腐蚀性风化钢对接焊缝的疲劳损伤演变及评估方法

《Journal of Building Engineering》：Fatigue damage evolution and assessment method of corroded weathering steel butt-welded joints

耐蚀钢焊接接头海洋环境腐蚀疲劳性能研究，通过电化学加速腐蚀与轴向拉伸疲劳试验，结合数字图像相关技术和三维激光扫描，揭示腐蚀形貌与疲劳损伤演化规律，提出损伤严重性因子量化腐蚀疲劳损伤，建立融合腐蚀深度与应力范围的S-N曲线模型，为耐蚀钢桥梁耐久性设计提供理论支撑。

　　

作者：翟宇杰、郝正、卢伟、史林泽、祝平

单位：宁波大学土木工程系，中国宁波315211

摘要

由于具有高强度和优异的耐腐蚀性，耐候钢（WS）在桥梁工程中得到了广泛应用。然而，大多数现有研究都集中在非海洋环境下的疲劳性能上，而耐候钢焊接接头在海洋条件下的腐蚀疲劳行为尚未得到充分探讨。本研究对基材和对接焊缝试样在三种不同腐蚀程度下的电加速腐蚀试验进行了研究，随后进行了轴向拉伸疲劳试验，并使用数字图像相关（DIC）技术监测了表面应变场。通过三维激光扫描对腐蚀形态和坑洞深度进行了表征，并提出了一个损伤严重程度因子来量化腐蚀疲劳损伤的演变过程。扫描电子显微镜（SEM）用于分析断裂表面并阐明疲劳裂纹的起始机制。系统研究了坑洞深度和应力范围对疲劳寿命的影响。结果表明，腐蚀坑洞在钢表面随机分布，且随着腐蚀程度的增加，坑洞深度也随之增加。最大腐蚀深度与腐蚀程度之间的关系呈指数趋势，而平均坑洞深度与腐蚀程度之间的关系呈线性关系。腐蚀疲劳过程可分为四个阶段：损伤积累、裂纹起始、裂纹扩展和最终断裂。较高的腐蚀程度会导致裂纹更快地生长，并从单一裂纹起始点转变为多裂纹起始点。焊接接头的大多数疲劳失效发生在焊缝金属和基材区域，而在热影响区观察到的疲劳失效较少。基于坑洞深度的S-N模型为海洋环境中耐候钢桥梁细节的腐蚀疲劳评估和初步耐久性设计提供了实用框架。

引言

由于重量轻、强度高、施工效率高和环境可持续性等优点，钢桥在公路和铁路干线建设中得到了广泛使用。然而，腐蚀仍然是限制钢桥耐久性的关键因素，可能导致结构部件损坏和过早退化[1]、[2]、[3]。根据发达国家的统计数据显示，由于钢腐蚀造成的年经济损失约占国民生产总值的4%，全球损失达数万亿美元[4]。这种退化不仅影响钢桥的安全性能，还显著增加了其生命周期成本。

大气耐腐蚀钢的发展，特别是耐候钢（WS），大大缓解了钢结构中的腐蚀相关问题。WS是一种特殊的低合金钢，通过在低碳钢中添加铜和镍等元素来提高其耐腐蚀性[5]、[6]、[7]、[8]。在交替的湿-干环境中，钢表面会形成致密且附着力强的锈层，有效抑制了腐蚀的深入发展，显著降低了腐蚀速率[9]、[10]、[11]。WS的耐腐蚀性随时间提高，据报道其耐腐蚀性是普通碳钢的1-7倍[12]。此外，WS无需涂覆保护层，减少了维护要求，并节省了劳动力和能源。它还具有良好的机械性能，包括高强度、良好的韧性和卓越的耐腐蚀性[13]。从快速施工、全生命周期成本和环境影响的角度来看，WS在桥梁应用中具有显著优势[14]。由于现场暴露试验持续时间较长，通常采用室内加速腐蚀试验来模拟WS在各种环境条件下的大气腐蚀行为，包括农村、工业和海洋大气[15]、[16]、[17]。然而，WS在沿海地区的应用仍然具有挑战性。氯离子的存在会导致均匀腐蚀和局部点蚀的结合，从而加速了机械性能的恶化[18]。

焊接在钢桥建设中得到广泛应用，因为它具有材料效率和易于制造的优点。然而，焊接过程引入了微观结构不均匀性和残余应力，这些因素可能对结构完整性产生不利影响[19]、[20]、[21]。在腐蚀环境中，这些缺陷会加剧，可能导致局部退化和焊缝开裂。焊接接头的腐蚀行为特别复杂，因为它们由基材（BM）、焊缝金属（WM）和热影响区（HAZ）组成，每种材料具有不同的微观结构和耐腐蚀性[22]。在焊缝区域及其周围主要观察到严重的点蚀现象，BM、HAZ和WM之间的腐蚀速率有显著差异[23]、[24]、[25]。通常，WM表现出较高的耐腐蚀性，而HAZ最容易受到局部腐蚀和点蚀的影响[26]、[27]。最近的研究探讨了WS焊接接头在模拟海洋和除冰盐条件下的腐蚀行为。包括盐雾试验、循环湿-干暴露和循环浸渍加红外干燥在内的加速试验揭示了不同焊缝区域的耐腐蚀性存在显著差异[28]。腐蚀过程是时间依赖的，坑洞的生长和几何形状通常遵循正态分布、对数正态分布和威布尔分布[29]、[30]、[31]。为了模拟这些现象，已经开发了随机和数值重建方法来模拟坑洞的起始、合并和生长，从而为腐蚀损伤评估和耐久性预测提供了有价值的工具[32]。尽管如此，特别是在循环载荷下，从坑洞到疲劳裂纹的转变仍不够清楚。

