋼實際服(fu)役(yi)狀(zhuang)態不相(xiang)符。為(wei)(wei)了模(mo)擬建筑(zhu)(zhu)鋼的(de)實際服(fu)役(yi)環(huan)境，應采用(yong)表面(mian)未經過(guo)機械處理(li)的(de)試驗鋼來(lai)(lai)開展疲(pi)勞(lao)性能研(yan)究(jiu)(jiu)。鑒(jian)于此，本文(wen)針(zhen)對應用(yong)廣泛的(de)HRB400E抗震鋼筋，開展了鹽霧預(yu)腐蝕對保持原(yuan)始(shi)形貌(mao)的(de)鋼筋超(chao)低(di)周(zhou)疲(pi)勞(lao)行為(wei)(wei)影響研(yan)究(jiu)(jiu)。
1 試驗過程(cheng)
試驗材(cai)料為(wei)HRB400E抗震鋼筋(jin)(jin)（以下簡稱試驗鋼），規格為(wei)f12 mm，其化學(xue)成分與力(li)學(xue)性(xing)能分別(bie)如表1和2所示。將(jiang)原材(cai)料切(qie)割成長度120 mm的(de)試樣，并將(jiang)切(qie)口打磨光滑，為(wei)了(le)模擬鋼筋(jin)(jin)的(de)真(zhen)實(shi)工作狀況，試樣表面不做任何處理，保持(chi)原有(you)的(de)帶肋形(xing)狀，試樣為(wei)非標準試樣。
采用(yong)鹽霧腐(fu)蝕箱模擬大(da)氣鹽霧環境，加速(su)腐(fu)蝕試(shi)驗過(guo)程參照GB/T10125-2012《人造氣氛腐(fu)蝕試(shi)驗-鹽霧試(shi)驗》進行。采用(yong)去離(li)子(zi)水配制質量分數5%的NaCl溶液，腐(fu)蝕時(shi)間分為30、60和90 d。
超低周疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)（ELCF）試(shi)驗(yan)(yan)在MTS 809液壓伺服疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)試(shi)驗(yan)(yan)機上進(jin)行，試(shi)驗(yan)(yan)條件為常(chang)溫、大氣環境。試(shi)驗(yan)(yan)過(guo)程參照(zhao)GB/T1524-2008《金(jin)屬材料軸(zhou)向等幅低循環疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)試(shi)驗(yan)(yan)方(fang)法》。對(dui)腐蝕前后的試(shi)樣(yang)，開展了四個應變幅疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)試(shi)驗(yan)(yan)，分別(bie)為3%、3.2%、3.5%和(he)4%，應變比R=-1，頻率為1 Hz。以試(shi)驗(yan)(yan)鋼斷裂(lie)作為失效依據。最后采用(yong)掃描(miao)電(dian)鏡對(dui)斷口(kou)形貌進(jin)行觀(guan)察，分析微觀(guan)斷裂(lie)機理(li)。
2 試驗結果與討論
取半(ban)壽命滯回環的(de)彈(dan)性(xing)(xing)應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)幅(fu)(fu)和(he)(he)塑(su)(su)性(xing)(xing)應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)幅(fu)(fu)作(zuo)為(wei)穩定值(zhi)，ELCF試驗(yan)結果(guo)如表3所示(shi)。可見，試驗(yan)鋼(gang)的(de)ELCF壽命隨(sui)應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)幅(fu)(fu)和(he)(he)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)時(shi)間的(de)增加而減小，腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)30、60和(he)(he)90 d的(de)壽命下降率分別為(wei)4.4%~10.2%、14.3%~31.8%和(he)(he)7.8%~30%。圖(tu)1給出(chu)了(le)塑(su)(su)性(xing)(xing)變(bian)(bian)形占(zhan)比(bi)與(yu)總應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)幅(fu)(fu)的(de)關(guan)系(xi)，隨(sui)著(zhu)應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)幅(fu)(fu)和(he)(he)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)時(shi)間的(de)增加，塑(su)(su)性(xing)(xing)應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)幅(fu)(fu)所占(zhan)比(bi)例（εpa/εa）也越來越大(da)(da)。