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L'acier 20MnTiB est le matériau de boulon à haute résistance le plus largement utilisé pour les ponts à structure en acier dans mon pays, et ses performances sont d'une grande importance pour le fonctionnement sûr des ponts. Sur la base de l'étude de l'environnement atmosphérique à Chongqing, cette étude a conçu une solution de corrosion simulant le climat humide de Chongqing et effectué des tests de corrosion sous contrainte de boulons à haute résistance simulant le climat humide de Chongqing. comportement des boulons à haute résistance 20MnTiB ont été étudiés.
L'acier 20MnTiB est le matériau de boulon à haute résistance le plus largement utilisé pour les ponts à structure en acier dans mon pays, et ses performances sont d'une grande importance pour le fonctionnement sûr des ponts. Li et al.1 a testé les propriétés de l'acier 20MnTiB couramment utilisé dans les boulons à haute résistance de grade 10.9 dans la plage de températures élevées de 20 ~ 700 ℃, et a obtenu la courbe contrainte-déformation, la limite d'élasticité, la résistance à la traction, le module de Young et l'allongement.et coefficient de dilatation. Zhang et al.2, Hu et al.3, etc., par le biais d'essais de composition chimique, d'essais de propriétés mécaniques, d'essais de microstructure, d'analyses macroscopiques et microscopiques de la surface du filetage, et les résultats montrent que la principale raison de la fracture des boulons à haute résistance est liée aux défauts de filetage et à l'apparition de défauts de filetage.
Les boulons à haute résistance pour les ponts en acier sont généralement utilisés pendant longtemps dans un environnement humide. Des facteurs tels qu'une humidité élevée, une température élevée et la sédimentation et l'absorption de substances nocives dans l'environnement peuvent facilement provoquer la corrosion des structures en acier. La corrosion peut entraîner une perte de section transversale des boulons à haute résistance, entraînant de nombreux défauts et fissures. sur les performances de corrosion sous contrainte des matériaux. Catar et al.4 ont étudié le comportement de corrosion sous contrainte d'alliages de magnésium avec différentes teneurs en aluminium dans des environnements acides, alcalins et neutres par des essais de vitesse de déformation lente (SSRT). Abdel et al. par test d'immersion, test de brouillard salin, analyse de polarisation potentiodynamique et SSRT. Zhang et al. RT pour étudier l'effet de la température et de la vitesse de déformation en traction sur la résistance à la corrosion sous contrainte de l'eau de mer de l'acier inoxydable austénitique 00Cr21Ni14Mn5Mo2N. Les résultats montrent que la température dans la plage de 35 ~ 65 ℃ n'a aucun effet significatif sur le comportement de la corrosion sous contrainte de l'acier inoxydable. Lu et al.10 ont évalué la susceptibilité à la rupture retardée d'échantillons avec différentes classes de résistance à la traction par un test de rupture retardée à charge permanente et SSRT. et a de nombreux facteurs d'influence, tels que la valeur du pH du boulon.Ananya et al.11 ont étudié l'effet des paramètres environnementaux et des matériaux en milieu corrosif sur la corrosion et la fissuration par corrosion sous contrainte des aciers inoxydables duplex. Sunada et al.12 ont effectué des tests de fissuration par corrosion sous contrainte à température ambiante sur l'acier SUS304 dans des solutions aqueuses contenant du H2SO4 (0-5,5 kmol/m-3) et du NaCl (0-4,5 kmol/m-3). Les effets du H2SO4 et du NaCl sur les types de corrosion de l'acier SUS304 ont également été étudiés. 16 récipients sous pression en acier. En utilisant la solution NS4 comme solution de simulation des eaux souterraines, Ibrahim et al.14 ont étudié l'effet de paramètres environnementaux tels que la concentration en ions bicarbonate (HCO), le pH et la température sur la fissuration par corrosion sous contrainte de l'acier de pipeline API-X100 après le décollement du revêtement.Shan et al.15 ont étudié la loi de variation de la sensibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte de l'acier inoxydable austénitique 00Cr18Ni10 avec une température dans différentes conditions de température (30 ~ 250 ℃) dans des conditions d'eau noire dans une usine simulée de charbon à hydrogène par SSRT. Han et al. -, Cl-1 sur le comportement à la corrosion sous contrainte de l'alliage GH4080A par SSRT. Les résultats montrent que plus la valeur du pH est faible, plus la résistance à la corrosion sous contrainte de l'alliage GH4080A est mauvaise. Il a une sensibilité évidente à la corrosion sous contrainte au Cl-1 et n'est pas sensible au milieu ionique SO42 à température ambiante. Cependant, il existe peu d'études sur l'effet de la corrosion environnementale sur les boulons à haute résistance en acier 20MnTiB.
