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20MnTiB-Stahl ist in meinem Land das am häufigsten verwendete hochfeste Schraubenmaterial für Stahlkonstruktionsbrücken, und seine Leistung ist für den sicheren Betrieb von Brücken von großer Bedeutung. Basierend auf der Untersuchung der atmosphärischen Umgebung in Chongqing entwickelte diese Studie eine Korrosionslösung, die das feuchte Klima von Chongqing simulierte, und führte Spannungskorrosionstests an hochfesten Schrauben durch, die das feuchte Klima von Chongqing simulierten. Die Auswirkungen von Temperatur, pH-Wert und Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf das Spannungskorrosionsverhalten von hochfesten 20MnTiB-Schrauben wurden untersucht.
20MnTiB-Stahl ist in meinem Land das am häufigsten verwendete hochfeste Schraubenmaterial für Stahlbrücken, und seine Leistung ist für den sicheren Betrieb von Brücken von großer Bedeutung. Li et al. 1 testeten die Eigenschaften von 20MnTiB-Stahl, der üblicherweise in hochfesten Schrauben der Güteklasse 10.9 verwendet wird, in einem Hochtemperaturbereich von 20 bis 700 °C und ermittelten die Spannungs-Dehnungs-Kurve, die Streckgrenze, die Zugfestigkeit, den Elastizitätsmodul sowie den Dehnungs- und Ausdehnungskoeffizienten. Zhang et al. 2, Hu et al. 3 usw. führten Tests der chemischen Zusammensetzung, der mechanischen Eigenschaften, der Mikrostruktur sowie makroskopische und mikroskopische Analysen der Gewindeoberfläche durch, und die Ergebnisse zeigen, dass die Hauptursache für Brüche hochfester Schrauben mit Gewindefehlern zusammenhängt, und das Auftreten von Gewindefehlern, hohen Spannungskonzentrationen, Spannungskonzentrationen an den Rissspitzen und Korrosionsbedingungen an der frischen Luft führt allesamt zu Spannungsrisskorrosion.
Hochfeste Schrauben für Stahlbrücken werden üblicherweise über einen langen Zeitraum in feuchter Umgebung eingesetzt. Faktoren wie hohe Luftfeuchtigkeit, hohe Temperaturen sowie die Ablagerung und Aufnahme von Schadstoffen in der Umwelt können leicht zu Korrosion an Stahlkonstruktionen führen. Korrosion kann zu einem Querschnittsverlust der hochfesten Schrauben führen, was zahlreiche Defekte und Risse zur Folge hat. Diese Defekte und Risse weiten sich weiter aus, wodurch die Lebensdauer der hochfesten Schrauben verkürzt und sogar zu deren Bruch führen kann. Bisher gibt es zahlreiche Studien zum Einfluss von Umweltkorrosion auf das Spannungskorrosionsverhalten von Materialien. Catar et al.4 untersuchten das Spannungskorrosionsverhalten von Magnesiumlegierungen mit unterschiedlichem Aluminiumgehalt in sauren, alkalischen und neutralen Umgebungen mittels SSRT-Tests (Slow Dehnrate Testing). Abdel et al.5 untersuchten das elektrochemische und Spannungsrisskorrosionsverhalten der Cu10Ni-Legierung in 3,5%iger NaCl-Lösung in Gegenwart unterschiedlicher Sulfidionenkonzentrationen. Aghion et al.6 bewerteten das Korrosionsverhalten der Magnesiumdruckgusslegierung MRI230D in 3,5%iger NaCl-Lösung durch Eintauchen Test, Salzsprühtest, potentiodynamische Polarisationsanalyse und SSRT. Zhang et al.7 untersuchten das Spannungskorrosionsverhalten von martensitischem Stahl 9Cr mittels SSRT und herkömmlichen elektrochemischen Testverfahren und ermittelten die Wirkung von Chloridionen auf das statische Korrosionsverhalten von martensitischem Stahl bei Raumtemperatur. Chen et al.8 untersuchten das Spannungskorrosionsverhalten und den Rissbildungsmechanismus von X70-Stahl in einer simulierten Seeschlammlösung mit SRB bei unterschiedlichen Temperaturen mittels SSRT. Liu et al.9 untersuchten mittels SSRT die Wirkung von Temperatur und Zugdehnungsrate auf die Spannungskorrosionsbeständigkeit von austenitischem Edelstahl 00Cr21Ni14Mn5Mo2N in Seewasser. