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20MnTiB-Stahl ist in China das am weitesten verbreitete Material für hochfeste Schrauben im Stahlbrückenbau, und seine Eigenschaften sind für die sichere Funktion der Brücken von großer Bedeutung. Basierend auf Untersuchungen der atmosphärischen Bedingungen in Chongqing wurde in dieser Studie eine Korrosionslösung entwickelt, die das feuchte Klima Chongqings simuliert. Anschließend wurden Spannungsrisskorrosionsversuche an hochfesten Schrauben unter diesen Bedingungen durchgeführt. Die Auswirkungen von Temperatur, pH-Wert und Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf das Spannungsrisskorrosionsverhalten der 20MnTiB-Schrauben wurden untersucht.
20MnTiB-Stahl ist in meinem Land der am weitesten verbreitete Werkstoff für hochfeste Schrauben im Stahlbrückenbau, und seine Eigenschaften sind für die sichere Funktion der Brücken von großer Bedeutung. Li et al.¹ untersuchten die Eigenschaften des üblicherweise für hochfeste Schrauben der Güteklasse 10.9 verwendeten 20MnTiB-Stahls im Hochtemperaturbereich von 20 bis 700 °C und ermittelten die Spannungs-Dehnungs-Kurve, die Streckgrenze, die Zugfestigkeit, den Elastizitätsmodul, die Bruchdehnung und den Ausdehnungskoeffizienten. Zhang et al.², Hu et al.³ u. a. führten chemische Zusammensetzungs-, mechanische und mikrostrukturelle Untersuchungen sowie makroskopische und mikroskopische Analysen der Gewindeoberfläche durch. Die Ergebnisse zeigen, dass die Hauptursache für den Bruch hochfester Schrauben in Gewindefehlern liegt. Das Auftreten von Gewindefehlern, hohen Spannungskonzentrationen an der Rissspitze und Korrosion an der Luft führen zu Spannungsrisskorrosion.
Hochfeste Schrauben für Stahlbrücken werden üblicherweise über lange Zeiträume in feuchter Umgebung eingesetzt. Faktoren wie hohe Luftfeuchtigkeit, hohe Temperaturen sowie die Sedimentation und Absorption schädlicher Substanzen in der Umgebung können leicht zu Korrosion an Stahlkonstruktionen führen. Korrosion kann den Querschnitt hochfester Schrauben verringern und zahlreiche Defekte und Risse verursachen. Diese Defekte und Risse breiten sich weiter aus und verkürzen dadurch die Lebensdauer der hochfesten Schrauben bis hin zu deren Bruch. Bisher gibt es zahlreiche Studien zum Einfluss von Umweltkorrosion auf das Spannungsrisskorrosionsverhalten von Werkstoffen. Catar et al.⁴ untersuchten das Spannungsrisskorrosionsverhalten von Magnesiumlegierungen mit unterschiedlichem Aluminiumgehalt in sauren, alkalischen und neutralen Umgebungen mittels Zeitstandversuchen (SSRT). Abdel et al.⁵ untersuchten das elektrochemische Verhalten und das Spannungsrisskorrosionsverhalten der Cu10Ni-Legierung in 3,5%iger NaCl-Lösung in Gegenwart unterschiedlicher Sulfidionenkonzentrationen. Aghion et al.⁶ bewerteten das Korrosionsverhalten der Magnesium-Druckgusslegierung MRI230D in 3,5%iger NaCl-Lösung durch Immersionsversuche. Zhang et al.⁷ untersuchten das Spannungsrisskorrosionsverhalten von 9Cr-Martensitstahl mittels SSRT und traditioneller elektrochemischer Prüfverfahren und ermittelten den Einfluss von Chloridionen auf das statische Korrosionsverhalten von Martensitstahl bei Raumtemperatur. Chen et al.⁸ untersuchten das Spannungsrisskorrosionsverhalten und den Rissbildungsmechanismus von X70-Stahl in simulierter Meeresschlammlösung mit sulfatreduzierenden Bakterien (SRB) bei verschiedenen Temperaturen mittels SSRT. Liu et al.⁹ untersuchten mittels SSRT den Einfluss von Temperatur und Zugdehnungsrate auf die Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit von austenitischem Edelstahl 00Cr21Ni14Mn5Mo2N in Meerwasser. Die Ergebnisse zeigen, dass die Temperatur im Bereich von 35–65 °C keinen signifikanten Einfluss auf das Spannungsrisskorrosionsverhalten von Edelstahl hat. Lu et al. 10 untersuchten die Anfälligkeit von Proben mit unterschiedlichen Zugfestigkeitsklassen für verzögerten Bruch mittels eines verzögerten Bruchtests unter statischer Belastung und eines SSRT-Tests. Es wird empfohlen, die Zugfestigkeit von hochfesten Schrauben aus 20MnTiB-Stahl und 35VB-Stahl