锈损冷成型钢表面形貌及力学性能

徐善华，余洁，聂彪

（1.省部共建西部绿色建筑国家重点实验室（西安建筑科技大学)，陕西 西安 710055;2.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；3.河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000）

冷成型钢的问世开拓了借助合理截面形状而非增加截面面积来提高构件承载力的途径，凭借其高效、经济的特性在建筑、交通运输、机械制造等行业得到了广泛应用.相比普通钢结构，冷成型钢具有轻质高强、抗震性能好、施工快捷等优点.

冷成型钢壁厚较薄，稍有锈蚀就会造成较高的材料损失率.锈蚀不仅会引起钢材厚度损失，还会在钢材表面形成大小不一的点蚀坑，引起局部应力集中现象[1-4]，使得裂纹更容易在蚀坑处形核[5-6]，造成钢材力学性能及服役年限明显下降[7-8]，因此，点蚀的相关信息是研究锈蚀钢材力学性能的重要数据.近年来，一些物理探测技术（扫描电子显微镜[9]、原子力显微镜[10]、X 光断层扫描[11]、白光轴向色差[12]）已经被应用于表征点蚀特征和量化锈蚀程度中，并取得了不错的效果.但是，目前开展的锈蚀钢结构的材料性能研究多针对于普通热轧钢，对于锈蚀冷成型钢开展的研究很少.

本文采用三维非接触表面形貌测量仪对锈蚀冷成型钢表面形貌进行测量，得到了锈蚀试件表面三维及二维形貌图，并分析了锈蚀损伤参数的变化规律；采用扫描电子显微镜对冷成型钢拉伸断口进行观测，探究其微观失效机理；通过电子万能试验机对冷成型钢进行单调拉伸试验，分析锈蚀试件的力学性能退化规律，并建立了锈蚀冷成型钢的单调拉伸本构模型.

1 试 验

1.1 材料和试样的制备

以工业环境下服役10 a 的压型钢板为对象（图1），按不同锈蚀程度从腹板截取7 个标准拉伸试件（A0、A1、A2、A3、A4、A5、A6）.对锈蚀拉伸试件先采用机械方法去除表面疏松锈蚀产物，然后将试件浸入体积比为12%的稀盐酸溶液中，15 min 后取出，用钢丝球刷洗附着在试件表面的锈蚀产物，最后用氢氧化钙稀溶液中和表面盐酸，并用清水冲洗擦干[13]（图2）.标准试件尺寸见图3.

图1 试件来源Fig.1 Source of the specimen

图2 除锈后试件表面Fig.2 Specimen surface after rust removal

图3 标准试件尺寸（单位：mm）Fig.3 Standard specimen size（unit：mm）

1.2 表面形貌采集

因锈蚀基本集中在压型钢板朝向厂房内一侧，而另一侧基本未锈蚀，故本文采用美国Nanovea 公司生产的ST400 三维非接触式表面形貌仪仅对试件锈蚀面进行形貌采集.数据采集区（50 mm×10 mm）覆盖拉伸试件标距段.纵向和横向扫描步长分别为200 μm 和100 μm，共得到251×101 个3D 数据点，利用所得数据点提取锈蚀损伤参数并对试件表面形貌进行分析.

1.3 单调拉伸试验

采用DNS300 型号的电子万能试验机（图4）进行单调拉伸试验.试件标距段（50 mm）变形使用引伸计测量.按照《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）[14]要求，弹性阶段、屈服阶段和强化阶段试验加载速率均设为0.2 mm/min；荷载曲线下降段加载速率设为0.5 mm/min，直至试件拉断，试验结束，取下引伸计.试验过程中，数据采集系统对力和变形等数据自动进行实时采集、记录.

图4 拉伸试验加载装置Fig.4 Tensile test loading decice

1.4 断口观测

将拉伸试验断口用醋酸纤维纸（7%的醋酸纤维素、丙酮溶液制成的均匀薄膜）复型进行清理.然后，使用Hitachi 公司型号为S-4800、高压为15 kV 的扫描电子显微镜对断口形貌进行观测.

