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腐蚀对材料的拉伸强度和韧性的影响
发布:s0208_2016   时间:2016/7/26 9:55:50   阅读:458 
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概述:
不同类型的腐蚀对金属建筑材料有显著不同的影响。对容易腐蚀的结构在设计、建设和维护时应小心操作。
 
图片来源:Cecilia Lim/Dreamstime.com
 
现代建筑材料在建筑使用中表现诸多良好的机械性能,可以了解很多关于它们的特征和性能。然而,这个事情还远没有完成,因为新开发的材料,其性能仍然是未知的,因为发现了新的损伤机制,也产生了新环境下越来越多的先进应用和操作模式。

大多数这些性能都是用微观层面解释的,但经过无数次的试验,或是进行试用后其本质在宏观层面才最好理解。这些测试常采用标准化样本和测试设备,让我们能对各种特性,如材料的强度、韧性、硬度、弹性和延展性进行准确评估。所有这些性能互相依赖,只在描述材料的不同品质时有用——它们不是单独的、独立的机械性能。提到复合材料,整个过程变得更加复杂。

其中定义的最古老特性是材料的强度,它有两种形式:压缩强度和拉伸强度。拉伸强度是任何种类现代建筑中最重要的机械特性之一,它是材料在拉伸应力(材料在拉伸力作用下比在压缩力作用下更脆弱)下的断裂极限。如果不能准确知道这个值,就难以想象设计的结构在预知的安全系数下保证足够的可靠性。

为了确定腐蚀如何影响拉伸强度,需要考察两方面问题:
机械性能的本质
腐蚀对该性能的影响 

金属力学性能的本质
大多数情况下,所有目前定义的属性均由钢、铝合金等金属在建筑和工程使用中考察得到的。出于这个原因,建筑用钢是对这些机理和相互作用的最简单解释的一个典型例子。

此处有两个层面起作用:金属的晶格,包括许多按照相同排列模式的原子(通常是立方体,也有其他模式),在晶体层面,一个晶体结构由大量单个晶格组成。这些晶体大小不同,经常小到微观水平。

这里不必要过多讨论原子层面的基本问题:只想说,晶格是不完美的。有时,原子丢失或被其它原子取代(取代缺陷),或原子陷入晶格(间隙缺陷)内部,这些都对金属的性质有不同的重要影响。事实上,这些缺陷使我们通过合金化,机械和热处理以改变金属的特性成为可能,但这些单独影响的可见性比晶体水平更小。这里提到的缺陷即所谓的点缺陷,其它层面的,如线、平面或体缺陷,在一定程度上也一直存在。

材料的微观结构很不均一,即使在微观层面。结晶缺陷可以使材料的流动受限或妨碍裂纹扩展和变形,并带来残余应力和内应力。除了材料的化学成分,这些不均匀的晶格和晶体结构也是造成材料性能变化多端的原因。

研究和记录金属的每一个晶格并尝试在其基础上建立金属的属性几乎是不可能的。出于这个原因,观察颗粒的微观结构需要更谨慎。这些晶体是多取向的,具有不同的可能形状,内部结构和尺寸,这些都以某种方式影响材料的机械性能。通常,晶体越小,机械性能越好——这就是为什么,作为一条规则,高强度钢具有非常精细的显微组织。

根据定义,抗拉强度为“材料在张力下断裂的阻力。”在力学上,拉伸强度意味着材料在断裂之前能承受的应力值。材料断裂有不同模式;这取决于材料的类型,失效处是否可延展,材料经历塑性变形或没有预先形变的脆性破坏。

在原子水平,抗拉强度是原子与所施加外部作用力的晶格之间的吸引力的强度,它影响着材料在此方向上力的反作用大小。
 
腐蚀对材料结构的影响
已知腐蚀是材料的化学或电化学降解,它引起材料与环境的相互作用。对于钢,腐蚀通常源于氧的存在和电解质,例如水或盐水,在海洋环境或水管道中腐蚀是不可避免的。

在理论上,涂料、牺牲阳极和钝化可以减少或完全消除腐蚀,但不幸的是,在实际情况下,许多其他因素如温度、可变负载、振动和微生物活性的影响,大大减弱了这些保护方法的有效性。腐蚀对裂纹扩展的影响十分显著。

腐蚀对机械性能的影响表现为均匀腐蚀和点腐蚀,以及一些日常最常见的腐蚀方式。均匀腐蚀,正如其名,均匀地分布在出问题部分的整个表面。点腐蚀是一种高度局部腐蚀,当保护(钝化)层受到一点损坏就会导致点蚀的产生,其中局部电偶腐蚀经过非常复杂的机理而发生,即使表面层重新涂封。

评估均匀腐蚀对材料的结构强度的影响很直接。需要建立板或梁的厚度减少和重量损失数据,评估钢构件在给定载荷下新减少横截面的应力。该问题远远复杂于局部腐蚀,其中局部应力场发挥更大的作用,并直接影响材料本身的拉伸强度。

为了更好地说明这一点,研究人员对一个使用14年的散货船的保持框架上做了一项案例研究,表明:
标称抗拉强度和总伸长率的减少量与被腐蚀层的厚度(凹坑深度)成函数关系。随着构件的厚度由于腐蚀而减小,抗拉强度逐渐降低,而最大伸长率以更快的方式降低。标称抗拉强度不同于极限抗拉强度—一个是结构或其组件的属性,而另一个是材料的属性。在这种情况下,标称强度是指在原始的截面积下的最大载荷(这显然由于腐蚀而减少)。
点腐蚀造成构件的最大承载能力的减少比均匀腐蚀的大2.5倍。
测试小试样时,所允许的最大拉载荷仍可以通过材料的强度极限(乘以极限拉伸强度的横截面)来预测。
测试宽样品(板)时,应力集中引起局部塑性变形,并在紧邻较大凹坑处引起局部破裂。这意味着,对于裂纹萌生的应力阈值,宽样品比为小试样更低。
除了对拉伸强度的影响外,点腐蚀比均匀腐蚀对构件的抗弯强度有更大的不利影响。 

另一方面,由Almusallam完成的腐蚀钢筋的检查显示其延展性显著减少,并有超过12.6%的试样与对照相比,表现出相当的脆性行为。此外,这些钢筋条伸长率减小。到某种程度(当材料的40%以上被腐蚀)后,这些钢筋优先腐蚀,变薄和形成缺口部分相对较短,但这些可能归因于与腐蚀不相关的混凝土开裂以及环境因素。这种钢筋厚度减少显著降低了其承载能力,而其脆性失效模式由于加速材料裂纹扩展变得危险得多。
 
拉伸强度,韧性和脆性
尽管腐蚀对材料的极限拉伸强度具有边际效应,腐蚀与材料延展性降低及脆性增加有强烈的相互关系,这反过来又可以改变失效模式,从韧性变成更危险的脆性破坏。此外,因腐蚀造成的横截面的减小和应力集中可大大影响特定部件和整体结构的承载能力。

不同类型的腐蚀对构件有不同的重要影响,但可悲的是我们只能放缓手头工作对其进行具体分析。看似良性的腐蚀不去检查得话很危险,因此在设计、建设和维护容易腐蚀的结构时应格外小心。
 
翻译:Sarah
原文:corrosionpedia
原作:Nemanja Pavlovic
 
 
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