【摘 要】
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钢材广泛应用于建筑与桥梁等领域,其中钢结构桥梁、海洋石油平台等设施长期处于大气侵蚀环境易产生腐蚀,对结构的安全性产生威胁。同时钢桥梁发生交通事故易产生火灾,海洋石油平台在外部因素下也极易发生爆炸等事故,火灾高温会对这类长期受环境侵蚀的钢结构设施造成更加严重危害。本文开展锈蚀后钢材高温下力学性能研究,这是对钢材火灾高温力学性能理论研究及相关设计理论的有益补充;基于锈蚀形貌重构及有限元模拟分析方法,创
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钢材广泛应用于建筑与桥梁等领域,其中钢结构桥梁、海洋石油平台等设施长期处于大气侵蚀环境易产生腐蚀,对结构的安全性产生威胁。同时钢桥梁发生交通事故易产生火灾,海洋石油平台在外部因素下也极易发生爆炸等事故,火灾高温会对这类长期受环境侵蚀的钢结构设施造成更加严重危害。本文开展锈蚀后钢材高温下力学性能研究,这是对钢材火灾高温力学性能理论研究及相关设计理论的有益补充;基于锈蚀形貌重构及有限元模拟分析方法,创新性提出锈蚀钢材高温下应力、应变发展规律,为解析锈蚀钢材断裂破坏机理及其他相关研究提供可借鉴的方法。本文设计加工了Q500MC钢试件,完成钢材盐雾锈蚀试验,分析了钢材的腐蚀行为与腐蚀形貌特征;开展了盐雾锈蚀钢材高温下稳态拉伸试验,分析了锈蚀钢材高温下力学性能变化规律;利用三维重构技术建立盐雾锈蚀模型并完成数值模拟,探究盐雾锈蚀钢材高温下应力、应变发展规律;完成了含人工蚀坑钢材高温稳态拉伸试验,并利用有限元软件扩参分析,研究锈蚀指标对钢材高温下力学性能的影响规律。主要研究成果如下:（1）以体积损失率表征Q500MC钢试件锈蚀程度,锈蚀率与锈蚀时间关系符合大气幂函数腐蚀模型;对盐雾锈蚀试件粗糙度统计分析,建立部分粗糙度参数与锈蚀率的线性相关模型,符合较好;统计分析试件腐蚀深度发展变化,蚀坑深度频率基本符合Gauss函数分布,腐蚀初期蚀坑深度迅速增加,随着腐蚀产物堆积,蚀坑深度增加速率减小;频率最大的锈蚀深度从锈蚀50天的0.12mm增加到150天的0.32mm。（2）盐雾锈蚀试件在常温、高温下拉伸试验破坏时均有一定程度颈缩。无锈蚀或锈蚀程度较低试件断口多呈现凹槽型,锈蚀程度较高的试件部分出现了剪切滑移形或不规则断口。500℃以下,锈蚀钢材断口存在较多不同形状、尺寸的微小韧窝;500℃以上,锈蚀与无锈蚀钢材的断口差别较小,细观组织较为平滑。（3）500℃以下时,锈蚀的存在进一步加剧了因温度升高所导致的钢材受拉弹性刚度、屈服荷载和极限荷载折减,锈蚀程度越高折减越明显,500℃各高温力学性能指标达到最低;在500℃以上时,温度占据主导作用,钢材力学性能大幅降低。（4）基于Johnson-Cook简化本构模型拟合参数与柔性损伤断裂模型,完成无锈蚀数值模型常温、高温下拉伸过程模拟验证,模拟结果与实测吻合较好。使用扫描形貌数据与三维设计软件完成盐雾锈蚀模型重构,生成可供ABAQUS的调用的模型,重构锈蚀模型可以保持较高精度。（5）高温下,锈蚀试件表面深度较大处存在明显应力集中,截面整体锈蚀损伤较大区域应力集中程度更高,裂纹将在表面应力最大位置产生,并沿着表面锈蚀较严重区域发展,从而影响断口特征。试件会在拥有最小截面积位置发生断裂。试件蚀坑处的应变发展速度远高于试件截面中心处。（6）常温下,最小截面积与锈蚀率对钢材极限荷载折减均有重要影响;在300℃、400℃下,最小截面积对钢材高温下极限荷载折减影响更大;500℃以上温度对钢材力学性能占据主导地位后,锈蚀率的影响开始增加。最小截面积较低、锈蚀率较高的试件,其极限荷载折减系数在不同温度下变化较小。
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