Obrigado por visitar Nature.com.A versão do navegador que você está usando tem suporte limitado para CSS.Para uma melhor experiência, recomendamos que você use um navegador atualizado (ou desative o modo de compatibilidade no Internet Explorer).Enquanto isso, para garantir o suporte contínuo, exibiremos o site sem estilos e JavaScript.
O aço 20MnTiB é o material de parafuso de alta resistência mais amplamente utilizado para pontes de estrutura de aço em meu país e seu desempenho é de grande importância para a operação segura de pontes. Parafusos de alta resistência de 20MnTiB foram estudados.
O aço 20MnTiB é o material de parafuso de alta resistência mais amplamente utilizado para pontes de estrutura de aço em meu país, e seu desempenho é de grande importância para a operação segura de pontes. Li et al.1 testou as propriedades do aço 20MnTiB comumente usado em parafusos de alta resistência grau 10.9 na faixa de alta temperatura de 20 ~ 700 ℃ e obteve a curva tensão-deformação, resistência ao escoamento, resistência à tração, módulo de Young e alongamento.e coeficiente de expansão. Zhang et al.2, Hu et ai.3, etc., por meio de testes de composição química, testes de propriedades mecânicas, testes de microestrutura, análise macroscópica e microscópica da superfície da rosca, e os resultados mostram que a principal razão para a fratura de parafusos de alta resistência está relacionada a defeitos de rosca e a ocorrência de defeitos de rosca Grandes concentrações de tensão, concentrações de tensão na ponta da trinca e condições de corrosão ao ar livre levam à trinca por corrosão sob tensão.
Parafusos de alta resistência para pontes de aço são geralmente usados ​​por muito tempo em um ambiente úmido.Fatores como alta umidade, alta temperatura e sedimentação e absorção de substâncias nocivas no ambiente podem facilmente causar corrosão de estruturas de aço.A corrosão pode causar perda da seção transversal do parafuso de alta resistência, resultando em inúmeros defeitos e rachaduras.E esses defeitos e rachaduras continuarão a se expandir, reduzindo assim a vida útil dos parafusos de alta resistência e até mesmo causando sua quebra. o desempenho de corrosão sob tensão de materiais.Catar et al4 investigaram o comportamento de corrosão sob tensão de ligas de magnésio com diferentes teores de alumínio em ambientes ácidos, alcalinos e neutros por meio de teste de taxa de deformação lenta (SSRT). por teste de imersão, teste de névoa salina, análise de polarização potenciodinâmica e SSRT.Zhang et al.7 estudaram o comportamento de corrosão sob tensão do aço martensítico 9Cr usando SSRT e técnicas tradicionais de teste eletroquímico, e obtiveram o efeito de íons cloreto no comportamento de corrosão estática do aço martensítico à temperatura ambiente.Chen et al. efeito da temperatura e da taxa de tensão de tração na resistência à corrosão sob tensão da água do mar do aço inoxidável austenítico 00Cr21Ni14Mn5Mo2N.10 avaliou a suscetibilidade à fratura retardada de amostras com diferentes graus de resistência à tração por um teste de fratura retardada de carga permanente e SSRT. Sugere-se que a resistência à tração dos parafusos de aço 20MnTiB e aço 35VB de alta resistência deva ser controlada em 1040-1190MPa. No entanto, a maioria desses estudos basicamente usa uma solução simples de NaCl a 3,5% para simular o ambiente corrosivo, enquanto o ambiente de uso real de parafusos de alta resistência é mais complexo e tem muitos fatores de influência, como o valor de pH do parafuso. Ananya et al.11 estudaram o efeito de parâmetros ambientais e materiais no meio corrosivo na corrosão e corrosão sob tensão de aços inoxidáveis ​​duplex.Sunada et al.12 conduziram testes de corrosão sob tensão em temperatura ambiente no aço SUS304 em soluções aquosas contendo H2SO4 (0-5,5 kmol/m-3) e NaCl (0-4,5 kmol/m-3). Os efeitos de H2SO4 e NaCl nos tipos de corrosão do aço SUS304 também foram estudados. Merwe et al. 16 vasos de pressão de aço. Usando a solução NS4 como uma solução de simulação de águas subterrâneas, Ibrahim et al.14 investigaram o efeito de parâmetros ambientais, como concentração de íons de bicarbonato (HCO), pH e temperatura, na trinca por corrosão sob tensão do aço para dutos API-X100 após a remoção do revestimento. Shan et al.15 estudou a lei de variação da suscetibilidade à corrosão sob tensão do aço inoxidável austenítico 00Cr18Ni10 com temperatura sob diferentes condições de temperatura (30 ~ 250 ℃) sob a condição de meio de água preta em uma usina simulada de carvão para hidrogênio por SSRT. Han et al. SO42-, Cl-1 sobre o comportamento de corrosão sob tensão da liga GH4080A por SSRT. Os resultados mostram que quanto menor o valor de pH, pior a resistência à corrosão sob tensão da liga GH4080A. Tem sensibilidade óbvia à corrosão sob tensão para Cl-1 e não é sensível ao meio iônico SO42- à temperatura ambiente. No entanto, existem poucos estudos sobre o efeito da corrosão ambiental em parafusos de alta resistência de aço 20MnTiB.
