Comportamento alla tensocorrosione di bulloni ad alta resistenza 20MnTiB nella simulazione del clima umido di Chongqing

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L'acciaio 20MnTiB è il materiale per bulloni ad alta resistenza più utilizzato per i ponti con strutture in acciaio nel mio paese e le sue prestazioni sono di grande importanza per il funzionamento sicuro dei ponti. Sulla base dell'indagine sull'ambiente atmosferico a Chongqing, questo studio ha progettato una soluzione di corrosione che simula il clima umido di Chongqing e ha effettuato test di corrosione sotto sforzo di bulloni ad alta resistenza che simulano il clima umido di Chongqing. Sono stati studiati bulloni ad alta resistenza 0MnTiB.
L'acciaio 20MnTiB è il materiale per bulloni ad alta resistenza più utilizzato per i ponti con struttura in acciaio nel mio paese e le sue prestazioni sono di grande importanza per il funzionamento sicuro dei ponti.Li et al.1 ha testato le proprietà dell'acciaio 20MnTiB comunemente utilizzato nei bulloni ad alta resistenza di grado 10.9 nell'intervallo di temperature elevate di 20 ~ 700 ℃ e ha ottenuto la curva sforzo-deformazione, resistenza allo snervamento, resistenza alla trazione, modulo di Young e allungamento.e coefficiente di espansione. Zhang et al.2, Hu et al.3, ecc., attraverso il test della composizione chimica, il test delle proprietà meccaniche, il test della microstruttura, l'analisi macroscopica e microscopica della superficie del filetto e i risultati mostrano che il motivo principale della frattura dei bulloni ad alta resistenza è correlato ai difetti del filetto e al verificarsi di difetti del filetto.
I bulloni ad alta resistenza per ponti in acciaio vengono solitamente utilizzati a lungo in un ambiente umido. Fattori come l'elevata umidità, l'alta temperatura e la sedimentazione e l'assorbimento di sostanze nocive nell'ambiente possono facilmente causare la corrosione delle strutture in acciaio. La corrosione può causare la perdita della sezione trasversale dei bulloni ad alta resistenza, con conseguenti numerosi difetti e crepe. le prestazioni di tensocorrosione dei materiali. Catar et al.4 hanno studiato il comportamento di tensocorrosione delle leghe di magnesio con diversi contenuti di alluminio in ambienti acidi, alcalini e neutri mediante prove di velocità di deformazione lenta (SSRT). Soluzione di NaCl mediante test di immersione, test in nebbia salina, analisi di polarizzazione potenziodinamica e SSRT. Zhang et al.7 hanno studiato il comportamento di tensocorrosione dell'acciaio martensitico 9Cr utilizzando SSRT e tecniche di test elettrochimici tradizionali e hanno ottenuto l'effetto degli ioni cloruro sul comportamento di corrosione statica dell'acciaio martensitico a temperatura ambiente. RT per studiare l'effetto della temperatura e della velocità di deformazione da trazione sulla resistenza alla corrosione sotto sforzo dell'acqua di mare dell'acciaio inossidabile austenitico 00Cr21Ni14Mn5Mo2N. I risultati mostrano che la temperatura nell'intervallo 35 ~ 65 ℃ non ha alcun effetto significativo sul comportamento di corrosione sotto sforzo dell'acciaio inossidabile. Lu et al.10 ha valutato la suscettibilità alla frattura ritardata di campioni con diversi gradi di resistenza alla trazione mediante un test di frattura ritardata a carico morto e SSRT. Si suggerisce che la resistenza alla trazione dei bulloni ad alta resistenza in acciaio 20MnTiB e acciaio 35VB dovrebbe essere controllata a 1040-1190 MPa. complesso e ha molti fattori di influenza, come il valore del pH del bullone. Ananya et al.11 hanno studiato l'effetto dei parametri ambientali e dei materiali nel mezzo corrosivo sulla corrosione e sulla tensocorrosione degli acciai inossidabili duplex. Sunada et al.12 hanno condotto prove di tensocorrosione a temperatura ambiente su acciaio SUS304 in soluzioni acquose contenenti H2SO4 (0-5,5 kmol/m-3) e NaCl (0-4,5 kmol/m-3). Sono stati inoltre studiati gli effetti di H2SO4 e NaCl sui tipi di corrosione dell'acciaio SUS304. Merwe et al. scettività dell'acciaio per recipienti a pressione A516. Utilizzando la soluzione NS4 come soluzione di simulazione delle acque sotterranee, Ibrahim et al.14 hanno studiato l'effetto di parametri ambientali come la concentrazione di ioni bicarbonato (HCO), il pH e la temperatura sulla tensocorrosione dell'acciaio per tubazioni API-X100 dopo la rimozione del rivestimento. Shan et al.15 ha studiato la legge di variazione della suscettibilità alla tensocorrosione dell'acciaio inossidabile austenitico 00Cr18Ni10 con temperatura in diverse condizioni di temperatura (30 ~ 250 ℃) in condizioni di acqua nera in un impianto simulato da carbone a idrogeno mediante SSRT. Han et al. 42-, Cl-1 sul comportamento alla tensocorrosione della lega GH4080A mediante SSRT. I risultati mostrano che minore è il valore del pH, peggiore è la resistenza alla tensocorrosione della lega GH4080A. Ha un'evidente sensibilità alla tensocorrosione a Cl-1 e non è sensibile al mezzo ionico SO42- a temperatura ambiente. Tuttavia, ci sono pochi studi sull'effetto della corrosione ambientale sui bulloni ad alta resistenza in acciaio 20MnTiB.