說(shuo)明(ming)高應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)幅(fu)(fu)下，主要發生(sheng)的(de)是塑(su)(su)性(xing)(xing)變(bian)(bian)形，而且腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)會導致塑(su)(su)性(xing)(xing)變(bian)(bian)形加劇(ju)。在應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)幅(fu)(fu)3%且未腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)情況(kuang)下，塑(su)(su)性(xing)(xing)應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)幅(fu)(fu)占(zhan)比(bi)約53%，剛(gang)好大(da)(da)于(yu)彈(dan)性(xing)(xing)應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)幅(fu)(fu)，此時(shi)的(de)疲勞失效周(zhou)次(ci)為(wei)98，剛(gang)好處于(yu)ELCF階(jie)段。其他試驗(yan)鋼(gang)的(de)εpa/εa更大(da)(da)，循環周(zhou)次(ci)都在100以內(nei)。說(shuo)明(ming)對(dui)于(yu)試驗(yan)鋼(gang)而言，當(dang)εpa/εa超過53%時(shi)，極有可能(neng)在100周(zhou)次(ci)以內(nei)斷(duan)裂，εa=3%是ELCF與(yu)LCF的(de)分界點(dian)。
2.1 循環響應特征
圖2是試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼的(de)(de)循環(huan)響應(ying)(ying)(ying)特(te)征曲(qu)線，縱坐(zuo)標的(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力幅是循環(huan)過程(cheng)最大(da)拉(la)應(ying)(ying)(ying)力和最大(da)壓應(ying)(ying)(ying)力值(zhi)的(de)(de)平均(jun)值(zhi)。由(you)圖可見，試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼的(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力幅值(zhi)基本(ben)都隨著應(ying)(ying)(ying)變幅的(de)(de)增(zeng)加而增(zeng)大(da)；圖2a~d曲(qu)線的(de)(de)特(te)征都基本(ben)一致，說明鹽霧腐蝕(shi)(shi)對(dui)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼的(de)(de)循環(huan)響應(ying)(ying)(ying)特(te)征無明顯影響。腐蝕(shi)(shi)前后試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼的(de)(de)循環(huan)響應(ying)(ying)(ying)特(te)征為：在(zai)初始(shi)(shi)階(jie)段快速硬化（≈0.05Nf），然后在(zai)中后期緩慢(man)軟化（≈0.9Nf），最后急劇(ju)下(xia)降(jiang)，發生疲(pi)勞(lao)斷裂(lie)失效。圖中所有(you)曲(qu)線都有(you)一個共同(tong)的(de)(de)特(te)點，應(ying)(ying)(ying)力幅基本(ben)都是在(zai)0.9Nf時開始(shi)(shi)發生急劇(ju)下(xia)降(jiang)，此時宏(hong)觀裂(lie)紋(wen)萌(meng)(meng)生，說明宏(hong)觀裂(lie)紋(wen)萌(meng)(meng)生壽(shou)(shou)命(ming)(ming)大(da)概占(zhan)(zhan)90%Nf，裂(lie)紋(wen)擴(kuo)展壽(shou)(shou)命(ming)(ming)大(da)概占(zhan)(zhan)10%Nf。已有(you)研究結果(guo)(guo)表(biao)明，試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼在(zai)低周(zhou)疲(pi)勞(lao)過程(cheng)中，宏(hong)觀裂(lie)紋(wen)萌(meng)(meng)生壽(shou)(shou)命(ming)(ming)占(zhan)(zhan)80%Nf左右[14]。這與本(ben)文的(de)(de)結果(guo)(guo)類似，說明ELCF宏(hong)觀裂(lie)紋(wen)萌(meng)(meng)生壽(shou)(shou)命(ming)(ming)占(zhan)(zhan)總壽(shou)(shou)命(ming)(ming)比例比LCF宏(hong)觀裂(lie)紋(wen)萌(meng)(meng)生壽(shou)(shou)命(ming)(ming)占(zhan)(zhan)總壽(shou)(shou)命(ming)(ming)比例更大(da)。
