盐雾预腐蚀对HRB400E抗震钢筋超低周疲劳性能的影响
摘要
研究了盐雾预腐蚀对HRB400E钢的超低周疲劳性能影响。用NaCl溶液在盐雾腐蚀箱中对试验钢加速腐蚀30~90 d，然后采用轴向位移控制模拟强震载荷进行超低周疲劳试验，获得载荷随循环周次的变化关系和应变寿命曲线等；更后采用扫描电镜对断口形貌进行观察，分析微观断裂机理。试验结果表明：预腐蚀30、60和90 d的试验钢寿命分别下降了4.4%~10.2%、14.3%~31.8%和7.8%~30%；宏观裂纹萌生寿命占总寿命的90%，应变幅3%为超低周与低周疲劳的分界点；盐雾腐蚀对试验钢的循环响应特征与Masing特性无明显影响；断裂区呈月牙状沿着试验钢边缘断裂，较长盐雾腐蚀时间和较高应变幅会导致更后断裂区产生韧窝特征。
关键词： 金属材料 ; HRB400E抗震钢筋 ; 盐雾预腐蚀 ; 超低周疲劳 ; 微观断裂机理
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
谌理飞， 罗云蓉， 张应迁， 李辉， 李秀兰， 廖文丽。 盐雾预腐蚀对HRB400E抗震钢筋超低周疲劳性能的影响。 材料研究学报[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
汶川地震以后，建筑物的抗震能力得到了更大的重视，建筑物的抗震能力往往取决于建筑用钢。相关研究表明[1]，强震载荷频率为1~3 Hz，持续时间在1 min以内，在此期间建筑物可能只经历100以内循环周次。建筑钢筋应具备抵抗高应变循环载荷的性能，要求钢筋具有较高的塑韧性、优良的可焊性和一定的强度[2]。建筑物由于服役时间过长或由于外界因素会导致外层混凝土脱落，导致钢筋暴露在空气中受到腐蚀，或者与地下水接触，导致钢筋受到矿物质成分腐蚀。腐蚀性介质会在钢筋表面产生损伤，破坏钢筋的表面完整性，导致应力集中，从而加速裂纹萌生，而且腐蚀损伤部位还会与拉伸载荷共同作用加速疲劳裂纹扩展[3]。已有相关研究表明[4]，在盐雾环境中，主要是氯离子加速材料的疲劳损伤。Apostolopoulos的研究表明[5~7]，盐雾腐蚀会降低钢筋的强度、塑性和疲劳性能。Ignasi Fernandez的研究表明[8]，腐蚀造成表面出现腐蚀坑，是降低钢材疲劳性能的主要原因。
已对国内建筑用钢开展了大量研究。徐庆元等[9]开展了HRB500与HRB400钢筋疲劳性能对比试验。研究结果表明，在1亿次循环载荷内，HRB500的疲劳性能明显优于HRB400的；超过1亿次以后，优势逐渐减小。孙传智等[10]对630 MPa级超高强钢筋的低周疲劳性能进行了研究，在高应变循环作用下，试验钢会发生先硬化、后软化、再硬化的特征，疲劳破坏比较突然。而在较小应变幅下，试验钢只发生先硬化后软化两个过程，疲劳破坏前存在明显的强度退化过程。HRB400E钢作为高强抗震钢筋，在国内的建筑行业应用广泛。已有学者开展了HRB400E抗震钢筋的相关性能研究。陈建云等[11]研究了对称拉压循环对HRB400E钢的弹塑性行为影响。试验结果表明，循环拉压后再拉伸时材料的弹性模量有所下降，屈服应力随循环拉压应变幅的增大而增大，而强度极限和断裂应变无明显变化。罗云蓉等[12,13]研究了氧化腐蚀对HRB400E抗震钢筋的低周疲劳性能影响，试验结果表明裂纹起源于试验钢表面，材料内部存在大量孔洞。氧化腐蚀对低周疲劳性能影响极大，低周疲劳寿命下降率达10%~30%。