Afin de découvrir les raisons de la défaillance des boulons à haute résistance utilisés dans les ponts, l'auteur a mené une série d'études. des expériences de corrosion, des expériences de corrosion électrochimique et des expériences de fatigue par corrosion de boulons à haute résistance dans le climat humide simulé de Chongqing ont été réalisées. Dans cette étude, les effets de la température, du pH et de la concentration de la solution de corrosion simulée sur le comportement de corrosion sous contrainte des boulons à haute résistance 20MnTiB ont été étudiés par des tests de propriétés mécaniques, des analyses macroscopiques et microscopiques de fracture et des produits de corrosion de surface.
Chongqing est située dans le sud-ouest de la Chine, dans la partie supérieure du fleuve Yangtze, et a un climat de mousson subtropical humide. La température moyenne annuelle est de 16 à 18 °C, l'humidité relative moyenne annuelle est principalement de 70 à 80 %, les heures d'ensoleillement annuelles sont de 1 000 à 1 400 heures et le pourcentage d'ensoleillement n'est que de 25 à 35 %.
Selon les rapports relatifs à l'ensoleillement et à la température ambiante à Chongqing de 2015 à 2018, la température moyenne quotidienne à Chongqing est aussi basse que 17°C et aussi élevée que 23°C.La température la plus élevée sur le corps du pont Chaotianmen à Chongqing peut atteindre 50°C °C21,22. Par conséquent, les niveaux de température pour le test de corrosion sous contrainte ont été fixés à 25°C et 50°C.
La valeur du pH de la solution de corrosion simulée détermine directement la quantité de H+, mais cela ne signifie pas que plus la valeur du pH est faible, plus la corrosion est facile. L'effet du pH sur les résultats variera selon les matériaux et les solutions. ing.2010 à 2018.
Plus la concentration de la solution de corrosion simulée est élevée, plus la teneur en ions de la solution de corrosion simulée est élevée et plus l'influence sur les propriétés du matériau est importante. concentration de la solution de corrosion (200 ×).
L'environnement avec une température de 25℃, un pH de 5,5 et la concentration de la solution de corrosion simulée d'origine est le plus proche des conditions d'utilisation réelles des boulons à haute résistance pour les ponts. solution sur les performances de corrosion sous contrainte des boulons à haute résistance ont été étudiées respectivement, d'autres facteurs sont restés inchangés, qui ont été utilisés comme niveau expérimental du groupe témoin de référence.
Selon le briefing sur la qualité de l'environnement atmosphérique 2010-2018 publié par le Bureau municipal de l'écologie et de l'environnement de Chongqing, et se référant aux composants des précipitations rapportés dans Zhang24 et d'autres littératures rapportées à Chongqing, une solution de corrosion simulée basée sur l'augmentation de la concentration de SO42- a été conçue. La composition des précipitations dans la principale zone urbaine de Chongqing en 2017.
La solution de corrosion simulée est préparée par une méthode d'équilibre chimique de concentration d'ions en utilisant des réactifs analytiques et de l'eau distillée. La valeur du pH de la solution de corrosion simulée a été ajustée avec un pH-mètre de précision, une solution d'acide nitrique et une solution d'hydroxyde de sodium.
Afin de simuler le climat humide de Chongqing, le testeur de brouillard salin a été spécialement modifié et conçu25. Comme le montre la figure 1, l'équipement expérimental comporte deux systèmes : un système de brouillard salin et un système d'éclairage. La partie est composée d'un micro-ordinateur, qui relie la partie pulvérisation et la partie induction pour contrôler l'ensemble du processus expérimental. Le système d'éclairage est installé dans une chambre d'essai au brouillard salin pour simuler la lumière du soleil. Le système d'éclairage se compose de lampes infrarouges et d'un contrôleur de temps. En même temps, un capteur de température est installé dans la chambre d'essai au brouillard salin pour surveiller la température autour de l'échantillon en temps réel.
Les échantillons de corrosion sous contrainte sous charge constante ont été traités conformément à la norme NACETM0177-2005 (Laboratory Testing of Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking Resistance of Metals in a H2S Environment). Selon la norme NACETM0177-2005 et la norme d'essai au brouillard salin GB/T 10,125-2012, le temps d'essai de corrosion sous contrainte de charge constante dans cette étude est uniformément déterminé à 168 h.
La figure 1 montre la macro- et la micro-morphologie de la corrosion de surface d'éprouvettes de corrosion sous contrainte de boulons à haute résistance dans différentes conditions de corrosion.2 et 3 respectivement.
Morphologie macroscopique d'échantillons de corrosion sous contrainte de boulons à haute résistance 20MnTiB dans différents environnements de corrosion simulés : (a) pas de corrosion ;(b) 1 fois;(c) 20 ×;(d) 200 ×;(e) pH3,5;(f) pH 7,5;(g) 50°C.
