Современные строительные материалы обладают рядом четко определенных механических свойств , которые могут многое рассказать нам об их характеристиках и поведении при использовании в строительстве. Однако история далека от завершения из-за недавно разработанных материалов, поведение которых до сих пор неизвестно, а также из-за того, что мы обнаруживаем новые механизмы повреждения по мере создания все более совершенных приложений с новыми средами и режимами работы.
Большинство этих свойств объясняются на микроскопическом уровне, но их истинную природу лучше всего понять на макроскопическом уровне, посредством многочисленных механических испытаний и, к сожалению, опыта. Эти испытания обычно проводятся с использованием стандартизированных испытательных образцов и испытательного оборудования, которые дают нам точные оценки различных определяемых нами характеристик, таких как прочность материала, ударная вязкость, твердость , упругость и пластичность . Все эти свойства взаимозависимы и могут помочь нам описать различные качества материала, а не отдельные, независимые механические свойства . Введите композитные материалы, и вся история станет еще сложнее.
Предел прочности
Одним из старейших свойств, которые мы определили, является прочность материала, которая бывает двух видов: прочность на сжатие и растяжение . Прочность на растяжение является одним из наиболее важных механических свойств для любого вида современной конструкции, поскольку она определяет предел разрушения материала при растягивающем напряжении (аспект, к которому большинство материалов более уязвимы, чем к действию сжимающих сил). Без точного знания этой величины мы не можем даже мечтать о проектировании конструкции, которая находилась бы в пределах заданного запаса прочности и обладала бы достаточной надежностью.
Чтобы определить, как коррозия влияет на прочность на растяжение, нам необходимо рассмотреть две части проблемы:
- Характер механических свойств
- Влияние коррозии на указанные свойства.
Природа механических свойств металлов.
Большинство, если не все свойства, определенные до сих пор, наблюдаются в сталях, алюминиевых сплавах и других металлах, обычно используемых в строительстве и машиностроении. По этой причине эти механизмы и их взаимодействие проще всего объяснить на типичном примере, например, на строительной стали.
Здесь играют роль два уровня масштаба: кристаллическая решетка металла, состоящая из ряда атомов, расположенных в определенном порядке (обычно в виде куба, но существуют и другие образцы), и на уровне зерен кристаллическая структура, состоящая из большого количества отдельных решеток. Эти зерна могут иметь различные размеры зерен , часто вплоть до микроскопического уровня.
Нет необходимости тратить здесь слишком много времени на обсуждение базового атомного уровня этой проблемы: достаточно сказать, что эти решетки несовершенны. Иногда атомы отсутствуют, или они заменены другими атомами ( дефект замещения ), или атомы застревают внутри решетки ( дефект внедрения ), и все это оказывает различное и существенное влияние на свойства металла. Фактически именно эти несовершенства позволяют нам влиять на характеристики металла путем легирования , механической и термической обработки, но по отдельности эти эффекты менее заметны, чем на уровне зерен. Упомянутые здесь дефекты являются так называемыми точечными дефектами , в то время как другие уровни, такие как линейные , плоские или объемные дефекты, также всегда присутствуют в той или иной мере.
Микроструктура материала далеко не однородна даже на микроскопическом уровне . Кристаллические дефекты могут способствовать течению материала или задерживать его и быть препятствием для распространения трещин и деформации , а также вызывать остаточные и внутренние напряжения. Помимо химического состава материала, неоднородная решетка и зернистая структура ответственны за широкий спектр свойств, которые мы получаем от некоторых материалов.
Было бы практически невозможно изучить и записать каждую решетку металла и попытаться на их основе установить ее свойства. По этой причине более разумно наблюдать микроструктуру на гранулярном уровне. Эти зерна многогранны, имеют различную форму, внутреннюю структуру и размер, и все это определенным образом влияет на механические свойства материала. Как правило, чем мельче зерна, тем лучше механические свойства – именно поэтому высокопрочные стали, как правило, имеют очень мелкую микроструктуру.
Предел прочности по определению — это «сопротивление материала разрушению под действием растяжения». С точки зрения механики это означает, что предел прочности — это величина напряжения, которое материал может выдержать, прежде чем он сломается. Существуют разные способы разрушения материала; В зависимости от типа материала разрушение может быть пластичным , когда материал сначала подвергается пластической деформации , или хрупким разрушением без предварительной деформации.
На атомном уровне прочность на разрыв — это сила сил притяжения между атомами и решетками, которые противостоят любым внешним силам, воздействующим на материал в направлении атаки указанных сил.
Влияние коррозии на структуру материалов
Как известно, коррозия – это химическая или электрохимическая деградация материала, вызванная взаимодействием материала с окружающей средой. В случае сталей это обычно происходит из-за присутствия кислорода и электролита , такого как вода или соленая вода, которые неизбежны в морской среде или в водопроводах.