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Temperatur im Bereich von 35–65 °C keine nennenswerte Wirkung auf das Spannungskorrosionsverhalten von Edelstahl hat. Lu et al. 10 bewertete die Anfälligkeit für verzögerten Bruch von Proben mit unterschiedlichen Zugfestigkeitsgraden mithilfe eines verzögerten Bruchtests mit Eigenlast und SSRT. Es wird empfohlen, die Zugfestigkeit von hochfesten Schrauben aus 20MnTiB-Stahl und 35VB-Stahl auf 1040–1190 MPa zu begrenzen. Die meisten dieser Studien verwenden jedoch im Wesentlichen eine einfache 3,5-prozentige NaCl-Lösung, um die korrosive Umgebung zu simulieren, während die tatsächliche Einsatzumgebung hochfester Schrauben komplexer ist und von zahlreichen Einflussfaktoren, wie beispielsweise dem pH-Wert der Schraube, abhängt. Ananya et al. 11 untersuchten die Wirkung von Umgebungsparametern und Materialien im korrosiven Medium auf Korrosion und Spannungsrisskorrosion von Duplex-Edelstählen. Sunada et al. 12 führten Spannungsrisskorrosionstests bei Raumtemperatur an SUS304-Stahl in wässrigen Lösungen mit H2SO4 (0 – 5,5 kmol/m-3) und NaCl (0 – 4,5 kmol/m-3) durch. Die Auswirkungen von H2SO4 und NaCl auf die Korrosionsarten von SUS304-Stahl wurden ebenfalls untersucht. Merwe et al.13 verwendeten SSRT, um die Auswirkungen von Walzrichtung, Temperatur, CO2/CO-Konzentration, Gasdruck und Korrosionszeit auf die Spannungsrisskorrosionsanfälligkeit von A516-Druckbehälterstahl zu untersuchen. Unter Verwendung einer NS4-Lösung als Grundwasser-simulierende Lösung untersuchten Ibrahim et al. 14 die Auswirkungen von Umweltparametern wie Bicarbonat-Ionen-Konzentration (HCO), pH-Wert und Temperatur auf die Spannungsrisskorrosion von API-X100-Rohrleitungsstahl nach dem Abziehen der Beschichtung. Shan et al. 15 untersuchten das Variationsgesetz der Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion von austenitischem Edelstahl 00Cr18Ni10 bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen (30–250 °C) unter Schwarzwasserbedingungen in einer simulierten Kohleverdampfungsanlage mittels SSRT. Han et al.16 charakterisierten die Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung von hochfesten Schraubenproben mithilfe eines verzögerten Bruchtests mit Eigenlast und SSRT. Zhao17 untersuchten mittels SSRT die Auswirkungen von pH-Wert, SO42- und Cl-1 auf das Spannungsrisskorrosionsverhalten der Legierung GH4080A. Die Ergebnisse zeigen, dass die Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit der Legierung GH4080A umso schlechter ist, je niedriger der pH-Wert ist. Sie weist eine offensichtliche Spannungsrisskorrosionsempfindlichkeit gegenüber Cl-1 auf und ist bei Raumtemperatur nicht empfindlich gegenüber einem ionischen SO42-Medium. Es gibt jedoch nur wenige Studien
Um die Gründe für das Versagen von in Brücken verwendeten hochfesten Schrauben herauszufinden, hat der Autor eine Reihe von Studien durchgeführt. Es wurden Proben von hochfesten Schrauben ausgewählt und die Gründe für das Versagen dieser Proben aus der Perspektive der chemischen Zusammensetzung, der mikroskopischen Bruchmorphologie, der metallografischen Struktur und der Analyse mechanischer Eigenschaften diskutiert19, 20. Basierend auf der Untersuchung der atmosphärischen Umgebung in Chongqing in den letzten Jahren wurde ein Korrosionsschema entwickelt, das das feuchte Klima von Chongqing simuliert. Es wurden Spannungskorrosionsexperimente, elektrochemische Korrosionsexperimente und Korrosionsermüdungsexperimente an hochfesten Schrauben im simulierten feuchten Klima von Chongqing durchgeführt. In dieser Studie wurden die Auswirkungen von Temperatur, pH-Wert und Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf das Spannungskorrosionsverhalten von hochfesten 20MnTiB-Schrauben durch Tests mechanischer Eigenschaften, makroskopische und mikroskopische Bruchanalyse und Oberflächenkorrosionsprodukte untersucht.