A fim de descobrir as razões para a falha de parafusos de alta resistência usados ​​em pontes, o autor realizou uma série de estudos. Amostras de parafusos de alta resistência foram selecionadas e as razões para a falha dessas amostras foram discutidas sob as perspectivas de composição química, morfologia microscópica da fratura, estrutura metalográfica e análise de propriedades mecânicas19, 20. Com base na investigação do ambiente atmosférico em Chongqing nos últimos anos, um esquema de corrosão simulando o clima úmido de Chongqing é projetado. experimentos de corrosão, experimentos de corrosão eletroquímica e experimentos de fadiga por corrosão de parafusos de alta resistência em clima úmido simulado em Chongqing foram realizados.
Chongqing está localizada no sudoeste da China, na parte superior do rio Yangtze, e tem um clima subtropical úmido de monção. A temperatura média anual é de 16-18°C, a umidade relativa média anual é principalmente de 70-80%, as horas de sol anuais são de 1000-1400 horas e a porcentagem de sol é de apenas 25-35%.
De acordo com relatórios relacionados ao sol e à temperatura ambiente em Chongqing de 2015 a 2018, a temperatura média diária em Chongqing é de 17°C a 23°C.A temperatura mais alta no corpo da ponte de Chaotianmen Bridge em Chongqing pode chegar a 50°C °C21,22. Portanto, os níveis de temperatura para o teste de corrosão sob tensão foram fixados em 25°C e 50°C.
O valor de pH da solução de corrosão simulada determina diretamente a quantidade de H+, mas isso não significa que quanto menor o valor de pH, mais fácil ocorre a corrosão. ing.2010 a 2018.
Quanto maior a concentração da solução de corrosão simulada, maior o conteúdo de íons na solução de corrosão simulada e maior a influência nas propriedades do material. Para estudar o efeito da concentração da solução de corrosão simulada na corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência, foi realizado o teste de corrosão acelerada de laboratório artificial e a concentração da solução de corrosão simulada foi ajustada para o nível 4 sem corrosão, que foram a concentração da solução de corrosão simulada original (1 ×), 20 × concentração da solução de corrosão simulada original (20 ×) e 200 × simulação original concentração da solução de corrosão (200 ×).
O ambiente com temperatura de 25 ℃, valor de pH de 5,5 e a concentração da solução de corrosão simulada original é o mais próximo das condições reais de uso de parafusos de alta resistência para pontes. No entanto, a fim de acelerar o processo de teste de corrosão, as condições experimentais com temperatura de 25 °C, pH de 5,5 e uma concentração de 200 × solução de corrosão simulada original foram definidas como o grupo de controle de referência. Quando os efeitos da temperatura, concentração ou valor de pH da corrosão simulada solução sobre o desempenho de corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência foram investigados respectivamente, outros fatores permaneceram inalterados, que foi usado como o nível experimental do grupo de controle de referência.
