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El acero 20MnTiB es el material de pernos de alta resistencia más utilizado para puentes de estructura de acero en mi país, y su rendimiento es de gran importancia para la operación segura de los puentes. Basado en la investigación del entorno atmosférico en Chongqing, este estudio diseñó una solución de corrosión que simula el clima húmedo de Chongqing y llevó a cabo pruebas de corrosión bajo tensión de pernos de alta resistencia que simulan el clima húmedo de Chongqing. Los efectos de la temperatura, el valor de pH y la concentración de solución de corrosión simulada en la corrosión bajo tensión Se estudió el comportamiento de pernos de alta resistencia de 20MnTiB.
El acero 20MnTiB es el material de pernos de alta resistencia más utilizado para puentes de estructura de acero en mi país, y su desempeño es de gran importancia para la operación segura de los puentes. Li et al.1 probó las propiedades del acero 20MnTiB comúnmente utilizado en pernos de alta resistencia de grado 10.9 en el rango de alta temperatura de 20 ~ 700 ℃, y obtuvo la curva de tensión-deformación, el límite elástico, la resistencia a la tracción, el módulo de Young y el alargamiento.y coeficiente de expansión. Zhang et al.2, Hu et al.3, etc., a través de pruebas de composición química, pruebas de propiedades mecánicas, pruebas de microestructura, análisis macroscópico y microscópico de la superficie de la rosca, y los resultados muestran que la razón principal de la fractura de los pernos de alta resistencia está relacionada con los defectos de la rosca y la aparición de defectos de la rosca Las grandes concentraciones de tensión, las concentraciones de tensión en la punta de la grieta y las condiciones de corrosión al aire libre conducen a la fisuración por corrosión bajo tensión.
Los pernos de alta resistencia para puentes de acero generalmente se usan durante mucho tiempo en un ambiente húmedo. Factores como la alta humedad, la alta temperatura y la sedimentación y absorción de sustancias nocivas en el medio ambiente pueden causar fácilmente la corrosión de las estructuras de acero. catar et al.4 investigaron el comportamiento de corrosión bajo tensión de aleaciones de magnesio con diferentes contenidos de aluminio en ambientes ácidos, alcalinos y neutros mediante pruebas de velocidad de deformación lenta (SSRT). prueba de inmersión, prueba de niebla salina, análisis de polarización potenciodinámica y SSRT.Zhang et al.7 estudiaron el comportamiento de corrosión bajo tensión del acero martensítico 9Cr utilizando SSRT y técnicas de prueba electroquímicas tradicionales, y obtuvieron el efecto de los iones de cloruro en el comportamiento de corrosión estática del acero martensítico a temperatura ambiente.Chen et al.8 investigaron el comportamiento de corrosión bajo tensión y el mecanismo de agrietamiento del acero X70 en una solución de lodo marino simulado que contenía SRB a diferentes temperaturas mediante SSRT.Liu et al.9 utilizaron SSRT para estudiar el efecto de la temperatura y la tasa de deformación por tracción en la resistencia a la corrosión por tensión del agua de mar del acero inoxidable austenítico 00Cr21Ni14Mn5Mo2N. Los resultados muestran que la temperatura en el rango de 35~65 ℃ no tiene un efecto significativo en el comportamiento de corrosión por tensión del acero inoxidable. Lu et al.10 evaluó la susceptibilidad a la fractura retardada de muestras con diferentes grados de resistencia a la tracción mediante una prueba de fractura retardada con carga muerta y SSRT. Se sugiere que la resistencia a la tracción de los pernos de alta resistencia de acero 20MnTiB y 35VB debe controlarse en 1040-1190MPa. Sin embargo, la mayoría de estos estudios utilizan básicamente una solución simple de NaCl al 3,5 % para simular el entorno corrosivo, mientras que el entorno de uso real de los pernos de alta resistencia es más complejo y tiene muchos factores que influyen, como el valor de pH del perno. Ananya et al.11 estudió el efecto de los parámetros ambientales y los materiales en el medio corrosivo sobre la corrosión y el agrietamiento por corrosión bajo tensión de los aceros inoxidables dúplex. Sunada