Micromorphologie des produits de corrosion des boulons à haute résistance 20MnTiB dans différents environnements de corrosion simulés (100×) : (a) 1 fois ;(b) 20 ×;(c) 200 × ;(d) pH3,5;(e) pH7,5;(f) 50°C.
On peut voir sur la Fig. 2a que la surface de l'échantillon de boulon à haute résistance non corrodé présente un éclat métallique brillant sans corrosion évidente.Les propriétés du matériau ont peu d'effet. Cependant, dans des conditions de 20 × concentration de solution de corrosion simulée d'origine (Fig. 2c), la surface de l'échantillon de boulon à haute résistance a été complètement recouverte d'une grande quantité de produits de corrosion brun clair et d'une petite quantité de corrosion brun-rouge. complètement recouverte de produits de corrosion bruns, et des produits de corrosion brun-noir apparaissent dans certaines zones.
Lorsque le pH diminuait à 3, 5 (Fig. 2e), les produits de corrosion de couleur tan étaient les plus présents à la surface des échantillons et certains des produits de corrosion avaient été exfoliés.
La figure 2g montre que lorsque la température augmente à 50 ° C, la teneur en produits de corrosion brun-rouge à la surface de l'échantillon diminue fortement, tandis que les produits de corrosion brun clair recouvrent la surface de l'échantillon sur une grande surface. La couche de produit de corrosion est relativement lâche et certains produits brun-noir sont décollés.
Comme le montre la figure 3, dans différents environnements de corrosion, les produits de corrosion à la surface des échantillons de corrosion sous contrainte de boulon à haute résistance 20MnTiB sont évidemment délaminés et l'épaisseur de la couche de corrosion augmente avec l'augmentation de la concentration de la solution de corrosion simulée.la couche interne est un groupe lâche de produits de corrosion. Dans des conditions de concentration de solution de corrosion simulée d'origine de 20 × (Fig. 3b), la couche de corrosion à la surface de l'échantillon peut être divisée en trois couches : la couche la plus externe est principalement constituée de produits de corrosion en grappe dispersés, qui sont lâches et poreux, et n'ont pas de bonnes performances de protection ;La couche intermédiaire est une couche de produit de corrosion uniforme, mais il y a des fissures évidentes et les ions de corrosion peuvent traverser les fissures et éroder le substrat ;la couche interne est une couche de produit de corrosion dense sans fissures évidentes, qui a un bon effet protecteur sur le substrat. Sous la condition d'une concentration de solution de corrosion simulée d'origine de 200 × (Fig. 3c), la couche de corrosion à la surface de l'échantillon peut être divisée en trois couches : la couche la plus externe est une couche de produit de corrosion mince et uniforme ;la couche intermédiaire est principalement une corrosion en forme de pétale et en forme de flocon La couche interne est une couche de produit de corrosion dense sans fissures ni trous évidents, qui a un bon effet protecteur sur le substrat.
On peut voir sur la Fig. 3d que dans l'environnement de corrosion simulé de pH 3,5, il existe un grand nombre de produits de corrosion floculants ou en forme d'aiguilles à la surface de l'échantillon de boulon à haute résistance 20MnTiB. On suppose que ces produits de corrosion sont principalement γ-FeOOH et une petite quantité de α-FeOOH entrelacés26, et la couche de corrosion présente des fissures évidentes.
On peut voir sur la Fig. 3f que lorsque la température a augmenté à 50 ° C, aucune couche de rouille interne dense évidente n'a été trouvée dans la structure de la couche de corrosion, indiquant qu'il y avait des espaces entre les couches de corrosion à 50 ° C, ce qui a rendu le substrat pas complètement recouvert de produits de corrosion.Fournit une protection contre la tendance accrue à la corrosion du substrat.
Les propriétés mécaniques des boulons à haute résistance soumis à une corrosion sous contrainte de charge constante dans différents environnements corrosifs sont présentées dans le tableau 2 :
On peut voir dans le tableau 2 que les propriétés mécaniques des spécimens de boulons à haute résistance 20MnTiB répondent toujours aux exigences de la norme après le test de corrosion accélérée par cycle sec-humide dans différents environnements de corrosion simulés, mais il y a un certain dommage par rapport à ceux non corrodés. de manière significative. Les propriétés mécaniques sont similaires aux concentrations des solutions de corrosion simulées d'origine 20 × et 200 ×. Lorsque le pH de la solution de corrosion simulée chute à 3,5, la résistance à la traction et l'allongement des échantillons diminuent de manière significative. Lorsque la température monte à 50 °C, la résistance à la traction et l'allongement diminuent considérablement et le taux de retrait de la surface est très proche de la valeur standard.
