Благодарим вас за посещение Nature.com. Используемая вами версия браузера имеет ограниченную поддержку CSS. Для получения наилучших результатов мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). Тем временем, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Сталь 20MnTiB является наиболее широко используемым высокопрочным материалом для болтов для мостов со стальными конструкциями в моей стране, и ее характеристики имеют большое значение для безопасной эксплуатации мостов. На основе исследования атмосферной среды в Чунцине в этом исследовании был разработан антикоррозионный раствор, имитирующий влажный климат Чунцина, и проведены стресс-коррозионные испытания высокопрочных болтов, имитирующих влажный климат Чунцина. на коррозионное поведение высокопрочных болтов 20MnTiB.
Сталь 20MnTiB является наиболее широко используемым высокопрочным болтовым материалом для мостов со стальными конструкциями в моей стране, и ее характеристики имеют большое значение для безопасной эксплуатации мостов. Li et al.1 протестировали свойства стали 20MnTiB, обычно используемой в высокопрочных болтах класса 10.9, в диапазоне высоких температур 20–700 ℃, и получили кривую напряжения-деформации, предел текучести, предел прочности при растяжении, модуль Юнга и удлинение.и коэффициент расширения. Zhang et al.2, Ху и др.3 и т. д., с помощью испытаний химического состава, испытаний механических свойств, испытаний микроструктуры, макроскопического и микроскопического анализа поверхности резьбы, и результаты показывают, что основная причина разрушения высокопрочных болтов связана с дефектами резьбы и появлением дефектов резьбы. Большие концентрации напряжений, концентрации напряжений в вершине трещины и условия коррозии на открытом воздухе приводят к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Высокопрочные болты для стальных мостов обычно длительное время эксплуатируются во влажной среде. Такие факторы, как повышенная влажность, высокая температура, а также осаждение и поглощение вредных веществ в окружающей среде, могут легко вызвать коррозию стальных конструкций. Коррозия может вызвать потерю сечения высокопрочных болтов, что приведет к многочисленным дефектам и трещинам. Коррозия окружающей среды на коррозионные характеристики материалов под напряжением. Катар и др.4 исследовали коррозионное поведение магниевых сплавов с различным содержанием алюминия в кислых, щелочных и нейтральных средах с помощью испытаний на медленную скорость деформации (SSRT). Абдель и др.5 изучили электрохимическое поведение и поведение коррозионного растрескивания под напряжением сплава Cu10Ni в 3,5% растворе NaCl в присутствии различных концентраций сульфид-ионов.Агион и др.6 оценили коррозионные характеристики литого под давлением магниевого сплава MRI230 D в 3,5% растворе NaCl с помощью иммерсионного теста, теста в соляном тумане, потенциодинамического поляризационного анализа и SSRT. Чжан и др.7 изучили коррозионное поведение под напряжением мартенситной стали 9Cr с использованием SSRT и традиционных методов электрохимических испытаний и получили влияние ионов хлорида на статическое коррозионное поведение мартенситной стали при комнатной температуре. Чен и др.8 исследовали коррозионное поведение под напряжением и механизм растрескивания стали X70 в моделируемом растворе морского бурового раствора, содержащем SRB. при различных температурах с помощью SSRT. Лю и др.9 использовали SSRT для изучения влияния температуры и скорости деформации при растяжении на коррозионную стойкость аустенитной нержавеющей стали 00Cr21Ni14Mn5Mo2N к воздействию морской воды. Результаты показывают, что температура в диапазоне 35–65 ℃ не оказывает существенного влияния на коррозионное поведение нержавеющей стали под напряжением.10 оценивали восприимчивость к замедленному разрушению образцов с различными классами прочности на растяжение с помощью испытания на замедленное разрушение при статической нагрузке и SSRT. Предполагается, что прочность на растяжение высокопрочных болтов из стали 20MnTiB и стали 35VB должна контролироваться на уровне 1040–1190 МПа. прочность болтов более сложна и имеет много влияющих факторов, таких как значение pH болта. Ананья