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20MnTiB 강은 우리나라에서 가장 널리 사용되는 철골 교량용 고강도 볼트 재료이며 그 성능은 교량의 안전한 작동에 매우 중요합니다. 본 연구는 충칭의 대기 환경 조사를 기반으로 충칭의 습한 기후를 모사한 부식 용액을 설계하고 충칭의 습한 기후를 모사한 고강도 볼트의 응력 부식 시험을 수행했습니다. 온도, pH 값 및 모의 부식 용액 농도가 응력 부식에 미치는 영향 20MnTiB 고강도 볼트의 거동을 연구했습니다.
20MnTiB강은 우리나라에서 강구조 교량용으로 가장 널리 사용되는 고강도 볼트재이며 그 성능은 교량의 안전한 운행에 큰 의미가 있습니다.Li et al.1은 20~700℃의 고온 범위에서 grade 10.9 고강도 볼트에 일반적으로 사용되는 20MnTiB강의 물성을 시험하여 응력-변형률 곡선, 항복강도, 인장강도, 영률, 연신율을 구하였다.및 팽창 계수. Zhang et al.2, Hu et al.3 등은 화학적 조성 테스트, 기계적 특성 테스트, 미세 구조 테스트, 스레드 표면의 거시적 및 현미경 분석을 통해 고강도 볼트 파단의 주요 원인이 스레드 결함과 관련이 있음을 보여줍니다. 스레드 결함 큰 응력 집중, 균열 팁 응력 집중 및 야외 부식 조건은 모두 응력 부식 균열로 이어집니다.
강교용 고강도 볼트는 일반적으로 습한 환경에서 장시간 사용되며, 환경 내 유해물질의 침강 및 흡수 등의 요인으로 인해 철골 구조물의 부식이 쉽게 발생할 수 있다. 재료의 응력 부식 성능. Catar et al.4는 저속 변형률 시험(SSRT)을 통해 산성, 알칼리성 및 중성 환경에서 알루미늄 함량이 다른 마그네슘 합금의 응력 부식 거동을 조사했습니다. Abdel et al.5는 다양한 농도의 황화물 이온 존재 시 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 침수 시험, 염수 분무 시험, 전위차 분극 분석 및 SSRT.Zhang 등7은 SSRT 및 전통적인 전기화학 시험 기법을 사용하여 9Cr 마르텐사이트 강의 응력 부식 거동을 연구하고 실온에서 마르텐사이트 강의 정적 부식 거동에 대한 염화물 이온의 영향을 얻었습니다. Chen 등8은 SSRT에 의해 다양한 온도에서 SRB를 포함하는 모의 해마 용액에서 X70 강의 응력 부식 거동 및 균열 메커니즘을 조사했습니다. Liu 외9는 SSRT를 사용하여 00Cr21Ni14Mn5Mo2N 오스테나이트계 스테인리스강의 해수 응력부식 저항에 대한 온도 및 인장 변형율. 그 결과 35~65℃ 범위의 온도는 스테인리스강의 응력부식 거동에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다.Lu et al.10은 사하중 지연 파괴 시험과 SSRT를 통해 인장 강도 등급이 다른 샘플의 지연 파괴 감수성을 평가했습니다. 20MnTiB 강철 및 35VB 강철 고강도 볼트의 인장 강도는 1040-1190MPa에서 제어되어야 한다고 제안합니다. 볼트의 pH 값과 같은 많은 영향 요인. Ananya et al.11은 듀플렉스 스테인리스강의 부식 및 응력 부식 균열에 대한 부식성 매체의 환경 매개변수 및 재료의 영향을 연구했습니다. Sunada et al.12 H2SO4(0-5.5kmol/m-3) 및 NaCl(0-4.5kmol/m-3)을 함유하는 수용액에서 SUS304강에 대해 실온 응력부식균열시험을 수행. SUS304강의 부식 유형에 대한 H2SO4 및 NaCl의 영향도 연구. Merwe et al.13은 SSRT를 사용하여 압연 방향, 온도, CO2/CO 농도, 가스 압력 및 부식 시간이 A516 압력 용기 강철. NS4 솔루션을 지하수 시뮬레이션 솔루션으로 사용, Ibrahim et al.14는 코팅을 벗겨낸 후 API-X100 파이프라인 강철의 응력 부식 균열에 대한 중탄산염 이온(HCO) 농도, pH 및 온도와 같은 환경 매개변수의 영향을 조사했습니다.Shan et al.15 SSRT에 의해 모의 석탄-수소 플랜트에서 흑수 매체 조건 하에서 온도 조건(30~250℃)에서 온도에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 00Cr18Ni10의 응력 부식 균열 민감성의 변동 법칙을 연구했습니다. -, SSRT에 의한 GH4080A 합금의 응력 부식 거동에 대한 Cl-1. 결과는 pH 값이 낮을수록 GH4080A 합금의 응력 부식 저항이 더 나쁘다는 것을 보여줍니다. Cl-1에 대한 명백한 응력 부식 민감성을 가지며 실온에서 SO42- 이온 매체에 민감하지 않습니다. 그러나 20MnTiB 강철 고강도 볼트에 대한 환경 부식의 영향에 대한 연구는 거의 없습니다.
