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20MnTiB鋼は我が国で最も広く使用されている鋼構造橋梁用の高強度ボルト材料であり、その性能は橋梁の安全な運用にとって重要な意義を持つ。本研究では、重慶市の大気環境の調査に基づき、重慶市の湿潤気候を模擬した腐食溶液を設計し、重慶市の湿潤気候を模擬した高強度ボルトの応力腐食試験を実施した。温度、pH値、模擬腐食溶液の濃度が20MnTiB高強度ボルトの応力腐食挙動に及ぼす影響を研究した。
20MnTiB 鋼は我が国で最も広く使用されている鋼構造橋梁用の高強度ボルト材料であり、その性能は橋梁の安全な運用にとって重要な意義を持っています。Li et al. 1 は、20〜700 ℃の高温域でグレード 10.9 の高強度ボルトによく使用される 20MnTiB 鋼の特性をテストし、応力-ひずみ曲線、降伏強度、引張強度、ヤング率、伸び、膨張係数を取得しました。Zhang et al. 2、Hu et al. 3 などは、化学成分試験、機械的性質試験、微細組織試験、ねじ山表面のマクロおよびミクロ分析などを通じて、高強度ボルトが破損する主な原因はねじ山の欠陥に関連しており、ねじ山の欠陥の発生による大きな応力集中、亀裂先端の応力集中、および大気開放の腐食条件はすべて応力腐食割れにつながります。
鋼橋用高力ボルトは、通常、湿気の多い環境で長期間使用されます。高湿度、高温、環境中の有害物質の沈殿・吸収などの要因は、鋼構造物の腐食を容易に引き起こす可能性があります。腐食は高力ボルトの断面積減少を引き起こし、多数の欠陥や亀裂につながります。そして、これらの欠陥や亀裂は拡大し続け、高力ボルトの寿命を縮め、さらには破損につながることもあります。これまで、環境腐食が材料の応力腐食性能に及ぼす影響については、多くの研究が行われています。Catarら4は、酸性、アルカリ性、および中性環境におけるアルミニウム含有量の異なるマグネシウム合金の応力腐食挙動を、低速ひずみ速度試験（SSRT）によって調査しました。Abdelら5は、異なる濃度の硫化物イオンが存在する3.5％NaCl溶液中でのCu10Ni合金の電気化学的挙動および応力腐食割れ挙動を研究しました。Aghionら6は、ダイカストマグネシウム合金の腐食性能を評価しました。 MRI230D を 3.5% NaCl 溶液中で浸漬試験、塩水噴霧試験、動電位分極分析、および SSRT により分析しました。Zhang ら7 は、SSRT と従来の電気化学試験技術を使用して 9Cr マルテンサイト鋼の応力腐食挙動を研究し、室温でのマルテンサイト鋼の静的腐食挙動に及ぼす塩化物イオンの影響を得ました。Chen ら8 は、異なる温度での SRB を含む模擬海泥溶液中の X70 鋼の応力腐食挙動と割れメカニズムを SSRT によって調査しました。Liu ら9 は、SSRT を使用して、00Cr21Ni14Mn5Mo2N オーステナイトステンレス鋼の海水応力腐食抵抗に対する温度と引張ひずみ速度の影響を調べました。 10 は、異なる引張強度等級のサンプルの遅れ破壊感受性を、死荷重遅れ破壊試験および SSRT により評価しました。20MnTiB 鋼および 35VB 鋼の高強度ボルトの引張強度は 1040 ～ 1190 MPa に制御する必要があることが示唆されています。ただし、これらの研究のほとんどは、基本的に単純な 3.5% NaCl 溶液を使用して腐食環境をシミュレートしているのに対し、高強度ボルトの実際の使用環境はより複雑で、ボルトの pH 値など多くの影響要因があります。Ananya ら 11 は、腐食性媒体内の環境パラメータと材料が二相ステンレス鋼の腐食と応力腐食割れに及ぼす影響を調査しました。Sunada ら 12 は、腐食性媒体内の環境パラメータと材料が二相ステンレス鋼の腐食と応力腐食割れに及ぼす影響を調査しました。 