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20MnTiB 강은 중국에서 가장 널리 사용되는 고강도 볼트 재료이며, 그 성능은 교량의 안전한 운영에 매우 중요합니다. 본 연구에서는 충칭의 대기 환경에 대한 조사를 바탕으로 충칭의 습한 기후를 시뮬레이션한 부식 용액을 설계하고, 충칭의 습한 기후를 시뮬레이션한 고강도 볼트의 응력 부식 시험을 수행했습니다. 온도, pH 값 및 시뮬레이션된 부식 용액 농도가 20MnTiB 고강도 볼트의 응력 부식 거동에 미치는 영향을 연구했습니다.
20MnTiB 강은 우리나라에서 가장 널리 사용되는 고강도 볼트 소재로, 그 성능은 교량의 안전한 운영에 매우 중요합니다.Li et al.1은 20~700℃의 고온 범위에서 10.9급 고강도 볼트에 일반적으로 사용되는 20MnTiB 강의 특성을 시험하여 응력-변형 곡선, 항복 강도, 인장 강도, 탄성 계수, 신장 및 팽창 계수를 얻었습니다.Zhang et al.2, Hu et al.3 등은 화학 성분 시험, 기계적 특성 시험, 미세 조직 시험, 나사산 표면의 거시적 및 미시적 분석을 통해 고강도 볼트의 파괴의 주요 원인이 나사산 결함과 관련이 있으며 나사산 결함의 발생, 큰 응력 집중, 균열 끝 응력 집중 및 야외 부식 조건은 모두 응력 부식 균열로 이어진다는 것을 보여주었습니다.
강교용 고강도 볼트는 일반적으로 습한 환경에서 장기간 사용됩니다. 높은 습도, 고온, 그리고 환경 내 유해 물질의 침전 및 흡수와 같은 요인은 강구조물의 부식을 쉽게 유발할 수 있습니다. 부식은 고강도 볼트의 단면 손실을 유발하여 수많은 결함과 균열을 초래할 수 있습니다. 그리고 이러한 결함과 균열은 계속 확대되어 고강도 볼트의 수명을 단축시키고 심지어 파손을 유발합니다. 지금까지 환경 부식이 재료의 응력 부식 성능에 미치는 영향에 대한 많은 연구가 진행되었습니다. Catar et al.4는 산성, 알칼리성 및 중성 환경에서 저속 변형률 시험(SSRT)을 사용하여 다양한 알루미늄 함량을 갖는 마그네슘 합금의 응력 부식 거동을 조사했습니다. Abdel et al.5는 다양한 농도의 황화물 이온이 존재하는 3.5% NaCl 용액에서 Cu10Ni 합금의 전기화학적 및 응력 부식 균열 거동을 연구했습니다. Aghion et al.6은 3.5% NaCl 용액에서 다이캐스트 마그네슘 합금 MRI230D의 부식 성능을 평가했습니다. NaCl 용액에 대한 침지 시험, 염수 분무 시험, 역전위 분극 분석 및 SSRT.Zhang et al.7은 SSRT와 전통적인 전기화학적 시험 기술을 사용하여 9Cr 마르텐사이트 강의 응력 부식 거동을 연구하고 실온에서 마르텐사이트 강의 정적 부식 거동에 대한 염화물 이온의 영향을 얻었습니다.Chen et al.8은 SSRT를 사용하여 다양한 온도에서 SRB를 함유한 시뮬레이션 해저 진흙 용액에서 X70 강의 응력 부식 거동과 균열 메커니즘을 조사했습니다.Liu et al.9은 SSRT를 사용하여 00Cr21Ni14Mn5Mo2N 오스테나이트계 스테인리스 강의 해수 응력 부식 저항성에 미치는 온도와 인장 변형률 속도의 영향을 연구했습니다.결과에 따르면 35~65℃ 범위의 온도는 스테인리스 강의 응력 부식 거동에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다.Lu et al. 10은 사하중 지연 파괴 시험과 SSRT를 통해 인장 강도 등급이 다른 샘플의 지연 파괴 취약성을 평가했습니다. 