Al fine di scoprire le ragioni del cedimento dei bulloni ad alta resistenza utilizzati nei ponti, l'autore ha condotto una serie di studi. Sono stati selezionati campioni di bulloni ad alta resistenza e le ragioni del cedimento di questi campioni sono state discusse dal punto di vista della composizione chimica, della morfologia microscopica della frattura, della struttura metallografica e dell'analisi delle proprietà meccaniche19, 20. , sono stati condotti esperimenti di corrosione elettrochimica ed esperimenti di fatica da corrosione di bulloni ad alta resistenza nel clima umido simulato di Chongqing.
Chongqing si trova nel sud-ovest della Cina, nella parte superiore del fiume Yangtze, e ha un clima monsonico subtropicale umido. La temperatura media annuale è di 16-18 ° C, l'umidità relativa media annuale è per lo più del 70-80%, le ore di sole annuali sono di 1000-1400 ore e la percentuale di sole è solo del 25-35%.
Secondo i rapporti relativi al sole e alla temperatura ambiente a Chongqing dal 2015 al 2018, la temperatura media giornaliera a Chongqing è di soli 17°C e massima di 23°C.La temperatura massima sul corpo del ponte del ponte Chaotianmen a Chongqing può raggiungere i 50°C °C21,22. Pertanto, i livelli di temperatura per il test di corrosione da sforzo sono stati fissati a 25°C e 50°C.
Il valore del pH della soluzione di corrosione simulata determina direttamente la quantità di H+, ma ciò non significa che più basso è il valore del pH, più facile si verifica la corrosione. L'effetto del pH sui risultati varierà per diversi materiali e soluzioni. qing.2010 al 2018.
Maggiore è la concentrazione della soluzione di corrosione simulata, maggiore è il contenuto di ioni nella soluzione di corrosione simulata e maggiore è l'influenza sulle proprietà del materiale. Per studiare l'effetto della concentrazione della soluzione di corrosione simulata sulla corrosione da stress di bulloni ad alta resistenza, è stato realizzato il test di corrosione accelerata in laboratorio artificiale e la concentrazione della soluzione di corrosione simulata è stata impostata al livello 4 senza corrosione, che era la concentrazione della soluzione di corrosione simulata originale (1 ×), 20 × concentrazione della soluzione di corrosione simulata originale (20 ×) e 200 × quella simulata originale concentrazione della soluzione di corrosione (200 ×).
L'ambiente con una temperatura di 25 ℃, un valore di pH di 5,5 e la concentrazione della soluzione di corrosione simulata originale è il più vicino alle condizioni di utilizzo effettive dei bulloni ad alta resistenza per ponti. soluzione sulle prestazioni di tensocorrosione dei bulloni ad alta resistenza sono state studiate rispettivamente, altri fattori sono rimasti invariati, che è stato utilizzato come livello sperimentale del gruppo di controllo di riferimento.
Secondo il briefing sulla qualità dell'ambiente atmosferico 2010-2018 emesso dall'Ufficio municipale di ecologia e ambiente di Chongqing e facendo riferimento ai componenti delle precipitazioni riportati in Zhang24 e in altre pubblicazioni riportate a Chongqing, è stata progettata una soluzione di corrosione simulata basata sull'aumento della concentrazione di SO42-. La composizione delle precipitazioni nella principale area urbana di Chongqing nel 2017.