到目前，虽然对建筑用钢已有较多研究，不过综合来看，在以下两点仍值得深入研究。**，考虑到强震下的建筑物易在100循环周次以内发生破坏，而目前的研究大量集中在建筑钢筋的低周疲劳行为，对超低周疲劳行为研究报道较少。因此，对建筑钢在超高应变下超低周疲劳行为研究具有重要意义。第二，目前已开展的研究都是将试验钢加工为标准试样，将表面的螺纹等表面特征清除，这与试验钢实际服役状态不相符。为了模拟建筑钢的实际服役环境，应采用表面未经过机械处理的试验钢来开展疲劳性能研究。鉴于此，本文针对应用广泛的HRB400E抗震钢筋，开展了盐雾预腐蚀对保持原始形貌的钢筋超低周疲劳行为影响研究。
1 试验过程
试验材料为HRB400E抗震钢筋（以下简称试验钢），规格为f12 mm，其化学成分与力学性能分别如表1和2所示。将原材料切割成长度120 mm的试样，并将切口打磨光滑，为了模拟钢筋的真实工作状况，试样表面不做任何处理，保持原有的带肋形状，试样为非标准试样。
表1 HRB400E钢筋的化学成分(质量分数，%)
表2 HRB400E钢筋的力学性能
采用盐雾腐蚀箱模拟大气盐雾环境，加速腐蚀试验过程参照GB/T10125-2012《人造气氛腐蚀试验-盐雾试验》进行。采用去离子水配制质量分数5%的NaCl溶液，腐蚀时间分为30、60和90 d。
超低周疲劳（ELCF）试验在MTS 809液压伺服疲劳试验机上进行，试验条件为常温、大气环境。试验过程参照GB/T1524-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》。对腐蚀前后的试样，开展了四个应变幅疲劳试验，分别为3%、3.2%、3.5%和4%，应变比R=-1，频率为1 Hz。以试验钢断裂作为失效依据。更后采用扫描电镜对断口形貌进行观察，分析微观断裂机理。
2 试验结果与讨论
取半寿命滞回环的弹性应变幅和塑性应变幅作为稳定值，ELCF试验结果如表3所示。可见，试验钢的ELCF寿命随应变幅和腐蚀时间的增加而减小，腐蚀30、60和90 d的寿命下降率分别为4.4%~10.2%、14.3%~31.8%和7.8%~30%。图1给出了塑性变形占比与总应变幅的关系，随着应变幅和腐蚀时间的增加，塑性应变幅所占比例（εpa/εa）也越来越大。说明高应变幅下，主要发生的是塑性变形，而且腐蚀会导致塑性变形加剧。在应变幅3%且未腐蚀情况下，塑性应变幅占比约53%，刚好大于弹性应变幅，此时的疲劳失效周次为98，刚好处于ELCF阶段。其他试验钢的εpa/εa更大，循环周次都在100以内。说明对于试验钢而言，当εpa/εa超过53%时，极有可能在100周次以内断裂，εa=3%是ELCF与LCF的分界点。
表3 ELCF试验结果
图1 塑性应变幅占比与总应变幅关系
2.1 循环响应特征
图2是试验钢的循环响应特征曲线，纵坐标的应力幅是循环过程更大拉应力和更大压应力值的平均值。由图可见，试验钢的应力幅值基本都随着应变幅的增加而增大；图2a~d曲线的特征都基本一致，说明盐雾腐蚀对试验钢的循环响应特征无明显影响。腐蚀前后试验钢的循环响应特征为：在初始阶段快速硬化（≈0.05Nf），然后在中后期缓慢软化（≈0.9Nf），更后急剧下降，发生疲劳断裂失效。图中所有曲线都有一个共同的特点，应力幅基本都是在0.9Nf时开始发生急剧下降，此时宏观裂纹萌生，说明宏观裂纹萌生寿命大概占90%Nf，裂纹扩展寿命大概占10%Nf。已有研究结果表明，试验钢在低周疲劳过程中，宏观裂纹萌生寿命占80%Nf左右[14]。这与本文的结果类似，说明ELCF宏观裂纹萌生寿命占总寿命比例比LCF宏观裂纹萌生寿命占总寿命比例更大。
图2 循环响应特征曲线