20MnTiB 강과 35VB 강 고강도 볼트의 인장 강도는 1040~1190MPa에서 제어해야 한다고 제안되었습니다. 그러나 이러한 연구의 대부분은 기본적으로 간단한 3.5% NaCl 용액을 사용하여 부식 환경을 시뮬레이션하는 반면, 고강도 볼트의 실제 사용 환경은 더 복잡하고 볼트의 pH 값과 같은 많은 영향 요인이 있습니다. Ananya et al. 11은 이중 스테인리스 강의 부식 및 응력 부식 균열에 대한 부식성 매체의 환경 변수와 재료의 효과를 연구했습니다. Sunada et al. 12는 H2SO4(0~5.5 kmol/m-3)와 NaCl(0~4.5 kmol/m-3)이 포함된 수용액에서 SUS304 강에 대한 실온 응력 부식 균열 시험을 수행했습니다. 또한 H2SO4와 NaCl이 SUS304 강의 부식 유형에 미치는 영향도 연구했습니다. Merwe et al.13은 SSRT를 사용하여 압연 방향, 온도, CO2/CO 농도, 가스 압력 및 부식 시간이 A516 압력 용기 강의 응력 부식 취약성에 미치는 영향을 연구했습니다. Ibrahim et al.14은 지하수 시뮬레이션 솔루션으로 NS4 용액을 사용하여 코팅을 벗긴 후 API-X100 파이프라인 강의 응력 부식 균열에 미치는 중탄산염 이온(HCO) 농도, pH 및 온도와 같은 환경 변수의 영향을 조사했습니다. 15는 SSRT를 사용하여 모의 석탄-수소 발전소에서 흑수 매질 조건 하에 다른 온도 조건(30~250℃)에서 오스테나이트계 스테인리스강 00Cr18Ni10의 응력 부식 균열 감수성의 변화 법칙을 연구했습니다.Han et al.16은 사하중 지연 파괴 시험과 SSRT를 사용하여 고강도 볼트 샘플의 수소 취성 감수성을 특성화했습니다.Zhao17은 SSRT를 사용하여 pH, SO42-, Cl-1이 GH4080A 합금의 응력 부식 거동에 미치는 영향을 연구했습니다.결과에 따르면 pH 값이 낮을수록 GH4080A 합금의 응력 부식 저항성이 떨어집니다.Cl-1에 대한 응력 부식 민감도가 뚜렷하며 실온에서 SO42- 이온 매질에는 민감하지 않습니다.그러나 20MnTiB 강 고강도 볼트에 대한 환경 부식의 영향에 대한 연구는 거의 없습니다.
저자는 교량에 사용되는 고강도 볼트의 파손 원인을 알아내기 위해 일련의 연구를 수행했습니다.고강도 볼트 샘플을 선정하고, 화학 성분, 파괴 미시적 형태, 금속 조직 및 기계적 성질 분석의 관점에서 이러한 샘플의 파손 원인을 논의했습니다19, 20.최근 몇 년 동안 충칭의 대기 환경에 대한 조사를 바탕으로 충칭의 습한 기후를 모의한 부식 계획을 설계했습니다.충칭 모의 습한 기후에서 고강도 볼트의 응력 부식 실험, 전기 화학적 부식 실험 및 부식 피로 실험을 수행했습니다.이 연구에서는 온도, pH 값 및 모의 부식 용액의 농도가 20MnTiB 고강도 볼트의 응력 부식 거동에 미치는 영향을 기계적 성질 시험, 파괴 거시적 및 미시적 분석, 표면 부식 생성물을 통해 조사했습니다.
충칭은 중국 남서부, 장강 상류에 위치하고 있으며, 습윤 아열대 계절풍 기후입니다. 연평균 기온은 16~18°C, 연평균 상대 습도는 대부분 70~80%, 연간 일조 시간은 1000~1400시간이며, 일조율은 25~35%에 불과합니다.
2015년부터 2018년까지 충칭의 일조량 및 주변 온도 관련 보고서에 따르면, 충칭의 일평균 기온은 최저 17°C, 최고 23°C였습니다. 충칭 차오톈먼 대교의 교량 본체 최고 온도는 50°C에 달했습니다. 따라서 응력 부식 시험의 온도는 각각 25°C와 50°C로 설정되었습니다.
