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腐蚀Q235B钢的静力和超低周疲劳试验研究及力学性能评估

腐蚀Q235B钢的静力和超低周疲劳试验研究及力学性能评估

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作者：赵贇太原理工大学

学位级别：硕士

随着钢结构服役时间的增长,陆续出现了由钢材腐蚀引发的耐久性问题。腐蚀削弱了钢材的有效截面,又引起了钢材表面严重的应力集中现象,从而削弱了钢材的力学性能,引起了多起钢结构失效破坏的事故。钢材腐蚀不仅给服役的钢结构造成了安全... 详细信息

随着钢结构服役时间的增长,陆续出现了由钢材腐蚀引发的耐久性问题。腐蚀削弱了钢材的有效截面,又引起了钢材表面严重的应力集中现象,从而削弱了钢材的力学性能,引起了多起钢结构失效破坏的事故。钢材腐蚀不仅给服役的钢结构造成了安全隐患,也造成了巨大的人员伤亡与经济损失。因此,评估腐蚀后钢材剩余力学性能对指导实际工程加固与维护结构的正常使用有重大意义。本研究对大气腐蚀33年的Q235B钢进行了微观观察、单调拉伸与超低周疲劳试验,评估了腐蚀钢材的断裂模式及力学性能随腐蚀程度的变化规律。基于实际腐蚀形貌统计的蚀坑参数,建立了随机点蚀数值模型,评估了腐蚀对钢材及角钢构件强度的影响。此外,基于蚀坑微观演化的原位监测及蚀坑参数随时间的演化规律,建立了蚀坑演化的理论与数值模型。从蚀坑产生与发展的角度预测了钢材强度随时间的演化关系。主要研究内容如下:(1)单调拉伸试验作用下,腐蚀试件断裂模式受蚀坑影响较大,断口同蚀坑的分布呈随机不规则状。腐蚀钢材的屈服强度、极限强度与断裂强度随质量损失非线性退化,退化模型满足Boltzmann函数。最大质量损失率时屈服强度、极限强度与断裂强度分别退化15.16%、16.73%与18.68%。同时腐蚀显著降低了钢材的变形能力,钢材的屈服应变退化高达31.00%,伸长率退化高达24.51%。进一步提出了钢材力学性能随质量损失率退化的四折线本构模型。(2)超低周疲劳试验表明,腐蚀后钢材耗能能力随质量损失线性降低,最高降幅达15.51%。随着循环加载次数的增加,质量损失使耗能能力及塑性变形能力的降低越来越大,当质量损失率大于0.12时,试件骨架曲线硬化点应变由0.6%缩短至0.3%,降幅高达50%。同时受蚀坑影响,循环加载下钢材的变形能力会显著降低(极限应变与伸长率分别降低36.47%和8.88%),根据试验结果建立了三段式拉/压骨架曲线、卸载刚度、重加载准则与质量损失的定量关系,在此基础上提出了不同质量损失下的腐蚀钢材滞回本构模型。(3)为了避免传统的蚀坑统计方法导致的力学性能评估不安全,提出了考虑蚀坑融合的蚀坑统计方法,基于实际腐蚀钢基体的3D形貌扫描,发现蚀坑深度与直径分别满足期望为0.390和0.219的正态分布。此外,根据该蚀坑统计结果建立了随机蚀坑数值模型,采用试验结果验证了该模型的有效性。发现质量损失率扩大到0.22时,钢材的剩余强度数值解与试验理论值吻合较好,且均为非线性降低。相同腐蚀时间下,点蚀引起的角钢强度退化随厚度的减小而愈发严重。(4)为了避免腐蚀钢基体大量的蚀坑扫描与统计工作,并考虑蚀坑在原始位置的演化过程,基于Python程序提出了伴随时间的点蚀原位演化模型。此模型仅需确定钢材初始厚度、初始强度以及使用年限既可评估钢材剩余力学性能。采用质量损失与宏观力学性能试验值充分验证了该数值演化模型的准确性。在此基础上,参数化分析了蚀坑深径比、不同的双面腐蚀程度对强度的影响,进而建立了腐蚀钢材强度随时间退化的预测模型。

关键词：大气腐蚀单调拉伸性能超低周疲劳性能随机点蚀点蚀原位演化

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模拟工业海洋大气环境下耐候钢拉伸与疲劳性能研究

模拟工业海洋大气环境下耐候钢拉伸与疲劳性能研究

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作者：张居正天津大学

学位级别：硕士

耐候钢以其优良的性能正越来越多地应用到桥梁、塔架等实际工程中,但是在某些特殊环境下免涂装低镍耐候钢的适用性并没有得到充分的论证。本文针对我国城市常见的大气环境之一——工业海洋大气环境,通过周期浸润腐蚀试验开展腐蚀条件下... 详细信息

耐候钢以其优良的性能正越来越多地应用到桥梁、塔架等实际工程中,但是在某些特殊环境下免涂装低镍耐候钢的适用性并没有得到充分的论证。本文针对我国城市常见的大气环境之一——工业海洋大气环境,通过周期浸润腐蚀试验开展腐蚀条件下耐候钢的耐候性能、单轴拉伸性能和疲劳性能试验研究,主要研究工作和成果如下:(1)设计了可模拟工业海洋大气环境的周期浸润加速腐蚀试验方案,通过相同腐蚀环境下Q235B普通钢的腐蚀情况建立了加速试验与自然大气暴露腐蚀试验之间的对应关系。讨论了通电腐蚀试验对耐候钢材的适用性,并通过腐蚀后锈层产物和钢材形貌判定通电腐蚀试验不适用于耐候钢材。(2)通过对周期浸润腐蚀后的钢材进行表面观察、基体扫描、锈层分析和腐蚀深度计算,发现在模拟工业海洋大气环境下Q355NHD具有一定的耐候性能,但其腐蚀速率等宏观指标相比于普通钢并不突出。(3)对不同腐蚀时间下的Q355NHD进行单轴拉伸试验研究,结果表明:周期浸润腐蚀8周后(腐蚀深度为0.336mm,相当于工业海洋大气环境腐蚀20年)Q355NHD母材试件的屈服强度和抗拉强度分别下降8.1%和7.2%,对接焊缝试件分别下降14.1%和12.5%。(4)对不同腐蚀时间下的Q355NHD进行疲劳试验研究,结果表明:周期浸润腐蚀5周和8周后Q355NHD母材试件的设计疲劳强度分别下降32.0%和35.6%;对接焊缝试件的设计疲劳强度分别下降20.7%和30.3%。在腐蚀8周后Q355NHD仍然满足GB 50017-2017《钢结构设计标准》中疲劳设计要求,取置信度95%、失效概率不超过1%,腐蚀后母材试件和对接焊缝试件的设计疲劳强度分别具有89.3%和143.5%的安全余量。

关键词：耐候钢耐候性能疲劳性能单调拉伸性能周期浸润腐蚀

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