저자는 교량에 사용되는 고강도 볼트의 파손 원인을 규명하기 위해 일련의 연구를 수행하였다. 고강도 볼트 샘플을 선정하여 화학적 조성, 파단 미세 형태, 금속 조직 및 기계적 특성 분석의 관점에서 이들 샘플의 파손 원인을 논의하였다19, 20. 충칭 모의 습윤 기후에서 고강도 볼트의 부식 실험, 전기화학적 부식 실험 및 부식 피로 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 온도, pH 값 및 모의 부식 용액의 농도가 20MnTiB 고강도 볼트의 응력 부식 거동에 미치는 영향을 기계적 특성 시험, 파괴 거시 및 현미경 분석, 표면 부식 제품을 통해 조사하였다.
충칭은 중국 서남부 양쯔강 상류에 위치하며 습한 아열대 계절풍 기후입니다. 연평균 기온은 16~18°C, 연평균 상대 습도는 대부분 70~80%, 연간 일조 시간은 1000~1400시간, 일조 비율은 25~35%에 불과합니다.
2015년부터 2018년까지 충칭의 일조량 및 주변 온도와 관련된 보고서에 따르면 충칭의 일일 평균 기온은 최저 17°C, 최고 23°C입니다.충칭 Chaotianmen Bridge 교량 본체의 최고 온도는 50°C °C21,22에 이를 수 있습니다. 따라서 응력 부식 시험을 위한 온도 수준은 25°C 및 50°C로 설정되었습니다.
시뮬레이션된 부식 용액의 pH 값은 H+의 양을 직접적으로 결정하지만 pH 값이 낮을수록 부식이 더 쉽게 발생한다는 의미는 아닙니다. 결과에 미치는 pH의 영향은 재료 및 용액에 따라 다릅니다. 모의 부식 용액이 고강도 볼트의 응력 부식 성능에 미치는 영향을 더 잘 연구하기 위해 응력 부식 실험의 pH 값을 문헌 연구23 및 Chong의 연간 빗물의 pH 범위와 함께 3.5, 5.5 및 7.5로 설정했습니다. 2010년부터 2018년까지.
모의 부식액의 농도가 높을수록 모의 부식액의 이온 함량이 많아지고 재료 특성에 미치는 영향이 커집니다. 모의 부식액 농도가 고강도 볼트의 응력 부식에 미치는 영향을 연구하기 위해 인공 실험실 가속 부식 시험을 구현하고 모의 부식액 농도를 부식이 없는 레벨 4로 설정했습니다. d 부식 용액 농도(200 ×).
교량용 고강도 볼트의 실제 사용조건은 온도 25℃, pH 5.5, 모사 부식액 농도 200×원본 모사액의 농도가 가장 근접한 환경이다. 고강도 볼트의 응력부식성능을 각각 조사하였으며, 다른 요인은 변화가 없었으며 이를 기준대조군의 실험수준으로 사용하였다.
충칭시 생태환경국에서 발행한 2010~2018년 대기 환경 품질 브리핑에 따르면 Zhang24에 보고된 강수 성분 및 충칭에서 보고된 기타 문헌을 참조하여 SO42- 농도 증가를 기반으로 모의 부식 솔루션을 설계했습니다. 2017년 충칭 주요 도시 지역의 강수 조성입니다. 모의 부식 솔루션의 조성은 표 1에 나와 있습니다.