Chongqing liegt im Südwesten Chinas am Oberlauf des Jangtsekiang und hat ein feuchtes subtropisches Monsunklima. Die jährliche Durchschnittstemperatur beträgt 16–18 °C, die jährliche durchschnittliche relative Luftfeuchtigkeit liegt meist bei 70–80 %, die jährliche Sonnenstundenzahl beträgt 1000–1400 Stunden und der Sonnenscheinanteil beträgt nur 25–35 %.
Berichten über Sonnenschein und Umgebungstemperatur in Chongqing von 2015 bis 2018 zufolge beträgt die tägliche Durchschnittstemperatur in Chongqing zwischen 17 °C und 23 °C. Die Höchsttemperatur auf dem Brückenkörper der Chaotianmen-Brücke in Chongqing kann 50 °C erreichen. Daher wurden die Temperaturniveaus für den Spannungskorrosionstest auf 25 °C und 50 °C festgelegt.
Der pH-Wert der simulierten Korrosionslösung bestimmt direkt die Menge an H+, bedeutet jedoch nicht, dass Korrosion umso leichter auftritt, je niedriger der pH-Wert ist. Der Einfluss des pH-Werts auf die Ergebnisse variiert je nach Material und Lösung. Um den Einfluss der simulierten Korrosionslösung auf die Spannungskorrosionsleistung von hochfesten Schrauben besser untersuchen zu können, wurden die pH-Werte der Spannungskorrosionsexperimente in Kombination mit Literaturrecherchen23 und dem pH-Bereich des jährlichen Regenwassers in Chongqing (2010 bis 2018) auf 3,5, 5,5 und 7,5 festgelegt.
Je höher die Konzentration der simulierten Korrosionslösung, desto höher der Ionengehalt in der simulierten Korrosionslösung und desto größer der Einfluss auf die Materialeigenschaften. Um die Wirkung der Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf die Spannungskorrosion von hochfesten Schrauben zu untersuchen, wurde der künstliche beschleunigte Korrosionstest im Labor durchgeführt und die Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf Stufe 4 ohne Korrosion eingestellt, was der ursprünglichen Konzentration der simulierten Korrosionslösung (1×), 20 × der ursprünglichen Konzentration der simulierten Korrosionslösung (20 ×) und 200 × der ursprünglichen Konzentration der simulierten Korrosionslösung (200 ×) entspricht.
Die Umgebung mit einer Temperatur von 25 °C, einem pH-Wert von 5,5 und der Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung kommt den tatsächlichen Einsatzbedingungen von hochfesten Schrauben für Brücken am nächsten. Um den Korrosionstestprozess zu beschleunigen, wurden jedoch die Versuchsbedingungen mit einer Temperatur von 25 °C, einem pH-Wert von 5,5 und einer Konzentration von 200 × der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung als Referenzkontrollgruppe festgelegt. Als die Auswirkungen der Temperatur, Konzentration oder des pH-Werts der simulierten Korrosionslösung auf die Spannungskorrosionsleistung von hochfesten Schrauben untersucht wurden, blieben andere Faktoren unverändert, die als Versuchsniveau der Referenzkontrollgruppe verwendet wurden.