12 は、H2SO4 (0-5.5 kmol/m-3) および NaCl (0-4.5 kmol/m-3) を含む水溶液中で SUS304 鋼の常温応力腐食割れ試験を実施しました。また、H2SO4 および NaCl が SUS304 鋼の腐食タイプに与える影響も研究しました。Merwe ら13 は、SSRT を使用して、圧延方向、温度、CO2/CO 濃度、ガス圧、腐食時間が A516 圧力容器鋼の応力腐食感受性に及ぼす影響を調べました。Ibrahim ら14 は、NS4 溶液を地下水シミュレーション溶液として使用し、重炭酸イオン (HCO) 濃度、pH、温度などの環境パラメータがコーティングを剥離した後の API-X100 パイプライン鋼の応力腐食割れに及ぼす影響を調査しました。Shan ら15 は、石炭から水素を製造するプラントを模擬した黒水媒体の条件下で、異なる温度条件 (30 ~ 250 ℃) におけるオーステナイト系ステンレス鋼 00Cr18Ni10 の応力腐食割れ感受性の温度による変化則を SSRT によって研究しました。Han ら 16 は、デッドロード遅れ破壊試験および SSRT を使用して、高強度ボルトサンプルの水素脆化感受性を特性評価しました。Zhao 17 は、SSRT によって pH、SO42-、Cl-1 が GH4080A 合金の応力腐食挙動に及ぼす影響を調べました。結果によると、pH 値が低いほど、GH4080A 合金の応力腐食耐性が悪化します。これは Cl-1 に対して明らかな応力腐食感受性があり、室温では SO42- イオン媒体に対して敏感ではありません。ただし、
橋梁に使用されている高強度ボルトの破損原因を解明するため、著者らは一連の研究を行った。高強度ボルトのサンプルを選択し、化学組成、破壊顕微鏡的形態、金属組織、機械的性質の分析の観点から、これらのサンプルの破損原因について考察した19, 20。近年の重慶の大気環境の調査に基づいて、重慶の湿潤気候をシミュレートする腐食スキームを設計した。重慶の模擬湿潤気候における高強度ボルトの応力腐食実験、電気化学的腐食実験、腐食疲労実験を実施した。本研究では、機械的性質試験、破壊のマクロおよびミクロ分析、表面腐食生成物を通じて、温度、pH値、模擬腐食溶液の濃度が20MnTiB高強度ボルトの応力腐食挙動に及ぼす影響を調査した。
重慶は中国南西部、長江上流に位置し、湿潤亜熱帯モンスーン気候に属します。年間平均気温は16～18℃、年間平均相対湿度は70～80％が多く、年間日照時間は1000～1400時間で、日照率はわずか25～35％です。
2015年から2018年にかけての重慶市の日照時間と気温に関する報告書によると、重慶市の日平均気温は最低17℃、最高23℃です。重慶市朝天門橋の橋体では最高温度が50℃に達することがあります21,22。そのため、応力腐食試験の温度レベルは25℃と50℃に設定されました。
模擬腐食溶液のpH値はH+の量を直接決定しますが、pH値が低いほど腐食が起こりやすくなるというわけではありません。pHが結果に及ぼす影響は、材料や溶液によって異なります。模擬腐食溶液が高力ボルトの応力腐食性能に及ぼす影響をよりよく研究するために、文献研究23および重慶の年間雨水のpH範囲（2010～2018年）と組み合わせて、応力腐食実験のpH値を3.5、5.5、7.5に設定しました。
模擬腐食溶液の濃度が高くなるほど、模擬腐食溶液中のイオン含有量が多くなり、材料特性への影響が大きくなります。模擬腐食溶液の濃度が高力ボルトの応力腐食に及ぼす影響を研究するために、人工の実験室加速腐食試験を実施し、模擬腐食溶液の濃度を腐食なしのレベル4、つまり元の模擬腐食溶液濃度（1×）、元の模擬腐食溶液濃度の20倍（20×）、および元の模擬腐食溶液濃度の200倍（200×）に設定しました。