建(jian)筑鋼(gang)(gang)(gang)筋(jin)在(zai)(zai)混凝土中最(zui)(zui)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)就是承受拉(la)伸(shen)載(zai)荷。在(zai)(zai)本文中，如果采用(yong)應力(li)(li)來表(biao)征承受的(de)(de)(de)(de)(de)拉(la)伸(shen)載(zai)荷，則(ze)忽略了(le)(le)腐(fu)(fu)(fu)蝕導(dao)致橫截(jie)面積減小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響，這樣(yang)對評(ping)價腐(fu)(fu)(fu)蝕后(hou)(hou)(hou)鋼(gang)(gang)(gang)筋(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)承載(zai)能(neng)力(li)(li)是不恰當(dang)的(de)(de)(de)(de)(de)。因(yin)此(ci)，采用(yong)循環過程中最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)拉(la)力(li)(li)和(he)壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)力(li)(li)能(neng)更可靠的(de)(de)(de)(de)(de)衡(heng)量(liang)腐(fu)(fu)(fu)蝕前后(hou)(hou)(hou)試驗鋼(gang)(gang)(gang)承載(zai)能(neng)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化。圖3展示了(le)(le)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)拉(la)力(li)(li)和(he)壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)力(li)(li)隨(sui)循環周次的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化（εa=3%和(he)εa=3.2%），可以看(kan)出腐(fu)(fu)(fu)蝕后(hou)(hou)(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)拉(la)力(li)(li)明顯(xian)下(xia)(xia)降(jiang)。取穩(wen)定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)半壽(shou)命(ming)（0.5Nf）的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)拉(la)力(li)(li)來評(ping)定(ding)(ding)腐(fu)(fu)(fu)蝕造(zao)成的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響，應變(bian)幅為3%時(shi)(shi)，腐(fu)(fu)(fu)蝕30、60和(he)90 d試驗鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)拉(la)力(li)(li)相比未腐(fu)(fu)(fu)蝕的(de)(de)(de)(de)(de)，分別下(xia)(xia)降(jiang)5.4%、13.1%和(he)15.1%；應變(bian)幅為3.2%時(shi)(shi)，分別下(xia)(xia)降(jiang)8.8%、16.4%和(he)21%。從(cong)圖中可以看(kan)出，最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)力(li)(li)在(zai)(zai)初始(shi)階段快(kuai)速增(zeng)加，隨(sui)后(hou)(hou)(hou)一直(zhi)保(bao)持緩慢下(xia)(xia)降(jiang)的(de)(de)(de)(de)(de)狀態，直(zhi)到(dao)最(zui)(zui)后(hou)(hou)(hou)斷裂(lie)失(shi)效未發(fa)生大(da)(da)(da)(da)幅下(xia)(xia)降(jiang)。而最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)拉(la)伸(shen)力(li)(li)也在(zai)(zai)初始(shi)階段快(kuai)速增(zeng)大(da)(da)(da)(da)，隨(sui)后(hou)(hou)(hou)保(bao)持比較穩(wen)定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)狀態直(zhi)到(dao)0.9Nf，此(ci)時(shi)(shi)最(zui)(zui)大(da)(da)(da)(da)拉(la)力(li)(li)在(zai)(zai)0.9Nf時(shi)(shi)開始(shi)發(fa)生急劇下(xia)(xia)降(jiang)，這是因(yin)為宏觀裂(lie)紋萌生導(dao)致試驗鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)橫截(jie)面積減小(xiao)。
