1浙江富钢金属制品有限公司313009；2恒达富士电梯有限公司313013
摘要：我国的钢结构建筑体系始于上世纪之初，到了20世纪70年代中期，由于钢材短缺，国家提出了节约建筑用钢的政策，即只有在钢筋源凝土无法取代的土建工程中才能够应用钢结构，这个时期的钢结构工程减少，技术发展缓慢。改革开放以来，以经济建设为中心，先进技术的引进大大推动了钢结构的发展，1997年钢材产量达到一亿吨，1999年轧制H型钢投产。此后，随着钢铁产业的不断发展和钢结构的新工艺、生产技术及现代结构设计理论的发展，钢结构工程的数量和规模达到了空前的发展，与之相对应的关于钢结构工程的安全问题也越来越引起人们的重视。本文首先分析了钢材锈蚀的机理，接下来详细阐述了局部锈蚀钢材的低周疲劳试验，最后对试验过程进行具体阐述。
关键词：锈蚀；钢材；低周疲劳性能；影响；分析
引言
锈蚀是钢结构耐久性退化的典型形式，特别是沿海桥梁，钢材锈蚀是钢桥的主要病害。钢材锈蚀不但影响钢板的有效截面积，减少了钢板的有效截面积，而且产生蚀坑引起的应力集中使钢构件在车辆、地震等反复荷载作用下较早地萌生裂纹，从而减少了结构的使用寿命和超低周疲劳寿命。迄今已有一些学者对锈蚀钢筋在单调拉伸以及反复荷载作用下的力学性能进行了试验研究，验证了钢筋的累计耗能性能、延性以及低周疲劳性能随着锈蚀程度增加而下降，认为锈蚀对钢筋承载能力和疲劳力学特性有不可忽视的影响。
1钢材锈蚀的机理
常温下钢材的腐蚀主要是电化学腐蚀。钢材在潮湿的空气中，一般是指在临界湿度60%～70%W上，其表面由于吸附大气水分而形成了一层极薄的水膜，由于表面成分或者受力变形等的不均匀，使邻近的局部产生电极电位的差别，形成了许多微电池。另一方面，钢材及其防腐涂层在污染大气、水、盐离子等腐蚀性环境的作用下，会导致防腐涂膜遭到局部破坏从而解除对钢材的完全屏蔽作用，大气环境中的氧气和水即可顺利扩散或渗透到钢材的表面，从而造成钢材的锈蚀。
2局部锈蚀钢材的低周疲劳试验
2.1试验方案
通过电化学加速锈蚀方法获得局部锈蚀的钢材试件，并分别对24个锈蚀试件和2个光滑试件进行恒应变控制下的低周疲劳试验，以研究局部蚀坑对钢材低周疲劳寿命的影响，并对比探讨光滑试件与锈蚀试件的低周疲劳特性，主要工作如下：（1）对2个试件进行单向拉伸试验，测得材料的基本试验参数。（2）24个试件进行电化学加速铸蚀试验，使试件产生局部锈蚀，测量并记录各试件的局部蚀坑二维尺寸。（3）对24个锈蚀试件及2个光滑试件进行恒应变幅控制下的低周疲劳试验。
2.2试验步骤设计
（1）试件的处理：对需要锈蚀的试件均作环氧树脂密封处理，在环氧树脂完全硬化之前在试件中部按预定的尺寸挖凿圆孔至试件表面。对试件端头焊接连接导线后，再用环氧树脂密封端头位置并缠上防水胶带。（2）连接钢材试件锈蚀试验装置：将钢材试件串联后浸泡于5%的NaCl溶液中，连接电极。将试件与电源的正极相连，电源负极与置于塑料容器内的铜片相连。（3）电化学加速锈蚀：达到锈蚀时间后，关闭电源，断开试件与电源相连的导线，取出锈蚀试件，除去试件表面的环氧、胶带等，涂凡士林待加载。（4）试件在试验机上的安装：打开电脑控制台，将电脑与试验机联接。打开试验机油阀开关，在温度达到30℃后打开循环冷却水泵。设置相应的保护参数以防止引伸计在试验过程中发生破坏。开启试验机夹头开关，调整位置后夹持试件，试件的两端夹持端应当尽可能等长度地伸进夹头，以避免出现试件受力不均匀的情况。