시뮬레이션된 부식 용액의 pH 값은 H+의 양을 직접 결정하지만, pH 값이 낮을수록 부식이 더 쉽게 발생한다는 것을 의미하지는 않습니다. 결과에 대한 pH의 영향은 재료와 용액마다 다릅니다. 고강도 볼트의 응력 부식 성능에 대한 시뮬레이션된 부식 용액의 영향을 더 잘 연구하기 위해, 응력 부식 실험의 pH 값을 문헌 연구23 및 충칭의 연간 강우량의 pH 범위와 결합하여 3.5, 5.5 및 7.5로 설정했습니다.2010년부터 2018년까지.
모의 부식 용액의 농도가 높을수록 모의 부식 용액의 이온 함량이 많아지고 재료 특성에 미치는 영향이 커집니다. 모의 부식 용액 농도가 고강도 볼트의 응력 부식에 미치는 영향을 연구하기 위해 인공 실험실 가속 부식 시험을 실시하고 모의 부식 용액 농도를 부식이 없는 수준 4로 설정했습니다. 이는 원래 모의 부식 용액 농도(1×), 원래 모의 부식 용액 농도의 20배(20×), 원래 모의 부식 용액 농도의 200배(200×)입니다.
온도 25℃, pH 5.5, 원래 모의 부식 용액의 농도를 갖는 환경은 교량용 고강도 볼트의 실제 사용 조건에 가장 가깝습니다. 그러나 부식 시험 과정을 빠르게 진행하기 위해 온도 25℃, pH 5.5, 농도 200배의 원래 모의 부식 용액을 갖는 실험 조건을 기준 대조군으로 설정했습니다. 모의 부식 용액의 온도, 농도 또는 pH 값이 고강도 볼트의 응력 부식 성능에 미치는 영향을 각각 조사했을 때 다른 요인은 변경하지 않고 이를 기준 대조군의 실험 수준으로 사용했습니다.
충칭시 생태환경국에서 발행한 2010~2018년 대기환경질 브리핑에 따라, 그리고 Zhang24에 보고된 강수 성분과 충칭에서 보고된 다른 문헌을 참고하여, SO42- 농도 증가에 따른 모의 부식 용액을 설계하였다. 2017년 충칭 주요 도시 지역의 강수량 구성. 모의 부식 용액의 구성은 표 1과 같다.
시뮬레이션된 부식 용액은 분석 시약과 증류수를 사용하여 화학 이온 농도 균형 방법을 통해 준비되었습니다. 시뮬레이션된 부식 용액의 pH 값은 정밀 pH 미터, 질산 용액 및 수산화나트륨 용액을 사용하여 조정되었습니다.
충칭의 습한 기후를 시뮬레이션하기 위해 염수 분무 시험기가 특별히 개조되어 설계되었습니다.그림 1에서 볼 수 있듯이 실험 장비에는 염수 분무 시스템과 조명 시스템의 두 가지 시스템이 있습니다.염수 분무 시스템은 제어부, 분무부 및 유도부로 구성된 실험 장비의 주요 기능입니다.분무부의 기능은 공기 압축기를 통해 시험 챔버로 염무를 펌핑하는 것입니다.유도부는 시험 챔버의 온도를 감지하는 온도 측정 요소로 구성됩니다.제어부는 분무부와 유도부를 연결하여 전체 실험 프로세스를 제어하는 ​​마이크로컴퓨터로 구성됩니다.조명 시스템은 햇빛을 시뮬레이션하기 위해 염수 분무 시험 챔버에 설치됩니다.조명 시스템은 적외선 램프와 시간 컨트롤러로 구성됩니다.동시에 염수 분무 시험 챔버에 온도 센서가 설치되어 샘플 주변의 온도를 실시간으로 모니터링합니다.