De acordo com o briefing de qualidade do ambiente atmosférico de 2010-2018 emitido pelo Departamento Municipal de Ecologia e Meio Ambiente de Chongqing, e referindo-se aos componentes de precipitação relatados em Zhang24 e outras literaturas relatadas em Chongqing, uma solução de corrosão simulada baseada no aumento da concentração de SO42- foi projetada. A composição da precipitação na principal área urbana de Chongqing em 2017. A composição da solução de corrosão simulada é mostrada na Tabela 1:
A solução de corrosão simulada é preparada pelo método de equilíbrio de concentração de íons químicos usando reagentes analíticos e água destilada. O valor de pH da solução de corrosão simulada foi ajustado com um medidor de pH de precisão, solução de ácido nítrico e solução de hidróxido de sódio.
Para simular o clima úmido em Chongqing, o testador de névoa salina foi especialmente modificado e projetado25. Conforme mostrado na Figura 1, o equipamento experimental possui dois sistemas: um sistema de névoa salina e um sistema de iluminação. O sistema de névoa salina é a principal função do equipamento experimental, que consiste em uma parte de controle, uma parte de pulverização e uma parte de indução. A parte é composta por um microcomputador, que conecta a parte de pulverização e a parte de indução para controlar todo o processo experimental. O sistema de iluminação é instalado em uma câmara de teste de névoa salina para simular a luz solar. O sistema de iluminação consiste em lâmpadas infravermelhas e um controlador de tempo.
Amostras de corrosão sob tensão sob carga constante foram processadas de acordo com NACETM0177-2005 (Teste de laboratório de rachadura por tensão de sulfeto e resistência à corrosão por corrosão de metais em um ambiente H2S). As amostras de corrosão sob tensão foram primeiro limpas com acetona e limpeza mecânica ultrassônica para remover resíduos de óleo, depois desidratadas com álcool e secas em um forno. Em seguida, coloque as amostras limpas na câmara de teste do dispositivo de teste de névoa salina para simular a situação de corrosão no ambiente de clima úmido de Chongqing .De acordo com o padrão NACETM0177-2005 e o padrão de teste de névoa salina GB/T 10,125-2012, o tempo de teste de corrosão sob tensão de carga constante neste estudo é uniformemente determinado em 168 h. Testes de tração foram realizados nas amostras de corrosão sob diferentes condições de corrosão na máquina de teste de tração universal MTS-810, e suas propriedades mecânicas e morfologia de corrosão de fratura foram analisadas.
A Figura 1 mostra a macro e a micromorfologia da corrosão superficial de amostras de corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência sob diferentes condições de corrosão.2 e 3, respectivamente.
Morfologia macroscópica de amostras de corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência de 20MnTiB em diferentes ambientes simulados de corrosão: (a) sem corrosão;(b) 1 vez;(c) 20 ×;(d) 200 ×;(e) pH 3,5;(f) pH 7,5;(g) 50°C.
Micromorfologia dos produtos de corrosão de parafusos de alta resistência 20MnTiB em diferentes ambientes simulados de corrosão (100×): (a) 1 vez;(b) 20 ×;(c) 200 ×;(d) pH 3,5;(e) pH 7 ,5;(f) 50°C.
Pode ser visto na Fig. 2a que a superfície da amostra de parafuso de alta resistência não corroída exibe brilho metálico brilhante sem corrosão óbvia. No entanto, sob a condição da solução de corrosão simulada original (Fig. 2b), a superfície da amostra foi parcialmente coberta com produtos de corrosão marrom-avermelhados e algumas áreas da superfície ainda apresentavam brilho metálico óbvio, indicando que apenas algumas áreas da superfície da amostra estavam levemente corroídas e a solução de corrosão simulada não teve efeito na superfície da amostra.As propriedades do material têm pouco efeito. No entanto, sob a condição de concentração de solução de corrosão simulada original de 20 × (Fig. 2c), a superfície da amostra de parafuso de alta resistência foi completamente coberta por uma grande quantidade de produtos de corrosão bege e uma pequena quantidade de produto de corrosão marrom-avermelhado, nenhum brilho metálico óbvio foi encontrado e havia uma pequena quantidade de produto de corrosão marrom-preto perto da superfície do substrato. E sob a condição de concentração de solução de corrosão simulada original de 200 × (Fig. 2d), a superfície da amostra está completamente coberto por produtos de corrosão marrons, e produtos de corrosão marrom-escuros aparecem em algumas áreas.
