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文献速读 J. Constr. Steel Res.：锈蚀Q690高强钢对接焊缝疲劳性能试验研究  题目 题目：Experimental research on fatigue performance of butt welds of corroded Q690 high strength steel 锈蚀Q690高强钢对接焊缝疲劳性能试验研究 关键字 关键字：Q690高强钢；对接焊缝；浪溅区；腐蚀损伤；S-N曲线；疲劳极限 来源 出版年份：2021 来源：Journal of Constructional Steel Research 课题组：西安理工大学土木建筑工程学院郭宏超课题组 研究背景 相比传统建筑材料而言，高强钢（HSS，指名义屈服极限不低于460MPa的钢材）具有强度高、韧性好、可焊接性和耐腐蚀性等特点。在近海及海岸建、构筑物中，采用高强度钢材能够有效减小构件截面与焊缝尺寸、降低成本，提高海浪作用下结构的疲劳强度，广泛应用于海洋工程结构领域内。长期服役于浪花飞溅区环境下，面临高氯离子、干湿循环下的海水冲蚀影响，加之海上波浪荷载的循环往复作用，材料内部存在较大的累积损伤量，当损伤累积超过临界状态时，材料表面开始萌生裂纹，承重钢构件最终将会引发腐蚀疲劳断裂，失效行为具有危害性和普遍性；对接焊缝作为承重构件连接传力核心区域，对结构体系安全可靠性能尤为重要。长期服役于复杂恶劣环境下，焊接区的失效速率普遍高于母材区。为此，开展海洋环境浪溅区下国产高强钢及连接区域腐蚀机理研究，分析疲劳性能退化规律尤为重要。 研究出发点 近年来，我国陆地可开采利用的自然资源面临严重匮乏与不足，但是海洋领域内蕴藏着极其丰富的风能、煤炭和油气等；截止到2017年底，全球天燃气总储存量大约为436万亿m3，而在海域板块已探知储气量占到了全球总量近29%，我国作为一个发展中的海洋大国，拥有海域管辖权达300多万km2，随着海洋强国和“一带一路”战略布局实施推动，海洋工程结构拟建及安全维护，与国民经济命脉密切相关。本课题依托西北旱区生态水利国家重点实验室科研平台，通过制定湿热周浸加速腐蚀方案，模拟了海洋环境浪溅区，以Q690高强钢对接焊缝试件为研究对象，分别进行了室内腐蚀试验、微观形貌扫描、高周疲劳试验，并将结果与国内外相关规范进行对比，给出相关评价与建议，基于疲劳损伤理论分析了不同腐蚀周期试件的破坏程度及裂纹扩展变化规律。 研究内容 海洋环境具有湿度大、盐分高等特征，海工建构筑物面临浪花飞溅侵蚀损伤影响，结构耐久性受到严峻挑战和考验。本文通过模拟海洋浪溅区环境，进行了锈蚀Q690高强钢对接焊缝疲劳荷载试验，对比不同周期S-N曲线，分析了腐蚀损伤对高强钢对接焊缝疲劳性能影响，基于损伤理论研究了试件的力学性能退化规律。结果表明：随着腐蚀周期增加，对接焊缝处分布较多锈蚀产物，金属光泽逐渐变暗，腐蚀100d的锈蚀率为8.46%，焊缝区和热影响区平均腐蚀深度速率分别为1.34mm/a、1.46mm/a，在高周循环加载时，试件疲劳极限值降低了32.7%。根据失效断口扫描结果可知，焊缝缺陷与腐蚀损伤对于裂纹扩展影响较大。此外，损伤曲线能够反映断口形成机理，处于高应力水平下，疲劳条带数量减少，损伤累积量逐渐提高。研究结果对Q690高强钢材的实际工程应用具有重要意义。  图1 疲劳试件尺寸  图2 宏观腐蚀形貌图  图3 微观腐蚀形貌图  图4 疲劳加载装置  表1 不同腐蚀周期试件疲劳实测结果  图5 S-N曲线对比  图6 疲劳断口对比  图7 损伤曲线  图8 不同周期试件断口微观扫描图 主要结论 本文根据海洋环境浪溅区特征，进行了Q690高强钢对接焊缝的加速腐蚀试验，研究了锈蚀试件疲劳性能退化规律，得到以下主要结论： (1) 在腐蚀初期，试件表面丧失金属光泽，生成棕褐色坚硬锈蚀物，分布范围极为不均匀。随着腐蚀周期增加，局部区域的锈蚀物存在剥离现象；腐蚀时间与锈蚀率呈线性增长，当周期为100d时，试件锈蚀率为8.46%； (2) 随着腐蚀损伤程度增大，钢材表面逐渐由点蚀状向坑蚀发展，分布区域极不规则。在腐蚀后期，产物的堆积密度增大，抑制了侵蚀性介质进入基材内部，锈蚀层沿试件表面方向快速扩展，蚀坑的最大深度为440μm； (3) 考虑95%置信率后，腐蚀周期为60d、100d时，Q690高强钢对接焊缝的疲劳极限分别降低13.87%、32.66%，剥离损伤行为对于Q690高强钢材疲劳性能影响作用更为明显； (4) Q690高强钢对接焊缝的实测寿命受有效应力和外界环境的影响程度较大，在低应力水平下，锈蚀高强钢对接焊缝可在短期内发生疲劳失效； (5) 随着应力水平增加，累积损伤程度逐渐提高，试件有效截面面积减小，裂纹尖端发生应力集中，极易发生脆性断裂，可知快速扩展阶段进行的并不明显； (6) 由于焊接加工、腐蚀疲劳试验存在随机性与不确定性，如果系统评估锈蚀Q690高强钢对接焊缝的疲劳性能，仍需更多试验数据支撑。 本期编者简介 翻译： 魏欢欢 硕士生 杨凌职业技术学院 审核： 余 阳 硕士生 深圳大学 排版： 颜文韬 硕士生 深圳大学 本期学术指导 何嘻闯 博士后 深圳大学 龙武剑 教嘻授 深圳大学 文献链接： https:///10.1016/j.cemconcomp.2021.104397 |
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