（5）安装引伸计装置：将引伸计固定在钢材试件上，用引伸计精准控制试件加载时的应变幅值，获取标距内的试件应变值，将轴向、扭转的位移及应变设置清零，从而保证试件处于初始状态。（6）设置试验参数并加载：在计算机的工作目录下建立相应的工作文件，设置应变幅值、频率和加载波形等试验参数。完成准备工作后点击屏幕上的"试验"按钮开始试验，通过实验实时曲线窗口读取力、位移、应变等数据，并注意及时观察试件的变形情况。（7）结束低周疲劳试验：待试件出现裂纹时，拆除引伸计改用位移控制加载。试件最终断裂后，载荷归零，拆除破坏试件。
3试验过程
3.1锈蚀试件的处理
在对试件通电之前需要对待锈蚀的试件用环氧树脂密封，其中试件的两个端头截面不涂布环氧，在环氧树脂完全硬化之前（一般在十二个小时左右）在钢材拟定的锈蚀部位即试件中央位置的环氧层上凿取圆孔至钢材表面，便在锈蚀试验时生成的蚀坑在试件上的位置相对固定。所取圆孔的直径按试验方案分别取为5mm、6mm和8mm，在环氧层上取孔时要特别注意不能在钢材表面留下刮痕，以免对后面的疲劳加载试验产生影响。在试件的环氧层凿取预定尺寸圆孔后，处理干净试件的两个端头面，在其两端各焊接一段引出导线：用200W的电烙铁将电线的铜拉导线焊接到钢材试件上，并用防水胶带将两个端头位置包裹，再用环氧树脂对两个端头做密封处理（这样是为了避免密封不严导致试件其它部位也发生锈蚀以及避免端部导线的锈蚀）。将预定蚀坑直径相同的8个试件分A、B两组分别串联（为了保证每个试件的电流密度相同）。
3.2试件电化学加速锈蚀
通电试验分六批进行，每次将预定蚀坑直径相同的8个试件中的一组（分A、B两组）按照串联的方式用试件端头的引出导线连接起来。然后将试件一端的导线与直流稳压稳流电源的正极的相连，将放置在塑料容器中的铜片与电源负极用导线连接起来。洪乃丰研究总结了钢材在不同浓度盐水中的腐蚀速率，发现钢材的腐蚀速率并不随盐水浓度的提高而加快，而3%～6%的NaCl水溶液的腐蚀性最强，一般做钢材的腐蚀试验，常用3%～5%的NaC1水溶液是可行的，因此本文为了提高腐蚀速度，用天平按1：19的比例称量氯化钠和水，配制浓度为5%的NaCl溶液，将配制好的溶液倒入塑料容器中没过试件，最后接通电源。按照稳压稳流电源的使用说明，在打开电源开关之前，应将电源的电压调节至最大，电流调节至最小；开启电源后，应缓慢转动电流的粗调旋钮达到试验预定的电流强度值可观察到负极表面开始不断冒出细密的小气泡，正极钢材试件表面的裸露圆形区域逐渐被黑色铁锈覆盖，这意味着试件己经在电流作用下开始锈蚀。盐溶液颜色随着锈蚀的进行逐渐由无色转变为黑褐色。
3.3电化学加速锈蚀试验结果
试件全部锈蚀完成后，将试件表面的防水胶带、环氧树脂去除，去除后试件。用稀盐酸酸洗试件除去锈蚀坑处的表面浮锈，酸洗后用清水洗净。再用石灰水中和去除试件表面的余酸，最后用清水洗净烘干，将试件表面涂上凡士林保存待加载。
结语
锈蚀钢材尤其是局部锈蚀的低周疲劳性能研究是非常复杂的问题，需要不断的深入研究，希望通过本文的分析，为我国锈蚀对钢材低周疲劳性能的影响的分析研究做出贡献，同时希望给行业内人士以借鉴和启发。
参考文献：
[1]中国航空工业总公司.GB/T15248-2008金属材料轴向等幅低周循环疲劳试验方法[S].北京：中国标准出版社，2008.
[2]程育仁，谬龙秀等.疲劳强度[M]，北京：中国铁道出版，1990.
[3]钟宏伟，徐善华，李军，等.锈蚀钢构件安全评定指标初探[M].水利与建筑工程学报，2010，8口）：6-8.