Gemäß dem Briefing zur atmosphärischen Umweltqualität 2010–2018 des städtischen Amtes für Ökologie und Umwelt von Chongqing und unter Bezugnahme auf die in Zhang24 und anderen Literaturstellen zu Chongqing gemeldeten Niederschlagskomponenten wurde eine simulierte Korrosionslösung entwickelt, die auf einer Erhöhung der SO42-Konzentration basiert. Die Zusammensetzung des Niederschlags im Hauptstadtgebiet von Chongqing im Jahr 2017. Die Zusammensetzung der simulierten Korrosionslösung ist in Tabelle 1 dargestellt:
Die simulierte Korrosionslösung wird mithilfe der Methode des chemischen Ionenkonzentrationsausgleichs unter Verwendung analytischer Reagenzien und destilliertem Wasser hergestellt. Der pH-Wert der simulierten Korrosionslösung wurde mit einem Präzisions-pH-Meter, einer Salpetersäurelösung und einer Natriumhydroxidlösung eingestellt.
Um das feuchte Klima in Chongqing zu simulieren, wurde der Salzsprühtester speziell modifiziert und konstruiert25. Wie in Abbildung 1 dargestellt, verfügt die Versuchsanlage über zwei Systeme: ein Salzsprühsystem und ein Beleuchtungssystem. Die Hauptfunktion der Versuchsanlage ist das Salzsprühsystem, das aus einem Steuerteil, einem Sprühteil und einem Induktionsteil besteht. Die Funktion des Sprühteils besteht darin, den Salznebel über den Luftkompressor in die Testkammer zu pumpen. Der Induktionsteil besteht aus Temperaturmesselementen, die die Temperatur in der Testkammer erfassen. Der Steuerteil besteht aus einem Mikrocomputer, der den Sprühteil und den Induktionsteil verbindet, um den gesamten Versuchsablauf zu steuern. Das Beleuchtungssystem ist in einer Salzsprühtestkammer installiert, um Sonnenlicht zu simulieren. Das Beleuchtungssystem besteht aus Infrarotlampen und einem Zeitregler. Gleichzeitig ist in der Salzsprühtestkammer ein Temperatursensor installiert, um die Temperatur um die Probe herum in Echtzeit zu überwachen.
Spannungskorrosionsproben unter Dauerbelastung wurden gemäß NACETM0177-2005 (Laborprüfung der Sulfid-Spannungsrissbildung und Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit von Metallen in einer H2S-Umgebung) verarbeitet. Spannungskorrosionsproben wurden zunächst mit Aceton und Ultraschall mechanisch gereinigt, um Ölrückstände zu entfernen, dann mit Alkohol dehydriert und in einem Ofen getrocknet. Anschließend wurden die sauberen Proben in die Testkammer des Salzsprühtestgeräts gelegt, um die Korrosionssituation im feuchten Klima von Chongqing zu simulieren. Gemäß der Norm NACETM0177-2005 und der Salzsprühtestnorm GB/T 10,125-2012 wird die Dauer des Spannungskorrosionstests unter Dauerbelastung in dieser Studie einheitlich auf 168 Stunden festgelegt. Zugversuche wurden an den Korrosionsproben unter verschiedenen Korrosionsbedingungen auf der Universalzugprüfmaschine MTS-810 durchgeführt und ihre mechanischen Eigenschaften und Bruchkorrosionsmorphologie wurden analysiert.
Abbildung 1 zeigt die Makro- und Mikromorphologie der Oberflächenkorrosion von hochfesten Schraubenspannungskorrosionsproben unter verschiedenen Korrosionsbedingungen.2 bzw. 3.
Makroskopische Morphologie von Spannungskorrosionsproben von 20MnTiB-Hochfestigkeitsschrauben unter verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen: (a) keine Korrosion; (b) 1 Mal; (c) 20 ×; (d) 200 ×; (e) pH 3,5; (f) pH 7,5; (g) 50 °C.
Mikromorphologie der Korrosionsprodukte von hochfesten 20MnTiB-Schrauben in verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen (100×): (a) 1 Mal; (b) 20 ×; (c) 200 ×; (d) pH 3,5; (e) pH 7,5; (f) 50 °C.
