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20MnTiB 鋼は我が国の鋼構造橋に最も広く使用されている高力ボルト材料であり、その性能は橋の安全な運用にとって非常に重要です。本研究は、重慶の大気環境の調査に基づいて、重慶の湿潤気候を模擬した腐食溶液を設計し、重慶の湿潤気候を模擬した高力ボルトの応力腐食試験を実施しました。温度、pH 値、および温度の影響20MnTiB高力ボルトの応力腐食挙動に及ぼす模擬腐食溶液濃度を研究した。
20MnTiB 鋼は我が国の鋼構造橋に最も広く使用されている高力ボルト材料であり、その性能は橋の安全な運用にとって非常に重要です。1 等級 10.9 高力ボルトに一般的に使用される 20MnTiB 鋼の特性を 20 ～ 700 ℃の高温域で試験し、応力-ひずみ曲線、降伏強さ、引張強さ、ヤング率、伸びを求めました。および膨張係数。Zhang et al.2、胡ら。化学組成試験、機械的特性試験、微細構造試験、ねじ山表面の巨視的および微視的分析を通じて、図3などの研究を行った結果、高力ボルトの破壊の主な原因はねじ山欠陥に関連しており、ねじ山欠陥の発生は、大きな応力集中、亀裂先端の応力集中、および屋外腐食条件のすべてが応力腐食割れにつながることを示しています。
鋼橋用の高力ボルトは、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降・吸収などの要因により、鋼構造物の腐食が発生しやすくなります。腐食により、高力ボルトの断面損失が発生し、多数の欠陥や亀裂が発生します。そして、これらの欠陥や亀裂は拡大し続けるため、高力ボルトの寿命が短くなり、場合によっては破損することもあります。これまでに多くの研究がなされています。材料の応力腐食性能に対する環境腐食の影響についての研究。Catar ら 4 は、低速ひずみ速度試験 (SSRT) により、酸性、アルカリおよび中性の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研究しました。Abdel ら 5 は、さまざまな濃度の硫化物イオンの存在下、3.5% NaCl 溶液中での Cu10Ni 合金の電気化学的および応力腐食割れ挙動を研究しました。Aghion ら.6 は、浸漬試験、塩水噴霧試験、動電位分極解析および SSRT によって、3.5% NaCl 溶液中でのダイカスト マグネシウム合金 MRI230D の腐食性能を評価しました。Zhang ら 7 は、SSRT および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対する塩化物イオンの影響を得ました。Chen et al.7 al.8は、SSRTを使用して、SRBを含む模擬海泥溶液中でのX70鋼の応力腐食挙動と亀裂のメカニズムをSSRTによってさまざまな温度で調査しました。Liuら9は、SSRTを使用して、00Cr21Ni14Mn5Mo2Nオーステナイト系ステンレス鋼の海水応力腐食耐性に対する温度と引張ひずみ速度の影響を研究しました。結果は、35〜65℃の範囲の温度は応力腐食挙動に有意な影響を及ぼさないことを示しています。 Lu et al.10 は、死荷重遅れ破壊試験と SSRT により、異なる引張強度グレードのサンプルの遅れ破壊感受性を評価しました。 20MnTiB 鋼および 35VB 鋼の高力ボルトの引張強さは、1040 ～ 1190MPa で管理する必要があることが示唆されています。 しかし、これらの研究のほとんどは、基本的に腐食環境をシミュレートするために単純な 3.5% NaCl 溶液を使用していますが、高力ボルトの実際の使用環境はより複雑です。ボルトの pH 値など、多くの影響要因があります。Ananya et al.Sunada et al. 11 は、二相ステンレス鋼の腐食と応力腐食割れに対する環境パラメータと腐食性媒体中の材料の影響を研究しました。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 鋼の室温応力腐食割れ試験を実施しました。SUS304 鋼の腐食タイプに対する H2SO4 と NaCl の影響も研究されました。Merwe ら 13 は、圧延方向、温度、CO2/CO 濃度、ガス圧力および腐食の影響を研究するために SSRT を使用しました。 Ibrahim et al.は、A516圧力容器鋼の応力腐食感受性に関する時間を計算しました。地下水シミュレーション溶液としてNS4溶液を使用して、Ibrahim et al.Shan et al. 14 は、コーティング剥離後の API-X100 パイプライン鋼の応力腐食割れに対する重炭酸イオン (HCO) 濃度、pH、温度などの環境パラメータの影響を調査しました。SSRT は、模擬石炭水素化プラントにおける黒水媒体の条件下で、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変化則を、異なる温度条件 (30 ～ 250℃) で温度変化させて研究しました。Han ら 16 は、死荷重遅れ破壊試験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、Zhao 17 は、SSRT の効果を研究しました。 SSRT による GH4080A 合金の応力腐食挙動に及ぼす pH、SO42-、Cl-1。結果は、pH 値が低いほど、GH4080A 合金の耐応力腐食性が悪化することを示しています。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感受性がありません。しかし、20MnTiB 鋼の高強度に対する環境腐食の影響に関する研究はほとんどありません。ボルト。