建筑钢筋在混凝土中更重要的作用就是承受拉伸载荷。在本文中，如果采用应力来表征承受的拉伸载荷，则忽略了腐蚀导致横截面积减小的影响，这样对评价腐蚀后钢筋的承载能力是不恰当的。因此，采用循环过程中更大拉力和压缩力能更可靠的衡量腐蚀前后试验钢承载能力的变化。图3展示了更大拉力和压缩力随循环周次的变化（εa=3%和εa=3.2%），可以看出腐蚀后的更大拉力明显下降。取稳定的半寿命（0.5Nf）的更大拉力来评定腐蚀造成的影响，应变幅为3%时，腐蚀30、60和90 d试验钢的更大拉力相比未腐蚀的，分别下降5.4%、13.1%和15.1%；应变幅为3.2%时，分别下降8.8%、16.4%和21%。从图中可以看出，更大压缩力在初始阶段快速增加，随后一直保持缓慢下降的状态，直到更后断裂失效未发生大幅下降。而更大拉伸力也在初始阶段快速增大，随后保持比较稳定的状态直到0.9Nf，此时更大拉力在0.9Nf时开始发生急剧下降，这是因为宏观裂纹萌生导致试验钢的横截面积减小。
图3 更大拉伸力和压缩力随循环周次变化
2.2 应变寿命
应变寿命关系是表征材料疲劳特性的重要方法，ELCF疲劳的应变寿命关系通常由双对数坐标中总应变幅与循环周次表征（εa-2Nf）。与此同时，弹性应变幅和塑性应变幅与循环周次的关系也在双对数坐标系中给出（εe-2Nf和εp-2Nf），如图4所示。由图可见，总应变幅、弹性应变幅和塑性应变幅都随循环周次呈线性变化，拟合精度良好。经过腐蚀后的ELCF寿命比未腐蚀的明显要低，且腐蚀时间越长，疲劳寿命下降越严重。已有研究表明[14]，试验钢的低周疲劳寿命并非完全是随腐蚀时间增加而下降程度越大，其中腐蚀30 d试样的疲劳寿命比腐蚀60 d和90 d的更差，这是因为腐蚀30 d试验钢表面腐蚀不均匀，出现较多的腐蚀坑。这说明试验钢表面的腐蚀坑等缺陷对试验钢的LCF寿命影响大于ELCF，试验钢的ELCF寿命与腐蚀时间长短更相关。
图4 ELCF应变幅-寿命曲线
对于试验钢而言，在ELCF阶段，塑性应变幅总是大于弹性应变幅，说明疲劳损伤主要是由塑性变形导致。且塑性应变幅占比随着总应变幅增加而增加，塑性变形的主导地位越来越明显。材料的ELCF性能主要由塑性决定，累计的塑性变形决定了疲劳损伤。ELCF寿命与应变幅的关系可用Manson-Coffin表示：
式中，为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，E为弹性模量，
为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数。其中，b和c的**值越大，说明材料的强度和塑性越好[15]。Hollomon公式定义了塑性应变和应力幅之间的关系，即：
式中，为循环强度系数，为循环强度指数。将ELCF试验数据代入式（1）、（2）中，得到试验钢的ELCF参数，见表4。可见，腐蚀后试验钢的b和c的**值表现出减小的趋势，说明盐雾腐蚀会降低试验钢的强度和塑性。
表4 ELCF参数
在之前的研究中报道了盐雾预腐蚀对试验钢LCF性能的影响[14]。为建立HRB400E钢的LCF与ELCF寿命之间的联系，将应变幅与循环周次置于双对数坐标中，如图5所示。可见，所有腐蚀时间下应变幅随寿命基本呈线性变化。其中，未腐蚀、腐蚀60 d和90 d在LCF和ELCF阶段均表现出疲劳寿命随腐蚀时间增加而下降的趋势。腐蚀30 d试验钢由于受到腐蚀坑影响，LCF数据略微分散并表现出更差的LCF寿命。根据拟合曲线得到，应变幅等于0.027（Nf=130）为腐蚀30 d试验钢的特征点；当应变幅大于0.027时，腐蚀30 d试验钢的疲劳寿命周次遵循随腐蚀时间增加而降低的规律。
图5 LCF与ELCF应变幅-寿命曲线
2.3 能量密度
取不同应变幅的半寿命滞回环，置于图6中，饱满对称的滞回环说明试验控制良好，且滞回环的面积随应变幅的增加而增大。将不同应变幅的滞回环更低点移至同一点，可见，滞回环的上半段基本上完全重合，表明试验钢在腐蚀前后具有Masing特性。