2.2 應變壽命
應(ying)變壽(shou)(shou)命(ming)關(guan)(guan)(guan)系是(shi)(shi)表征材料疲(pi)(pi)勞(lao)特性(xing)(xing)的(de)(de)重要方法，ELCF疲(pi)(pi)勞(lao)的(de)(de)應(ying)變壽(shou)(shou)命(ming)關(guan)(guan)(guan)系通常由(you)雙對(dui)(dui)數坐(zuo)標(biao)中總(zong)應(ying)變幅與(yu)(yu)循(xun)環(huan)周(zhou)次表征（εa-2Nf）。與(yu)(yu)此同(tong)時，彈性(xing)(xing)應(ying)變幅和塑性(xing)(xing)應(ying)變幅與(yu)(yu)循(xun)環(huan)周(zhou)次的(de)(de)關(guan)(guan)(guan)系也在雙對(dui)(dui)數坐(zuo)標(biao)系中給出(chu)（εe-2Nf和εp-2Nf），如(ru)圖(tu)4所示。由(you)圖(tu)可見，總(zong)應(ying)變幅、彈性(xing)(xing)應(ying)變幅和塑性(xing)(xing)應(ying)變幅都(dou)隨循(xun)環(huan)周(zhou)次呈線性(xing)(xing)變化(hua)，擬合精度(du)良好。經過腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)后的(de)(de)ELCF壽(shou)(shou)命(ming)比未腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)明(ming)(ming)顯要低，且腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)時間越(yue)長(chang)(chang)，疲(pi)(pi)勞(lao)壽(shou)(shou)命(ming)下降(jiang)越(yue)嚴重。已有研究(jiu)表明(ming)(ming)[14]，試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼的(de)(de)低周(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)壽(shou)(shou)命(ming)并非完全是(shi)(shi)隨腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)時間增加(jia)而下降(jiang)程度(du)越(yue)大，其中腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)30 d試(shi)樣的(de)(de)疲(pi)(pi)勞(lao)壽(shou)(shou)命(ming)比腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)60 d和90 d的(de)(de)更(geng)差，這是(shi)(shi)因為(wei)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)30 d試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼表面腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)不均勻，出(chu)現較多的(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑。這說明(ming)(ming)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼表面的(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑等缺陷對(dui)(dui)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼的(de)(de)LCF壽(shou)(shou)命(ming)影(ying)響(xiang)大于ELCF，試(shi)驗(yan)(yan)(yan)鋼的(de)(de)ELCF壽(shou)(shou)命(ming)與(yu)(yu)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)時間長(chang)(chang)短更(geng)相關(guan)(guan)(guan)。