橋梁に使用される高力ボルトの破壊原因を解明するために、著者は一連の研究を行った。高力ボルトのサンプルを選択し、これらのサンプルの破壊原因を化学組成、破壊顕微鏡形態、金属組織および機械的性質分析の観点から議論した19,20。近年の重慶市の大気環境の調査に基づいて、重慶の湿潤な気候を模擬した腐食スキームを作成した。重慶模擬湿潤気候における高力ボルトの応力腐食実験、電気化学腐食実験、腐食疲労実験を実施した。本研究では、機械的特性試験、破壊の巨視的および顕微鏡的分析、および表面腐食生成物を通じて、20MnTiB高力ボルトの応力腐食挙動に及ぼす温度、pH値および模擬腐食溶液の濃度の影響を調査した。
重慶は中国南西部、長江の上流に位置し、湿潤な亜熱帯モンスーン気候に属し、年平均気温は16～18℃、年平均相対湿度はほぼ70～80％、年間日照時間は1000～1400時間、日照率は25～35％にすぎません。
2015年から2018年までの重慶市の日照と気温に関するレポートによると、重慶市の1日の平均気温は最低で17℃、最高で23℃となっています。重慶の朝天門橋の橋本体の最高温度は 50°C に達することがあります 21,22。したがって、応力腐食試験の温度レベルは 25°C と 50°C 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発生しやすいという意味ではありません。結果に対する pH の影響は、材料や溶液によって異なります。高強度ボルトの応力腐食性能に対する模擬腐食溶液の影響をよりよく研究するために、応力腐食実験の pH 値は 3.5、5.5、および 7.5 に設定されました。文献調査 23 および重慶の年間雨水の pH 範囲（2010 年から 2018 年）と組み合わせて。
模擬腐食溶液の濃度が高いほど、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。高力ボルトの応力腐食に対する模擬腐食溶液濃度の影響を研究するために、人工実験室加速腐食試験が実現され、模擬腐食溶液濃度は、元の模擬腐食溶液濃度（1×）である腐食なしのレベル4に設定されました。 、20 × 元の模擬腐食溶液濃度 (20 ×) および 200 × 元の模擬腐食溶液濃度 (200 ×)。
温度 25℃、pH 5.5、模擬腐食液の濃度が実際の橋梁用高力ボルトの使用条件に最も近い環境です。ただし、腐食試験プロセスを高速化するために、温度 25℃、pH 5.5、模擬腐食液の濃度 200 × の実験条件を基準対照群として設定しました。温度の影響が出る場合、高力ボルトの応力腐食性能に及ぼす模擬腐食溶液の濃度またはpH値をそれぞれ調査し、他の要素は変更せず、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行した2010～2018年の大気環境品質報告書によると、Zhang24で報告された降水成分や重慶で報告された他の文献を参照して、SO42-濃度の増加に基づいた模擬腐食溶液が設計されました。2017年の重慶市主要都市部の降水組成。模擬コルの組成rosion ソリューションを表 1 に示します。
模擬腐食液は、分析試薬と蒸留水を用いて化学イオン濃度平衡法により調製しました。模擬腐食液のpH値は、精密pH計、硝酸水溶液、水酸化ナトリウム水溶液を用いて調整しました。
重慶の湿潤な気候をシミュレートするために、塩水噴霧試験機は特別に改造および設計されています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あり、制御部、噴霧部、誘導部で構成されます。噴霧部の機能は、エアコンプレッサーを通して試験室に塩霧をポンプで送り込むことです。誘導部は、試験中の温度を感知する温度測定素子で構成されています。制御部はマイクロコンピュータで構成され、噴霧部と誘導部を接続して実験プロセス全体を制御します。照明システムは太陽光を模擬するために塩水噴霧試験室に設置されます。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ます。同時に、温度センサーが塩水噴霧試験室内に設置され、サンプル周囲の温度をリアルタイムで監視します。
