1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 选题背景
钢结构具有强度大、重量轻、刚性好和形式灵活等许多优点[1]，钢结构建筑应用于实际生活中方方面面，如图 1-1 所示，除此之外，不同于混凝土结构，钢结构还能实现较高的装配化程度，有效的缩短工期，制造的建筑垃圾相对较少，对周边环境污染更小。伴随我国国民经济的发展，钢产量的不断增长和钢结构施工技术水平的不断提高，钢结构建筑必将成为新的建筑经济增长点。
在实际工程中，一些钢结构建筑长期处于近海、工业大气等具有严重腐蚀性环境中很容易出现了严重的腐蚀问题，钢结构的广泛应用也暴露出这一缺点。 若钢材不做防腐处理，长期处于腐蚀环境下极易受腐蚀影响，导致钢材的各项力学性能指标（屈服强度、极限强度和伸长率）明显下降，承载能力也随之大大降低，即使实际工程中钢结构建筑物经过涂防腐涂层等手段减低钢材的腐蚀程度，但随着时间推移防腐涂层脱落，仍会造成钢材的严重腐蚀。钢材的腐蚀会导致材料厚度较小继而降低了钢结构的有效承载截面，同时不均匀的腐蚀坑造成了钢材的缺陷损伤和应力集中现象，极大程度的降低了钢结构建筑物的安全性、耐久性、可靠性[2-4]。由于我国海岸线较长，海上和近海地区的钻井平台和大型场馆设施等钢结构建筑物越来越多，腐蚀问题也越来越明显。在海洋大气高腐蚀环境下, 大气中含有较多的盐粒，氯化钠不仅能吸湿，氯离子也是强烈的腐蚀促进剂[5]。沿海大气中的氯离子浓度大大超过内陆地区，在潮湿的环境中发生电化学腐蚀，仅仅青岛近海大气中的氯离子浓度就已超过北京大气中氯离子浓度的 50 倍之多，钢材受腐蚀问题严重。同时，近海风力较大，建筑物在风力荷载作用下又发生疲劳损伤，腐蚀因素与疲劳损伤相互耦合，极大加速了钢结构的破坏，降低钢结构建筑物使用寿命，甚至造成重大安全事故。目前我国针对碳素钢的大气腐蚀已做较多研究并取得一定成果[6-8]，但对大气腐蚀环境下的钢材疲劳性能研究较少，研究钢材的腐蚀疲劳破坏对于建筑安全和经济发展都显得十分重要。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 钢材疲劳研究现状
构件在受到持续、交变荷载的作用下，在应力值远低于钢材极限强度的条件也有可能发生破坏。疲劳就是构件由循环荷载引起的局部损伤过程，在一处或几处造成损伤累积，裂纹开始在局部萌发并迅速扩展，最后经一定循环次数后构件完全破坏叫疲劳破坏。
疲劳破坏过程可以分为三个阶段：裂纹的萌发、裂纹的稳定扩展和裂纹迅速断裂[9]。随着国内外学者对疲劳的研究越来越深入，人们开始由宏观到微观进行疲劳机理研究。德国沃勒尔(Wohler)对金属的疲劳特性展开了系统的试验研究，提出了著名的 S-N 曲线和疲劳极限的概念，奠定了疲劳研究的基础。基于 Miner线性累积损伤法，通过试验测量得出 S-N 曲线，方法直观简单最为常用。
Risitano[10]最早提出了基于热像技术的疲劳极限快测法，该方法只需通过有限的试验次数就可测定材料疲劳极限与 S-N 曲线，这种方法被称为 Risitano 法。
靳慧[11]等研究了对接焊缝热点应力疲劳寿命曲线，给出了热点应力幅值的计算方法和细节分类。详细介绍了 Miner 线性损伤累积准则，通过试验得出了各种焊接方式的 S-N 曲线。
施刚[12]针对高强度钢材及其焊缝连接的疲劳性能进行研究，测出同一类疲劳试件的 S-N 曲线。试验结果表明试验结果离散性较大，疲劳强度均大于规范的计算值。分析和比较显示，其他种类的钢材及焊缝连接的疲劳性能还有待进一步的研究。
王晓钢，郭杏林[13]采用热像法快速的获得材料的 S-N 曲线。这是一种直接测量温度变化的方法，将温升值作为疲劳评估指标，对材料及构件的疲劳极限进行快速测定。在线性疲劳损伤累积假说的基础上，该方法可用于快速确定 S-N 曲线并在试验中得到了很好的验证。
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2 Q345B 钢腐中性盐雾蚀后力学性能试验
2.1 盐雾试验电化学腐蚀机理
盐雾试验的腐蚀按照腐蚀机理分类为电化学腐蚀方式，在潮湿的大气腐蚀环境下，腐蚀介质在钢材表面形成一个薄水膜，基于原电池原理，腐蚀过程为钢材腐蚀表面产生阳极区和阴极区，分别发生氧化反应和还原反应，腐蚀过程中电子由阳极区流向阴极区，产生电流[86]。金属腐蚀可由以下几个反应过程组成：
(1)金属表面原子转变为表面吸附原子:Me 晶格→Me 吸附。
(2)阳极区金属发生氧化反应,其化学反应式为 Me→Men+→ne-。由此过程中电离出的金属离子溶解到到电解液中,或与电解液中介质发生还原反应。
(3)阴极区发生还原反应，化学反应式为:O2+2H2O+4e→4OH-。