對于試驗鋼而言，在ELCF階段(duan)，塑(su)性(xing)(xing)應(ying)變(bian)(bian)(bian)幅總是大于彈性(xing)(xing)應(ying)變(bian)(bian)(bian)幅，說明疲勞損傷主要(yao)是由塑(su)性(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)形導致(zhi)。且塑(su)性(xing)(xing)應(ying)變(bian)(bian)(bian)幅占比隨著總應(ying)變(bian)(bian)(bian)幅增加而增加，塑(su)性(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)形的主導地位越(yue)來(lai)越(yue)明顯。材料的ELCF性(xing)(xing)能主要(yao)由塑(su)性(xing)(xing)決定，累計(ji)的塑(su)性(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)形決定了疲勞損傷。ELCF壽命與(yu)應(ying)變(bian)(bian)(bian)幅的關系可用(yong)Manson-Coffin表(biao)示：
式中，為(wei)疲(pi)勞強度系數，b為(wei)疲(pi)勞強度指(zhi)數，E為(wei)彈性(xing)模量，
為疲(pi)勞延性系數，c為疲(pi)勞延性指數。其中，b和c的絕對(dui)值(zhi)越大，說(shuo)明材(cai)料的強度和塑性越好[15]。Hollomon公式定義了塑性應變和應力幅之間的關(guan)系，即：
式中，為(wei)循環強度系數，為(wei)循環強(qiang)度指數。將(jiang)ELCF試(shi)(shi)驗(yan)(yan)數據代(dai)入式（1）、（2）中，得到(dao)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)鋼的(de)ELCF參數，見表(biao)4。可見，腐(fu)蝕后試(shi)(shi)驗(yan)(yan)鋼的(de)b和(he)c的(de)絕對值表(biao)現出(chu)減小的(de)趨勢，說明鹽霧腐(fu)蝕會降(jiang)低試(shi)(shi)驗(yan)(yan)鋼的(de)強(qiang)度和(he)塑性。
在之(zhi)前的(de)(de)研究中報道了(le)鹽霧預腐(fu)蝕(shi)(shi)對試驗鋼LCF性能(neng)的(de)(de)影(ying)響(xiang)[14]。為建立HRB400E鋼的(de)(de)LCF與ELCF壽(shou)(shou)命之(zhi)間的(de)(de)聯系，將(jiang)應變(bian)幅(fu)(fu)與循(xun)環周次置于(yu)雙對數坐(zuo)標中，如(ru)圖5所示。可(ke)見(jian)，所有腐(fu)蝕(shi)(shi)時(shi)(shi)間下應變(bian)幅(fu)(fu)隨(sui)壽(shou)(shou)命基(ji)本(ben)呈(cheng)線性變(bian)化。其中，未(wei)腐(fu)蝕(shi)(shi)、腐(fu)蝕(shi)(shi)60 d和(he)90 d在LCF和(he)ELCF階段均表(biao)現(xian)出疲勞壽(shou)(shou)命隨(sui)腐(fu)蝕(shi)(shi)時(shi)(shi)間增(zeng)加(jia)而下降的(de)(de)趨勢(shi)。腐(fu)蝕(shi)(shi)30 d試驗鋼由于(yu)受到(dao)腐(fu)蝕(shi)(shi)坑影(ying)響(xiang)，LCF數據略微分散并表(biao)現(xian)出最差的(de)(de)LCF壽(shou)(shou)命。根據擬合曲線得到(dao)，應變(bian)幅(fu)(fu)等于(yu)0.027（Nf=130）為腐(fu)蝕(shi)(shi)30 d試驗鋼的(de)(de)特征點；當(dang)應變(bian)幅(fu)(fu)大于(yu)0.027時(shi)(shi)，腐(fu)蝕(shi)(shi)30 d試驗鋼的(de)(de)疲勞壽(shou)(shou)命周次遵循(xun)隨(sui)腐(fu)蝕(shi)(shi)時(shi)(shi)間增(zeng)加(jia)而降低的(de)(de)規(gui)律。
2.3 能量密度(du)
取(qu)不同(tong)應變(bian)幅的(de)半壽命滯回(hui)(hui)環(huan)(huan)(huan)，置于圖6中，飽滿對(dui)稱的(de)滯回(hui)(hui)環(huan)(huan)(huan)說明(ming)試驗控制良(liang)好(hao)，且滯回(hui)(hui)環(huan)(huan)(huan)的(de)面積隨應變(bian)幅的(de)增加而增大。將不同(tong)應變(bian)幅的(de)滯回(hui)(hui)環(huan)(huan)(huan)最(zui)低點(dian)移(yi)至同(tong)一點(dian)，可見，滯回(hui)(hui)環(huan)(huan)(huan)的(de)上半段基本(ben)上完全重合(he)，表明(ming)試驗鋼在腐(fu)蝕前后具(ju)有Masing特性。
