预应力钢丝的应力腐蚀

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1、预应力钢丝的应力腐蚀淮北职业技术学院建筑工程系实验室李锦华【摘要】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。从产生应力腐蚀的机理出发，分析了产生应力腐蚀的诸多原因，指出了影响应力腐蚀的开裂的4个因素，即钢材的冶金状态，持续拉伸应力，时间的连续性和环境状况，都与使用中的预应力钢丝息息相关，提出了降低钢丝应力腐蚀的对应措施。【关键词】预应力钢丝应力腐蚀氢脆化在预应力混凝土构件中，预应力钢丝因应力腐蚀而导致断裂的故事屡见不鲜。此类事故往往用“钢丝质量不佳”一句话带过而未引起人们的足够重视。实际上，“应力腐蚀”引起的破坏和“钢丝质量不佳”是两个

2、不同范畴的概念。前者上由于钢丝选用不当或环境介质变化而导致的失效；而后者则是因为钢丝的冶金质量或生产工艺不佳而导致的失效。应力腐蚀开裂的条件通常与4个因素相关，即钢材的冶金敏感性，持续拉伸应力，时间和环境。因此，所谓应力腐蚀，就是指冶金上敏感的材料随时间的推移，由于金属表面的腐蚀环境和持续拉伸应力的共同作用而产生的早期断裂。可以看到，以上4个相关条件，正好是预应力钢丝和钢绞线的使用条件。所以，预应力混凝土构件中的钢材，有时会产生应力腐蚀现象就不足为怪了。影响应力腐蚀的因素应力腐蚀的后果是灾难性的。它是一种不征兆的脆性断裂。即使是对于韧性极佳的钢材，它也可能

3、会造成突发性的早期脆断。11．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。一般的，按正常工艺生产出来的钢丝，其面缩率应大于35%。如果成品钢丝的面缩率小于35%，则应认为在某一环节上出现了问题。（2）抗拉强度过高。一般的，合格钢丝的选材和工艺确定后，其抗拉强度的波动范围应能控制在200Mpa以内；

4、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．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、晶粒取向、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。此处仅讨论钢对气体含量的要求。冶炼过程中的熔入钢水中的气体，随钢坯的凝固而存在于钢锭当中，它们对钢的力学性能和化学性能带来有害的影响。尤其是以

5、原子2态存在于钢中的氢、其危害性更大。在外力的作用下（例如扎制，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，因此，在钢的内部，产生了巨大的压力，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，则称为白点）。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，环境介质中的氢也可能在一定条件下以原子氢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陷阱浓度，因而能大大提高氢的聚集浓度。同时，冷拉钢丝的表面形成的钝

6、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使用环境中的氢含量，具有特别重要的意义。一般的，对于在冷拉状态下使用的-6-6钢丝，要求钢中的w(H)不得大于3.5×10，最好控制在1×10以下。3．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：（1）有足够的单体氧原子-6（2）有足够的氯化物（700×10以上）使钢丝产生敏化作用（3）有水分存在这3个条件时，就有可能产生应力腐蚀。也就是说，如果钢丝

7、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3响以外，还有下述因素也能促进应力腐蚀的发展，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，过电压能使氢较易析出，导致氢进入钢中引起氢脆。文献指出：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，

8、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