大量研究关注了腐蚀坑洞对疲劳性能的影响。坑洞倾向于在非金属夹杂物附近或晶格畸变较大的贝氏体微观结构中形成。在低循环载荷下，这些特征会导致局部非弹性屈曲，加速循环软化并降低疲劳强度[33]。在模拟的沿海-工业条件下，WS特别容易受到氯离子引起的点蚀，导致腐蚀疲劳寿命显著降低。为了解决这个问题，蔡等人[34]提出了几种裂纹起始模型和预腐蚀Q690qE钢的疲劳寿命预测框架，后续研究进一步表明疲劳微裂纹可能起源于主要腐蚀坑洞的底部。徐和王[35]使用非破坏性预测方法和三维表面轮廓测量以及有限元建模研究了腐蚀钢板的疲劳寿命，发现尖锐且相互作用的坑洞比单个或浅坑洞更具破坏性。尽管坑洞深度通常被视为关键预测因子，但裂纹并不总是从最深的坑洞开始形成，这表明坑洞几何形状和裂纹形成之间存在复杂的相互作用[36]、[37]、[38]、[39]。多尺度表征显示，裂纹尖端附近的位错结构促进了局部腐蚀并加速了裂纹扩展。基于这些发现，需要更先进的腐蚀疲劳模型来更准确地捕捉失效机制[40]。

在焊接结构中，腐蚀疲劳失效模式通常包括腐蚀坑洞、焊趾、内部焊接缺陷和随机分布的裂纹起始点[41]、[42]。实验结果一致表明，腐蚀显著降低了疲劳寿命，且退化趋势与坑洞深度相关[43]。冯等人[44]研究了不同焊接配置的焊接接头的疲劳性能，长期腐蚀暴露下横向和纵向焊缝的疲劳寿命分别降低了49.57%和75.56%。此外，岳等人[45]研究了高强WS在盐雾条件下的腐蚀疲劳行为，发现坑洞形态的演变对疲劳寿命有重要影响。腐蚀坑洞是主要的裂纹起始点，导致多源断裂特征[32]、[46]、[47]、[48]。已经建立了3D坑洞形态参数与疲劳寿命之间的定量关联，为海洋环境中的耐疲劳WS结构设计提供了指导。基于法拉第定律和NASGRO方程的先进预测模型已被引入，以区分腐蚀驱动的起始阶段和随后的疲劳裂纹扩展阶段。这些模型在估计不同腐蚀和载荷条件下的WS结构剩余寿命方面被证明是有效的[49]、[50]、[51]。当前的疲劳设计规范建议降低腐蚀环境中的WS桥梁允许应力范围[52]。然而，它们未能充分考虑均匀腐蚀和点蚀损伤的影响，从而限制了它们对腐蚀WS焊接接头的适用性。

为了解决这一差距，本研究调查了海洋环境中WS焊接接头的腐蚀疲劳行为。对基材和对接焊缝试样在不同腐蚀程度下进行了电加速腐蚀试验，并进行了轴向拉伸疲劳试验，使用数字图像相关（DIC）技术监测了应变场。通过三维激光扫描对腐蚀形态和坑洞深度进行了表征，并引入了一个损伤严重程度因子来量化腐蚀疲劳损伤的演变过程。扫描电子显微镜（SEM）用于分析断裂表面并阐明裂纹起始机制。系统研究了腐蚀损伤和施加应力范围对疲劳寿命的综合影响。所得的腐蚀疲劳评估参数为海洋环境中WS桥梁的长期耐久性设计提供了理论见解和实际指导。

实验部分

试样制备

本研究使用的WS等级为HPS 345WF FCM。试样被制成16毫米厚的基材和对接焊缝样品，如图1和图2所示。为了直接比较基材和焊接接头，两种类型的试样都制备成相同的尺寸。焊接试样采用二氧化碳气体保护焊接工艺设计，焊缝加强高度为2毫米。所使用的焊丝为CHW-55CNH。

腐蚀形态结果

为了表征3D腐蚀形态并获得腐蚀试样的坐标数据，使用了一种扫描精度为0.02毫米的非接触式3D激光扫描仪，满足本研究中腐蚀评估的分辨率要求。如图5所示，进行了多角度扫描以解决表面遮挡问题。两次扫描的点云数据使用Geomagic Wrap软件对齐并合并，生成了完整的3D腐蚀表面模型。

S-N曲线

为了定量评估不同腐蚀程度下WS的疲劳性能，通过拟合所有测试试样的实验数据建立了疲劳寿命（N）与应力范围（ΔS）之间的关系，通常用幂律函数表示：$$

使用方程（6）对疲劳数据进行了线性回归

结论

本研究通过结合加速腐蚀试验、疲劳试验和基于DIC的应变监测，系统研究了不同腐蚀程度下WS基材和对接焊缝试样的腐蚀疲劳行为。使用三维扫描和SEM分析了腐蚀形态、坑洞深度和断裂机制，并提出了一个损伤严重程度因子来量化疲劳损伤的时空演变。主要结论如下：

(1)

对接焊缝表现出

作者贡献声明

卢伟：软件、方法论、调查、概念化。史林泽：可视化。翟宇杰：写作——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、软件。郝正：正式分析、数据管理。祝平：监督

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

利益冲突声明

作者声明他们与本工作没有利益冲突。我们声明我们没有任何与提交的工作相关的商业或关联利益。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（52508350）、浙江省自然科学基金（LY24E080001）、宁波市公益研究计划项目（2024S082）、宁波大学“杰出青年学者”力学交叉学科基金（ZX2025000401）以及宁波大学K. C. Wong Magna基金的支持。