et al.12 realizaron pruebas de fisuración por corrosión bajo tensión a temperatura ambiente en acero SUS304 en soluciones acuosas que contenían H2SO4 (0-5,5 kmol/m-3) y NaCl (0-4,5 kmol/m-3). También se estudiaron los efectos de H2SO4 y NaCl en los tipos de corrosión del acero SUS304. recipiente a presión de acero. Usando la solución NS4 como una solución de simulación de agua subterránea, Ibrahim et al.14 investigó el efecto de parámetros ambientales como la concentración de iones de bicarbonato (HCO), el pH y la temperatura en el agrietamiento por corrosión bajo tensión del acero de tuberías API-X100 después de despegar el revestimiento.Shan et al.15 estudió la ley de variación de la susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión del acero inoxidable austenítico 00Cr18Ni10 con temperatura bajo diferentes condiciones de temperatura (30~250 ℃) bajo la condición de medio de agua negra en una planta simulada de carbón a hidrógeno por SSRT.Han et al.16 caracterizaron la susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno de muestras de pernos de alta resistencia usando una prueba de fractura retardada con carga muerta y SSRT.Zhao17 estudió los efectos del pH, SO42 -, Cl-1 sobre el comportamiento de corrosión por tensión de la aleación GH4080A por SSRT. Los resultados muestran que cuanto menor es el valor de pH, peor es la resistencia a la corrosión por tensión de la aleación GH4080A. Tiene una sensibilidad obvia a la corrosión por tensión a Cl-1, y no es sensible al medio iónico SO42 a temperatura ambiente. Sin embargo, hay pocos estudios sobre el efecto de la corrosión ambiental en pernos de acero de alta resistencia 20MnTiB.
Con el fin de averiguar las razones de la falla de los pernos de alta resistencia utilizados en puentes, el autor llevó a cabo una serie de estudios. Se seleccionaron muestras de pernos de alta resistencia y se discutieron las razones de la falla de estas muestras desde las perspectivas de composición química, morfología microscópica de fractura, estructura metalográfica y análisis de propiedades mecánicas19, 20. Basado en la investigación del ambiente atmosférico en Chongqing en los últimos años, se diseña un esquema de corrosión que simula el clima húmedo de Chongqing. Se llevaron a cabo experimentos de corrosión, experimentos de corrosión electroquímica y experimentos de fatiga por corrosión de pernos de alta resistencia en el clima húmedo simulado de Chongqing. En este estudio, se investigaron los efectos de la temperatura, el valor de pH y la concentración de la solución de corrosión simulada en el comportamiento de corrosión bajo tensión de los pernos de alta resistencia de 20MnTiB a través de pruebas de propiedades mecánicas, análisis macroscópico y microscópico de fractura y productos de corrosión superficial.
Chongqing se encuentra en el suroeste de China, en los tramos superiores del río Yangtze, y tiene un clima monzónico subtropical húmedo. La temperatura media anual es de 16-18 °C, la humedad relativa media anual es principalmente del 70-80 %, las horas de sol anuales son de 1000-1400 horas y el porcentaje de luz solar es solo del 25-35 %.
Según los informes relacionados con la luz solar y la temperatura ambiente en Chongqing de 2015 a 2018, la temperatura promedio diaria en Chongqing es tan baja como 17 °C y tan alta como 23 °C.La temperatura más alta en el cuerpo del puente Chaotianmen Bridge en Chongqing puede alcanzar los 50 °C °C21,22. Por lo tanto, los niveles de temperatura para la prueba de corrosión bajo tensión se establecieron en 25 °C y 50 °C.
El valor de pH de la solución de corrosión simulada determina directamente la cantidad de H+, pero no significa que cuanto menor sea el valor de pH, más fácil será la corrosión. El efecto del pH en los resultados variará para diferentes materiales y soluciones. Para estudiar mejor el efecto de la solución de corrosión simulada en el rendimiento de la corrosión bajo tensión de los pernos de alta resistencia, los valores de pH de los experimentos de corrosión bajo tensión se establecieron en 3,5, 5,5 y 7,5 en combinación con la investigación bibliográfica23 y el rango de pH del agua de lluvia anual en Chong qing.2010 a 2018.