La soluzione di corrosione simulata viene preparata con il metodo dell'equilibrio della concentrazione di ioni chimici utilizzando reagenti analitici e acqua distillata. Il valore del pH della soluzione di corrosione simulata è stato regolato con un pHmetro di precisione, una soluzione di acido nitrico e una soluzione di idrossido di sodio.
Per simulare il clima umido a Chongqing, il tester di nebbia salina è stato appositamente modificato e progettato25. Come mostrato nella Figura 1, l'apparecchiatura sperimentale ha due sistemi: un sistema di nebbia salina e un sistema di illuminazione. Il sistema di nebbia salina è la funzione principale dell'apparecchiatura sperimentale, che consiste in una parte di controllo, una parte di nebulizzazione e una parte di induzione. La parte di controllo è composta da un microcomputer, che collega la parte di nebulizzazione e la parte di induzione per controllare l'intero processo sperimentale. Il sistema di illuminazione è installato in una camera di prova in nebbia salina per simulare la luce solare.
I campioni di tensocorrosione sotto carico costante sono stati elaborati in conformità con NACETM0177-2005 (Test di laboratorio sulla resistenza alla fessurazione da stress da solfuro e alla corrosione da stress dei metalli in un ambiente H2S). I campioni di tensocorrosione sono stati prima puliti con acetone e pulizia meccanica ad ultrasuoni per rimuovere i residui di olio, quindi disidratati con alcool e asciugati in un forno. allo standard NACETM0177-2005 e allo standard di prova in nebbia salina GB/T 10,125-2012, il tempo di prova di corrosione da sollecitazione a carico costante in questo studio è uniformemente determinato in 168 ore. Sono state eseguite prove di trazione sui campioni di corrosione in diverse condizioni di corrosione sulla macchina per prove di trazione universale MTS-810 e sono state analizzate le loro proprietà meccaniche e la morfologia della corrosione da frattura.
La figura 1 mostra la macro e micromorfologia della corrosione superficiale di campioni di tensocorrosione di bulloni ad alta resistenza in diverse condizioni di corrosione.2 e 3 rispettivamente.
Morfologia macroscopica di campioni di tensocorrosione di bulloni ad alta resistenza 20MnTiB in diversi ambienti di corrosione simulata: (a) nessuna corrosione;(b) 1 volta;(c) 20 ×;(d) 200 ×;(e) pH 3,5;(f) pH 7,5;g) 50°C.
Micromorfologia dei prodotti di corrosione di bulloni ad alta resistenza 20MnTiB in diversi ambienti di corrosione simulata (100 ×): (a) 1 volta;(b) 20 ×;(c) 200 ×;(d) pH 3,5;(e) pH7,5;f) 50°C.
Si può vedere dalla Fig. 2a che la superficie del campione di bullone ad alta resistenza non corroso mostra una lucentezza metallica brillante senza evidente corrosione. Tuttavia, nelle condizioni della soluzione di corrosione simulata originale (Fig. 2b), la superficie del campione era parzialmente ricoperta di prodotti di corrosione marrone chiaro e rosso-marrone e alcune aree della superficie mostravano ancora un'evidente lucentezza metallica, indicando che solo alcune aree della superficie del campione erano leggermente corrose e la soluzione di corrosione simulata non aveva alcun effetto sulla superficie del campione.Le proprietà del materiale hanno scarso effetto. Tuttavia, a condizione di una concentrazione della soluzione di corrosione simulata originale pari a 20 volte (Fig. 2c), la superficie del campione di bullone ad alta resistenza è stata completamente ricoperta da una grande quantità di prodotti di corrosione marrone chiaro e una piccola quantità di corrosione rosso-marrone. coperti da prodotti di corrosione marroni e in alcune aree compaiono prodotti di corrosione marrone-neri.
Quando il pH è sceso a 3,5 (Fig. 2e), i prodotti di corrosione di colore marrone chiaro erano i più presenti sulla superficie dei campioni e alcuni dei prodotti di corrosione erano stati esfoliati.
La Figura 2g mostra che all'aumentare della temperatura fino a 50 °C, il contenuto di prodotti di corrosione marrone-rosso sulla superficie del campione diminuisce bruscamente, mentre i prodotti di corrosione marrone brillante coprono la superficie del campione in un'ampia area. Lo strato del prodotto di corrosione è relativamente sciolto e alcuni prodotti marrone-neri vengono staccati.