À medida que o pH diminuiu para 3,5 (Fig. 2e), os produtos de corrosão de cor bronzeada foram os mais presentes na superfície das amostras e alguns dos produtos de corrosão foram esfoliados.
A Figura 2g mostra que, à medida que a temperatura aumenta para 50 °C, o teor de produtos de corrosão marrom-avermelhados na superfície da amostra diminui drasticamente, enquanto os produtos de corrosão marrom brilhante cobrem a superfície da amostra em uma grande área. A camada de produto de corrosão é relativamente solta e alguns produtos marrom-pretos são removidos.
Como mostrado na Figura 3, sob diferentes ambientes de corrosão, os produtos de corrosão na superfície de espécimes de corrosão sob tensão de parafuso de alta resistência de 20MnTiB são obviamente delaminados e a espessura da camada de corrosão aumenta com o aumento da concentração da solução de corrosão simulada. Sob a condição da solução de corrosão simulada original (Fig. 3a), os produtos de corrosão na superfície da amostra podem ser divididos em duas camadas: a camada mais externa de produtos de corrosão é distribuída uniformemente, mas um grande número de rachaduras aparece;a camada interna é um aglomerado solto de produtos de corrosão. Sob a condição de concentração de solução de corrosão simulada original de 20 × (Fig. 3b), a camada de corrosão na superfície da amostra pode ser dividida em três camadas: a camada mais externa é formada principalmente por produtos de corrosão de aglomerados dispersos, que são soltos e porosos e não têm bom desempenho de proteção;A camada intermediária é uma camada de produto de corrosão uniforme, mas há rachaduras óbvias e os íons de corrosão podem passar pelas rachaduras e corroer o substrato;a camada interna é uma camada densa de produto de corrosão sem rachaduras óbvias, que tem um bom efeito protetor no substrato. Sob a condição de concentração de solução de corrosão simulada original de 200 × (Fig. 3c), a camada de corrosão na superfície da amostra pode ser dividida em três camadas: a camada mais externa é uma camada de produto de corrosão fina e uniforme;a camada intermediária é principalmente em forma de pétala e corrosão em forma de floco A camada interna é uma camada densa de produto de corrosão sem rachaduras e furos óbvios, que tem um bom efeito protetor no substrato.
Pode ser visto na Fig. 3d que no ambiente de corrosão simulado de pH 3,5, há um grande número de produtos de corrosão floculantes ou semelhantes a agulhas na superfície da amostra de parafuso de alta resistência de 20MnTiB. Especula-se que esses produtos de corrosão sejam principalmente γ-FeOOH e uma pequena quantidade de α-FeOOH entrelaçados26, e a camada de corrosão tem rachaduras óbvias.
Pode ser visto na Fig. 3f que quando a temperatura aumentou para 50 °C, nenhuma camada densa de ferrugem interna óbvia foi encontrada na estrutura da camada de corrosão, indicando que havia lacunas entre as camadas de corrosão a 50 °C, o que fez com que o substrato não fosse completamente coberto por produtos de corrosão.Fornece proteção contra o aumento da tendência à corrosão do substrato.
As propriedades mecânicas dos parafusos de alta resistência sob corrosão sob tensão de carga constante em diferentes ambientes corrosivos são mostradas na Tabela 2:
Pode ser visto na Tabela 2 que as propriedades mecânicas dos espécimes de parafuso de alta resistência de 20MnTiB ainda atendem aos requisitos padrão após o teste de corrosão acelerada de ciclo seco-úmido em diferentes ambientes de corrosão simulados, mas há um certo dano em comparação com os não corroídos.amostra.Na concentração da solução de corrosão simulada original, as propriedades mecânicas da amostra não mudaram significativamente, mas na concentração de 20 × ou 200 × da solução simulada, o alongamento da amostra diminuiu significativamente. as propriedades mecânicas são semelhantes nas concentrações de soluções de corrosão simuladas originais de 20 × e 200 ×. Quando o valor de pH da solução de corrosão simulada caiu para 3,5, a resistência à tração e o alongamento das amostras diminuíram significativamente.
As morfologias de fratura dos espécimes de corrosão sob tensão de parafuso de alta resistência de 20MnTiB sob diferentes ambientes de corrosão são mostradas na Figura 4, que são a macromorfologia da fratura, a zona de fibra no centro da fratura, o lábio micromorfológico da interface de cisalhamento e a superfície da amostra.