Aus Abb. 2a ist ersichtlich, dass die Oberfläche der nicht korrodierten hochfesten Schraubenprobe einen hellen metallischen Glanz ohne offensichtliche Korrosion aufweist. Unter den Bedingungen der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung (Abb. 2b) war die Oberfläche der Probe jedoch teilweise mit hellbraunen und braunroten Korrosionsprodukten bedeckt, und einige Bereiche der Oberfläche zeigten immer noch einen offensichtlichen metallischen Glanz, was darauf hindeutet, dass nur einige Bereiche der Probenoberfläche leicht korrodiert waren und die simulierte Korrosionslösung keine Wirkung auf die Oberfläche der Probe hatte. Die Materialeigenschaften haben wenig Einfluss. Unter der Bedingung einer 20-fachen Konzentration der ursprünglich simulierten Korrosionslösung (Abb. 2c) war die Oberfläche der hochfesten Schraubenprobe jedoch vollständig mit einer großen Menge hellbrauner Korrosionsprodukte und einer kleinen Menge braunroter Korrosionsprodukte bedeckt. Es war kein offensichtlicher metallischer Glanz erkennbar und nahe der Oberfläche des Substrats befand sich eine kleine Menge braunschwarzer Korrosionsprodukte. Unter der Bedingung einer 200-fachen Konzentration der ursprünglich simulierten Korrosionslösung (Abb. 2d) war die Oberfläche der Probe vollständig mit braunen Korrosionsprodukten bedeckt und in einigen Bereichen traten braunschwarze Korrosionsprodukte auf.
Als der pH-Wert auf 3,5 sank (Abb. 2e), befanden sich die hellbraunen Korrosionsprodukte am stärksten auf der Oberfläche der Proben und einige der Korrosionsprodukte waren abgeblättert.
Abbildung 2g zeigt, dass bei steigender Temperatur auf 50 °C der Gehalt an braunroten Korrosionsprodukten auf der Oberfläche der Probe stark abnimmt, während die hellbraunen Korrosionsprodukte die Oberfläche der Probe großflächig bedecken. Die Korrosionsproduktschicht ist relativ locker und einige braunschwarze Produkte blättern ab.
Wie in Abbildung 3 dargestellt, delaminieren die Korrosionsprodukte auf der Oberfläche von 20MnTiB-Proben mit hochfester Schraubenspannungskorrosion unter verschiedenen Korrosionsumgebungen deutlich, und die Dicke der Korrosionsschicht nimmt mit zunehmender Konzentration der simulierten Korrosionslösung zu. Unter den Bedingungen der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung (Abbildung 3a) können die Korrosionsprodukte auf der Oberfläche der Probe in zwei Schichten unterteilt werden: Die äußerste Schicht der Korrosionsprodukte ist gleichmäßig verteilt, es treten jedoch zahlreiche Risse auf; die innere Schicht besteht aus losen Ansammlungen von Korrosionsprodukten. Unter der Bedingung einer 20-fachen Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung (Abbildung 3b) kann die Korrosionsschicht auf der Oberfläche der Probe in drei Schichten unterteilt werden: Die äußerste Schicht besteht hauptsächlich aus verstreuten Ansammlungen von Korrosionsprodukten, die lose und porös sind und keine gute Schutzleistung aufweisen; die mittlere Schicht ist eine gleichmäßige Schicht aus Korrosionsprodukten, es sind jedoch deutliche Risse vorhanden, durch die Korrosionsionen dringen und das Substrat erodieren können; die innere Schicht ist eine dichte Korrosionsproduktschicht ohne offensichtliche Risse, die eine gute Schutzwirkung auf das Substrat hat. Unter der Bedingung einer 200-fachen Konzentration der ursprünglich simulierten Korrosionslösung (Abb. 3c) kann die Korrosionsschicht auf der Oberfläche der Probe in drei Schichten unterteilt werden: Die äußerste Schicht ist eine dünne und gleichmäßige Korrosionsproduktschicht; die mittlere Schicht besteht hauptsächlich aus blütenblatt- und flockenförmigem Korrosionsprodukt. Die innere Schicht ist eine dichte Korrosionsproduktschicht ohne offensichtliche Risse und Löcher, die eine gute Schutzwirkung auf das Substrat hat.