一定の負荷をかけた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亀裂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。応力腐食試験片は、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。その後、きれいなサンプルを塩水噴霧試験装置の試験チャンバーに入れてシミュレートしました。重慶の湿潤な気候環境における腐食状況。規格 NACETM0177-2005 および塩水噴霧試験規格 GB/T 10,125-2012 に従って、この研究における定荷重応力腐食試験時間は一律 168 時間と決定されています。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、その機械的特性を調べました。および破壊腐食形態を分析した。
図 1 は、さまざまな腐食条件下での高強度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それぞれ示しています2および3。
さまざまな模擬腐食環境下での 20MnTiB 高力ボルトの応力腐食試験片の巨視的形態: (a) 腐食なし。(b) 1 回。(c) 20 ×;(d) 200 ×;(e) pH3.5;(f) pH 7.5。(g) 50℃。
さまざまな模擬腐食環境における 20MnTiB 高力ボルトの腐食生成物の微細形態 (100 倍): (a) 1 回。(b) 20×。(c) 200 ×;(d) pH3.5。(e) pH7.5;(f) 50℃。
図2aから、未腐食の高強度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（図2b）では、サンプルの表面は部分的に黄褐色および茶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おり、サンプル表面の一部の領域だけがわずかに腐食していることを示しており、模擬腐食溶液サンプルの表面には影響を与えませんでした。材料特性の影響はほとんどありません。しかし、元の模擬腐食溶液濃度20×の条件（図2c）では、高強度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茶赤色の腐食生成物で完全に覆われており、明らかな金属光沢は見られず、基材の表面近くに少量の茶黒色の腐食生成物がありました。腐食溶液の濃度が高い場合（図2d）、サンプルの表面は茶色の腐食生成物で完全に覆われ、一部の領域には茶黒色の腐食生成物が現れます。
pHが3.5に低下すると（図2e）、黄褐色の腐食生成物がサンプルの表面に最も多くなり、一部の腐食生成物は剥離していました。
図 2g は、温度が 50 °C に上昇するにつれて、サンプル表面の茶赤色の腐食生成物の含有量が急激に減少する一方、明るい茶色の腐食生成物がサンプルの表面を広い領域で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、一部の茶黒色の生成物が剥がれています。
図3に示すように、さまざまな腐食環境下では、20MnTiB高強度ボルト応力腐食試験片の表面の腐食生成物は明らかに層間剥離し、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ます。元の模擬腐食溶液の条件（図3a）では、サンプルの表面の腐食生成物は2つの層に分けることができます。腐食生成物のほとんどの層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。内層は腐食生成物の緩いクラスターです。20倍の元の模擬腐食溶液濃度の条件（図3b）では、サンプルの表面の腐食層は3つの層に分けることができます。最外層は主に分散したクラスター腐食生成物であり、緩くて多孔質であり、良好な保護性能はありません。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、基材に対する優れた保護効果があります。元の模擬腐食溶液濃度200倍の条件下では（図3c）、サンプル表面の腐食層は3つの層に分けることができます。最外層は薄く均一な腐食生成物層であり、最外層は薄く均一な腐食生成物層です。中間層は主に花弁状およびフレーク状の腐食です。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、基材に優れた保護効果があります。
図 3d から、pH 3.5 の模擬腐食環境では、20MnTiB 高力ボルト試験片の表面に綿状または針状の腐食生成物が多数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 が絡み合っていると推測され 26、腐食層には明らかな亀裂が生じています。
