论文部分内容阅读
上世纪初发达国家开始研制耐候钢,耐候钢在一定程度上解决了钢材的腐蚀问题。免涂装耐候钢桥不仅降低了桥梁的全寿命周期成本,还带来了环境效益;但是,其应用中也存在环境的限制。随着钢铁行业的发展,可焊性更好、抗腐蚀性能更好和强度更高的高性能钢出现,更好地服务于免涂装钢桥。但是,现阶段针对耐候钢和高性能钢腐蚀疲劳的理论与试验研究尚不充分,迫切需要更加系统和深入地研究。因此,本文着手理论、试验和应用三个层面,系统地开展了腐蚀作用下耐候钢与高性能钢静力拉伸性能和疲劳性能研究,主要涵盖以下几方面:耐候钢和高性能钢均匀腐蚀模型和坑蚀模型研究、耐候钢与高性能钢腐蚀过程疲劳寿命模型研究、耐候钢与高性能钢腐蚀前后静力拉伸试验研究、耐候钢与高性能钢腐蚀前后疲劳试验研究和免涂装耐候钢与高性能钢桥梁疲劳设计方法研究。论文主要研究内容包括:（1）为了研究耐候钢和高性能钢的腐蚀规律,首先对腐蚀环境进行分类,在大量收集我国129个城市环境数据基础上,参考ISO规范腐蚀环境评估方法,首次提出我国环境腐蚀等级分布图,为我国金属结构设计提供依据;结合我国现行结构钢规范和国内外耐候钢自然腐蚀研究成果,首次建立我国耐候钢的均匀腐蚀模型,为免涂装耐候钢和高性能钢桥梁设计提供依据;开展20个耐候钢和20个高性能钢试件的周期循环盐雾环境加速腐蚀试验;在重量量测和表面形貌扫描测试基础上,研究分析两种钢材的均匀腐蚀模型和坑蚀模型;并将其结果与我国耐候钢自然腐蚀效果进行对比研究。结果表明,影响耐候钢均匀腐蚀的环境因素主要包括:湿度、温度、Cl离子浓度和SO2浓度;我国沿海局部地区环境腐蚀等级为C4,近海大部分地区环境腐蚀等级为C3,内陆地区环境腐蚀等级为C2;《耐候结构钢》规定耐候钢比《桥梁用结构钢》规定耐候钢具有更好的抗腐蚀性能和更高的强度等级,更适合用于我国耐候钢桥梁建设;腐蚀过程中,耐候钢和高性能钢的均匀腐蚀和坑蚀速率随腐蚀的进行而降低,其腐蚀指数分别为0.4013和0.3406,坑蚀电流分别为1.869×10-9 C/s和1.306×10-9 C/s;与我国耐候钢自然腐蚀数据比对,验证该加速腐蚀试验环境符合我国近海大部分地区C3腐蚀环境。（2）为了研究腐蚀过程疲劳,对电化学腐蚀原理和断裂力学理论研究现状进行研究和总结,将腐蚀过程疲劳分为腐蚀过程疲劳裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段;在考虑腐蚀和疲劳应力相互作用关系基础上,采用法拉第定理和NASGRO裂纹扩展公式,研究和提出桥梁钢和高性能钢的腐蚀疲劳寿命模型,同时揭示应力幅、应力比、坑蚀电流和加载频率对寿命的影响规律。结果表明,腐蚀过程疲劳裂纹萌生阶段包含坑蚀过程和竞争过程,腐蚀过程疲劳裂纹扩展阶段包含裂纹扩展过程;高性能钢的腐蚀过程疲劳寿命是普通桥梁钢的5倍多,裂纹萌生寿命占据了60%以上腐蚀过程疲劳寿命;应力幅、应力比和坑蚀电流的增加导致腐蚀过程疲劳寿命大幅降低,加载频率增加只导致腐蚀过程疲劳裂纹扩展寿命降低。（3）为了研究腐蚀作用对耐候钢和高性能钢力学性能的影响,开展了共计27个腐蚀与未腐蚀Q345CNH与HPS 485W母材和焊接接头试件的静力拉伸试验;其中,腐蚀试件15个,未腐蚀试件12个。结合应力-应变曲线,得到母材和接头腐蚀前后的屈服强度和拉伸强度;揭示腐蚀作用对疲劳强度的影响程度。研究结果表明,与未腐蚀试件相比,腐蚀60、120和180周期的Q345CNH和HPS485W屈服强度分别降低5.02%～9.29%和11.25%～14.31%;相同腐蚀周期两种钢材拉伸强度分别降低0.01%～4.6%和3.31%～4.45%;腐蚀作用对耐候钢和高性能钢屈服强度影响更大,对拉伸强度影响较小。（4）为了研究腐蚀作用对耐候钢和高性能钢疲劳性能的影响,对腐蚀疲劳试验方法进行了归纳和总结;因此,开展了共计133个腐蚀与未腐蚀Q345CNH与HPS 485W母材和焊接接头试件的疲劳试验,其中,其中,腐蚀试件75个,未腐蚀试件58个。结合试验数据的可靠性分析研究,提出不同腐蚀程度母材和接头的疲劳破坏模型、疲劳S-N曲线和疲劳强度;揭示腐蚀程度对疲劳强度的影响规律。研究结果表明,未腐蚀Q345CNH和HPS 485W母材试件的疲劳强度分别为204.0MPa和180.1MPa,远高于FAT160;经过60、120和180个腐蚀周期后,Q345CNH的疲劳强度分别降低了50.5%、52.1%和55.6%,HPS 485W的疲劳强度分别降低了41.9%、34.7%和40.4%,均低于FAT 100;与两种钢材未腐蚀对接焊试件疲劳强度相比,经过60个腐蚀周期后,Q345CNH和HPS485W对接焊试件疲劳强度分别降低了17.3%和16.2%;建议将免涂装耐候钢与高性能钢母材和焊接接头疲劳细节等级分别降低为FAT 90和FAT 80。通过Q345CNH和HPS485W母材腐蚀后疲劳试验数据,验证NASGRO公式可预测两种钢材疲劳寿命,并确定两种钢材NASGRO公式中降低的应力强度因子幅门槛值。（5）采用本文建立的均匀腐蚀模型、坑蚀模型和腐蚀过程疲劳寿命模型,研究并提出我国免涂装耐候钢和高性能钢桥梁疲劳设计方法,并计算桥梁腐蚀过程疲劳寿命,为我国该类桥梁的设计、施工、使用和维护提供理论支撑。研究结果表明,桥梁钢和高性能钢腐蚀过程疲劳S-N曲线随应力比、坑蚀电流和坑蚀加速系数增加而降低;坑蚀加速系数对免涂装耐候钢和高性能钢桥腐蚀过程疲劳寿命影响显著,需要通过腐蚀过程疲劳试验得到合理的坑蚀加速系数;均匀腐蚀对腐蚀过程疲劳寿命影响作用远小于坑蚀。