모의 부식액은 분석 시약과 증류수를 사용하여 화학적 이온 농도 균형 방법으로 준비됩니다. 모의 부식 용액의 pH 값은 정밀 pH 측정기, 질산 용액 및 수산화 나트륨 용액으로 조정되었습니다.
충칭의 습한 기후를 모사하기 위해 염수 분무 시험기를 특별히 개조하여 설계하였다25. 그림 1과 같이 실험 장비는 염수 분무 시스템과 조명 시스템의 두 가지 시스템이 있다. 염수 분무 시스템은 실험 장비의 주요 기능으로 제어부, 분무부 및 유도부로 구성된다. 분무부의 기능은 공기 압축기를 통해 염수 미스트를 시험실로 펌핑하는 것이다. 부분은 마이크로컴퓨터로 구성되어 있으며 분무부와 유도부를 연결하여 전체 실험 과정을 제어합니다. 조명 시스템은 염수 분무 시험 챔버에 설치하여 햇빛을 시뮬레이션합니다. 조명 시스템은 적외선 램프와 시간 컨트롤러로 구성됩니다. 동시에 염수 분무 시험 챔버에 온도 센서를 설치하여 샘플 주변의 온도를 실시간으로 모니터링합니다.
일정한 하중 하의 응력 부식 샘플은 NACETM0177-2005(H2S 환경에서 금속의 황화물 응력 균열 및 응력 부식 균열 저항에 대한 실험실 테스트)에 따라 처리되었습니다. 응력 부식 시편은 먼저 아세톤 및 초음파 기계 세척으로 세척하여 오일 잔류물을 제거한 다음 알코올로 탈수하고 오븐에서 건조했습니다. 그런 다음 깨끗한 샘플을 염수 분무 시험 장치의 테스트 챔버에 넣어 충칭의 습한 기후 환경에서 부식 상황을 시뮬레이션합니다. .표준 NACETM0177-2005 및 염수 분무 시험 표준 GB/T 10,125-2012에 따라 이 연구의 일정 하중 응력 부식 시험 시간은 균일하게 168시간으로 결정됩니다. MTS-810 범용 인장 시험기에서 다양한 부식 조건에서 부식 샘플에 대해 인장 시험을 수행하고 기계적 특성 및 파괴 부식 형태를 분석했습니다.
그림 1은 각각 다른 부식 조건2 및 3에서 고강도 볼트 응력 부식 시편의 표면 부식의 거시 및 미세 형태를 보여줍니다.
다양한 모의 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트의 응력 부식 시편의 거시적 형태: (a) 부식 없음;(b) 1회;(c) 20배;(d) 200 ×;(e) pH3.5;(f) pH 7.5;(g) 50℃.
다양한 모의 부식 환경(100×)에서 20MnTiB 고강도 볼트의 부식 생성물의 미세 형태: (a) 1회;(나) 20배;(c) 200배;(d) pH3.5;(e) pH7.5;(f) 50℃.
그림 2a에서 부식되지 않은 고강도 볼트 시편의 표면이 명백한 부식 없이 밝은 금속 광택을 나타내는 것을 볼 수 있습니다. 그러나 원래 모의 부식 용액 조건(그림 2b)에서 시편 표면은 황갈색 및 적갈색 부식 생성물로 부분적으로 덮여 있었고 표면의 일부 영역은 여전히 ​​명백한 금속 광택을 나타내어 시편 표면의 일부 영역만 약간 부식되었으며 모의 부식 용액은 시편 표면에 영향을 미치지 않음을 나타냅니다.재료 특성은 거의 영향을 미치지 않습니다. 그러나 원래 모의 부식 용액 농도가 20배인 조건(그림 2c)에서 고강도 볼트 시편의 표면은 많은 양의 황갈색 부식 생성물과 적은 양의 갈색-적색 부식 생성물로 완전히 덮여 있습니다. 뚜렷한 금속 광택이 발견되지 않았으며 기판 표면 근처에 적은 양의 갈색-검은색 부식 생성물이 있었습니다. 그리고 원래 모의 부식 용액 농도가 200배인 조건(그림 2d)에서 샘플 표면 갈색 부식 생성물로 완전히 덮여 있으며 일부 영역에서 갈색-검은 부식 생성물이 나타납니다.
pH가 3.5로 감소함에 따라(그림 2e) 황갈색 부식 생성물이 시료 표면에 가장 많았고 일부 부식 생성물이 박리되었습니다.