盐雾试验被认为是模拟海洋大气对不同金属（有保护涂层或无保护涂层）最有用的试验室加速腐蚀试验方法[87]。其中应用最广泛的人工加速腐蚀方法为中性盐雾试验，即腐蚀溶液 PH 值范围为 6.5~7.2。本试验采用的盐雾试验机型号LX-90，温度控制器范围为 0~99℃，连续式喷雾，盐雾箱通过空气压缩机带动吸水，利用帕努特原理将盐水雾化，喷雾均匀。喷雾量就 80cm2而言为 1~2ml/h，采用玻璃喷嘴可调整喷雾量大小。将试验钢材试件放置试验箱内，试验时自动吸取盐溶液雾化后喷雾，最终盐雾落在试件表面，在钢材表面形成一层薄水膜进行电化学反应，以此用来模拟海洋大气腐蚀环境，试验机如图 2-1 所示。试验溶液为 5%NaCl（质量分数）溶液，pH 值范围为 6.5~7.2，试验时盐雾箱内的温度恒定在（35 士 1）℃。试验试件以竖直方向放置于盐雾试验向内，将主要腐蚀表面垂直于水平方向，以保证盐雾均匀落在试件表面并且试件之间互不接触。
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2.2 腐蚀率计算
2.2.1 腐蚀试验现象
经过不同周期腐蚀后，钢材表面形貌特征不断发生改变，腐蚀后去除表面腐蚀产物，钢材表面受腐蚀影响出现不同程度不同大小的腐蚀坑，随着腐蚀周期的增长，试件表面腐蚀程度逐渐加深，腐蚀除锈前后试件表面形态如图 2-3~图 2-6所示。图 2-3~图 2-6 中，(a)图表示时间腐蚀一定周期后钢材表面形态，(b)图表示除锈后钢材表面形态，(c)图表示图（b）红色方框放大图像。
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3 Q345B 钢中性盐雾腐蚀后疲劳试验 .................................. 31
3.2 试验装置和试验方法 ........................... 32
4 基于灰色系统理论建立 Q345B 钢腐蚀后疲劳寿命预测模型 .............. 51
4.1 灰色系统理论 .............................. 51
4.2 灰数和灰色序列生成 .................. 51
5 Q345B 钢中性盐雾腐蚀后疲劳裂纹扩展试验 .......................... 62
5.1 疲劳裂纹扩展基本原理 .......................... 62
5.2 疲劳裂纹扩展试验材料尺寸 ................... 63
5 Q345B 钢中性盐雾腐蚀后疲劳裂纹扩展试验
5.1 疲劳裂纹扩展基本原理
由断裂力学研究表明，影响材料裂纹扩展的主要因素为裂纹尖端的应力强度因子 K，应力强度因子（SIF,K）主要描述了裂纹尖端区域的应力场的强弱。通过大量学者的研究工作表明，应力强度因子幅值△K 的变化与裂纹扩展速率（da/dN）存在一定的关系[104]，典型的 da/dN-△K 曲线如图 所示。
由图 5-1 可以看出，在对数坐标系中，da/dN-△K 曲线大致可以分为三个阶段，三个阶段都呈线性关系，主要差别在于斜率不同，因此可以划分为低速、中速和高速区。
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6 结论与展望
6.1 主要结论(Main Conclusions)
本文设计了盐雾腐蚀试验对 Q345B 钢材进行预腐蚀，测量盐雾腐蚀的腐蚀模型及相较大气暴露实验的加速比。通过室内常温拉伸试验，研究钢材力学性能的退化规律，并考虑腐蚀因素影响，修正钢材腐蚀后的本构关系模型。通过腐蚀疲劳试验研究了腐蚀率和应力比对钢材疲劳寿命的影响，并确定了应力幅值和腐蚀率的主要影响区间。通过疲劳裂纹扩展试验研究了钢材的裂纹扩展速率，拟合出 Paris 公式及其参数 C、m 值，研究板厚和腐蚀率对疲劳裂纹扩展速率的影响规律。通过试验研究，本文主要得出以下结论：
（2）由于腐蚀造成试件表面产生腐蚀坑，导致 Q345B 钢材的屈服强度和极限强度下降，根据实验结果拟合腐蚀率影响屈服强度规律为：σy=-2.484η+387；Q345B 钢材的极限强度拟合结果为:σu=-1.896η+519.3。随着腐蚀率增加，钢材本构关系曲线中屈服平台逐渐缩短，并且变得越来越不明显，材料塑性变形逐渐减小，伸长率降低。考虑腐蚀因素影响，引入参数 β 对腐蚀后钢材本构关系模型进行修正，修正结果与试验数据吻合度良好。
（3）对疲劳破坏试件断口分析，腐蚀影响试件表面裂纹产生形状，表面裂纹变成锯齿状向材料内部扩展，并随着腐蚀率的增加，试件疲劳破坏会产生两条甚至多条裂纹和从试件中间萌发裂纹现象。裂纹断口截面也不再平坦，变得起伏不规则，同时裂纹扩展的三个阶段界面划分不再明显，没有明显的过渡区域，在裂纹瞬断区，塑性变形减小。
参考文献（略）