温度25℃、pH値5.5、元の模擬腐食溶液の濃度の環境は、橋梁用高力ボルトの実際の使用条件に最も近い。しかし、腐食試験プロセスを迅速化するために、温度25℃、pH5.5、元の模擬腐食溶液の200倍の濃度の実験条件を参照対照群として設定した。模擬腐食溶液の温度、濃度、またはpH値が高力ボルトの応力腐食性能に及ぼす影響をそれぞれ調査したとき、他の要因は変更せず、これを参照対照群の実験レベルとして使用した。
重慶市生態環境局が発表した2010～2018年の大気環境品質報告に基づき、張24が報告した降水成分や重慶で報告されたその他の文献を参考に、SO42-濃度の増加に基づく模擬腐食溶液を設計した。2017年の重慶主要都市部の降水成分。模擬腐食溶液の組成を表1に示す。
模擬腐食溶液は、分析試薬と蒸留水を使用した化学イオン濃度バランス法によって調製されます。模擬腐食溶液の pH 値は、精密 pH メーター、硝酸溶液、および水酸化ナトリウム溶液を使用して調整されました。
重慶の湿気の多い気候をシミュレートするために、塩水噴霧試験装置は特別に改造され、設計されました25。図1に示すように、実験装置には、塩水噴霧システムと照明システムの2つのシステムがあります。塩水噴霧システムは実験装置の主な機能で、制御部、噴霧部、誘導部で構成されています。噴霧部の機能は、エアコンプレッサーを通して塩のミストを試験室に送り込むことです。誘導部は温度測定素子で構成され、試験室内の温度を感知します。制御部は、噴霧部と誘導部を接続して実験プロセス全体を制御するためのマイクロコンピュータで構成されています。照明システムは、塩水噴霧試験室に設置され、太陽光をシミュレートします。照明システムは、赤外線ランプと時間コントローラで構成されています。
定荷重応力腐食サンプルは、NACETM0177-2005（H2S環境における金属の硫化物応力割れおよび応力腐食割れ耐性の実験室試験）に従って処理されました。応力腐食サンプルは、最初にアセトンと超音波機械洗浄で洗浄して油残留物を除去し、次にアルコールで脱水し、オーブンで乾燥させました。次に、清潔なサンプルを塩水噴霧試験装置の試験室に入れ、重慶の湿気の多い気候環境における腐食状況をシミュレートしました。標準NACETM0177-2005および塩水噴霧試験標準GB / T 10,125-2012に従って、本研究での定荷重応力腐食試験時間は168時間と一律に決定されました。MTS-810万能引張試験機でさまざまな腐食条件下で腐食サンプルの引張試験を実施し、機械的特性と破壊腐食形態を分析しました。
図 1 は、さまざまな腐食条件下での高力ボルトの応力腐食試験片の表面腐食のマクロおよびミクロ形態を示しています。それぞれ 2 と 3。
さまざまな模擬腐食環境下における 20MnTiB 高強度ボルトの応力腐食試験片のマクロ形態：（a）腐食なし、（b）1 回、（c）20 ×、（d）200 ×、（e）pH3.5、（f）pH 7.5、（g）50°C。
さまざまな模擬腐食環境（100×）における20MnTiB高強度ボルトの腐食生成物の微細形態：（a）1回、（b）20×、（c）200×、（d）pH3.5、（e）pH7.5、（f）50°C。
図2aから、腐食されていない高力ボルト試験片の表面は明らかな腐食がなく、明るい金属光沢を示していることがわかります。しかし、元の模擬腐食溶液の条件では（図2b）、サンプルの表面は部分的に黄褐色および赤褐色の腐食生成物で覆われており、表面の一部の領域はまだ明らかな金属光沢を示していました。これは、サンプル表面の一部の領域のみがわずかに腐食しており、模擬腐食溶液はサンプルの表面に影響を与えなかったことを示しています。材料特性はほとんど影響しません。ただし、元の模擬腐食溶液濃度の20倍の条件（図2c）では、高力ボルト試験片の表面は大量の黄褐色の腐食生成物と少量の赤褐色の腐食生成物で完全に覆われています。生成物には明らかな金属光沢は見られず、基材の表面近くに少量の黒褐色の腐食生成物がありました。また、元の模擬腐食溶液濃度の200倍の条件（図2d）では、サンプルの表面は茶色の腐食生成物で完全に覆われ、一部の領域に黒褐色の腐食生成物が現れています。