Les morphologies de fracture des spécimens de corrosion sous contrainte de boulon à haute résistance 20MnTiB dans différents environnements de corrosion sont illustrées à la figure 4, qui sont la macro-morphologie de la fracture, la zone de fibre au centre de la fracture, la lèvre micromorphologique de l'interface de cisaillement et la surface de l'échantillon.
Morphologies de rupture macroscopiques et microscopiques d'échantillons de boulons à haute résistance 20MnTiB dans différents environnements de corrosion simulés (500×) : (a) pas de corrosion ;(b) 1 fois;(c) 20 ×;(d) 200 ×;(e) pH3,5;(f) pH7,5;(g) 50°C.
On peut voir sur la figure 4 que la fracture de l'échantillon de corrosion sous contrainte de boulon à haute résistance 20MnTiB dans différents environnements de corrosion simulés présente une fracture typique en coupe-cône.Par rapport à l'échantillon non corrodé (Fig. 4a), la zone centrale de la fissure de la zone des fibres est relativement petite., la zone de la lèvre de cisaillement est plus grande. Cela montre que les propriétés mécaniques du matériau sont considérablement endommagées après la corrosion. Avec l'augmentation de la concentration de la solution de corrosion simulée, les piqûres dans la zone des fibres au centre de la fracture ont augmenté et des coutures de déchirure évidentes sont apparues.
Il est déduit de la figure 3d qu'il existe des fissures évidentes dans la couche de corrosion à la surface de l'échantillon, ce qui n'a pas un bon effet protecteur sur la matrice.Dans la solution de corrosion simulée de pH 3,5 (figure 4e), la surface de l'échantillon est sévèrement corrodée et la zone centrale des fibres est évidemment petite., Il existe un grand nombre de coutures de déchirure irrégulières au centre de la zone des fibres.Avec l'augmentation de la valeur du pH de la solution de corrosion simulée, la zone de déchirure dans la zone des fibres au centre de la fracture diminue, la fosse diminue progressivement et la profondeur de la fosse diminue également progressivement.
Lorsque la température a augmenté à 50 ° C (Fig. 4g), la zone de la lèvre de cisaillement de la fracture de l'échantillon était la plus grande, les piqûres dans la zone centrale des fibres ont augmenté de manière significative, la profondeur de la piqûre a également augmenté et l'interface entre le bord de la lèvre de cisaillement et la surface de l'échantillon a augmenté.Les produits de corrosion et les piqûres ont augmenté, ce qui a confirmé la tendance à l'approfondissement de la corrosion du substrat reflétée sur la figure 3f.
La valeur du pH de la solution de corrosion causera des dommages aux propriétés mécaniques des boulons à haute résistance 20MnTiB, mais l'effet n'est pas significatif. Dans la solution de corrosion de pH 3,5, un grand nombre de produits de corrosion floculants ou en forme d'aiguilles sont répartis sur la surface de l'échantillon, et la couche de corrosion présente des fissures évidentes, qui ne peuvent pas former une bonne protection pour le substrat. de l'échantillon pour résister à la déformation par une force externe est considérablement réduite dans un environnement acide, et le degré de tendance à la corrosion sous contrainte du matériau est considérablement augmenté.
La solution de corrosion simulée d'origine a eu peu d'effet sur les propriétés mécaniques des échantillons de boulons à haute résistance, mais comme la concentration de la solution de corrosion simulée a augmenté jusqu'à 20 fois celle de la solution de corrosion simulée d'origine, les propriétés mécaniques des échantillons ont été considérablement endommagées et il y avait une corrosion évidente dans la microstructure de fracture.fosses, fissures secondaires et beaucoup de produits de corrosion. Lorsque la concentration de la solution de corrosion simulée a été augmentée de 20 fois à 200 fois la concentration de la solution de corrosion simulée d'origine, l'effet de la concentration de la solution de corrosion sur les propriétés mécaniques du matériau a été affaibli.
Lorsque la température de corrosion simulée est de 25 ℃, la limite d'élasticité et la résistance à la traction des spécimens de boulons à haute résistance 20MnTiB ne changent pas beaucoup par rapport aux spécimens non corrodés. Cela montre que l'environnement de corrosion synergique en température a une grande influence sur les propriétés mécaniques des boulons à haute résistance, ce qui n'est pas évident à température ambiante, mais plus significatif lorsque la température atteint 50 °C.
Après le test de corrosion accélérée en intérieur simulant l'environnement atmosphérique à Chongqing, la résistance à la traction, la limite d'élasticité, l'allongement et d'autres paramètres des boulons à haute résistance 20MnTiB ont été réduits, et des dommages de contrainte évidents se sont produits. Puisque le matériau est sous contrainte, il y aura un important phénomène d'accélération de la corrosion localisée. augmenter la tendance à la corrosion sous contrainte.
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