预应力钢丝的应力腐蚀及防治措施

李锦华

(淮北职业技术学院,安徽淮北 235000)

预应力钢丝的应力腐蚀及防治措施

李锦华

(淮北职业技术学院,安徽淮北 235000)

长期以来,冷拉预应力钢丝的应力腐蚀问题并未引起人们的足够重视。本文从产生应力腐蚀的机理出发,分析产生应力腐蚀的原因以及影响应力腐蚀的因素,提出了应从钢材内部条件和外部条件两方面进行防治的防治对策。

预应力钢丝;应力腐蚀;防治措施

改革开放以来,我国国民经济迅速发展,综合国力逐年增强,建筑业得到了蓬勃发展,建筑法律、法规逐步完善,特别是我国加入WTO以来,建筑工程管理走上了法制轨道,但由于有些专业技术人员和管理人员缺乏质量意识或者技术水平不高,各种工程质量事故时有发生。虽然建筑工程质量事故发生的原因是多种多样的,但由于使用劣质工程材料引起的工程质量事故还是经常出现的,各级管理部门对工程材料的把关管理都得到足够的重视。在预应力构件生产过程中,对预应力钢筋、水泥、砂、石子、各种锚、夹具等的采购、验收、保管、使用基本上都能够严格把关,但是预应力钢丝的应力腐蚀问题并未引起人们的足够重视,本文对预应力钢丝的应力腐蚀问题,从产生应力腐蚀的机理出发 ,分析了产生应力腐蚀的原因以及影响应力腐蚀的因素,提出了防治对策。

1 金属的应力腐蚀现象及腐蚀机理

1.1 什么叫应力腐蚀

处于腐蚀性溶液和气氛下工作的金属,在机械应力和腐蚀介质共同作用下,在远低于屈服强度的条件下,发生突然的、没有形变预兆的破裂现象,称为应力腐蚀,也称为低应力脆断或应力腐蚀破裂。

应力腐蚀开裂具有脆性断口形貌,发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力(不论是残余应力还是外加应力,或者两者兼而有之)和特定的腐蚀介质存在。型纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。这个导致应力腐蚀开裂的应力值,要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的应力值小得多。在微观上,穿过晶粒的裂纹称为穿晶裂纹,而沿晶界扩展的裂纹称为沿晶裂纹,当应力腐蚀开裂扩展至某一深度时,则材料就按正常的裂纹而断开。一般应力腐蚀都属于脆性断裂。

1.2 应力腐蚀机理

金属的应力腐蚀破裂是电化学腐蚀和应力的机械破坏互相促进的结果。

金属的应力腐蚀破裂过程一般可分为三个阶段。第一阶段为孕育期,因腐蚀过程的局部化和拉应力的结果,使裂纹生核;第二阶段为腐蚀裂纹发展期,使裂纹扩展;在第三阶段中,由于拉应力的局部集中,裂纹急剧生长导致材料的破坏。

金属的表面缺陷(划痕、小孔或缝隙存在)部位的电位比其他部位低,成为活性点,为应力腐蚀提供了裂纹核心。材料表面的裂纹核心,在特定介质(含活性阴离子,尤其是氯离子)和拉应力的联合作用下,将产生塑性变形,导致表面钝化膜破裂,新裸露的金属表面相对于钝化表面的电位变负,形成一个面积特别小的阳极,以较大的腐蚀电流迅速溶解成为蚀坑。腐蚀电流流向坑外,即流向阴极,在阴极上发生如下反应:

如蚀坑沿着滑移线和拉应力垂直的方向发展为微观裂纹,就完成了裂纹的孕育阶段。

微观裂纹形成后,裂纹尖端产生应力集中,高的集中应力使裂纹尖端及附近区域屈服变形,微观滑移再次破坏尖端表面膜,使尖端又一次加速溶解。这些步骤连续交替进行,裂纹便不断向深处扩展。这就是裂纹的扩展阶段。