Aus Abb. 3d ist ersichtlich, dass sich in der simulierten Korrosionsumgebung mit einem pH-Wert von 3,5 eine große Anzahl flockiger oder nadelartiger Korrosionsprodukte auf der Oberfläche der hochfesten 20MnTiB-Schraubenprobe befindet. Es wird vermutet, dass es sich bei diesen Korrosionsprodukten hauptsächlich um γ-FeOOH und eine kleine Menge vernetztes α-FeOOH handelt26 und dass die Korrosionsschicht deutliche Risse aufweist.
Aus Abb. 3f ist ersichtlich, dass bei einer Temperaturerhöhung auf 50 °C keine sichtbare dichte innere Rostschicht in der Korrosionsschichtstruktur zu erkennen ist. Dies deutet darauf hin, dass bei 50 °C Lücken zwischen den Korrosionsschichten vorhanden sind, wodurch das Substrat nicht vollständig mit Korrosionsprodukten bedeckt ist. Dies bietet Schutz vor erhöhter Korrosionsneigung des Substrats.
Die mechanischen Eigenschaften hochfester Schrauben unter Spannungskorrosion in unterschiedlichen korrosiven Umgebungen sind in Tabelle 2 aufgeführt:
Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die mechanischen Eigenschaften der hochfesten 20MnTiB-Schraubenproben nach dem beschleunigten Korrosionstest im Trocken-Nass-Zyklus in verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen immer noch die Standardanforderungen erfüllen, im Vergleich zu den nicht korrodierten Proben jedoch gewisse Schäden aufweisen. Bei der Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung änderten sich die mechanischen Eigenschaften der Probe nicht signifikant, aber bei der 20-fachen oder 200-fachen Konzentration der simulierten Lösung nahm die Dehnung der Probe signifikant ab. Die mechanischen Eigenschaften sind bei den Konzentrationen der 20-fachen und 200-fachen ursprünglichen simulierten Korrosionslösung ähnlich. Als der pH-Wert der simulierten Korrosionslösung auf 3,5 sank, nahmen Zugfestigkeit und Dehnung der Proben signifikant ab. Wenn die Temperatur auf 50 °C steigt, nehmen Zugfestigkeit und Dehnung signifikant ab und die Flächenschrumpfungsrate liegt sehr nahe am Standardwert.
Die Bruchmorphologien der hochfesten 20MnTiB-Schraubenspannungskorrosionsproben unter verschiedenen Korrosionsumgebungen sind in Abbildung 4 dargestellt. Dabei handelt es sich um die Makromorphologie des Bruchs, die Faserzone in der Mitte des Bruchs, die mikromorphologische Lippe der Scherschnittstelle und die Oberfläche der Probe.
Makroskopische und mikroskopische Bruchmorphologien von hochfesten 20MnTiB-Schraubenproben in verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen (500×): (a) keine Korrosion; (b) 1 Mal; (c) 20 ×; (d) 200 ×; (e) pH 3,5; (f) pH 7,5; (g) 50 °C.
Aus Abb. 4 ist ersichtlich, dass der Bruch der hochfesten 20MnTiB-Schraubenspannungskorrosionsprobe unter verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen einen typischen Kegel-Napf-Bruch aufweist. Verglichen mit der unkorrodierten Probe (Abb. 4a) ist der zentrale Bereich des Faserrisses relativ klein, der Scherlippenbereich jedoch größer. Dies zeigt, dass die mechanischen Eigenschaften des Materials nach der Korrosion erheblich beeinträchtigt sind. Mit zunehmender Konzentration der simulierten Korrosionslösung nahmen die Löcher im Faserbereich in der Mitte des Bruchs zu, und es traten deutliche Rissnähte auf. Bei einer Erhöhung der Konzentration auf das 20-fache der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung traten an der Schnittstelle zwischen der Scherlippenkante und der Probenoberfläche deutliche Korrosionslöcher auf, und es bildeten sich viele Korrosionsprodukte auf der Probenoberfläche.