Come mostrato nella Figura 3, in diversi ambienti di corrosione, i prodotti di corrosione sulla superficie dei campioni di tensocorrosione da bullone ad alta resistenza 20MnTiB sono ovviamente delaminate e lo spessore dello strato di corrosione aumenta con l'aumento della concentrazione della soluzione di corrosione simulata. Nella condizione della soluzione di corrosione simulata originale (Fig. 3a), i prodotti di corrosione sulla superficie del campione possono essere divisi in due strati: lo strato più esterno di prodotti di corrosione è distribuito uniformemente, ma appare un gran numero di crepe;lo strato interno è un ammasso sciolto di prodotti di corrosione. A condizione di 20 × concentrazione della soluzione di corrosione simulata originale (Fig. 3b), lo strato di corrosione sulla superficie del campione può essere suddiviso in tre strati: lo strato più esterno è costituito principalmente da prodotti di corrosione a grappolo dispersi, che sono sciolti e porosi e non hanno buone prestazioni protettive;Lo strato intermedio è uno strato di prodotto di corrosione uniforme, ma sono presenti crepe evidenti e gli ioni di corrosione possono passare attraverso le crepe ed erodere il substrato;lo strato interno è uno strato di prodotto di corrosione denso senza crepe evidenti, che ha un buon effetto protettivo sul substrato. Nella condizione di concentrazione della soluzione di corrosione simulata originale 200 × (Fig. 3c), lo strato di corrosione sulla superficie del campione può essere diviso in tre strati: lo strato più esterno è uno strato di prodotto di corrosione sottile e uniforme;lo strato intermedio è principalmente a forma di petalo ea forma di scaglia. Lo strato interno è uno strato di prodotto di corrosione denso senza crepe e fori evidenti, che ha un buon effetto protettivo sul substrato.
Si può vedere dalla Fig. 3d che nell'ambiente di corrosione simulata di pH 3,5, sulla superficie del campione di bullone ad alta resistenza 20MnTiB è presente un gran numero di prodotti di corrosione flocculanti o aghiformi.
Si può vedere dalla Fig. 3f che quando la temperatura è aumentata a 50 °C, non è stato trovato alcun evidente strato di ruggine interno denso nella struttura dello strato di corrosione, indicando che c'erano degli spazi tra gli strati di corrosione a 50 °C, che rendevano il substrato non completamente coperto dai prodotti di corrosione.Fornisce protezione contro l'aumento della tendenza alla corrosione del substrato.
Le proprietà meccaniche dei bulloni ad alta resistenza sottoposti a corrosione da sollecitazione di carico costante in diversi ambienti corrosivi sono mostrate nella Tabella 2:
Si può vedere dalla Tabella 2 che le proprietà meccaniche dei campioni di bulloni ad alta resistenza 20MnTiB soddisfano ancora i requisiti standard dopo il test di corrosione accelerata del ciclo secco-bagnato in diversi ambienti di corrosione simulata, ma c'è un certo danno rispetto a quelli non corrosi. Le proprietà meccaniche sono simili alle concentrazioni di 20 × e 200 × soluzioni originali di corrosione simulata. Quando il valore del pH della soluzione di corrosione simulata è sceso a 3,5, la resistenza alla trazione e l'allungamento dei campioni sono diminuiti in modo significativo.
Le morfologie di frattura dei campioni di tensocorrosione da bullone ad alta resistenza 20MnTiB in diversi ambienti di corrosione sono mostrate nella Figura 4, che sono la macromorfologia della frattura, la zona della fibra al centro della frattura, il labbro micromorfologico dell'interfaccia di taglio e la superficie del campione.
Morfologie di frattura macroscopiche e microscopiche di campioni di bulloni ad alta resistenza 20MnTiB in diversi ambienti di corrosione simulata (500 ×): (a) nessuna corrosione;(b) 1 volta;(c) 20 ×;(d) 200 ×;(e) pH 3,5;(f) pH 7,5;g) 50°C.