그림 2g는 온도가 50°C로 증가함에 따라 샘플 표면의 갈색-적색 부식 생성물 함량이 급격히 감소하는 반면 밝은 갈색 부식 생성물이 넓은 영역에서 샘플 표면을 덮는 것을 보여줍니다. 부식 생성물 층은 상대적으로 느슨하고 일부 갈색-검은색 제품이 벗겨집니다.
그림 3에서 볼 수 있듯이 서로 다른 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 응력 부식 시편 표면의 부식 생성물은 분명히 박리되고 모의 부식 용액의 농도가 증가함에 따라 부식 층의 두께가 증가합니다. 원래 모의 부식 용액의 조건(그림 3a)에서 시료 표면의 부식 생성물은 두 개의 층으로 나눌 수 있습니다. 부식 생성물의 가장 바깥쪽 층은 고르게 분포되어 있지만 많은 수의 균열이 나타납니다.내부 층은 부식 제품의 느슨한 클러스터입니다. 원래 모의 부식 용액 농도가 20배인 조건에서(그림 3b), 샘플 표면의 부식 레이어는 3개의 레이어로 나눌 수 있습니다.중간층은 균일한 부식 생성물 층이지만 명백한 균열이 있고 부식 이온이 균열을 통과하여 기판을 침식할 수 있습니다.내부 층은 명백한 균열이 없는 조밀한 부식 생성물 층으로 기판에 대한 보호 효과가 우수합니다. 원래 모의 부식 용액 농도가 200배인 조건에서(그림 3c), 샘플 표면의 부식 층은 3개의 층으로 나눌 수 있습니다. 가장 바깥쪽 층은 얇고 균일한 부식 생성물 층입니다.중간층은 주로 꽃잎 모양과 플레이크 모양의 부식입니다. 내부 층은 뚜렷한 균열과 구멍이 없는 조밀한 부식 생성물 층으로 기판에 대한 보호 효과가 좋습니다.
그림 3d에서 pH 3.5의 모의 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 시편의 표면에 많은 수의 응집 또는 바늘 모양의 부식 생성물이 있음을 알 수 있습니다. 이러한 부식 생성물은 주로 γ-FeOOH 및 소량의 α-FeOOH가 인터레이스된 것으로 추측되며 부식층에는 명백한 균열이 있습니다.
그림 3f에서 온도가 50°C로 증가했을 때 부식층 구조에서 명백한 조밀한 내부 녹층이 발견되지 않았으며 이는 50°C에서 부식층 사이에 간격이 있음을 나타내며 기판이 부식 생성물로 완전히 덮이지 않았습니다.증가된 기질 부식 경향에 대한 보호를 제공합니다.
다양한 부식 환경에서 일정한 하중 응력 부식 하에서 고강도 볼트의 기계적 특성은 표 2에 나와 있습니다.
표 2에서 20MnTiB 고강도 볼트 시편의 기계적 특성은 서로 다른 모의 부식 환경에서 건식-습식 사이클 가속 부식 시험 후에도 여전히 표준 요구 사항을 충족하지만 부식되지 않은 것과 비교하여 특정 손상이 있음을 알 수 있습니다. 샘플. 원래 모의 부식 용액의 농도에서 샘플의 기계적 특성은 크게 변하지 않았지만 모의 용액의 20X 또는 200X 농도에서는 샘플의 연신율이 크게 감소했습니다. 기계적 성질은 20 × 및 200 × 원래 모의 부식 용액의 농도에서 유사합니다. 모의 부식 용액의 pH 값이 3.5로 떨어지면 샘플의 인장 강도와 연신율이 크게 감소합니다. 온도가 50 ° C로 올라가면 인장 강도와 연신율이 크게 감소하고 면적 수축률은 표준 값에 매우 가깝습니다.
서로 다른 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 응력 부식 시편의 파괴 형태는 그림 4에 표시되며, 이는 파괴의 거시적 형태, 파괴 중심의 섬유 영역, 전단 인터페이스의 미세 형태적 립 및 샘플 표면입니다.