Cuanto mayor sea la concentración de la solución de corrosión simulada, mayor será el contenido de iones en la solución de corrosión simulada y mayor será la influencia en las propiedades del material. Para estudiar el efecto de la concentración de la solución de corrosión simulada en la corrosión bajo tensión de los pernos de alta resistencia, se realizó la prueba de corrosión acelerada de laboratorio artificial y la concentración de la solución de corrosión simulada se fijó en el nivel 4 sin corrosión, que eran la concentración de la solución de corrosión simulada original (1×), la concentración de la solución de corrosión simulada original 20 × (20 ×) y la concentración de la solución de corrosión simulada original 200 × concentración de la solución de corrosión (200 ×).
El entorno con una temperatura de 25 ℃, un valor de pH de 5,5 y la concentración de la solución de corrosión simulada original es el más cercano a las condiciones de uso reales de los pernos de alta resistencia para puentes. Sin embargo, para acelerar el proceso de prueba de corrosión, las condiciones experimentales con una temperatura de 25 °C, un pH de 5,5 y una concentración de 200 × solución de corrosión simulada original se establecieron como grupo de control de referencia. Cuando los efectos de la temperatura, la concentración o el valor de pH de la corrosión simulada La solución sobre el rendimiento de la corrosión bajo tensión de los pernos de alta resistencia se investigó respectivamente, otros factores permanecieron sin cambios, que se utilizaron como el nivel experimental del grupo de control de referencia.
De acuerdo con el informe de calidad ambiental atmosférica 2010-2018 emitido por la Oficina Municipal de Ecología y Medio Ambiente de Chongqing, y en referencia a los componentes de precipitación informados en Zhang24 y otras publicaciones informadas en Chongqing, se diseñó una solución de corrosión simulada basada en el aumento de la concentración de SO42. La composición de la precipitación en el área urbana principal de Chongqing en 2017. La composición de la solución de corrosión simulada se muestra en la Tabla 1:
La solución de corrosión simulada se prepara mediante el método de equilibrio de concentración de iones químicos utilizando reactivos analíticos y agua destilada. El valor de pH de la solución de corrosión simulada se ajustó con un medidor de pH de precisión, una solución de ácido nítrico y una solución de hidróxido de sodio.
Para simular el clima húmedo en Chongqing, el probador de niebla salina ha sido especialmente modificado y diseñado25. Como se muestra en la Figura 1, el equipo experimental tiene dos sistemas: un sistema de niebla salina y un sistema de iluminación. El sistema de niebla salina es la función principal del equipo experimental, que consta de una parte de control, una parte de pulverización y una parte de inducción. La función de la parte de pulverización es bombear la niebla salina hacia la cámara de prueba a través del compresor de aire. La parte de control está compuesta por una microcomputadora, que conecta la parte de rociado y la parte de inducción para controlar todo el proceso experimental. El sistema de iluminación está instalado en una cámara de prueba de niebla salina para simular la luz solar. El sistema de iluminación consta de lámparas infrarrojas y un controlador de tiempo. Al mismo tiempo, se instala un sensor de temperatura en la cámara de prueba de niebla salina para monitorear la temperatura alrededor de la muestra en tiempo real.
Las muestras de corrosión por tensión bajo carga constante se procesaron de acuerdo con NACETM0177-2005 (Pruebas de laboratorio de agrietamiento por tensión de sulfuro y resistencia al agrietamiento por corrosión por tensión de metales en un entorno de H2S). Las muestras de corrosión por tensión se limpiaron primero con acetona y una limpieza mecánica ultrasónica para eliminar los residuos de aceite, luego se deshidrataron con alcohol y se secaron en un horno. A continuación, coloque las muestras limpias en la cámara de prueba del dispositivo de prueba de niebla salina para simular la situación de corrosión en el entorno de clima húmedo de Chongq. ing. De acuerdo con el estándar NACETM0177-2005 y el estándar de prueba de niebla salina GB/T 10,125-2012, el tiempo de prueba de corrosión bajo tensión de carga constante en este estudio se determina uniformemente en 168 h. Se llevaron a cabo pruebas de tracción en las muestras de corrosión bajo diferentes condiciones de corrosión en la máquina de prueba de tracción universal MTS-810, y se analizaron sus propiedades mecánicas y la morfología de corrosión por fractura.