Morfologias macroscópicas e microscópicas de fratura de corpos de prova de parafusos de alta resistência de 20MnTiB em diferentes ambientes simulados de corrosão (500×): (a) sem corrosão;(b) 1 vez;(c) 20 ×;(d) 200 ×;(e) pH 3,5;(f) pH 7,5;(g) 50°C.
Pode ser visto na Fig. 4 que a fratura do espécime de corrosão sob tensão de parafuso de alta resistência de 20MnTiB em diferentes ambientes simulados de corrosão apresenta uma fratura típica de cone-copo.Em comparação com o corpo de prova não corroído (Fig. 4a), a área central da trinca da área da fibra é relativamente pequena., a área do lábio de cisalhamento é maior. Isso mostra que as propriedades mecânicas do material são significativamente danificadas após a corrosão. Com o aumento da concentração da solução de corrosão simulada, os pites na área da fibra no centro da fratura aumentaram e apareceram costuras de rasgo óbvias. Quando a concentração aumentou para 20 vezes a da solução de corrosão simulada original, os pits de corrosão óbvios apareceram na interface entre a borda do lábio de cisalhamento e a superfície da amostra, e havia muitos produtos de corrosão na superfície. amostra.
Infere-se da Figura 3d que existem rachaduras óbvias na camada de corrosão na superfície da amostra, o que não tem um bom efeito protetor na matriz.Na solução de corrosão simulada de pH 3,5 (Figura 4e), a superfície da amostra está severamente corroída e a área central da fibra é obviamente pequena., Há um grande número de costuras de ruptura irregulares no centro da área da fibra. Com o aumento do valor de pH da solução de corrosão simulada, a zona de ruptura na área da fibra no centro da fratura diminui, o ponto diminui gradualmente e a profundidade do ponto também diminui gradualmente.
Quando a temperatura aumentou para 50 °C (Fig. 4g), a área do lábio de cisalhamento da fratura da amostra foi a maior, os pites na área central da fibra aumentaram significativamente e a profundidade do pit também aumentou, e a interface entre a borda do lábio de cisalhamento e a superfície da amostra aumentou.Os produtos de corrosão e pites aumentaram, o que confirmou a tendência de aprofundamento da corrosão do substrato refletida na Fig. 3f.
O valor de pH da solução de corrosão causará alguns danos às propriedades mecânicas dos parafusos de alta resistência de 20MnTiB, mas o efeito não é significativo.Na solução de corrosão de pH 3,5, um grande número de produtos de corrosão floculentos ou semelhantes a agulhas são distribuídos na superfície da amostra e a camada de corrosão apresenta rachaduras óbvias, que não podem formar uma boa proteção para o substrato. E há poços de corrosão óbvios e um grande número de produtos de corrosão na morfologia microscópica da fratura da amostra. a amostra para resistir à deformação por força externa é significativamente reduzida em um ambiente ácido e o grau de tendência à corrosão sob tensão do material é significativamente aumentado.
A solução de corrosão simulada original teve pouco efeito nas propriedades mecânicas das amostras de parafusos de alta resistência, mas como a concentração da solução de corrosão simulada aumentou para 20 vezes a da solução de corrosão simulada original, as propriedades mecânicas das amostras foram significativamente danificadas e houve corrosão óbvia na microestrutura da fratura.pits, trincas secundárias e muitos produtos de corrosão. Quando a concentração da solução de corrosão simulada foi aumentada de 20 vezes para 200 vezes a concentração da solução de corrosão simulada original, o efeito da concentração da solução de corrosão nas propriedades mecânicas do material foi enfraquecido.
Quando a temperatura de corrosão simulada é de 25 ℃, o limite de escoamento e a resistência à tração dos espécimes de parafusos de alta resistência de 20MnTiB não mudam muito em comparação com os espécimes não corroídos. No entanto, sob a temperatura ambiente de corrosão simulada de 50 °C, a resistência à tração e o alongamento da amostra diminuíram significativamente, a taxa de encolhimento da seção estava próxima do valor padrão, o lábio de cisalhamento da fratura era o maior e havia ondulações na área central da fibra. Aumento significativo, poço a profundidade aumentou, os produtos de corrosão e os pites de corrosão aumentaram. Isso mostra que o ambiente de corrosão sinérgica de temperatura tem uma grande influência nas propriedades mecânicas dos parafusos de alta resistência, o que não é óbvio à temperatura ambiente, mas é mais significativo quando a temperatura atinge 50 °C.