随着裂纹扩展阶段的进行,拉应力逐渐增大,应力集中就愈大,导致裂纹的迅速扩展,最后导致材料的破坏。

2)分析数据。这个过程需要进行抽象，将S表示为分数和，Max表示最大值，Min表示最小值，df是最终计算结果，平均数。

2 预应力钢丝的应力腐蚀现象及防治措施

预应力钢丝及钢绞线的应力腐蚀是在应力和腐蚀复合作用下的应力腐蚀(属电化腐蚀范畴),其特点是在金属内部先形成裂纹,内裂纹发生后便形成应力集中,加速裂纹的发展,它是一种没有征兆的脆性断裂。在工程中一旦出现,后果将是灾难性的。

2.1 影响应力腐蚀的因素

根据深圳华油五金塑胶制品有限公司总工程师胡坚石同志的研究,影响应力腐蚀的因素主要由内外两种因素组成。

2.1.1 内部因素

钢中含氢量对应力腐蚀的影响。钢的各种冶金敏感性(包括晶粒大小、晶粒取同、形态、相结构、各种缺陷、加工状态等)都将影响到钢的应力腐蚀能力。冶炼过程中熔入钢水中的气体,随钢坯的凝固而存在于钢锭中,它们对钢的力学和化学性能产生有害影响。尤其是以原子态存在于钢中的氢,其危害性更大。在外力作用下(例如轧制、拉拔等),氢原子将化合成氢分子,由于分子氢的体积远大于原子氢,在钢的内部便会产生巨大的压力,当此压力超过钢的强度极限时,钢便产生了微裂纹(此裂纹存在于钢的内部,称为白点)。这一微裂纹有可能在随后的酸洗、拉拔或施加预应力时得到扩展而导致钢丝断裂。

另一方面,对于冷拉钢丝而言,环境介质中的氢也能在一定条件下以原子的形态透过钢的表面而进入钢的内部,在应力的作用下,引发钢的氢脆现象。应力越大,则氢脆越严重。其原因在于冷拉能增加缺陷浓度,因而能大大提高氢的聚集程度。同时,冷拉钢丝的表面形成的钝化膜不具有保护性,有可能导致局部腐蚀的过早形成,在应力或应变的作用下,产生了应力腐蚀开裂。

因此,对冷拉预应力钢丝而言,严格控制钢中及钢丝在使用环境中的氢含量,具有特别重要的意义。

一般对于使用冷拉状态的钢丝,要求w(H)不得大于3.5×10-6,最好控制在1×10-6以下。

2.1.2 外部因素

(1)拉拔造成的附加有害内应力。预应力钢丝在拉拔过程中,由于设备性能落后,尤其是冷却能力不够,拉拔工艺编排不当或操作不规范;磷化质量不佳,润滑不好,使拉拔力过大,拉拔热过高等都将给钢丝增加有害附加应力。产生了有害附加应力的钢丝是能检测出来的。与正常钢丝相比较,产生了有害应力的钢丝表现出如下特征:①断面收缩率小。按正常工艺生产出来的钢丝,其断面缩率一般应大于35%。如果成品钢丝的断面缩率小于35%,则应认为在某一环节上出现了问题。②抗拉强度过高。合格钢丝的选材和工艺确定后,其抗拉强度的波动范围一般应能控制在200Mpa以内;如果强度波动范围大大超过此范围,则可初步判定拉拔工艺失控。③扭转性能不合格。合格的钢丝,作360°单向扭转时,不仅扭转次数应合格,且扭转断口应平整并垂直于轴线;附加过大有害应力的钢丝,虽然其扭转次数可能合格,但其断口有可能出现不平整、劈裂、或式样表面呈现肉眼可见的螺旋形裂纹。