일정한 하중 하의 응력 부식 샘플은 NACETM0177-2005(H2S 환경에서 금속의 황화물 응력 균열 및 응력 부식 균열 저항성에 대한 실험실 테스트)에 따라 처리했습니다.응력 부식 시편은 먼저 아세톤과 초음파 기계적 세척으로 세척하여 오일 잔여물을 제거한 다음 알코올로 탈수하고 오븐에서 건조했습니다.그런 다음 깨끗한 샘플을 염수 분무 시험 장치의 시험 챔버에 넣어 충칭의 습한 기후 환경에서의 부식 상황을 시뮬레이션했습니다.표준 NACETM0177-2005 및 염수 분무 시험 표준 GB/T 10,125-2012에 따라 이 연구에서 일정한 하중 응력 부식 시험 시간은 일률적으로 168시간으로 결정되었습니다.MTS-810 만능 인장 시험기에서 다양한 부식 조건에서 부식 샘플에 대한 인장 시험을 수행했으며 기계적 특성과 파괴 부식 형태를 분석했습니다.
그림 1은 다양한 부식 조건에서 고강도 볼트 응력 부식 시편의 표면 부식의 거시적 형태와 미세적 형태를 각각 보여준다.2와 3.
다양한 시뮬레이션 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트의 응력 부식 시편의 거시적 형태: (a) 부식 없음; (b) 1회; (c) 20회; (d) 200회; (e) pH3.5; (f) pH 7.5; (g) 50°C.
다양한 시뮬레이션 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트의 부식 생성물의 미세 형태학(100배): (a) 1배; (b) 20배; (c) 200배; (d) pH3.5; (e) pH7.5; (f) 50°C.
그림 2a에서 볼 수 있듯이 부식되지 않은 고강도 볼트 시편의 표면은 눈에 띄는 부식 없이 밝은 금속 광택을 나타냅니다. 그러나 원래 시뮬레이션 부식 용액(그림 2b)의 조건에서는 시편 표면이 황갈색과 갈색-붉은색 부식 생성물로 부분적으로 덮여 있었고 표면의 일부 영역은 여전히 ​​눈에 띄는 금속 광택을 보였습니다. 이는 시편 표면의 일부 영역만 약간 부식되었고 시뮬레이션 부식 용액이 시편 표면에 영향을 미치지 않았음을 나타냅니다. 재료 특성은 거의 영향을 미치지 않습니다. 그러나 원래 시뮬레이션된 부식 용액 농도의 20배 조건(그림 2c)에서 고강도 볼트 시편의 표면은 많은 양의 황갈색 부식 생성물과 소량의 갈적색 부식 생성물로 완전히 덮여 있었고, 명확한 금속 광택은 발견되지 않았으며 기판 표면 근처에 소량의 갈흑색 부식 생성물이 있었습니다. 그리고 원래 시뮬레이션된 부식 용액 농도의 200배 조건(그림 2d)에서 시편의 표면은 갈색 부식 생성물로 완전히 덮여 있었고, 일부 영역에 갈흑색 부식 생성물이 나타났습니다.
pH가 3.5로 감소함에 따라(그림 2e), 황갈색 부식 생성물이 샘플 표면에 가장 많았고, 일부 부식 생성물은 박리되었습니다.
그림 2g는 온도가 50°C로 증가함에 따라 시료 표면의 갈색-붉은색 부식 생성물의 함량이 급격히 감소하는 반면 밝은 갈색 부식 생성물이 넓은 면적으로 시료 표면을 덮는 것을 보여줍니다. 부식 생성물 층은 비교적 느슨하고 일부 갈색-검은색 생성물이 벗겨집니다.
그림 3에서 보듯이, 다양한 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 응력 부식 시편 표면의 부식 생성물은 뚜렷하게 박리되었으며, 부식층의 두께는 모의 부식 용액의 농도가 증가함에 따라 증가했습니다. 원래 모의 부식 용액 조건(그림 3a)에서 샘플 표면의 부식 생성물은 두 층으로 나눌 수 있습니다. 가장 바깥쪽 부식 생성물 층은 균일하게 분포되지만 많은 균열이 나타납니다. 내부 층은 느슨한 부식 생성물 클러스터입니다. 원래 모의 부식 용액 농도가 20배인 조건(그림 3b)에서 샘플 표면의 부식층은 세 층으로 나눌 수 있습니다. 가장 바깥쪽 층은 주로 분산된 클러스터 부식 생성물로 느슨하고 다공성이며 좋은 보호 성능이 없습니다. 중간 층은 균일한 부식 생성물 층이지만 균열이 뚜렷하고 부식 이온이 균열을 통과하여 기판을 침식할 수 있습니다. 내부 층은 뚜렷한 균열이 없는 조밀한 부식 생성물층으로 기판에 대한 보호 효과가 좋습니다. 원래 시뮬레이션 부식 용액 농도의 200배 조건(그림 3c)에서 샘플 표면의 부식층은 세 층으로 나눌 수 있습니다. 가장 바깥쪽 층은 얇고 균일한 부식 생성물층이고 중간 층은 주로 꽃잎 모양과 플레이크 모양의 부식입니다. 내부 층은 뚜렷한 균열과 구멍이 없는 조밀한 부식 생성물층으로 기판에 대한 보호 효과가 좋습니다.