La figura 1 muestra la macro y micromorfología de la corrosión superficial de muestras de corrosión bajo tensión de pernos de alta resistencia bajo diferentes condiciones de corrosión.2 y 3 respectivamente.
Morfología macroscópica de especímenes de corrosión bajo tensión de pernos de alta resistencia de 20MnTiB bajo diferentes entornos de corrosión simulados: (a) sin corrosión;(b) 1 vez;(c) 20 ×;(d) 200 ×;(e) pH 3,5;(f) pH 7,5;g) 50°C.
Micromorfología de productos de corrosión de pernos de alta resistencia de 20MnTiB en diferentes entornos de corrosión simulados (100×): (a) 1 vez;(b) 20 ×;(c) 200 ×;(d) pH 3,5;(e) pH 7,5;(f) 50°C.
En la Fig. 2a se puede ver que la superficie del espécimen de perno de alta resistencia sin corrosión exhibe un brillo metálico brillante sin corrosión evidente. Sin embargo, bajo la condición de la solución de corrosión simulada original (Fig. 2b), la superficie de la muestra estaba parcialmente cubierta con productos de corrosión de color canela y marrón rojizo, y algunas áreas de la superficie aún mostraban un brillo metálico evidente, lo que indica que solo algunas áreas de la superficie de la muestra estaban ligeramente corroídas, y la solución de corrosión simulada no tuvo efecto en la superficie de la muestra.Las propiedades del material tienen poco efecto. Sin embargo, bajo la condición de concentración de solución de corrosión simulada original de 20 × (Fig. 2c), la superficie de la muestra de perno de alta resistencia ha sido completamente cubierta por una gran cantidad de productos de corrosión tostados y una pequeña cantidad de producto de corrosión rojo-marrón, no se encontró un brillo metálico evidente, y había una pequeña cantidad de producto de corrosión marrón-negro cerca de la superficie del sustrato. Y bajo la condición de concentración de solución de corrosión simulada original de 200 × (Fig. 2d), la superficie de la muestra está completamente cubierto por productos de corrosión marrón, y aparecen productos de corrosión marrón-negro en algunas áreas.
A medida que el pH disminuyó a 3,5 (Fig. 2e), los productos de corrosión de color canela fueron los que más se encontraban en la superficie de las muestras, y algunos de los productos de corrosión se habían exfoliado.
La figura 2g muestra que a medida que la temperatura aumenta a 50 °C, el contenido de productos de corrosión de color marrón rojizo en la superficie de la muestra disminuye considerablemente, mientras que los productos de corrosión de color marrón brillante cubren la superficie de la muestra en un área grande. La capa de productos de corrosión está relativamente suelta y algunos productos de color marrón oscuro se desprenden.
Como se muestra en la Figura 3, en diferentes entornos de corrosión, los productos de corrosión en la superficie de las muestras de corrosión por tensión de pernos de alta resistencia de 20MnTiB están obviamente deslaminados, y el espesor de la capa de corrosión aumenta con el aumento de la concentración de la solución de corrosión simulada. Bajo la condición de la solución de corrosión simulada original (Fig. 3a), los productos de corrosión en la superficie de la muestra se pueden dividir en dos capas: la capa más externa de productos de corrosión se distribuye uniformemente, pero aparece una gran cantidad de grietas;la capa interna es un grupo suelto de productos de corrosión. Bajo la condición de concentración de solución de corrosión simulada original de 20 × (Fig. 3b), la capa de corrosión en la superficie de la muestra se puede dividir en tres capas: la capa más externa es principalmente productos de corrosión de grupo dispersos, que son sueltos y porosos, y no tienen un buen rendimiento protector;La capa intermedia es una capa de producto de corrosión uniforme, pero hay grietas obvias y los iones de corrosión pueden pasar a través de las grietas y erosionar el sustrato;la capa interna es una capa densa de producto de corrosión sin grietas evidentes, que tiene un buen efecto protector sobre el sustrato. Bajo la condición de una concentración de solución de corrosión simulada original de 200 × (Fig. 3c), la capa de corrosión en la superficie de la muestra se puede dividir en tres capas: la capa más externa es una capa delgada y uniforme de producto de corrosión;la capa intermedia es principalmente corrosión en forma de pétalo y en forma de escamas. La capa interna es una capa densa de productos de corrosión sin grietas ni agujeros evidentes, que tiene un buen efecto protector sobre el sustrato.