Abbildung 3d zeigt deutliche Risse in der Korrosionsschicht auf der Probenoberfläche, die keinen guten Schutz für die Matrix bieten. In der simulierten Korrosionslösung mit einem pH-Wert von 3,5 (Abbildung 4e) ist die Probenoberfläche stark korrodiert, und der zentrale Faserbereich ist deutlich kleiner. In der Mitte des Faserbereichs befinden sich zahlreiche unregelmäßige Rissnähte. Mit steigendem pH-Wert der simulierten Korrosionslösung verringert sich die Risszone im Faserbereich in der Mitte des Bruchs, die Vertiefung wird allmählich kleiner, und auch die Vertiefungstiefe nimmt allmählich ab.
Bei einer Temperaturerhöhung auf 50 °C (Abb. 4g) war der Scherlippenbereich des Bruchs der Probe am größten, die Vertiefungen im zentralen Faserbereich nahmen deutlich zu, und auch die Vertiefungstiefe nahm zu, und die Schnittstelle zwischen der Scherlippenkante und der Probenoberfläche vergrößerte sich. Korrosionsprodukte und Vertiefungen nahmen zu, was den in Abb. 3f dargestellten Trend zur Vertiefung der Substratkorrosion bestätigte.
Der pH-Wert der Korrosionslösung beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften der hochfesten 20MnTiB-Schrauben etwas, die Auswirkungen sind jedoch nicht signifikant. In der Korrosionslösung mit einem pH-Wert von 3,5 verteilen sich viele flockige oder nadelartige Korrosionsprodukte auf der Oberfläche der Probe, und die Korrosionsschicht weist deutliche Risse auf, die keinen guten Schutz für das Substrat bieten können. In der mikroskopischen Morphologie des Probenbruchs sind deutliche Korrosionslöcher und viele Korrosionsprodukte zu sehen. Dies zeigt, dass die Widerstandsfähigkeit der Probe gegen Verformungen durch äußere Krafteinwirkung in einer sauren Umgebung deutlich abnimmt und die Neigung des Materials zur Spannungskorrosion deutlich zunimmt.
Die ursprüngliche simulierte Korrosionslösung hatte wenig Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der hochfesten Schraubenproben. Als jedoch die Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf das 20-fache der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung erhöht wurde, wurden die mechanischen Eigenschaften der Proben erheblich beeinträchtigt und es kam zu deutlicher Korrosion in der Bruchmikrostruktur, Löchern, Sekundärrissen und vielen Korrosionsprodukten. Als die Konzentration der simulierten Korrosionslösung vom 20-fachen auf das 200-fache der ursprünglichen Konzentration der simulierten Korrosionslösung erhöht wurde, schwächte sich der Einfluss der Konzentration der Korrosionslösung auf die mechanischen Eigenschaften des Materials ab.
Bei einer simulierten Korrosionstemperatur von 25 °C ändern sich Streckgrenze und Zugfestigkeit der hochfesten Schraubenproben aus 20MnTiB im Vergleich zu nicht korrodierten Proben nicht wesentlich. Bei einer simulierten Korrosionsumgebungstemperatur von 50 °C nahmen Zugfestigkeit und Dehnung der Probe jedoch deutlich ab, die Querschnittsschrumpfungsrate lag nahe am Standardwert, die Bruchscherlippe war am größten und im zentralen Faserbereich traten Dellen auf. Die Lochtiefe nahm zu und Korrosionsprodukte und Korrosionslöcher nahmen zu. Dies zeigt, dass die temperatursynergistische Korrosionsumgebung einen großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften hochfester Schrauben hat. Dies ist bei Raumtemperatur nicht offensichtlich, bei Temperaturen von 50 °C jedoch deutlicher.
Nach dem beschleunigten Korrosionstest in Innenräumen, der die atmosphärischen Umgebungen in Chongqing simulierte, wurden die Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und andere Parameter der hochfesten 20MnTiB-Schrauben reduziert und es traten deutliche Spannungsschäden auf. Da das Material unter Spannung steht, kommt es zu einem erheblichen lokalen Korrosionsbeschleunigungsphänomen. Und aufgrund der kombinierten Wirkung von Spannungskonzentration und Korrosionslöchern können hochfeste Schrauben leicht deutliche plastische Schäden verursachen, die Widerstandsfähigkeit gegen Verformungen durch äußere Kräfte verringern und die Neigung zur Spannungskorrosion erhöhen.
