1、2023.3,3（2）|专题:桥梁用高性能钢材桥梁缆索热镀钢丝的应力腐蚀性能研究张泽灵1，王林烽2，罗国强3，谢正元4，方峰1，蒋建清1，5（1.东南大学材料科学与工程学院，江苏 南京 211189；2.宝钢集团南通线材制品有限公司，江苏 南通 226002；3.上海浦江缆索股份有限公司，上海 201314；4.柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州，545005；5.南京林业大学机械电子学院，江苏 南京 210037）摘要：作为大跨度桥梁的主要承载材料，桥梁缆索用热镀钢丝应具有良好的力学性能和抗应力腐蚀性能。钢丝强度不断提升，应力腐蚀敏感性也不断增加。热镀钢丝的抗应力腐蚀性能已成为影响高强度
2、钢丝应用的关键参数之一。采用 FIP 试验和电化学方法，研究了强度等级和表面质量对热镀钢丝应力腐蚀敏感性的影响，并分析了应力腐蚀断口形貌。结果表明，1860 MPa 级和 2060 MPa级桥梁缆索用热镀钢丝的应力腐蚀断裂时间相当，但 2060 MPa级钢丝的应力腐蚀时间更加离散；钢丝表面越粗糙，应力腐蚀敏感性越强；2060 MPa级钢丝表面采用 800目砂纸打磨后，应力腐蚀断裂时间明显缩短。应力腐蚀断口形貌分为裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区，裂纹主要起源于表面。在现有成分体系和生产工艺条件下，2060 MPa级桥梁缆索用热镀钢丝应力腐蚀性能尚能满足应用要求，但更高强度钢丝的应力腐蚀性能有待于深
3、入研究。关键词：桥梁缆索；热镀钢丝；应力腐蚀；成分；表面质量Study on stress corrosion properties of hot-plated steel wire for bridge cableZHANG Zeling1,WANG Linfeng2,LUO Guoqiang3,XIE Zhengyuan4,FANG Feng1,JIANG Jianqing1,5（1.School of Materials Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China；2.Baosteel Group N
4、antong Wire Products Co.Ltd.，Nantong 226002，China；3.Shanghai Pujiang Cable Co.Ltd.，Shanghai 201314，China；4.Liuzhou Overeem Machinery Co.Ltd.，Liuzhou 545005，China；5.College of Mechanical and Electronics，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）Abstract：As the main bearing material of long-spa
5、n bridges，hot-dip galvanized steel wire should have good mechanical properties and stress corrosion resistance.With the increase of steel wire strength，the stress corrosion sensitivity is also increasing.The stress corrosion resistance of hot-dip galvanized steel wire has become one of the key param
6、eters affecting the application of high-strength steel wire.In this paper，the effect of strength grade and surface quality on the sensitivity of stress corrosion of hot-dip galvanized steel wire is investigated by FIP test and electrochemical method.The fracture morphol-中图分类号:TU511.3+2；U443.38 文献标志码
7、:A 文章编号：2097-017X（2023）02-0020-07收稿日期：2023-02-21基金项目：国家自然科学基金资助项目（52171110）；江苏省先进金属材料高技术重点实验室课题（AMM2020A02）。第一作者简介：张泽灵（1996），女，博士。研究方向：高性能金属材料。通讯作者简介：方 峰（1976），男，博士，教授。研究方向：高性能金属材料。20桥梁缆索热镀钢丝的应力腐蚀性能研究 张泽灵 等ogy of stress corrosion is analyzed.Experimental results show that the stress corrosion fractu
8、re time of 1860 MPa grade and 2060 MPa grade steel wire for bridge cable is similar，but the stress corrosion time of the latter is more discrete.The rougher the steel wire surface is，the higher the stress corrosion sensitivity will be.As the surface of 2060 MPa steel wire is polished with 800 mesh a