(2)环境因素对应力腐蚀的影响。对预应力混凝土构件中的钢丝而言,其主要环境介质是混凝土。由于混凝土不能完全隔水,那么,当满足有足够的单体氧原子、有足够的氯化物(700×10-6以上)使钢丝产生敏化作用、有水分存在三个条件时,就有可能产生应力腐蚀。也就是说,如果钢丝周围有足够的氯化物存在,而环境又是无数次“干燥”与“潮湿”循环交替状态,就有可能促使应力腐蚀的加速形成。除了氯化物的影响以外,还有下述因素也能促使应力腐蚀的发展,而导致钢丝失效。①在高pH(8～10)和近中性pH环境中,可产生应力腐蚀开裂,尤其是浓碳酸盐和碳酸氢盐可导致钢丝产生腐蚀裂纹。②阴极保护不当。在一些重要管道上,采用了阴极电流防蚀系统,以缓解局部腐蚀和均匀腐蚀。然而,过电压使氢较易析出,导致氢进人钢中引起氢脆。文献[1]指出:当电位在-0.52～0.78V(相对氢电极)时,钢丝将受到可靠的保护。但实际上,由于钢丝存在缺陷,其周围电位变化较大,常使材料的电位落在应力腐蚀的敏感区内。为此,建议采用化学方法进行保护,即用锌为正极形成电流保护。由于锌元素有防止过电压的作用,凡采用锌为正极的防蚀系统基本上未出现问题。③力学性能。只有当拉应力大于钢丝的应力腐蚀临界值时,应力腐蚀裂纹才会扩展。这个拉应力既可以是外加应力,也可以是钢的残余应力。如果钢丝存在裂纹,或表面存在氧化皮,或周围存在腐蚀环境等,都将导致门槛应力大大降低。

2.2 防治措施

防治措施可从钢材的内部条件和外部条件上进行。

2.2.1 内部条件

从钢材的内部条件上,要求该类钢材必须经过炉外精炼,已纳入《预应力钢丝及钢绞线用热轧盘条》(YB/T146-1998)的标准条款,并在疏、磷、铜杂质含量上加以严格控制,在盘条的表面缺陷上也应加以严格控制。

2.2.2 外部条件

(1)设置预应力钢材的防腐镀(涂)层,按保护层的种类,可分为非金属保护层(称为涂层),化学保护层和金属保护层(称为镀层)三类。预应力钢材的非金属涂层主要有塑料,环氧树脂和防腐油脂三种,由于其工艺装备比较简单,投资低,易于上马。化学保护层:在金属表面形成保护层,如锌层的钝化、铝层的氧化、铁基的磷化等。该类保护层往往不是作为单一的钢材保护层,而是与金属镀层兼并使用。金属保护镀层:在电化腐蚀中,处于阳极的金属首先被溶解,为此在钢丝表面镀以较铁活泼的金属,如锌、铝等。在腐蚀介质的环境中,使锌首先被溶解而保护铁基,称为阳极镀层保护。由于镀锌(或锌-铝合金)在金属防腐中具有良好的结果和成熟的工艺装备,因此被预应力钢材广泛使用。

(2)为了避免拉拔不当引起的应力腐蚀,美国材料试验协会ASTMA648“预应力混凝土管道用冷拉钢丝”标准中,特别作出如下规定:

①严格控制冷拉温度。该标准指出:当拉拔热过大,例如钢丝出模温度在 204℃时超过 5s或出模温度在182℃时超过20s,就将对钢丝产生有害影响。②对符合公称强度的钢丝,规定了钢丝的最小拉力值和最大拉力值。其目的是控制拉拔工艺,使强度波动范围控制在不致产生过分有害的程度。③控制扭转断口的形貌。凡是断裂的试样呈现出螺旋形劈裂,或在钢丝表面上产生了用手指能触摸到的错位时,都应进行复试。

[1] 胡坚石.预应力钢丝的应力腐蚀[J].金属制品,2002,28(2):528.

TU511.3+2

A

1671-8275(2010)03-0057-02

2010-02-21

李锦华 (19622),女,淮北职业技术学院工程师。研究方向:混凝土施工。

责任编辑:訾兴建