Se puede ver en la Fig. 3d que en el entorno de corrosión simulado de pH 3.5, hay una gran cantidad de productos de corrosión floculantes o similares a agujas en la superficie de la muestra de perno de alta resistencia de 20MnTiB. Se especula que estos productos de corrosión son principalmente γ-FeOOH y una pequeña cantidad de α-FeOOH entrelazado26, y la capa de corrosión tiene grietas obvias.
Se puede ver en la Fig. 3f que cuando la temperatura aumentó a 50 °C, no se encontró una capa de óxido interna densa obvia en la estructura de la capa de corrosión, lo que indica que había espacios entre las capas de corrosión a 50 °C, lo que hizo que el sustrato no estuviera completamente cubierto por productos de corrosión.Proporciona protección contra una mayor tendencia a la corrosión del sustrato.
En la Tabla 2 se muestran las propiedades mecánicas de los pernos de alta resistencia sometidos a corrosión bajo tensión de carga constante en diferentes entornos corrosivos:
En la Tabla 2 se puede ver que las propiedades mecánicas de las muestras de pernos de alta resistencia de 20MnTiB aún cumplen con los requisitos estándar después de la prueba de corrosión acelerada de ciclo seco-húmedo en diferentes entornos de corrosión simulada, pero hay cierto daño en comparación con los no corroídos.muestra. A la concentración de la solución de corrosión simulada original, las propiedades mecánicas de la muestra no cambiaron significativamente, pero a la concentración de 20x o 200x de la solución simulada, el alargamiento de la muestra disminuyó significativamente. Las propiedades mecánicas son similares a las concentraciones de 20 × y 200 × soluciones de corrosión simuladas originales. Cuando el valor de pH de la solución de corrosión simulada cayó a 3,5, la resistencia a la tracción y el alargamiento de las muestras disminuyeron significativamente. Cuando la temperatura aumenta a 50 °C, la resistencia a la tracción y el alargamiento disminuyen significativamente, y la tasa de contracción del área es muy cercana al valor estándar.
Las morfologías de fractura de las muestras de corrosión por tensión de pernos de alta resistencia de 20MnTiB en diferentes entornos de corrosión se muestran en la Figura 4, que son la macromorfología de la fractura, la zona de fibras en el centro de la fractura, el labio micromorfológico de la interfaz de corte y la superficie de la muestra.
Morfologías de fracturas macroscópicas y microscópicas de muestras de pernos de alta resistencia de 20MnTiB en diferentes entornos de corrosión simulados (500×): (a) sin corrosión;(b) 1 vez;(c) 20 ×;(d) 200 ×;(e) pH 3,5;(f) pH 7,5;g) 50°C.
En la Fig. 4 se puede ver que la fractura de la muestra de corrosión por tensión del perno de alta resistencia de 20MnTiB bajo diferentes entornos de corrosión simulados presenta una fractura de cono de copa típica.En comparación con la muestra no corroída (Fig. 4a), el área central de la grieta del área de la fibra es relativamente pequeña., el área del borde de corte es más grande. Esto muestra que las propiedades mecánicas del material se dañan significativamente después de la corrosión. Con el aumento de la concentración de la solución de corrosión simulada, las picaduras en el área de la fibra en el centro de la fractura aumentaron y aparecieron costuras de desgarro evidentes. Cuando la concentración aumentó a 20 veces la de la solución de corrosión simulada original, aparecieron picaduras de corrosión obvias en la interfaz entre el borde del labio de corte y la superficie de la muestra, y había muchos productos de corrosión en la superficie.muestra.