9、brasive paper，the stress corrosion fracture time is significantly shortened.The fracture morphology can be divided into crack source region，crack propagation region and transient fracture region.The crack mainly origi-nates from the surface.Under the existing composition and production process condi
10、tions，the stress corrosion performance of 2060 MPa hot-dip galvanized steel wire can meet the application require-ments.However，higher strength wire should be further investigated.Key words：bridge cable；hot-dip galvanized steel wire；stress corrosion；composition；surface quality1简 介现代化大跨度桥梁要求桥梁缆索用热镀钢丝
11、的强度不断增加，但是钢丝强度的提高可能带来安全隐患1。Elices等2的研究表明，当冷拔钢丝的强度超过 2000 MPa时，其应力腐蚀敏感性显著提高。日本新日铁公司内部交流资料也表明，当桥梁缆索钢丝的强度等级从 1960 MPa 上升至 2060 MPa 后，钢丝的氢致延迟断裂风险急剧增加。桥梁缆索用热镀钢丝服役过程中还受到高拉伸应力作用，发生环境辅助开裂的可能性显著增加，进而引起安全事故或经济损失3。虽然我国研发的桥梁缆索用热镀钢丝强度等级已达 2100 MPa 级4，但是研究主要关注钢丝强度的提升和扭转性能的提高，钢丝使用过程中面临应力腐蚀开裂的风险未引起足够的重视。Lv 等5研究了三种高
12、碳钢丝的应力腐蚀性能，发现添加Mn，Cr和 Cu 等合金元素可改善钢丝在应力腐蚀条件下的耐蚀性。钢丝表面质量也是影响应力腐蚀性能的主要因素之一，Toribio 等6研究发现缺口深度比缺口半径对桥梁缆索钢丝应力腐蚀性能的影响更大。其中，浅缺口适用于检测表面效应，深缺口适合分析氢渗透的影响7。但现有研究对象中，要么钢丝的强度等级较低，要么钢丝未经过热浸镀锌合金涂层处理和稳定化处理，冷拔钢丝的微观组织结构与桥梁缆索用热镀钢丝存在明显差异8-10。本文将针对道路与桥梁工程中的耐久性和安全性问题，探讨桥梁缆索热镀钢丝的应力腐蚀性能，重点关注强度等级和表面质量的影响。2试 验试验用钢丝样品是市场商用钢丝，
13、选用了两种不同的强度等级，成分如表 1所示，生产工艺流程如图 1所示。桥梁缆索热镀钢丝纵截面的 SEM 照片如图2（a）所示。图 2（b）所示为酸洗后退镀钢丝表面出现的锯齿状溶解区域。为了比较表面质量对钢丝应力腐蚀敏感性的影响，先将 2060 MPa 级钢丝酸洗，然后分别用不同等级的砂纸手工打磨 3 min，接着用表面轮廓仪（Veeco公司，Dektak150型）测量打磨后样品表面的粗糙度。桥梁缆索用热镀钢丝在服役环境中遭受两种不同机制的应力腐蚀，主要失效机制是氢脆12。为了评估钢丝的应力腐蚀敏感性，国际预应力混凝土联合会（FIP，Lausanne，Switzerland）于 1978年提出了
14、一种基于硫氰酸铵溶液（NH4SCN）的 FIP 测试，并于表 1不同强度等级钢丝的化学成分强度等级1860 MPa2060 MPaw（C）/%0.870.92w（Si）/%0.221.25w（Mn）/%0.750.60w（P）/%0.0150.020w（S）/%0.0100.015w（Cr）/%0.150.30w（Cu）/%0.100.05w（V）/%0.040.02w（Fe）/%Bal.Bal.图 1不同强度等级钢丝的生产流程 212019年在我国国标中通过13。FIP 测试只涉及氢脆机制，阳极溶解机制导致钢丝应力腐蚀破坏还需要通过其他手段进行研究。因此，本文中的“应力腐蚀敏感性”指的是由氢
15、脆机制主导的应力腐蚀敏感性2。与 1982年德国研究所提出的 DIBt方法相比，FIP 测试更适用于不同强度等级钢的比较。用应力腐蚀试验机（中国冶金科工集团有限公司，QC-1000型）进行应力腐蚀试验，具体试验参数如表 2所示。由于外加载荷远大于钢丝打磨过程中引入的残余压应力，故不考虑残余应力的影响。绘制 12根试样的应力腐蚀断裂时间与累积频率（f）的关系图，采用 f=50%时的断裂时间中位数（Tf 50）表示试样的应力腐蚀性能14。应力腐蚀及电化学测试装置如图 3所示。钢丝作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂电极作为辅助电极，用电化学工作站（上海辰华仪器有限公司，CHI 604E 型）
16、测量应力腐蚀过程中钢丝的电化学性能。动电位极化曲线的扫描速度为 5 mV/s；电化学阻抗谱（EIS）测试的频率范围为 102104 Hz，正弦波扰动电压振幅为 5 mV。电化学阻抗数据用ZSimpWin 软件进行了拟合，拟合误差103或每个参数误差10%。断口样品在丙酮+1%HCl 中超声清洗 20 min 后，用超景深三维显微镜（基恩士公司，VHX-5000型）和场发射扫描电子显微镜（FEI公司，Sirion型）观察断口形貌。3结 果3.1强度等级的影响不同强度等级桥梁缆索用热镀钢丝的应力腐蚀断裂时间关系曲线，如图 4所示。从图中可以看到，1860 MPa 级和 2060 MPa 级桥梁缆索用热镀钢丝的 Tf 50值分别为 14 h 和 18 h，平均断裂时间分别为13.4 h和14.8 h；值得注意的是，2060 MPa级钢丝最短断裂时间低于 1 h。虽然 1860 MPa级和 2060 MPa级钢丝的应力腐蚀断裂时间相当，但 2060 MPa级钢丝应力腐蚀断裂时间更加离散，说明 2060 MPa级钢丝应力腐蚀性能更不稳定，影响因素更多。一般来说，钢丝强度越高，其应力腐蚀断裂时间越