Após o teste de corrosão acelerada interna simulando o ambiente atmosférico em Chongqing, a resistência à tração, resistência ao escoamento, alongamento e outros parâmetros dos parafusos de alta resistência 20MnTiB foram reduzidos e danos óbvios por tensão ocorreram. a tendência de corrosão sob tensão.
Li, G., Li, M., Yin, Y. & Jiang, S. Estudo experimental sobre propriedades de parafusos de alta resistência feitos de aço 20MnTiB em temperatura elevada. mandíbula. Engenharia civil. J.34, 100-105 (2001).
Hu, J., Zou, D. & Yang, Q. Análise de falha de fratura de parafusos de alta resistência de aço 20MnTiB para rails.heat treatment.Metal.42, 185–188 (2017).
Catar, R. & Altun, H. Comportamento de rachadura por corrosão sob tensão de ligas Mg-Al-Zn sob diferentes condições de pH pelo método SSRT.Open.Chemical.17, 972–979 (2019).
Nazer, AA et al.Effects of glycine on eletrochemical and stress corrosão cracking comportamento da liga Cu10Ni em salmoura contaminada com sulfeto.Industrial Engineering.Chemical.reservoir.50, 8796–8802 (2011).
Aghion, E. & Lulu, N. Propriedades de corrosão da liga de magnésio fundida MRI230D em solução de NaCl a 3,5% saturada com Mg(OH)2.alma mater.character.61, 1221–1226 (2010).
Zhang, Z., Hu, Z. & Preet, MS Influência de íons cloreto no comportamento de corrosão estática e sob tensão de aço martensítico 9Cr.surf.Technology.48, 298–304 (2019).
Chen, X., Ma, J., Li, X., Wu, M. & Song, B. Efeito sinérgico de SRB e temperatura na corrosão sob tensão do aço X70 em solução de lama marinha artificial.J.Chin.Socialist Party.coros.Pro.39, 477–484 (2019).
Liu, J., Zhang, Y. & Yang, S. Comportamento de corrosão sob tensão do aço inoxidável 00Cr21Ni14Mn5Mo2N em água do mar.física.faça um exame.teste.36, 1-5 (2018).
Lu, C. Um estudo de fratura atrasada de bolts.jaw.Academic school.rail.science.2 de alta resistência da ponte, 10369 (2019).
Ananya, B. Rachadura por corrosão sob tensão de aços inoxidáveis ​​duplex em soluções cáusticas. Dissertação de Doutorado, Atlanta, GA, EUA: Georgia Institute of Technology 137–8 (2008)
Sunada, S., Masanori, K., Kazuhiko, M. & Sugimoto, K. Efeitos das concentrações de H2SO4 e naci na corrosão sob tensão do aço inoxidável SUS304 em solução aquosa de H2SO4-NaCl.alma mater.trans.47, 364–370 (2006).
Merwe, JWVD Influência do ambiente e dos materiais na trinca por corrosão sob tensão do aço em solução H2O/CO/CO2.Inter Milan.J.Koros.2012, 1-13 (2012).
Ibrahim, M. & Akram A. Efeitos do bicarbonato, temperatura e pH na passivação do aço para tubulação API-X100 em solução simulada de água subterrânea.In IPC 2014-33180.
Shan, G., Chi, L., Song, X., Huang, X. & Qu, D. Efeito da temperatura na suscetibilidade à corrosão sob tensão de aço inoxidável austenítico.coro.be oposto a.Technology.18, 42–44 (2018).
Han, S. Comportamento de fratura retardada induzida por hidrogênio de vários aços de fixação de alta resistência (Kunming University of Science and Technology, 2014).
Zhao, B., Zhang, Q. & Zhang, M. Mecanismo de corrosão sob tensão da liga GH4080A para fixadores.cross.companion.Hey.treat.41, 102–110 (2020).