pH が 3.5 に低下すると (図 2e)、サンプルの表面に黄褐色の腐食生成物が最も多く見られ、腐食生成物の一部は剥離していました。
図2gは、温度が50℃に上昇すると、サンプル表面の赤褐色の腐食生成物の含有量が急激に減少する一方で、明るい茶色の腐食生成物がサンプル表面の広い領域を覆っていることを示しています。腐食生成物の層は比較的緩く、一部の黒褐色の生成物は剥がれています。
図3に示すように、異なる腐食環境下において、20MnTiB高強度ボルトの応力腐食試験片の表面の腐食生成物は明らかに剥離しており、模擬腐食溶液の濃度が増加するにつれて腐食層の厚さが増加しています。元の模擬腐食溶液の条件（図3a）では、サンプル表面の腐食生成物は2層に分けられます。最外層の腐食生成物は均一に分布していますが、多数の亀裂が発生しています。内層は腐食生成物が緩く集まっています。元の模擬腐食溶液の濃度の20倍の条件（図3b）では、サンプル表面の腐食層は3層に分けられます。最外層は主に分散したクラスター腐食生成物で、緩く多孔質で、保護性能は良くありません。中間層は均一な腐食生成物層ですが、明らかな亀裂があり、腐食イオンが亀裂を通過して基板を侵食する可能性があります。内層は明らかな亀裂のない緻密な腐食生成物層であり、基板に対する保護効果が良好です。 200倍の元の模擬腐食溶液濃度の条件では（図3c）、サンプル表面の腐食層は3つの層に分けられます。最外層は薄く均一な腐食生成物層です。中間層は主に花びら状と薄片状の腐食です。内層は明らかな亀裂や穴のない緻密な腐食生成物層であり、基板に対する保護効果が良好です。
図3dから、pH3.5の模擬腐食環境において、20MnTiB高力ボルト試験片の表面に、多数の綿状または針状の腐食生成物が存在することがわかります。これらの腐食生成物は主にγ-FeOOHと少量のα-FeO​​OHが絡み合っており、腐食層には明らかな亀裂が生じていると推測されます。
図3fから、温度が50℃に上昇しても腐食層構造に明らかな緻密な内部錆層は見られず、50℃では腐食層間に隙間があり、基材が腐食生成物によって完全に覆われていないことがわかります。基材の腐食傾向の増大に対する保護を提供します。
さまざまな腐食環境における定荷重応力腐食下の高強度ボルトの機械的特性を表 2 に示します。
表2から、20MnTiB高強度ボルト試験片の機械的性質は、さまざまな模擬腐食環境での乾湿サイクル加速腐食試験後も標準要件を満たしていることがわかりますが、腐食されていないものと比較すると、ある程度の損傷があります。元の模擬腐食溶液の濃度では、サンプルの機械的性質に大きな変化はありませんでしたが、模擬溶液の20倍または200倍の濃度では、サンプルの伸びが大幅に減少しました。元の模擬腐食溶液の20倍と200倍の濃度では、機械的性質は同様でした。模擬腐食溶液のpH値が3.5に低下すると、サンプルの引張強度と伸びが大幅に減少しました。温度が50°Cに上昇すると、引張強度と伸びが大幅に減少し、面積収縮率は標準値に非常に近くなります。
図 4 に、異なる腐食環境下における 20MnTiB 高強度ボルトの応力腐食試験片の破壊形態を示します。破壊のマクロ形態、破壊の中心にある繊維領域、せん断界面のミクロ形態リップ、およびサンプルの表面です。
さまざまな模擬腐食環境 (500×) における 20MnTiB 高強度ボルト試験片のマクロ的およびミクロ的な破壊形態: (a) 腐食なし、(b) 1 回、(c) 20 ×、(d) 200 ×、(e) pH3.5、(f) pH7.5、(g) 50°C。