그림 3d에서 볼 수 있듯이 pH 3.5의 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 시편 표면에는 응집성 또는 바늘 모양의 부식 생성물이 다량 존재합니다. 이러한 부식 생성물은 주로 γ-FeOOH와 소량의 α-FeOOH가 얽혀 있으며 부식층에 뚜렷한 균열이 있는 것으로 추정됩니다.
그림 3f에서 볼 수 있듯이, 온도가 50°C로 증가했을 때 부식층 구조에서 뚜렷한 내부 녹층이 발견되지 않았습니다. 이는 50°C에서 부식층 사이에 간극이 존재하여 기판이 부식 생성물로 완전히 덮이지 않았음을 나타냅니다. 이는 기판 부식 경향 증가로부터 보호해 줍니다.
다양한 부식 환경에서 일정한 하중 응력 부식 하에 있는 고강도 볼트의 기계적 특성은 표 2에 나와 있습니다.
표 2에서 볼 수 있듯이, 20MnTiB 고강도 볼트 시편의 기계적 특성은 다양한 시뮬레이션 부식 환경에서 건식-습식 사이클 가속 부식 시험을 거친 후에도 여전히 표준 요구 사항을 충족하지만 부식되지 않은 시편과 비교했을 때 어느 정도 손상이 있습니다. 원래 시뮬레이션 부식 용액의 농도에서 샘플의 기계적 특성은 크게 변하지 않았지만 시뮬레이션 용액의 농도가 20배 또는 200배일 때 샘플의 신장이 크게 감소했습니다. 기계적 특성은 원래 시뮬레이션 부식 용액의 농도인 20배와 200배에서 유사했습니다. 시뮬레이션 부식 용액의 pH 값이 3.5로 떨어지면 샘플의 인장 강도와 신장이 크게 감소했습니다. 온도가 50°C로 올라가면 인장 강도와 신장이 크게 감소하고 면적 수축률이 표준 값에 매우 가깝습니다.
그림 4는 다양한 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 응력 부식 시편의 파괴 형태를 보여줍니다. 파괴 형태는 파괴의 거시적 형태, 파괴 중앙의 섬유대, 전단 계면의 미세적 형태적 입술, 시편 표면입니다.
다양한 시뮬레이션 부식 환경(500배)에서 20MnTiB 고강도 볼트 시편의 거시적 및 미시적 파괴 형태: (a) 부식 없음; (b) 1회; (c) 20배; (d) 200배; (e) pH3.5; (f) pH7.5; (g) 50°C.
그림 4에서 볼 수 있듯이, 다양한 시뮬레이션 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 응력 부식 시편의 파괴는 전형적인 컵-콘 파괴를 나타냅니다.부식되지 않은 시편(그림 4a)과 비교할 때, 섬유 영역 균열의 중앙 영역은 비교적 작고, 전단 립 영역은 더 큽니다.이것은 부식 후 재료의 기계적 특성이 크게 손상되었음을 보여줍니다.시뮬레이션 부식 용액 농도가 증가함에 따라 파괴 중앙의 섬유 영역에 피트가 증가하고 뚜렷한 찢어짐 이음매가 나타났습니다.농도가 원래 시뮬레이션 부식 용액의 20배로 증가했을 때, 전단 립 가장자리와 샘플 표면 사이의 계면에 뚜렷한 부식 피트가 나타났고, 표면에 많은 부식 생성물이 있었습니다.샘플.