и др.11 изучали влияние параметров окружающей среды и материалов в агрессивной среде на коррозию и коррозионное растрескивание под напряжением дуплексных нержавеющих сталей. Sunada et al.12 провели испытания стали SUS304 на коррозионное растрескивание под напряжением при комнатной температуре в водных растворах, содержащих H2SO4 (0-5,5 кмоль/м-3) и NaCl (0-4,5 кмоль/м-3). Также было изучено влияние H2SO4 и NaCl на типы коррозии стали SUS304. восприимчивость стали для сосудов под давлением A516. Используя раствор NS4 в качестве раствора, имитирующего грунтовые воды, Ibrahim et al.14 исследовали влияние параметров окружающей среды, таких как концентрация ионов бикарбоната (HCO), pH и температура, на коррозионное растрескивание трубопроводной стали API-X100 после отслаивания покрытия. Shan et al.15 изучали закон изменения склонности аустенитной нержавеющей стали 00Cr18Ni10 к коррозионному растрескиванию в зависимости от температуры в различных температурных условиях (30~250℃) в условиях черной водной среды в смоделированной установке по переработке угля в водород с помощью SSRT. изучали влияние pH, SO42-, Cl-1 на коррозионное поведение сплава GH4080A под напряжением с помощью SSRT. Результаты показывают, что чем ниже значение pH, тем хуже стойкость сплава GH4080A к коррозии под напряжением. Он обладает очевидной чувствительностью к коррозии под напряжением к Cl-1 и не чувствителен к ионной среде SO42 при комнатной температуре.
Для выяснения причин разрушения высокопрочных болтов, используемых в мостах, автор провел серию исследований. Были отобраны образцы высокопрочных болтов, и причины разрушения этих образцов были обсуждены с точки зрения химического состава, микроскопической морфологии разрушения, металлографической структуры и анализа механических свойств19, 20. На основе исследования атмосферной среды в Чунцине за последние годы разработана схема коррозии, имитирующая влажный климат Чунцина. Были проведены эксперименты по коррозии под напряжением, эксперименты по электрохимической коррозии и коррозионно-усталостные испытания высокопрочных болтов в смоделированном влажном климате Чунцина. В этом исследовании влияние температуры, значения pH и концентрации имитирующего коррозионного раствора на коррозионное поведение высокопрочных болтов из 20MnTiB было исследовано с помощью испытаний механических свойств, макроскопического и микроскопического анализа разрушения и продуктов поверхностной коррозии.
Чунцин расположен на юго-западе Китая, в верховьях реки Янцзы, и имеет влажный субтропический муссонный климат. Среднегодовая температура составляет 16-18 ° C, среднегодовая относительная влажность составляет в основном 70-80%, годовое количество солнечных часов составляет 1000-1400 часов, а процент солнечного сияния составляет всего 25-35%.
Согласно отчетам, связанным с солнечным светом и температурой окружающей среды в Чунцине с 2015 по 2018 год, среднесуточная температура в Чунцине составляет от 17°C до 23°C.Самая высокая температура на теле моста моста Чаотяньмэнь в Чунцине может достигать 50°C °C21,22. Таким образом, уровни температуры для испытаний на коррозию под напряжением были установлены на уровне 25°C и 50°C.
Значение pH раствора для имитации коррозии напрямую определяет количество H+, но это не означает, что чем ниже значение pH, тем легче происходит коррозия. Влияние pH на результаты будет различаться для разных материалов и растворов. с 2010 по 2018 год.
Чем выше концентрация смоделированного раствора коррозии, тем больше содержание ионов в смоделированном растворе коррозии и тем больше влияние на свойства материала. Чтобы изучить влияние концентрации смоделированного раствора коррозии на коррозию под напряжением высокопрочных болтов, было проведено искусственное лабораторное испытание на ускоренную коррозию, а концентрация смоделированного раствора коррозии была установлена ​​на уровне 4 без коррозии, которые были исходной концентрацией смоделированного раствора коррозии (1×), 20-кратной исходной концентрацией смоделированного раствора коррозии (20×) и 200-кратной исходной смоделированной концентрацией смоделированного раствора коррозии. концентрация раствора коррозии (200×).