auf 1040–1190 MPa zu begrenzen. Die meisten dieser Studien verwenden jedoch lediglich eine einfache 3,5%ige NaCl-Lösung zur Simulation der korrosiven Umgebung, während die tatsächliche Einsatzumgebung von hochfesten Schrauben komplexer ist und von vielen Einflussfaktoren, wie beispielsweise dem pH-Wert der Schraube, beeinflusst wird. Ananya et al. 11 untersuchten den Einfluss von Umgebungsparametern und Materialien im korrosiven Medium auf die Korrosion und Spannungsrisskorrosion von Duplex-Edelstählen. Sunada et al. 12 führten Spannungsrisskorrosionsversuche bei Raumtemperatur an SUS304-Stahl in wässrigen Lösungen mit H₂SO₄ (0–5,5 kmol/m³) und NaCl (0–4,5 kmol/m³) durch. Die Auswirkungen von H₂SO₄ und NaCl auf die Korrosionsarten von SUS304-Stahl wurden ebenfalls untersucht. Merwe et al. 13 nutzten SSRT, um die Auswirkungen von Walzrichtung, Temperatur, CO₂/CO-Konzentration, Gasdruck und Korrosionszeit auf die Spannungsrisskorrosionsanfälligkeit von A516-Druckbehälterstahl zu untersuchen. Ibrahim et al. 14 untersuchten mit NS4-Lösung als Grundwassersimulationslösung den Einfluss von Umweltparametern wie Bicarbonat-(HCO₃⁻)-Konzentration, pH-Wert und Temperatur auf die Spannungsrisskorrosion von API-X100-Rohrleitungsstahl nach dem Ablösen der Beschichtung. Shan et al. 15 untersuchten die Abhängigkeit der Spannungsrisskorrosionsanfälligkeit von austenitischem Edelstahl 00Cr18Ni10 von der Temperatur unter verschiedenen Bedingungen (30–250 °C) in Schwarzwasser als Medium in einer simulierten Kohle-zu-Wasserstoff-Anlage mittels SSRT. Han et al. 16 charakterisierten die Wasserstoffversprödungsanfälligkeit von hochfesten Schraubenproben mittels eines verzögerten Bruchtests unter statischer Belastung und SSRT. Zhao 17 untersuchte die Auswirkungen von pH-Wert, SO₄²⁻ und Cl⁻ auf das Spannungsrisskorrosionsverhalten der Legierung GH4080A mittels SSRT. Die Ergebnisse zeigen, dass die Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit der Legierung GH4080A mit sinkendem pH-Wert abnimmt. Sie weist eine deutliche Spannungsrisskorrosionsempfindlichkeit gegenüber Cl⁻ auf, ist jedoch bei Raumtemperatur gegenüber SO₄²⁻-Ionen unempfindlich. Es gibt jedoch nur wenige Studien über die Auswirkungen von Umweltkorrosion auf hochfeste Schrauben aus 20MnTiB-Stahl.
Um die Ursachen für das Versagen hochfester Schrauben im Brückenbau zu ermitteln, führte der Autor eine Reihe von Untersuchungen durch. Es wurden Proben hochfester Schrauben ausgewählt und die Versagensursachen hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, bruchmikroskopischer Morphologie, metallographischer Struktur und mechanischer Eigenschaften analysiert.^19,20 Basierend auf Untersuchungen der atmosphärischen Bedingungen in Chongqing in den letzten Jahren wurde ein Korrosionsmodell entwickelt, das das feuchte Klima der Stadt simuliert. Es wurden Spannungsrisskorrosions-, elektrochemische Korrosions- und Korrosionsermüdungsversuche an hochfesten Schrauben unter den simulierten Bedingungen durchgeführt. In der vorliegenden Studie wurden die Auswirkungen von Temperatur, pH-Wert und Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf das Spannungsrisskorrosionsverhalten von 20MnTiB-Hochleistungsschrauben mittels mechanischer Prüfungen, makroskopischer und mikroskopischer Bruchanalyse sowie der Untersuchung von Oberflächenkorrosionsprodukten analysiert.
Chongqing liegt im Südwesten Chinas, im Oberlauf des Jangtsekiang, und hat ein feuchtes subtropisches Monsunklima. Die durchschnittliche Jahrestemperatur beträgt 16-18 °C, die durchschnittliche relative Luftfeuchtigkeit liegt meist bei 70-80 %, die jährliche Sonnenscheindauer beträgt 1000-1400 Stunden, der Sonnenscheinanteil liegt jedoch nur bei 25-35 %.
Laut Berichten über Sonnenscheindauer und Umgebungstemperatur in Chongqing von 2015 bis 2018 schwankte die durchschnittliche Tagestemperatur zwischen 17 °C und 23 °C. Die höchste gemessene Temperatur am Brückenkörper der Chaotianmen-Brücke in Chongqing erreichte 50 °C.^21,22 Daher wurden die Temperaturwerte für den Spannungsrisskorrosionstest auf 25 °C und 50 °C festgelegt.