2 试验结果与讨论

2.1 表面形貌及锈蚀损伤参数

2.1.1 表面形貌

利用扫描所得数据点分别绘制冷成型钢锈蚀前期（A1试件）、锈蚀中期（A3试件）以及锈蚀后期（A5试件）的典型三维和二维形貌图（图5）.从图5 可以清楚地观察到锈蚀表面形貌随锈蚀程度增加的演变过程：锈蚀较轻的A1试件由多个深度较小的“V 型”蚀坑构成，蚀坑间相互独立未发生连通现象；随着锈蚀程度的增加，A3试件的蚀坑形貌由“V 型”向“U型”转变，蚀坑深径比减小且数量减少；在试件锈蚀后期，A5试件的蚀坑深度明显增加且底部出现较大的平台，在主蚀坑底部可以观察到次级蚀坑的存在，这应该是较小的蚀坑上部相互连通后残留的蚀坑底部，这与文献[15]所述基本一致.

图5 试件典型的三维和二维表面形貌Fig.5 Typical 3D and 2D surface profiles of specimens

2.1.2 锈蚀损伤参数

锈蚀深度的平均值Dave能够反映试件因锈蚀而造成的材料损失量，是用来评估锈蚀程度的常用参数，它的计算方法为所有测量点处锈蚀深度的平均值，并且可以通过锈蚀深度平均值Dave来计算试件的材料损失率ρ：

式中：M 和N 分别为单个试件在纵向和横向上扫描点的数量；D（xi，yj）为扫描点处残余厚度与未锈蚀试件厚度的差值（μm）；h0为未锈试件的厚度（μm）.计算结果汇总在表1 中.

在工业环境中，钢材的锈蚀损失一般包括非均匀锈蚀和均匀锈蚀，这两种类型锈蚀损失对钢材力学性能的影响机制存在较大差异.一般来说，均匀厚度的减少只会导致钢材承载性能下降而不影响其变形性能，非均匀锈蚀不仅导致材料损失还会引起应力集中现象，从而影响钢材的变形性能[16].为探究点蚀与均匀锈蚀的变化规律，本文提出如下计算公式：

表1 试件锈蚀程度评定指标Tab.1 Evaluation index of corrosion degree of tested parts

式中：ρn为非均匀锈蚀率（%）；ρu为均匀锈蚀率（%）；hi为第i 个锈蚀试件的最大残余厚度（μm）.计算结果汇总在表1 中.图6 给出了非均匀锈蚀率及均匀锈蚀率的变化规律，从图6 可以发现，材料损失率较低时，非均匀锈蚀比例较高，随着材料损失率的增加，均匀锈蚀所占比例逐渐增大.这种现象的出现是因为金属晶体中存在一定数量的诸如位错、空穴等显微或亚显微缺陷，这些晶体结构不完整或畸变的区域总处于较高的势能状态，蚀坑从这些高势能区域以“点状”开始形成.随着蚀坑的长大，蚀坑边缘逐渐远离这些高势能区，点蚀坑生长速率下降，但整个试件表面仍以一定速率V0被均匀溶蚀[17].

三维粗糙度参数是对试件表面轮廓几何特征的描述，能够直观地反映点蚀坑形貌随锈蚀程度增加的变化规律.算术平均高度Sa、均方根高度Sq、表面峰最大高度Sp、表面谷最大深度Sv以及表面最大高度Sz的计算方法如下，计算结果汇总在表1 中.

图6 非均匀锈蚀率和均匀锈蚀率变化规律Fig.6 Variation law of non-uniform corrosion rate and uniform corrosion rate

应该特别注意的是，式（5）～式（8）中的Z 值是指实际锈蚀表面与通过最小二乘法拟合的中间平面的距离，Sa、Sq是评判锈蚀钢材表面轮廓偏离中间平面程度的参数.观察图7 可以发现，随着材料损失率的增加，Sa和Sq的值均逐渐变大，说明蚀坑的起伏程度变大，试件表面变得越来越粗糙.图8 反映了最大蚀坑深度与材料损失率之间的数量关系，当锈蚀程度较低时，Sz随材料损失率的增加呈增大趋势；当锈蚀程度较大（材料损失率大于20.7%）时，Sz的值增长速度变慢甚至出现减小的情况，最大蚀坑深度变化不再明显.

