局部锈蚀钢材低周疲劳性能的试验研究与理论分析

摘要

疲劳是结构失效的主要原因之一，疲劳破坏也是工程中非常普遍的现象。实际钢结构构件在服役过程中往往会受到强风、地震、车辆等重复荷载的作用，这些重复荷载可能会导致钢构件疲劳破坏的发生。另一方面，钢结构工作离不开一定的工作环境，大气腐蚀环境下的钢结构极易发生锈蚀。已有研究表明:钢材锈蚀（尤其是因不均匀锈蚀而产生的局部锈蚀坑）对其疲劳性能的影响尤为显著。因此，本文主要研究局部锈蚀对钢材疲劳性能的影响。
　　论文在考虑局部蚀坑深度和纵向长度两个因子的基础上，设计了三组24个试件。结合相关研究成果和本文的试探性试验结果，提出了单个局部腐蚀坑的简化表征方法。采用电化学加速锈蚀试验方法，完成了24根钢材试件的锈蚀试验。试验结果验证了用法拉第定理计算通电时间以控制蚀坑尺寸的可行性。
　　采用轴向应变控制方法，取应变幅度为-0.1％～0.3％，对24根锈蚀试件和2根光滑试件进行了低周疲劳试验，分析了蚀坑二维尺寸对钢材疲劳寿命的影响以及部分试件低周疲劳过程中的循环响应特征。结果表明:蚀坑的存在使钢材的低周疲劳寿命急剧下降;蚀坑深度小于1.1mm时，疲劳寿命随蚀坑深度的增加呈明显的下降趋势，超过1.1mm后，各试件的疲劳寿命维持在一个比较低的水平;在加载应变幅较低时(＜0.3％)，Q235钢材呈现循环软化特性。
　　利用有限元方法探讨了试件表面局部蚀坑的二维尺寸(dmax、Lx、dmax/Lmax)对应力集中系数Kt的影响。研究发现:蚀坑深径比在dmax/Lmax＜0.5的范围内时，kt随dmax/Lmax的增大而增大;试件的疲劳寿命随Kt的增加整体上呈下降趋势，Kt＜1.44时下降程度比较大。
　　借助光学显微镜和扫描电镜对比分析了应力集中对断口宏观及微观形貌的影响，分析表明:锈蚀试件疲劳裂纹均萌生于局部锈蚀坑底部，且源区裂纹数量随应力集中程度的增大而逐渐增多;断口扩展区微观形貌呈现典型的疲劳条带特征。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究水平和现状

1．2．1 钢材加速锈蚀方法研究

1．2．2 锈蚀钢材力学性能退化规律研究

1．2．3 锈蚀钢材疲劳性能研究

1．2．4 蚀坑对应力集中及疲劳寿命的影响

1．2．5 钢材的疲劳循环特性及疲劳断口研究

1．3 本文主要研究工作

第二章 局部锈坑的简化表征及低周疲劳相关理论

2．1 引言

2．2 钢材锈蚀的机理

2．2．1 钢材锈蚀的机理

2．2．2 钢材锈蚀基本过程

2．3 钢材局部锈坑的表征方法及单个锈坑损失质量的计算模型

2．3．1 单个腐蚀锈坑的形貌表征方法

2．3．2 单个锈蚀坑腐蚀损失量的表征方法

2．4 疲劳相关理论

2．4．1 低周疲劳试验相关参数的选择

2．4．2 疲劳循环特性

第三章 局部锈蚀钢材的低周疲劳试验

3．1 试验方案

3．1．1 试验内容与目的

3．1．2 试件的设计与制作

3．1．3 试件电化学锈蚀的理论方法

3．1．4 试验步骤设计

3．2 试验过程

3．2．1 单轴拉伸试验

3．2．2 锈蚀试件的处理

3．2．3 试件电化学加速锈蚀

3．2．4 电化学加速锈蚀试验结果

3．2．5 锈蚀钢材低周疲劳试验

3．2．6 锈蚀钢材试件疲劳破坏形态

第四章 锈蚀钢材的低周疲劳试验结果分析

4．1 锈蚀钢材的低周疲劳特性

4．1．1 循环响应特性

4．1．2 应力-应变迟滞回线

4．2 锈蚀钢材试件疲劳寿命研究

4．2．1 蚀坑二维尺寸对钢材低周疲劳寿命的影响

4．2．2 钢材局部蚀坑处应力集中系数的研究

4．3 低周疲劳下锈蚀钢材的断口分析

4．3．1 疲劳断口各区域的典型形貌特征

4．3．2 锈蚀试件疲劳断裂后断口形貌分析

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果