図3fから、温度が50℃に上昇すると、腐食層構造に明らかな緻密な内部錆層が見られなくなり、50℃では腐食層間に隙間があり、基板が腐食生成物で完全に覆われていないことがわかります。基板の腐食傾向の増加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で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特性は、さまざまな模擬腐食環境で乾湿両サイクル促進腐食試験を行った後でも標準要件を満たしていることがわかります。ただし、腐食していないサンプルと比較すると、一定の損傷があります。元の模擬腐食溶液の濃度では、サンプルの機械的特性は大幅に変化しませんでしたが、模擬溶液の 20 倍または 200 倍の濃度では、サンプルの機械的特性は大幅に変化しませんでした。 、サンプルの伸びが大幅に減少しました。機械的特性は、元の模擬腐食溶液の濃度 20 × と 200 × で同様です。模擬腐食溶液の pH 値が 3.5 に低下すると、サンプルの引張強さと伸びは大幅に低下しました。温度が 50°C に上昇すると、引張強さと伸びは大幅に低下し、面積収縮率は標準値に非常に近くなります。
さまざまな腐食環境下での 20MnTiB 高強度ボルト応力腐食試験片の破壊形態を図 4 に示します。これらは、破面のマクロ形態、破面中心の繊維ゾーン、せん断界面のリップのミクロ形態、およびサンプルの表面です。
さまざまな模擬腐食環境 (500 倍) における 20MnTiB 高強度ボルト試験片の巨視的および顕微鏡的破壊形態: (a) 腐食なし。(b) 1 回。(c) 20 ×;(d) 200 ×;(e) pH3.5;(f) pH7.5;(g) 50℃。
図 4 から、さまざまな模擬腐食環境下での 20MnTiB 高強度ボルト応力腐食試験片の破壊は、典型的なカップコーン破壊を示すことがわかります。腐食していない試験片（図4a）と比較して、繊維領域の亀裂の中央領域は比較的小さいです。、シアリップ面積が大きくなります。これは、材料の機械的特性が腐食後に著しく損傷してい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、破断中心の繊維領域のピットが増加し、明らかな引き裂き継ぎ目が現れました。濃度が元の模擬腐食溶液の20倍に増加すると、明らかな腐食ピットがシアリップエッジとサンプルの表面の間の界面に現れ、表面には多くの腐食生成物がありました。表面サンプル。
図 3d から、サンプルの表面の腐食層に明らかな亀裂があり、マトリックスに対して良好な保護効果が得られていないことが推測されます。pH 3.5の模擬腐食溶液(図4e)では、サンプルの表面はひどく腐食しており、中心の繊維領域は明らかに小さいです。繊維領域の中心には不規則な引き裂き継ぎ目が多数あります。模擬腐食溶液の pH 値の増加に伴い、破壊中心の繊維領域の引き裂き領域が減少し、ピットは徐々に減少し、ピットの深さも徐々に減少します。
温度が50°Cに上昇すると（図4g）、サンプルの破壊のせん断リップ面積が最大となり、中心繊維領域のピットが大幅に増加し、ピットの深さも増加し、せん断リップエッジとサンプル表面の間の界面が増加しました。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 高力ボルトの機械的特性にある程度の損傷を引き起こしますが、その影響は顕著ではありません。pH 3.5 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、腐食層には明らかな亀裂があり、母材を適切に保護できません。また、明らかな腐食ピットと多数の腐食があります。これは、酸性環境では外力による変形に抵抗するサンプルの能力が大幅に低下し、材料の応力腐食傾向の度合いが大幅に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特性には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濃度の 20 倍に増加すると、サンプルの機械的特性は大幅に損傷し、破壊微細構造に明らかな腐食が発生しました。模擬腐食溶液濃度が元の模擬腐食溶液濃度の 20 倍から 200 倍に増加すると、材料の機械的特性に対する腐食溶液濃度の影響は弱まりました。
模擬腐食温度が25℃の場合、20MnTiB高力ボルト試験片の降伏強さおよび引張強さは未腐食試験片と比べてあまり変化しません。しかし、模擬腐食環境温度50℃では、試験片の引張強さおよび伸びは大幅に低下し、断面収縮率は基準値に近づき、破壊せん断リップは最大で、中心繊維にはディンプルが発生しました。これは、温度相乗腐食環境が高力ボルトの機械的特性に大きな影響を与えることを示しています。この影響は、室温では明らかではありませんが、温度が 50 °C 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高力ボルトの引張強さ、降伏強さ、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。材料には応力がかかっているため、局部的に顕著な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効果により、高力ボルトに明らかな塑性損傷が発生しやすく、ボルトの寿命が短縮されます。外力による変形に抵抗し、応力腐食の傾向を高める能力。
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