Теоретически защитные покрытия , жертвенные аноды и пассивация могут уменьшить или полностью свести на нет коррозию, но, к сожалению, в любом реальном сценарии многочисленные другие факторы, такие как температура, переменные нагрузки, вибрация и микробная активность, значительно снижают эффективность этих методов защиты. Влияние коррозии на распространение трещин существенно.
Влияние коррозии на механические свойства будет проявляться в равномерной коррозии и точечной коррозии — одних из наиболее распространенных механизмов, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Равномерная коррозия , как следует из названия, распространяется равномерно по всей поверхности рассматриваемой детали. Питтинговая коррозия — это высоколокализованная коррозия, при которой малейшее разрушение защитного (пассивного) слоя приводит к образованию язвы, в которой происходит локализованная гальваническая коррозия посредством очень сложного механизма коррозии, даже если поверхностный слой был повторно герметизирован.
В случае равномерной коррозии оценить ее влияние на конструкционную прочность материала несложно. Следует установить уменьшение толщины и потерю веса рассматриваемой пластины или балки и рассчитать напряжение при заданной нагрузке для нового, уменьшенного сечения стального элемента. Гораздо сложнее дело обстоит с локализованной коррозией, где поля локализованных напряжений играют гораздо большую роль и напрямую влияют на предел прочности самого материала.
Чтобы лучше проиллюстрировать это, исследование, проведенное Накаи, Мацуситой и Ямамото на трюме 14-летнего сухогруза, показало, что:
- Уменьшение номинальной прочности на разрыв и общего удлинения зависело от толщины (глубины ямок) корродированного слоя. С потерей толщины элемента из-за коррозии предел прочности постепенно уменьшался, а максимальное удлинение уменьшалось более круто. Номинальная прочность на разрыв — это не то же самое, что предел прочности на разрыв (UTS) : одно из них является свойством конструкции или ее компонента, а другое — свойством материала. В этом случае номинальная прочность относится к максимальной нагрузке на исходную площадь поперечного сечения (которая, очевидно, уменьшается из-за коррозии).
- Было отмечено, что это снижение максимальной несущей способности было в 2,5 раза больше у элемента с питтинговой коррозией по сравнению с элементом с равномерной коррозией.
- При исследовании небольших образцов максимально допустимую растягивающую нагрузку все же можно было спрогнозировать, используя предел прочности материала (умножив поперечное сечение на предел прочности при растяжении).
- При использовании широких образцов (пластин) концентрации напряжений вызывали локальные пластические деформации и локальное зарождение разрушения в непосредственной близости от более крупных ямок. Это означает, что порог напряжения зарождения трещины для широких образцов ниже, чем для небольших образцов.
- Помимо этого влияния на прочность на растяжение, питтинговая коррозия также оказала большее негативное влияние на прочность элемента при продольном изгибе по сравнению с равномерной коррозией.
С другой стороны, исследование корродированных арматурных стержней в исследовании, проведенном Almusallam, показало значительное снижение пластичности, а образцы с более чем 12,6% показали значительную хрупкость по сравнению с контрольными образцами. Кроме того, эти стержни показали уменьшенное удлинение. После определенного момента (когда более 40% материала подверглось коррозии) на этих арматурных стержнях наблюдалась преимущественная коррозия, при этом на относительно коротких участках наблюдались утонения и образование насечек, но это можно объяснить растрескиванием бетона и другими факторами окружающей среды, не связанными напрямую с коррозия. Такое уменьшение толщины арматуры существенно снижает ее несущую способность, а хрупкий режим разрушения делает ситуацию гораздо более опасной из-за гораздо более быстрого распространения трещин в таком материале.
Предел прочности, пластичность и хрупкость
Хотя коррозия оказывает незначительное влияние на предел прочности материала на разрыв, существует сильная корреляция между коррозией и снижением пластичности и увеличением хрупкости материала, что , в свою очередь, может изменить вид разрушения с пластичного на более сильное. более опасно хрупкое разрушение. Кроме того, уменьшенное поперечное сечение и концентрация напряжений , вызванные коррозией, могут существенно повлиять на несущую способность конкретного элемента и конструкции в целом.
Заключение
Различные типы коррозии могут оказывать существенно разное воздействие на элемент конструкции, что, к сожалению, означает, что мы можем рассматривать эти эффекты только в каждом конкретном случае, что значительно замедляет наше понимание имеющихся проблем. Существует серьезная опасность оставить без внимания даже, казалось бы, неопасную коррозию, поэтому следует проявлять осторожность при проектировании, строительстве и обслуживании конструкций, склонных к коррозии.