図4から、20MnTiB高強度ボルトの応力腐食試験片の異なる模擬腐食環境下での破壊は、典型的なカップコーン破壊を示していることがわかります。腐食されていない試験片（図4a）と比較して、繊維領域亀裂の中央領域は比較的小さく、せん断リップ領域が大きくなっています。これは、腐食後に材料の機械的特性が著しく損なわれることを示しています。模擬腐食溶液の濃度が増加すると、破壊の中心にある繊維領域のピットが増加し、明らかな引き裂きシームが現れました。濃度が元の模擬腐食溶液の20倍に増加すると、せん断リップエッジとサンプルの表面との界面に明らかな腐食ピットが現れ、表面には多くの腐食生成物がありました。サンプル。
図3dから、サンプル表面の腐食層に明らかな亀裂があり、マトリックスに対する保護効果が良好ではないことが推測されます。pH3.5の模擬腐食溶液（図4e）では、サンプル表面がひどく腐食し、中央の繊維領域が明らかに小さくなっています。繊維領域の中央には、不規則な裂け目が多数あります。模擬腐食溶液のpH値が上昇するにつれて、破損中心部の繊維領域の裂け目が減少し、ピットが徐々に減少し、ピットの深さも徐々に減少します。
温度が50℃に上昇すると（図4g）、サンプルの破断部のせん断リップ面積が最大になり、中央繊維領域のピットが大幅に増加し、ピット深さも増加しました。また、せん断リップ端とサンプル表面の界面も拡大しました。腐食生成物とピットが増加し、図3fに反映されている基板腐食の深化傾向が確認されました。
腐食溶液のpH値は、20MnTiB高強度ボルトの機械的性質に若干の損傷を引き起こしますが、その影響は大きくありません。pH3.5の腐食溶液では、サンプルの表面に多数の綿状または針状の腐食生成物が分布し、腐食層に明らかな亀裂が生じ、基板に対して良好な保護を形成できません。また、サンプルの破損部分の微視的形態には、明らかな腐食ピットと多数の腐食生成物が見られます。これは、酸性環境ではサンプルが外力による変形に抵抗する能力が著しく低下し、材料の応力腐食傾向の程度が著しく増加することを示しています。
元の模擬腐食溶液は、高強度ボルトサンプルの機械的性質にほとんど影響を与えませんでしたが、模擬腐食溶液の濃度が元の模擬腐食溶液の20倍に増加すると、サンプルの機械的性質が著しく損なわれ、破壊微細構造に明らかな腐食が発生しました。ピット、二次亀裂、および多くの腐食生成物が発生しました。模擬腐食溶液の濃度を元の模擬腐食溶液の濃度の20倍から200倍に増加したとき、腐食溶液濃度が材料の機械的性質に与える影響は弱まりました。
20MnTiB高強度ボルト試験片の降伏強度および引張強度は、模擬腐食温度が25℃の場合、未腐食試験片と比較してあまり変化しません。しかし、模擬腐食環境温度が50℃の場合、試験片の引張強度および伸びは大幅に低下し、断面収縮率は規格値に近くなり、破断せん断リップは最大となり、中央繊維領域にディンプルが発生しました。ピット深さが増加し、腐食生成物および腐食ピットが増加しました。これは、温度相乗腐食環境が高強度ボルトの機械的性質に大きな影響を与えていることを示しています。これは室温では明らかではありませんが、温度が50℃に達するとより顕著になります。
重慶の大気環境を模擬した室内加速腐食試験後、20MnTiB高強度ボルトの引張強度、降伏強度、伸びなどのパラメータが低下し、明らかな応力損傷が発生しました。材料が応力を受けているため、顕著な局部腐食加速現象が発生します。また、応力集中と腐食ピットの複合影響により、高強度ボルトに明らかな塑性損傷を引き起こしやすく、外力による変形に対する抵抗能力が低下し、応力腐食の傾向が高まります。
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