图7 Sa 和Sq 变化规律Fig.7 Variation law of Sa and Sq

图8 Sz 的变化规律Fig.8 Variation law of Sz

2.2 锈蚀试件力学性能分析

在以前的研究中，计算名义应力时多使用未锈蚀试件的横截面积，但是这种计算方法得到的应力值明显低于真实应力值，造成计算所得各项强度指标明显降低.为使得计算结果更接近真实值，本文使用最大残余厚度hi代替未锈蚀试件厚度h0计算横截面积.

图9 为各试件的应力-应变曲线，试验拉伸的主要力学性能指标汇总在表2 中.从表2 中的屈服平台长度ε△的值可以发现，屈服平台的长度随材料损失率的增加而逐渐减小甚至消失，钢材的塑性性能明显减弱.出现这种现象的原因是：随着锈蚀程度的增加，蚀坑深度逐渐增长，导致应力集中越来越明显，同一截面处，蚀坑周围应力发展较快，其他区域应力发展较慢，致使无法同时屈服，变形不一致，表现为屈服平台变短甚至消失[18].

图9 试件的应力-应变曲线Fig.9 Stress-strain diagrams of specimens

表2 试件拉伸试验主要力学性能指标Tab.2 Main mechanical properties of tensile test

图10 给出了弹性模量、屈服强度、极限强度以及断后伸长率的折减率与材料损失率的定量关系：

图10 力学性能与材料损失率的关系Fig.10 Relationship between mechanical properties and material loss rate

由图10 可知，本试验中试件的弹性模量、屈服强度和极限强度随材料损失率的增加均呈线性下降趋势.造成锈蚀钢材力学性能下降的原因是：一方面，蚀坑使得钢材横截面积减小；另一方面，锈蚀损伤使得金属表面晶格产生畸变，势能增加，体系混乱度增大，稳定性降低，在低应力条件下可产生高应变[19].断后伸长率的大小是判断钢材塑性性能的重要指标，从图10 可以看出，随着锈蚀程度的增加，断后伸长率逐渐减小，钢材的塑性性能变差.这是因为蚀坑造成局部应力水平增加，进而加速表面出现塑性区，导致材料中心和表层塑性变形不均匀，应力集中系数越大，塑性变形能力越弱[15].

将本文得到的锈蚀冷成型钢力学性能退化规律与文献[20]中锈蚀热轧钢的试验结果相比，可以发现：随着锈蚀程度的增加，冷成型钢的力学性能退化速度明显快于普通热轧钢，锈蚀对冷成型钢力学性能的影响更大.

2.3 断口分析

2.3.1 宏观断口分析

试件的断口形貌如图11 所示.从图11 可知，1）A0、A1试件断口有较明显的颈缩，其余试件的颈缩现象均不明显，说明A0、A1试件的塑性较好，其余试件因为锈蚀的影响，表现出脆性断裂特征.2）试件的断口形貌发生改变，A0、A1、A2试件呈现出剪切型断口，A3、A4试件为圆弧型断口，A5、A6试件为阶梯型断口.由于本次试验的试件较薄，断裂是在二向应力条件下由切应力分量作用造成的剪切断裂，故表现为A0、A1、A2试件的剪切型断口；A3、A4试件的圆弧型断口则是在断口中间部位首先发生了一段由正应力造成的平断口；A5、A6的阶梯型断口是在断口中间部位首先发生了两段由正应力造成的平断口，而在这些平断口周围依然发生剪切型断口.断口的形态反映了断裂过程特点和材料的塑性水平，斜断口占断口总面积的比例越高，断裂过程中吸收的塑性变形功越多，材料的塑性水平越高.随着锈蚀程度的增加，试件中平断口的区域逐渐增加，材料塑性性能变差.

图11 A0～A6 试件拉伸破坏形态Fig.11 Tensile failure pattern of A0～A6 specimens

2.3.2 微观断口分析

图12 为剪切型断口（A0试件）、圆弧型断口（A3试件）以及阶梯型断口（A6试件）的典型微观全貌图.从图中可以发现：试件A0的断口主要由纤维区和瞬时断裂区构成，纤维区面积较大，说明未锈试件A0断裂时塑性变形比较充分；A3、A6断口的微观形貌图除含有纤维区和瞬时断裂区外，在接近锈蚀表面的地方还出现了一个颜色较深的断口区域，这是由锈蚀坑相互连通而形成的锈蚀裂纹扩展区，由于锈蚀裂纹扩展区的出现，A3试件的纤维断裂区面积有所减小，而A6试件的纤维断裂区面积减小非常明显.说明随着锈蚀程度的增加，钢材的塑性性能逐渐减弱.