Окружающая среда с температурой 25 ℃, значением pH 5,5 и концентрацией исходного смоделированного раствора коррозии наиболее близка к условиям фактического использования высокопрочных болтов для мостов. Однако, чтобы ускорить процесс испытания на коррозию, экспериментальные условия с температурой 25 ° C, pH 5,5 и концентрацией 200 × исходный смоделированный раствор коррозии были выбраны в качестве эталонной контрольной группы. При воздействии температуры, концентрации или значения pH смоделированной коррозии решения по коррозионным характеристикам высокопрочных болтов под напряжением были исследованы соответственно, другие факторы остались неизменными, что было использовано в качестве экспериментального уровня контрольной контрольной группы.
В соответствии с брифингом по качеству атмосферной среды за 2010-2018 гг., выпущенным Муниципальным бюро экологии и окружающей среды Чунцина, и со ссылкой на компоненты осадков, о которых сообщалось в Zhang24 и других публикациях, опубликованных в Чунцине, было разработано решение для моделирования коррозии, основанное на повышении концентрации SO42-. Состав осадков в основном городском районе Чунцина в 2017 году. Состав раствора для моделирования коррозии показан в таблице 1:
Раствор, моделирующий коррозию, готовят методом химического баланса концентрации ионов с использованием аналитических реагентов и дистиллированной воды. Значение рН раствора, моделирующего коррозию, регулируют с помощью прецизионного рН-метра, раствора азотной кислоты и раствора гидроксида натрия.
Чтобы имитировать влажный климат в Чунцине, тестер соляного тумана был специально модифицирован и спроектирован25. Как показано на рисунке 1, экспериментальное оборудование состоит из двух систем: системы соляного тумана и системы освещения. Система солевого тумана является основной функцией экспериментального оборудования, которое состоит из контрольной части, распылительной части и индукционной части. Функция распылительной части заключается в нагнетании соляного тумана в испытательную камеру через воздушный компрессор. Часть управления состоит из микрокомпьютера, который соединяет часть распыления и часть индукции для управления всем экспериментальным процессом. Система освещения установлена ​​в испытательной камере солевого тумана для имитации солнечного света. Система освещения состоит из инфракрасных ламп и регулятора времени. В то же время в испытательной камере соляного тумана установлен датчик температуры для контроля температуры вокруг образца в режиме реального времени.
Образцы коррозии под напряжением при постоянной нагрузке были обработаны в соответствии с NACETM0177-2005 (Лабораторные испытания стойкости металлов к сульфидному растрескиванию под напряжением и коррозии под напряжением в среде H2S). Образцы коррозии под напряжением были сначала очищены ацетоном и ультразвуковой механической очисткой для удаления остатков масла, затем обезвожены спиртом и высушены в печи. влажная климатическая среда Чунцина. В соответствии со стандартом NACETM0177-2005 и стандартом испытаний на солевой туман GB / T 10,125-2012, время испытания на коррозионную стойкость при постоянной нагрузке в этом исследовании единообразно определено как 168 часов. Испытания на растяжение были проведены на коррозионных образцах в различных условиях коррозии на универсальной машине для испытаний на растяжение MTS-810, и были проанализированы их механические свойства и морфология коррозии разрушения.
На рис. 1 показаны макро- и микроморфология поверхностной коррозии высокопрочных болтовых образцов коррозии под напряжением в различных условиях коррозии.2 и 3 соответственно.
Макроскопическая морфология образцов коррозии под напряжением высокопрочных болтов 20MnTiB в различных смоделированных коррозионных средах: (а) коррозии нет;б) 1 раз;(в) 20 ×;(г) 200×;(д) рН 3,5;(е) рН 7,5;(ж) 50°С.
Микроморфология продуктов коррозии высокопрочных болтов 20MnTiB в различных имитируемых коррозионных средах (100×): а – 1 раз;(б) 20 ×;(в) 200×;(г) рН 3,5;(д) рН 7,5;(е) 50°С.