图6 半寿命滞回环
材料的疲劳损伤过程可以理解为吸收能量的过程，随着吸收能量的增加，材料会产生裂纹，并导致裂纹扩展，直到断裂[15]。可见，材料的疲劳性能与吸收能量的能力紧密相关。Klima[16]的研究表明，循环载荷下的滞回能考虑了循环应力和应变，是表征疲劳损伤的重要参数。弹性应变能密度ΔWe和塑性应变能密度ΔWp可作为预测疲劳寿命的关键参数[17]，对具有Masing特性的材料，其应变能可由如下公式计算[17]：
式（4）中，是循环硬化指数。总能量密度ΔWt是弹性能量密度与塑性能量密度之和，即：
根据试验数据和上述公式，可求出能量密度，如表3所示。在双对数坐标中，能量密度与循环周次成线性关系，如图7所示。可见，腐蚀时间越短的试验钢有着更大的总能量密度和塑性能量密度，意味着更好的抗疲劳性能。从而可以说明，试验钢的抗疲劳性能受到盐雾腐蚀的影响显著，且随腐蚀时间增加，抗疲劳性能降低越严重。对ELCF而言，弹性应变能比塑性应变能明显要小很多，仅占总应变能的19%~27%，表明弹性变形对ELCF疲劳破坏影响较小，主要由塑性变形导致。塑性越好，吸收的塑性应变能越多，越能抵抗疲劳载荷，从而有更长的使用寿命。
图7 能量密度-寿命曲线
2.4 微观断裂机理
为研究ELCF疲劳失效微观机理，对断口形貌进行了扫描电镜（SEM）观察。图8a、b和c分别是不同腐蚀时间的断口全貌图（εa=3%）。由图可见，裂纹源都在试验钢表面萌生，朝着试验钢内部扩展，然后在裂纹源相对的边缘瞬间断裂。裂纹扩展区均伴随着肉眼可见的微裂纹和微孔洞，在循环载荷作用下，微裂纹扩展并相互连接形成宏观裂纹，宏观裂纹的积累导致有效面积的减少，更后随着应力达到材料的断裂极限发生瞬间断裂[18, 19]。
图8 断口形貌(εa=3%)
对比不同腐蚀时间的更后断裂区可以发现，未腐蚀更后断裂区的形状成月牙形，沿着试验钢边缘断裂；腐蚀30 d更后断裂区形状与未腐蚀试样的类似，不过沿试验钢边缘断裂的长度有所减小，腐蚀60 d更后断裂区集中在试验钢边缘的局部，长度较短，说明盐雾腐蚀会使得更后断裂区长度减小。
对更后断裂区进行高倍数观察，以研究断裂区的微观特征。图9a和b是应变幅3%下未腐蚀和腐蚀60 d试样的更后断裂区形貌照片，图9c和d是应变幅4%下未腐蚀和腐蚀60 d试样的。由图可见，图9a未发现韧窝，而图9b、c和d中带有明显的韧窝特征，说明经过长时间的盐雾腐蚀会导致更后断裂区带有韧窝特征；随着应变幅的增加，也会产生细小的韧窝分布在更后断裂区，这一现象与Q235钢的ELCF特征相似，Q235钢随着应变幅的增加，会在整个断面产生韧窝特征[20]。
图9 更后断裂区
3 结论
（1） 盐雾腐蚀明显降低HRB400E钢的ELCF寿命，腐蚀30、60和90 d寿命分别下降4.4%~10.2%、14.3%~31.8%和7.8%~30%。腐蚀前后的ELCF寿命均可由Manson-Coffin公式进行预测。
（2） HRB400E钢腐蚀前后均有Masing特性，盐雾腐蚀不会对循环响应特征产生影响，基本为循环软化。
（3） 宏观裂纹萌生阶段占据了大部分ELCF疲劳寿命，约占90%左右。ELCF疲劳主要由塑性变形控制，应变幅越大，塑性变形的主导地位越明显。εa=3%是试验钢超低周与低周的分界点。
（4） HRB400E钢的更后断裂区沿着边缘断裂，长度随腐蚀时间增加而变短。较长盐雾腐蚀时间和较大应变幅均会导致更后断裂区带有韧窝特征。
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