Si può vedere dalla Fig. 4 che la frattura del campione di tensocorrosione del bullone ad alta resistenza 20MnTiB in diversi ambienti di corrosione simulata presenta una tipica frattura cono-coppa.Rispetto al campione non corroso (Fig. 4a), l'area centrale della fessura dell'area della fibra è relativamente piccola., l'area del labbro di taglio è più grande. Ciò dimostra che le proprietà meccaniche del materiale sono significativamente danneggiate dopo la corrosione. Con l'aumento della concentrazione della soluzione di corrosione simulata, le fosse nell'area della fibra al centro della frattura sono aumentate e sono comparse evidenti cuciture di strappo.
Si deduce dalla Figura 3d che sono presenti evidenti cricche nello strato di corrosione sulla superficie del campione, che non ha un buon effetto protettivo sulla matrice.Nella soluzione di corrosione simulata di pH 3,5 (Figura 4e), la superficie del campione è gravemente corrosa e l'area della fibra centrale è ovviamente piccola., Ci sono un gran numero di giunture lacrimali irregolari al centro dell'area della fibra. Con l'aumento del valore del pH della soluzione di corrosione simulata, la zona lacrimale nell'area della fibra al centro della frattura diminuisce, la fossa diminuisce gradualmente e anche la profondità della fossa diminuisce gradualmente.
Quando la temperatura è aumentata a 50 ° C (Fig. 4g), l'area del labbro di taglio della frattura del campione era la più grande, le fosse nell'area della fibra centrale sono aumentate in modo significativo e anche la profondità della fossa è aumentata e l'interfaccia tra il bordo del labbro di taglio e la superficie del campione è aumentata.I prodotti di corrosione e i pozzi sono aumentati, il che ha confermato la tendenza all'approfondimento della corrosione del substrato riflessa in Fig. 3f.
Il valore del pH della soluzione di corrosione causerà alcuni danni alle proprietà meccaniche dei bulloni ad alta resistenza 20MnTiB, ma l'effetto non è significativo. Nella soluzione di corrosione di pH 3,5, un gran numero di prodotti di corrosione flocculanti o aghiformi sono distribuiti sulla superficie del campione e lo strato di corrosione presenta evidenti crepe, che non possono costituire una buona protezione per il substrato. campione per resistere alla deformazione da parte della forza esterna è notevolmente ridotto in un ambiente acido e il grado di tendenza alla corrosione da stress del materiale è notevolmente aumentato.
La soluzione di corrosione simulata originale ha avuto scarso effetto sulle proprietà meccaniche dei campioni di bulloni ad alta resistenza, ma poiché la concentrazione della soluzione di corrosione simulata è aumentata fino a 20 volte quella della soluzione di corrosione simulata originale, le proprietà meccaniche dei campioni sono state notevolmente danneggiate e si è verificata un'evidente corrosione nella microstruttura della frattura.pozzi, crepe secondarie e molti prodotti di corrosione. Quando la concentrazione della soluzione di corrosione simulata è stata aumentata da 20 a 200 volte rispetto alla concentrazione della soluzione di corrosione simulata originale, l'effetto della concentrazione della soluzione di corrosione sulle proprietà meccaniche del materiale è stato indebolito.
Quando la temperatura di corrosione simulata è di 25 ℃, la resistenza allo snervamento e la resistenza alla trazione dei campioni di bulloni ad alta resistenza 20MnTiB non cambiano molto rispetto ai campioni non corrosi. Tuttavia, sotto la temperatura dell'ambiente di corrosione simulata di 50 ° C, la resistenza alla trazione e l'allungamento del campione sono diminuiti in modo significativo, il tasso di restringimento della sezione era vicino al valore standard, il labbro di taglio della frattura era il più grande e c'erano fossette nell'area centrale della fibra. Significativo ly aumentato, la profondità del pozzo aumentata, i prodotti di corrosione e i pozzi di corrosione aumentati. Ciò dimostra che l'ambiente di corrosione sinergica della temperatura ha una grande influenza sulle proprietà meccaniche dei bulloni ad alta resistenza, che non è evidente a temperatura ambiente, ma più significativa quando la temperatura raggiunge i 50 ° C.
Dopo il test di corrosione accelerata indoor che simula l'ambiente atmosferico a Chongqing, la resistenza alla trazione, la resistenza allo snervamento, l'allungamento e altri parametri dei bulloni ad alta resistenza 20MnTiB sono stati ridotti e si sono verificati evidenti danni da stress. Poiché il materiale è sotto stress, si verificherà un significativo fenomeno di accelerazione della corrosione localizzata. tendenza alla tensocorrosione.
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Orario di pubblicazione: 17 febbraio 2022