Из рис. 2а видно, что поверхность некорродированного высокопрочного образца болта имеет яркий металлический блеск без явной коррозии. Однако в условиях исходного раствора для имитации коррозии (рис. 2б) поверхность образца была частично покрыта рыжевато-коричневыми и коричнево-красными продуктами коррозии, а на некоторых участках поверхности все еще наблюдался явный металлический блеск, что указывает на то, что только некоторые участки поверхности образца были слегка корродированы, и раствор для имитации коррозии не оказал влияния на поверхность образца.Свойства материала оказывают незначительное влияние. Однако в условиях 20-кратной исходной концентрации смоделированного раствора коррозии (рис. 2c) поверхность образца высокопрочного болта была полностью покрыта большим количеством желтовато-коричневых продуктов коррозии и небольшим количеством коричнево-красных продуктов коррозии, не было обнаружено явного металлического блеска, и было небольшое количество коричнево-черного продукта коррозии вблизи поверхности подложки. полностью покрыт коричневыми продуктами коррозии, а на отдельных участках появляются коричнево-черные продукты коррозии.
При снижении рН до 3,5 (рис. 2д) на поверхности образцов было больше всего продуктов коррозии желтовато-коричневого цвета, а часть продуктов коррозии отслоилась.
На рис. 2ж видно, что с повышением температуры до 50 °С содержание коричнево-красных продуктов коррозии на поверхности образца резко уменьшается, при этом ярко-коричневые продукты коррозии покрывают поверхность образца на большой площади. Слой продуктов коррозии относительно рыхлый, часть коричнево-черных продуктов отслаивается.
Как показано на рис. 3, в различных коррозионных средах продукты коррозии на поверхности высокопрочных болтовых образцов 20MnTiB явно расслаиваются, а толщина коррозионного слоя увеличивается с увеличением концентрации имитационного раствора коррозии. В условиях исходного имитируемого раствора коррозии (рис. 3а) продукты коррозии на поверхности образца можно разделить на два слоя: самый внешний слой продуктов коррозии распределен равномерно, но появляется большое количество трещин;внутренний слой представляет собой рыхлое скопление продуктов коррозии. При условии 20-кратной исходной концентрации смоделированного раствора коррозии (рис. 3б) коррозионный слой на поверхности образца можно разделить на три слоя: самый внешний слой представляет собой в основном дисперсные кластерные продукты коррозии, которые являются рыхлыми и пористыми и не обладают хорошими защитными свойствами;Средний слой представляет собой однородный слой продуктов коррозии, но имеются явные трещины, и ионы коррозии могут проходить через трещины и разрушать подложку;внутренний слой представляет собой плотный слой продуктов коррозии без явных трещин, который оказывает хорошее защитное действие на подложку. При условии 200-кратной исходной концентрации смоделированного раствора коррозии (рис. 3c) слой коррозии на поверхности образца можно разделить на три слоя: самый внешний слой представляет собой тонкий и однородный слой продуктов коррозии;средний слой в основном имеет форму лепестка и чешуйчатую коррозию. Внутренний слой представляет собой плотный слой продукта коррозии без явных трещин и отверстий, который оказывает хорошее защитное действие на подложку.
На рис. 3d видно, что в смоделированной коррозионной среде с pH 3,5 на поверхности образца высокопрочного болта 20MnTiB присутствует большое количество хлопьевидных или игольчатых продуктов коррозии. Предполагается, что эти продукты коррозии в основном представляют собой γ-FeOOH и небольшое количество переплетенных α-FeOOH26, ​​а коррозионный слой имеет очевидные трещины.
Из рис. 3е видно, что при повышении температуры до 50 °С в структуре коррозионного слоя не обнаружено явного плотного внутреннего слоя ржавчины, что указывает на наличие зазоров между коррозионными слоями при 50 °С, из-за чего подложка не полностью покрывается продуктами коррозии.Обеспечивает защиту от повышенной склонности основания к коррозии.
Механические свойства высокопрочных болтов при коррозии под постоянным напряжением в различных агрессивных средах приведены в таблице 2:
Из таблицы 2 видно, что механические свойства образцов высокопрочного болта 20MnTiB по-прежнему соответствуют стандартным требованиям после испытания на ускоренную коррозию в цикле «сухой-мокрый» в различных имитируемых коррозионных средах, но есть определенные повреждения по сравнению с некорродированными образцами. значительно уменьшились. Механические свойства аналогичны при концентрациях 20 × и 200 × исходных растворов для имитации коррозии. Когда значение pH раствора для имитации коррозии упало до 3,5, прочность на растяжение и удлинение образцов значительно уменьшились.
