常规碳钢与不锈钢承剪销焊接连接的力学与显微结构评估

桥梁隐蔽部位为何重要

每天都有数百万人通过公路桥梁而不自知，他们的安全在很大程度上依赖于称为承剪销的小金属销。这些销将混凝土桥面与下方的钢梁连接起来，帮助结构作为一个整体发挥刚性。当公路管理机构转向新的抗锈钢材以降低维护成本时，必须确认这些看不见的连接件仍然可靠。本研究提出了一个既简单又关键的问题：当桥梁采用现代不锈钢时，为了保持强度与耐久性，承剪销是否也应从普通碳钢改为不锈钢？

从易锈的梁到耐蚀钢

传统桥梁梁箱多由碳钢制成，这种材料强度高但易腐蚀，尤其在使用道路除冰盐、受海雾影响或长时间潮湿的地区。管理机构曾采用能形成保护锈皮的耐候钢，但在富氯化物环境中，这层保护可能失效，导致意外维修。一个较新的选择是称为50CR级的低铬不锈钢，旨在在几十年内以很少维护抵抗腐蚀。许多桥梁所有者希望将这种钢材与同样耐久的配件搭配，但这也带来一个问题：若使用普通碳钢销焊接到不锈钢梁上，两种不同金属在盐分和水分存在下可能形成微小电化学电池，加速较不昂贵金属的腐蚀。一个明显的解决办法是将销本身也换为不锈钢，但现行规范对这些不锈钢销在真实桥梁构件中焊接后如何表现几乎没有指导。

测试不同销件的受力表现

研究人员制作并测试了三种模拟桥梁使用的销—板组件。第一类为常规组合：碳钢销焊在碳钢板上。第二类为有意“异种”组合：相同的碳钢销焊在50CR级不锈钢板上。第三类为316L不锈钢销焊在50CR板上，代表全不锈钢的耐蚀系统。研究团队在万能试验机上使用定制夹具，分别对单个销进行拉伸试验以及对成对销进行剪切试验，测量每种组件的承载力和在破坏前的伸长或滑移量。在三种配置下，整体剪切和拉伸强度大致相当，但不锈钢销在断裂前的延伸能力明显更高，表现出更大的塑性和能量吸收能力。

在显微尺度下观察焊缝

强度并不能说明全部，因此团队对焊缝进行了截取并在显微镜下检查，随后用精细的硬度测试绘制焊区附近材料变化的分布。在碳钢对碳钢和碳钢对不锈钢的接头中，他们在焊缝周围的热影响区发现了非常硬的针状组织——马氏体。这些区域显示出显著升高的硬度，有时超过工程上被视为脆性警告的水平。在碳销焊于50CR的混合配置中，焊区尤为硬化，表明脆性相的比例更高，在苛刻服役条件下可能发生开裂。相比之下，不锈钢销焊于不锈钢板的接头虽然也出现硬区，但峰值硬度较低且分布更平滑，提示焊缝更具缓释性。重要的是，研究未检测到一种称为σ相的有害相，σ相在某些不锈钢焊缝中会削弱耐蚀性。

失效方式揭示的安全裕度

大多数试件在销本体发生典型的塑性撕裂破坏，这是设计者所希望的：意味着钢筋在焊缝突然断裂之前先发生屈服。然而，也有少数样品，尤其是在不锈钢对不锈钢组中，在焊缝处或焊缝附近发生断裂。作者将这些例外归因于局部焊接缺陷或极硬显微组织的存在，强调即便总体体系较为稳健，焊接质量不佳也会将失效模式从销体转移到接头。他们的测量表明，焊缝尺寸、熔合面积和局部硬度峰值都会影响连接是逐步可见地失效还是以更脆的方式破坏。这一认识支持现有焊接规范对合适热输入、销件就位和清洁度的要求，并暗示针对不锈钢体系微调焊接参数可进一步降低脆性区的风险。

为何不锈钢对不锈钢销具有吸引力

对桥梁所有者而言，主要结论令人放心。将316L不锈钢销用于50CR级梁能提供与传统碳钢销相当或更优的剪切和拉伸性能，同时避免了异种金属结合时出现的电化学腐蚀问题。尽管任何材料的焊缝若控制不当都可能形成硬斑或缺陷，研究表明50CR板可以在不产生特别危险相的情况下成功焊接，不锈钢销则可利用其高延性提供坚韧可靠的连接。简而言之，改用不锈钢对不锈钢的销似乎是一条通向使用寿命更长、维护更少的桥梁的可行路径——前提是对焊接工艺进行严格的资格认定与监控。

引用: Sajid, H.U., Slein, R. Mechanical and microstructural assessment of conventional carbon and stainless steel shear stud welded connections. Sci Rep 16, 7049 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37051-7

关键词: 桥梁腐蚀, 不锈钢销钉, 组合桥梁, 焊缝显微组织, 50CR级