材料(liao)的(de)疲(pi)勞(lao)(lao)損傷過程(cheng)可(ke)以理(li)解為吸收(shou)能(neng)量(liang)的(de)過程(cheng)，隨著吸收(shou)能(neng)量(liang)的(de)增加，材料(liao)會產生(sheng)裂(lie)紋，并導(dao)致裂(lie)紋擴展(zhan)，直到斷裂(lie)[15]。可(ke)見(jian)，材料(liao)的(de)疲(pi)勞(lao)(lao)性(xing)能(neng)與吸收(shou)能(neng)量(liang)的(de)能(neng)力緊密相關。Klima[16]的(de)研究表明，循環載(zai)荷下的(de)滯回能(neng)考慮了循環應(ying)(ying)(ying)力和(he)應(ying)(ying)(ying)變(bian)，是表征疲(pi)勞(lao)(lao)損傷的(de)重要參數(shu)。彈(dan)性(xing)應(ying)(ying)(ying)變(bian)能(neng)密度(du)ΔWe和(he)塑(su)性(xing)應(ying)(ying)(ying)變(bian)能(neng)密度(du)ΔWp可(ke)作為預測疲(pi)勞(lao)(lao)壽(shou)命(ming)的(de)關鍵參數(shu)[17]，對具有(you)Masing特性(xing)的(de)材料(liao)，其應(ying)(ying)(ying)變(bian)能(neng)可(ke)由如下公式(shi)計算[17]：
式（4）中(zhong)，是循(xun)環硬化指(zhi)數(shu)。總(zong)能量(liang)(liang)密度ΔWt是彈性(xing)(xing)能量(liang)(liang)密度與塑性(xing)(xing)能量(liang)(liang)密度之和，即：
根(gen)據試驗(yan)數據和(he)上述(shu)公(gong)式，可(ke)(ke)求出能(neng)(neng)(neng)量(liang)密(mi)(mi)度(du)，如表(biao)3所示。在雙對數坐標中，能(neng)(neng)(neng)量(liang)密(mi)(mi)度(du)與循環周次成(cheng)線性(xing)關系，如圖(tu)7所示。可(ke)(ke)見，腐(fu)蝕時間(jian)越(yue)短的(de)試驗(yan)鋼有著更大的(de)總(zong)能(neng)(neng)(neng)量(liang)密(mi)(mi)度(du)和(he)塑性(xing)能(neng)(neng)(neng)量(liang)密(mi)(mi)度(du)，意味(wei)著更好的(de)抗疲(pi)(pi)勞性(xing)能(neng)(neng)(neng)。從(cong)(cong)而(er)可(ke)(ke)以說明(ming)(ming)，試驗(yan)鋼的(de)抗疲(pi)(pi)勞性(xing)能(neng)(neng)(neng)受到鹽霧腐(fu)蝕的(de)影(ying)響(xiang)顯(xian)著，且隨腐(fu)蝕時間(jian)增(zeng)加，抗疲(pi)(pi)勞性(xing)能(neng)(neng)(neng)降低越(yue)嚴重。對ELCF而(er)言，彈(dan)性(xing)應(ying)(ying)變(bian)能(neng)(neng)(neng)比塑性(xing)應(ying)(ying)變(bian)能(neng)(neng)(neng)明(ming)(ming)顯(xian)要小很多(duo)(duo)，僅占總(zong)應(ying)(ying)變(bian)能(neng)(neng)(neng)的(de)19%~27%，表(biao)明(ming)(ming)彈(dan)性(xing)變(bian)形對ELCF疲(pi)(pi)勞破壞影(ying)響(xiang)較小，主要由塑性(xing)變(bian)形導致。塑性(xing)越(yue)好，吸收(shou)的(de)塑性(xing)應(ying)(ying)變(bian)能(neng)(neng)(neng)越(yue)多(duo)(duo)，越(yue)能(neng)(neng)(neng)抵抗疲(pi)(pi)勞載(zai)荷，從(cong)(cong)而(er)有更長(chang)的(de)使用壽命。
2.4 微觀斷裂機理(li)
為研究ELCF疲(pi)勞失效(xiao)微觀機理，對斷(duan)口(kou)(kou)形貌進行了掃描電鏡（SEM）觀察(cha)。圖8a、b和c分別(bie)是不同腐蝕時間的(de)(de)斷(duan)口(kou)(kou)全(quan)貌圖（εa=3%）。由圖可見，裂(lie)(lie)紋源都在(zai)(zai)試驗鋼(gang)表(biao)面(mian)萌生，朝著(zhu)試驗鋼(gang)內部擴(kuo)展(zhan)，然(ran)后(hou)在(zai)(zai)裂(lie)(lie)紋源相對的(de)(de)邊(bian)緣瞬間斷(duan)裂(lie)(lie)。裂(lie)(lie)紋擴(kuo)展(zhan)區均伴隨著(zhu)肉眼可見的(de)(de)微裂(lie)(lie)紋和微孔洞，在(zai)(zai)循環載(zai)荷作用下，微裂(lie)(lie)紋擴(kuo)展(zhan)并相互(hu)連接形成宏(hong)(hong)觀裂(lie)(lie)紋，宏(hong)(hong)觀裂(lie)(lie)紋的(de)(de)積累導致有(you)效(xiao)面(mian)積的(de)(de)減少，最后(hou)隨著(zhu)應力達到(dao)材料的(de)(de)斷(duan)裂(lie)(lie)極(ji)限(xian)發(fa)生瞬間斷(duan)裂(lie)(lie)[18, 19]。