그림 3d에서 알 수 있듯이, 시편 표면의 부식층에는 뚜렷한 균열이 존재하며, 이는 매트릭스에 대한 보호 효과가 미흡함을 알 수 있습니다. pH 3.5의 모의 부식 용액(그림 4e)에서는 시편 표면이 심하게 부식되어 있으며, 섬유 중심부의 면적이 현저히 작습니다. 섬유 중심부에는 불규칙한 찢어짐 이음매가 다수 존재합니다. 모의 부식 용액의 pH가 증가함에 따라, 균열 중심부의 섬유 중심부의 찢어짐 영역이 감소하고, 피트가 점차 감소하며, 피트 깊이 또한 점차 감소합니다.
온도가 50°C로 증가했을 때(그림 4g), 시편 파단면의 전단립 면적이 가장 컸고, 섬유 중심부의 피트가 크게 증가했으며, 피트 깊이 또한 증가했습니다. 또한 전단립 가장자리와 시편 표면 사이의 계면이 넓어졌습니다. 부식 생성물과 피트가 증가했는데, 이는 그림 3f에 나타난 기판 부식 심화 경향을 확인시켜 주었습니다.
부식 용액의 pH 값은 20MnTiB 고강도 볼트의 기계적 특성에 약간의 손상을 일으키지만 그 영향은 크지 않습니다. pH 3.5의 부식 용액에서는 응집성 또는 바늘 모양의 부식 생성물이 샘플 표면에 많이 분포하고 부식층에는 뚜렷한 균열이 생겨 기판에 대한 양호한 보호막을 형성할 수 없습니다. 또한 샘플 균열의 미세한 형태에는 뚜렷한 부식 구덩이와 많은 부식 생성물이 있습니다. 이는 샘플이 외부 힘에 의한 변형을 저항하는 능력이 산성 환경에서 현저히 감소하고 재료의 응력 부식 경향 정도가 현저히 증가함을 보여줍니다.
원래 시뮬레이션된 부식 용액은 고강도 볼트 샘플의 기계적 특성에 거의 영향을 미치지 않았지만, 시뮬레이션된 부식 용액의 농도가 원래 시뮬레이션된 부식 용액의 20배로 증가함에 따라 샘플의 기계적 특성이 크게 손상되었고 파단 미세 구조에 명확한 부식이 나타났습니다. 구멍, 2차 균열 및 많은 부식 생성물이 나타났습니다. 시뮬레이션된 부식 용액 농도가 원래 시뮬레이션된 부식 용액 농도의 20배에서 200배로 증가했을 때, 부식 용액 농도가 재료의 기계적 특성에 미치는 영향이 약해졌습니다.
시뮬레이션된 부식 온도가 25℃일 때, 20MnTiB 고강도 볼트 시편의 항복 강도와 인장 강도는 부식되지 않은 시편과 비교하여 크게 변하지 않았습니다. 그러나 시뮬레이션된 부식 환경 온도가 50℃일 때 시편의 인장 강도와 신장은 상당히 감소했고, 단면 수축률은 기준치에 가까웠으며, 파단 전단 립이 가장 컸고, 중앙 섬유 영역에 딤플이 있었습니다. 상당히 증가했고, 피트 깊이가 증가했으며, 부식 생성물과 부식 피트가 증가했습니다. 이는 온도 상승적 부식 환경이 고강도 볼트의 기계적 특성에 큰 영향을 미친다는 것을 보여주며, 이는 실온에서는 명확하지 않지만 온도가 50℃에 도달하면 더욱 현저해집니다.
충칭의 대기 환경을 모사한 실내 가속 부식 시험을 실시한 결과, 20MnTiB 고강도 볼트의 인장 강도, 항복 강도, 신장률 등의 매개변수가 감소하고, 응력 손상이 뚜렷하게 나타났습니다. 재료가 응력을 받기 때문에 국부 부식 가속 현상이 현저하게 나타납니다. 또한 응력 집중과 부식 피트의 복합 효과로 인해 고강도 볼트에 명확한 소성 손상이 발생하기 쉽고, 외력에 의한 변형 저항 능력이 감소하며, 응력 부식 경향이 커집니다.
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