Морфология излома высокопрочных болтовых образцов из сплава 20MnTiB, подвергнутых коррозии под напряжением, в различных коррозионных средах показана на рисунке 4: макроморфология излома, зона волокон в центре излома, микроморфологическая кромка границы раздела сдвига и поверхность образца.
Макроскопическая и микроскопическая морфология излома образцов высокопрочных болтов из 20MnTiB в различных смоделированных коррозионных средах (500×): (а) коррозии нет;б) 1 раз;(в) 20 ×;(г) 200×;(д) рН 3,5;(е) рН 7,5;(ж) 50°С.
Из рис. 4 видно, что разрушение высокопрочного образца болта 20MnTiB, подвергнутого коррозии под напряжением, в различных смоделированных коррозионных средах представляет собой типичный чашечно-конусный излом.По сравнению с некорродированным образцом (рис. 4а) центральная площадь трещины области волокна относительно мала., площадь выступа сдвига больше. Это показывает, что механические свойства материала значительно ухудшаются после коррозии. С увеличением концентрации имитируемого раствора коррозии ямки в области волокна в центре излома увеличивались, и появлялись очевидные швы разрыва.
Из рис. 3г следует, что в коррозионном слое на поверхности образца имеются явные трещины, что не оказывает хорошего защитного действия на матрицу.В смоделированном коррозионном растворе с pH 3,5 (рис. 4e) поверхность образца сильно корродирована, а центральная площадь волокна явно мала., В центре области волокна имеется большое количество неравномерных разрывных швов. С увеличением значения рН имитируемого раствора коррозии зона разрыва в области волокна в центре излома уменьшается, ямка постепенно уменьшается, и глубина ямки также постепенно уменьшается.
При повышении температуры до 50 °С (рис. 4ж) площадь выступа сдвига излома образца была наибольшей, ямки в области центрального волокна значительно увеличились, а также увеличилась глубина ямок, а также увеличилась поверхность раздела между краем выступа сдвига и поверхностью образца.Количество продуктов коррозии и ямок увеличилось, что подтвердило тенденцию углубления коррозии подложки, отраженную на рис. 3f.
Значение pH раствора для коррозии вызовет некоторое повреждение механических свойств высокопрочных болтов 20MnTiB, но эффект незначителен. В растворе для коррозии с pH 3,5 большое количество хлопьевидных или игольчатых продуктов коррозии распределяется по поверхности образца, а коррозионный слой имеет очевидные трещины, которые не могут обеспечить хорошую защиту подложки. И в микроскопической морфологии излома образца есть очевидные коррозионные ямки и большое количество продуктов коррозии. способность образца сопротивляться деформации внешней силой значительно снижается в кислой среде, а степень склонности материала к коррозии под напряжением значительно повышается.
Первоначальный раствор для имитации коррозии мало влиял на механические свойства образцов высокопрочных болтов, но по мере того, как концентрация раствора для имитации коррозии увеличивалась в 20 раз по сравнению с исходным раствором для имитации коррозии, механические свойства образцов были значительно повреждены, и в микроструктуре излома была очевидна коррозия.ямки, вторичные трещины и большое количество продуктов коррозии. При увеличении концентрации имитируемого раствора коррозии от 20 до 200 раз по сравнению с исходной концентрацией имитируемого раствора коррозии влияние концентрации раствора коррозии на механические свойства материала ослабевало.
Когда смоделированная температура коррозии составляет 25 ℃, предел текучести и предел прочности на растяжение высокопрочных образцов болтов 20MnTiB не сильно меняются по сравнению с некорродированными образцами. Однако при смоделированной температуре коррозионной среды 50 ° C прочность на растяжение и относительное удлинение образца значительно уменьшились, скорость усадки сечения была близка к стандартному значению, кромка при сдвиге была наибольшей, а в центральной области волокна были ямки. Знак значительно увеличилась, увеличилась глубина язв, увеличились продукты коррозии и коррозионные язвы. Это показывает, что температурная синергетическая коррозионная среда оказывает большое влияние на механические свойства высокопрочных болтов, что не является очевидным при комнатной температуре, но более значительным, когда температура достигает 50 ° C.