다양한 모의 부식 환경(500×)에서 20MnTiB 고강도 볼트 시편의 거시적 및 미시적 파단 형태: (a) 부식 없음;(b) 1회;(c) 20배;(d) 200 ×;(e) pH3.5;(f) pH7.5;(g) 50℃.
그림 4에서 서로 다른 모의 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 응력 부식 시편의 파단이 전형적인 Cup-cone 파단을 나타내는 것을 볼 수 있습니다.부식되지 않은 시편(그림 4a)과 비교하여 Fiber 면적 균열의 중심 면적이 상대적으로 작다., 전단 립 영역이 더 큽니다. 이는 부식 후 재료의 기계적 특성이 크게 손상되었음을 보여줍니다. 모의 부식 용액 농도가 증가함에 따라 파단 중앙의 섬유 영역의 구덩이가 증가하고 명백한 찢어짐이 나타났습니다. 농도가 원래 모의 부식 용액의 20배로 증가했을 때 명백한 부식 구덩이가 전단 립 가장자리와 샘플 표면 사이의 계면에 나타나고 표면에 많은 부식 생성물이 있었습니다.샘플.
그림 3d에서 샘플 표면의 부식층에 명백한 균열이 있음을 추론할 수 있으며, 이는 매트릭스에 대한 보호 효과가 좋지 않습니다.pH 3.5의 모의 부식 용액(그림 4e)에서 시료 표면은 심하게 부식되고 중앙 섬유 영역은 분명히 작습니다., Fiber 영역 중앙에는 불규칙한 인열 이음새가 많이 있습니다. 모의 부식 용액의 pH 값이 증가함에 따라 파단 중앙 섬유 영역의 Tear 영역이 감소하고 Pit이 점차 감소하고 Pit 깊이도 점차 감소합니다.
온도가 50°C로 증가했을 때(그림 4g), 시료 파단의 전단 립 면적이 가장 크고 중앙 섬유 영역의 피트가 크게 증가했으며 피트 깊이도 증가했으며 전단 립 가장자리와 시료 표면 사이의 계면이 증가했습니다.부식 생성물과 피트가 증가하여 그림 3f에 반영된 기판 부식의 심화 추세를 확인했습니다.
부식 용액의 pH 값은 20MnTiB 고강도 볼트의 기계적 특성에 약간의 손상을 주지만 그 효과는 크지 않습니다. pH 3.5의 부식 용액에서는 많은 수의 응집 또는 바늘 모양의 부식 생성물이 시료 표면에 분포되어 있으며 부식 층에는 명백한 균열이 있어 기질에 대한 좋은 보호를 형성할 수 없습니다. 산성 환경에서 시료의 외력에 의한 변형에 대한 저항력이 크게 감소하고 재료의 응력 부식 경향이 크게 증가합니다.
원래 모의 부식 용액은 고강도 볼트 샘플의 기계적 특성에 거의 영향을 미치지 않았지만 모의 부식 용액의 농도가 원래 모의 부식 용액의 20배로 증가함에 따라 샘플의 기계적 특성이 크게 손상되었으며 파괴 미세 구조에 명백한 부식이 있었습니다.피트, 2차 균열 및 많은 부식 생성물. 모의 부식 용액 농도가 원래 모의 부식 용액 농도의 20배에서 200배로 증가했을 때 부식 용액 농도가 재료의 기계적 특성에 미치는 영향이 약해졌습니다.
모의부식온도가 25℃일 때 20MnTiB 고강도 볼트 시편의 항복강도와 인장강도는 부식되지 않은 시편과 비교하여 큰 변화가 없었다. 부식 생성물 및 부식 구덩이가 증가했습니다. 이는 온도 상승적 부식 환경이 고강도 볼트의 기계적 특성에 큰 영향을 미치며 실온에서는 명확하지 않지만 온도가 50°C에 도달하면 더 중요하다는 것을 보여줍니다.
충칭의 대기 환경을 시뮬레이션한 실내 가속 부식 시험 후 20MnTiB 고강도 볼트의 인장 강도, 항복 강도, 연신율 및 기타 매개변수가 감소하고 명백한 응력 손상이 발생했습니다. 재료가 응력을 받고 있기 때문에 상당한 국부 부식 가속 현상이 발생합니다. 응력 부식.
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