Se infiere de la Figura 3d que hay grietas obvias en la capa de corrosión en la superficie de la muestra, lo que no tiene un buen efecto protector sobre la matriz.En la solución de corrosión simulada de pH 3.5 (Figura 4e), la superficie de la muestra está severamente corroída y el área central de la fibra es obviamente pequeña., Hay una gran cantidad de costuras de desgarro irregulares en el centro del área de la fibra. Con el aumento del valor de pH de la solución de corrosión simulada, la zona de desgarro en el área de la fibra en el centro de la fractura disminuye, el hoyo disminuye gradualmente y la profundidad del hoyo también disminuye gradualmente.
Cuando la temperatura aumentó a 50 °C (Fig. 4g), el área del labio de corte de la fractura de la muestra fue la más grande, las picaduras en el área central de la fibra aumentaron significativamente y la profundidad de la picadura también aumentó, y la interfaz entre el borde del labio de corte y la superficie de la muestra aumentó.Los productos de corrosión y las picaduras aumentaron, lo que confirmó la tendencia de profundización de la corrosión del sustrato reflejada en la Fig. 3f.
El valor de pH de la solución de corrosión causará algún daño a las propiedades mecánicas de los pernos de alta resistencia de 20MnTiB, pero el efecto no es significativo. En la solución de corrosión de pH 3.5, una gran cantidad de productos de corrosión floculantes o similares a agujas se distribuyen en la superficie de la muestra, y la capa de corrosión tiene grietas obvias, que no pueden formar una buena protección para el sustrato. de la muestra para resistir la deformación por fuerza externa se reduce significativamente en un ambiente ácido, y el grado de tendencia a la corrosión bajo tensión del material aumenta significativamente.
La solución de corrosión simulada original tuvo poco efecto en las propiedades mecánicas de las muestras de pernos de alta resistencia, pero a medida que la concentración de la solución de corrosión simulada aumentó a 20 veces la de la solución de corrosión simulada original, las propiedades mecánicas de las muestras se dañaron significativamente y hubo corrosión evidente en la microestructura de la fractura.picaduras, grietas secundarias y muchos productos de corrosión. Cuando la concentración de la solución de corrosión simulada aumentó de 20 a 200 veces la concentración de la solución de corrosión simulada original, el efecto de la concentración de la solución de corrosión en las propiedades mecánicas del material se debilitó.
Cuando la temperatura de corrosión simulada es de 25 ℃, el límite elástico y la resistencia a la tracción de las muestras de pernos de alta resistencia de 20MnTiB no cambian mucho en comparación con las muestras no corroídas. Sin embargo, bajo la temperatura ambiental de corrosión simulada de 50 °C, la resistencia a la tracción y el alargamiento de la muestra disminuyeron significativamente, la tasa de contracción de la sección estuvo cerca del valor estándar, el labio de corte de la fractura fue el más grande y había hoyuelos en el área central de la fibra. Significativo aumentó ligeramente, aumentó la profundidad de las picaduras, aumentaron los productos de corrosión y las picaduras de corrosión. Esto muestra que el entorno de corrosión sinérgica de la temperatura tiene una gran influencia en las propiedades mecánicas de los pernos de alta resistencia, lo que no es evidente a temperatura ambiente, pero es más significativo cuando la temperatura alcanza los 50 °C.
Después de la prueba de corrosión acelerada en interiores que simula el entorno atmosférico en Chongqing, se redujeron la resistencia a la tracción, el límite elástico, el alargamiento y otros parámetros de los pernos de alta resistencia de 20MnTiB y se produjeron daños por tensión evidentes. Dado que el material está bajo tensión, habrá un fenómeno de aceleración de corrosión localizado significativo. la tendencia a la corrosión bajo tensión.
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