對比不同腐(fu)蝕(shi)時間的(de)(de)最(zui)后斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)區(qu)可以(yi)發現，未腐(fu)蝕(shi)最(zui)后斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)區(qu)的(de)(de)形狀(zhuang)成(cheng)月牙形，沿(yan)著試(shi)驗(yan)鋼(gang)邊緣斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)；腐(fu)蝕(shi)30 d最(zui)后斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)區(qu)形狀(zhuang)與未腐(fu)蝕(shi)試(shi)樣的(de)(de)類似(si)，不過沿(yan)試(shi)驗(yan)鋼(gang)邊緣斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)的(de)(de)長(chang)度有所減小(xiao)，腐(fu)蝕(shi)60 d最(zui)后斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)區(qu)集中在試(shi)驗(yan)鋼(gang)邊緣的(de)(de)局部，長(chang)度較短(duan)，說明鹽霧(wu)腐(fu)蝕(shi)會使得最(zui)后斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)區(qu)長(chang)度減小(xiao)。
對最(zui)后斷(duan)裂區(qu)進行高倍(bei)數(shu)觀(guan)察，以研究斷(duan)裂區(qu)的(de)(de)(de)微觀(guan)特(te)征。圖(tu)9a和(he)(he)b是應變幅(fu)3%下(xia)未(wei)腐(fu)蝕(shi)(shi)和(he)(he)腐(fu)蝕(shi)(shi)60 d試(shi)樣的(de)(de)(de)最(zui)后斷(duan)裂區(qu)形貌照片，圖(tu)9c和(he)(he)d是應變幅(fu)4%下(xia)未(wei)腐(fu)蝕(shi)(shi)和(he)(he)腐(fu)蝕(shi)(shi)60 d試(shi)樣的(de)(de)(de)。由圖(tu)可見，圖(tu)9a未(wei)發現韌(ren)窩(wo)(wo)，而(er)圖(tu)9b、c和(he)(he)d中帶(dai)有(you)明(ming)顯的(de)(de)(de)韌(ren)窩(wo)(wo)特(te)征，說明(ming)經過長時間的(de)(de)(de)鹽霧腐(fu)蝕(shi)(shi)會(hui)導(dao)致最(zui)后斷(duan)裂區(qu)帶(dai)有(you)韌(ren)窩(wo)(wo)特(te)征；隨(sui)著(zhu)應變幅(fu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加，也會(hui)產生細小的(de)(de)(de)韌(ren)窩(wo)(wo)分布在(zai)(zai)最(zui)后斷(duan)裂區(qu)，這一(yi)現象與Q235鋼的(de)(de)(de)ELCF特(te)征相似，Q235鋼隨(sui)著(zhu)應變幅(fu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加，會(hui)在(zai)(zai)整個斷(duan)面產生韌(ren)窩(wo)(wo)特(te)征[20]。
3 結論
（1） 鹽霧腐(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)命分別下(xia)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(jun)可(ke)由Manson-Coffin公(gong)式進行(xing)預測。
（2） HRB400E鋼腐蝕(shi)前后均有Masing特(te)(te)性，鹽霧腐蝕(shi)不會對循環響應特(te)(te)征產(chan)生(sheng)影(ying)響，基本為(wei)循環軟(ruan)化。
（3） 宏觀裂紋萌生階(jie)段占據了大部分ELCF疲(pi)勞壽(shou)命(ming)，約占90%左右。ELCF疲(pi)勞主要由塑性變形控制，應變幅(fu)越大，塑性變形的主導(dao)地位越明顯。εa=3%是試驗鋼超低(di)周(zhou)與低(di)周(zhou)的分界點。
（4） HRB400E鋼的(de)最(zui)后斷(duan)裂(lie)區沿著邊緣斷(duan)裂(lie)，長度隨腐蝕時間增加而變(bian)短。較長鹽霧腐蝕時間和較大應變(bian)幅(fu)均會導致最(zui)后斷(duan)裂(lie)區帶有韌窩特征。