Li, G., Li, M., Yin, Y. & Jiang, S. Experimentelle Studie zu den Eigenschaften hochfester Schrauben aus 20MnTiB-Stahl bei erhöhter Temperatur.jaw.Civil engineering.J. 34, 100–105 (2001).
Hu, J., Zou, D. & Yang, Q. Bruchversagensanalyse von hochfesten Bolzen aus 20MnTiB-Stahl für Schienen. Wärmebehandlung. Metall. 42, 185–188 (2017).
Catar, R. & Altun, H. Spannungsrisskorrosionsverhalten von Mg-Al-Zn-Legierungen unter verschiedenen pH-Bedingungen mittels SSRT-Methode.Open.Chemical.17, 972–979 (2019).
Nazer, AA et al. Auswirkungen von Glycin auf das elektrochemische und Spannungsrisskorrosionsverhalten von Cu10Ni-Legierungen in sulfidkontaminierter Salzlauge. Industrial Engineering.Chemical.reservoir.50, 8796–8802 (2011).
Aghion, E. & Lulu, N. Korrosionseigenschaften der Magnesium-Druckgusslegierung MRI230D in einer Mg(OH)2-gesättigten 3,5%igen NaCl-Lösung.alma mater.character.61, 1221–1226 (2010).
Zhang, Z., Hu, Z. & Preet, MS Einfluss von Chloridionen auf das statische und Spannungskorrosionsverhalten von 9Cr-martensitischem Stahl.surf.Technology.48, 298–304 (2019).
Chen, X., Ma, J., Li, X., Wu, M. & Song, B. Synergistische Wirkung von SRB und Temperatur auf Spannungsrisskorrosion von X70-Stahl in künstlicher Meeresschlammlösung. J. Chin.Socialist Party.coros.Pro.39, 477–484 (2019).
Liu, J., Zhang, Y. & Yang, S. Spannungskorrosionsverhalten von 00Cr21Ni14Mn5Mo2N-Edelstahl in Meerwasser. Physik. Prüfung ablegen. Test. 36, 1-5 (2018).
Lu, C. Eine Studie zum verzögerten Bruch von hochfesten Brückenbolzen.jaw.Academic school.rail.science.2, 10369 (2019).
Ananya, B. Spannungsrisskorrosion von Duplex-Edelstählen in ätzenden Lösungen. Doktorarbeit, Atlanta, GA, USA: Georgia Institute of Technology 137–8 (2008)
Sunada, S., Masanori, K., Kazuhiko, M. & Sugimoto, K. Auswirkungen von H2SO4- und NaCl-Konzentrationen auf die Spannungsrisskorrosion von Edelstahl SUS304 in einer wässrigen H2SO4-NaCl-Lösung. Alma Mater.Trans.47, 364–370 (2006).
Merwe, JWVD Einfluss von Umgebung und Materialien auf Spannungsrisskorrosion von Stahl in H2O/CO/CO2-Lösung.Inter Milan.J. Koros.2012, 1-13 (2012).
Ibrahim, M. & Akram A. Auswirkungen von Bikarbonat, Temperatur und pH-Wert auf die Passivierung von API-X100-Rohrleitungsstahl in simulierter Grundwasserlösung. In IPC 2014-33180.
Shan, G., Chi, L., Song, X., Huang, X. & Qu, D. Einfluss der Temperatur auf die Anfälligkeit von austenitischem rostfreiem Stahl für Spannungsrisskorrosion.coro.be opposite to.Technology.18, 42–44 (2018).
Han, S. Wasserstoffinduziertes verzögertes Bruchverhalten mehrerer hochfester Befestigungsstähle (Kunming University of Science and Technology, 2014).
Zhao, B., Zhang, Q. & Zhang, M. Spannungskorrosionsmechanismus der Legierung GH4080A für Befestigungselemente.cross.companion.Hey.treat.41, 102–110 (2020).