После испытания на ускоренную коррозию в помещении, имитирующего атмосферную среду в Чунцине, предел прочности при растяжении, предел текучести, удлинение и другие параметры высокопрочных болтов 20MnTiB были снижены, и произошло очевидное повреждение от напряжения. увеличивают склонность к коррозии под напряжением.
Ли, Г., Ли, М., Инь, Ю. и Цзян, С. Экспериментальное исследование свойств высокопрочных болтов из стали 20MnTiB при повышенной температуре. Челюсть. Гражданское строительство.34, 100–105 (2001).
Ху, Дж., Цзоу, Д. и Ян, К. Анализ отказов из-за разрушения высокопрочных болтов из стали 20MnTiB для рельсовой термообработки. Металл. 42, 185–188 (2017).
Катар, Р. и Алтун, Х. Коррозионное растрескивание сплавов Mg-Al-Zn при различных значениях pH методом SSRT. Open.Chemical.17, 972–979 (2019).
Назер А.А. и др. Влияние глицина на электрохимическое поведение и коррозионное растрескивание под напряжением сплава Cu10Ni в растворе, загрязненном сульфидами. Промышленная инженерия. Химический резервуар. 50, 8796–8802 (2011).
Агион Э. и Лулу Н. Коррозионные свойства литого под давлением магниевого сплава MRI230D в насыщенном Mg(OH)2 3,5% растворе NaCl.alma mater.character.61, 1221–1226 (2010).
Чжан З., Ху З. и Прит М.С. Влияние ионов хлорида на статическое поведение и коррозионное поведение под напряжением мартенситной стали 9Cr. Surf.Technology.48, 298–304 (2019).
Чен, X., Ма, Дж., Ли, X., Ву, М. и Сонг, Б. Синергетический эффект SRB и температуры на коррозионное растрескивание стали X70 под напряжением в растворе искусственного морского ила. Дж.Китай.Социалистическая партия.coros.Pro.39, 477–484 (2019).
Лю Дж., Чжан Ю. и Ян С. Коррозионное поведение нержавеющей стали 00Cr21Ni14Mn5Mo2N под напряжением в морской воде.физика.сдать экзамен.тест.36, 1-5 (2018).
Лу, К. Исследование замедленного разрушения высокопрочных болтов моста. челюсть. Академическая школа. рельсовая наука. 2, 10369 (2019).
Ананья, Б. Коррозионное растрескивание дуплексных нержавеющих сталей под напряжением в щелочных растворах. Докторская диссертация, Атланта, Джорджия, США: Технологический институт Джорджии, 137–8 (2008).
Сунада С., Масанори К., Казухико М. и Сугимото К. Влияние концентраций H2SO4 и натрия на коррозионное растрескивание под напряжением нержавеющей стали SUS304 в водном растворе H2SO4-NaCl. alma mater.trans.47, 364–370 (2006).
Merwe, JWVD Влияние окружающей среды и материалов на коррозионное растрескивание стали под напряжением в растворе H2O/CO/CO2. Inter Milan.J.Корос.2012, 1-13 (2012).
Ибрагим, М. и Акрам А. Влияние бикарбоната, температуры и pH на пассивацию стали API-X100 для трубопроводов в моделируемом растворе подземных вод. В IPC 2014-33180.
Шан, Г., Чи, Л., Сонг, X., Хуанг, X. и Цюй, Д. Влияние температуры на склонность аустенитной нержавеющей стали к коррозионному растрескиванию под напряжением в отличие от .Technology.18, 42–44 (2018).
Хан, С. Индуцированное водородом замедленное разрушение нескольких высокопрочных сталей для крепежа (Куньминский университет науки и технологий, 2014).
Чжао Б., Чжан К. и Чжан М. Механизм коррозии под напряжением сплава GH4080A для крепежа. cross.companion.Hey.treat.41, 102–110 (2020).