图12 试件典型的断口全貌图Fig.12 Typical complete picture of fracture surface of specimens

图13 给出了A0、A3、A6试件断口纤维区微观形貌图.A0试件的微观形貌图由大量较深的韧窝构成，韧窝边缘较平缓、圆滑；A3试件的微观形貌图大部分由韧窝构成，但是韧窝较浅且边缘比较尖锐，局部出现了河流纹形貌的解理断裂区域；A6试件微观形貌出现了大面积的解理断裂区域，韧窝深度比A3试件小，韧窝边缘尖锐呈撕裂状.说明A0试件在断裂时裂纹扩展速度较慢，韧窝变形充分，表现出很好的塑性性能，而A3和A6试件由于锈蚀造成试件实际受力区域减小，蚀坑周围出现应力集中现象，使得裂纹扩展速度较快，韧窝变形不够充分甚至出现解理断裂形貌，试件的材料性能下降，试件由塑性断裂逐渐向脆性断裂转变.

图13 试件微观形貌图Fig.13 Microscopic topography of tested parts

3 锈蚀冷成型钢材料本构模型

参考张伟平等[21-22]的三折线模型，得到锈蚀冷成型钢本构模型为：

式中：k1、k2为强化段形状参数；k3为极限应力与屈服强度的比值.使用数据处理软件对强化阶段进行拟合，将拟合得到的k1、k2以及计算得到的k3汇总在表3 中.可以发现k1、k2和k3的值在一定的范围内波动，故取平均值k1=0.614 3、k2=0.341 6、k3=1.169 5.并将上述的屈服平台末端应变εsh和极限应变εu与材料损失率ρ 进行回归分析，得到各力学性能指标与材料损失率之间的关系：

表3 本构模型形状参数值Tab.3 Shape parameter values of constitutive model

最终，将k1、k2和k3的值以及式（10）（11）（15）～（17）代入式（14）中，建立了由材料损失率表征钢材锈蚀程度的锈蚀冷成型钢单调本构模型，具体如下：

从图14、图15 可以看出，计算模型的弹性阶段与试验结果基本吻合，屈服阶段和强化阶段由于部分试验曲线波动较大，计算模型与试验结果存在少许误差，但是误差在工程应用许可范围内.本文理论模型可用于锈损薄壁冷成型钢的单调拉伸本构关系，但是否适用壁厚更厚的冷成型钢，还有待进一步验证.

图14 公式曲线与文献[23]试验曲线对比Fig.14 Comparison between formula curves and experimental curves of literature[23]

图15 公式曲线与本文试验曲线对比Fig.15 Comparison between formula curves and experimental curves in this paper

4 结论

1）锈蚀造成钢材表面特征明显变化，随着锈蚀程度的增加，蚀坑形貌由“V 型”向“U 型”转变，蚀坑数量减少且深径比减小，在锈蚀程度较大的A5试件中，在主蚀坑底部可以发现次级坑的存在.

2）随着材料损失率的增加，非均匀锈蚀率和均匀锈蚀率均逐渐增大，但非均匀锈蚀率占材料损失率的比例逐渐减小；算术平均高度Sa和均方根高度Sq均逐渐变大，试件表面变得越来越粗糙；当锈蚀程度较低时，最大蚀坑深度Sz随材料损失率增加呈增大趋势，当锈蚀程度较大（材料损失率大于20.7%）时，Sz变化不再明显.

3）随着材料损失率的增加，试件截面尺寸减小并且蚀坑周围的应力集中越来越明显，使得弹性模量、屈服强度、极限强度和断后伸长率等力学性能指标逐渐减小，屈服平台变短甚至消失.

4）A0、A1试件出现明显颈缩，其余试件颈缩均不明显.随锈蚀程度的增加，断口形貌由剪切型断口转变为圆弧型断口及阶梯型断口，断口中脆性破坏特征的平断区域逐渐增多，说明钢材塑性性能减弱.从断口微观形貌图中可以发现由蚀坑相互连通而产生锈蚀裂纹扩展区，纤维区面积和韧窝深度随锈蚀程度增加逐渐减小，试件由塑性断裂逐渐向脆性断裂转变.