Der pH-Wert der simulierten Korrosionslösung bestimmt direkt die Menge an H+-Ionen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Korrosion umso leichter auftritt, je niedriger der pH-Wert ist. Der Einfluss des pH-Werts auf die Ergebnisse variiert je nach Material und Lösung. Um den Einfluss der simulierten Korrosionslösung auf das Spannungsrisskorrosionsverhalten hochfester Schrauben besser zu untersuchen, wurden die pH-Werte der Spannungsrisskorrosionsversuche in Anlehnung an Literaturdaten²³ und den pH-Wert-Bereich des jährlichen Regenwassers in Chongqing (2010–2018) auf 3,5, 5,5 und 7,5 eingestellt.
Je höher die Konzentration der simulierten Korrosionslösung, desto höher ist der Ionengehalt in der simulierten Korrosionslösung und desto größer der Einfluss auf die Materialeigenschaften. Um den Einfluss der Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf die Spannungsrisskorrosion von hochfesten Schrauben zu untersuchen, wurde ein künstlicher, beschleunigter Korrosionstest im Labor durchgeführt. Die Konzentration der simulierten Korrosionslösung wurde auf Stufe 4 (ohne Korrosion) eingestellt und betrug die ursprüngliche Konzentration (1×), die 20-fache ursprüngliche Konzentration (20×) und die 200-fache ursprüngliche Konzentration (200×).
Die Umgebungsbedingungen mit einer Temperatur von 25 °C, einem pH-Wert von 5,5 und der ursprünglichen Konzentration der simulierten Korrosionslösung entsprechen am ehesten den tatsächlichen Einsatzbedingungen von hochfesten Brückenschrauben. Um den Korrosionstest zu beschleunigen, wurden jedoch die Versuchsbedingungen mit einer Temperatur von 25 °C, einem pH-Wert von 5,5 und einer 200-fach höheren Konzentration der simulierten Korrosionslösung als Referenzgruppe festgelegt. Bei der Untersuchung der Auswirkungen von Temperatur, Konzentration oder pH-Wert der simulierten Korrosionslösung auf das Spannungsrisskorrosionsverhalten von hochfesten Schrauben wurden die übrigen Faktoren konstant gehalten. Diese Bedingungen dienten als Referenzgruppe.
Gemäß dem Bericht zur Luftqualität 2010–2018 des Umweltamtes der Stadt Chongqing und unter Berücksichtigung der in Zhang24 und anderen in Chongqing veröffentlichten Literatur beschriebenen Niederschlagskomponenten wurde eine Korrosionssimulationslösung auf Basis einer erhöhten SO42--Konzentration entwickelt. Die Zusammensetzung des Niederschlags im Stadtgebiet von Chongqing im Jahr 2017 ist in Tabelle 1 dargestellt.
Die simulierte Korrosionslösung wurde mittels chemischer Ionenkonzentrationsbilanzierung unter Verwendung von analytischen Reagenzien und destilliertem Wasser hergestellt. Der pH-Wert der simulierten Korrosionslösung wurde mit einem Präzisions-pH-Meter, Salpetersäurelösung und Natriumhydroxidlösung eingestellt.
Um das feuchte Klima in Chongqing zu simulieren, wurde der Salzsprühtester speziell modifiziert und neu konstruiert.²⁵ Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht die Versuchsanlage aus zwei Systemen: einem Salzsprühsystem und einem Beleuchtungssystem. Das Salzsprühsystem ist die Hauptfunktion der Versuchsanlage und besteht aus einer Steuereinheit, einer Sprüheinheit und einer Messeinheit. Die Sprüheinheit pumpt den Salznebel mittels eines Luftkompressors in die Testkammer. Die Messeinheit umfasst Temperaturmessgeräte, die die Temperatur in der Testkammer erfassen. Die Steuereinheit besteht aus einem Mikrocomputer, der die Sprüheinheit und die Messeinheit verbindet und den gesamten Versuchsablauf steuert. Das Beleuchtungssystem ist in der Salzsprühkammer installiert, um Sonnenlicht zu simulieren. Es besteht aus Infrarotlampen und einem Zeitschalter. Gleichzeitig ist ein Temperatursensor in der Salzsprühkammer installiert, um die Temperatur in der Umgebung der Probe in Echtzeit zu überwachen.
Spannungsrisskorrosionsproben unter konstanter Last wurden gemäß NACETM 177-2005 (Laborprüfung der Beständigkeit von Metallen gegen Sulfidspannungsrisskorrosion und Spannungsrisskorrosion in H₂S-Umgebung) präpariert. Die Proben wurden zunächst mit Aceton gereinigt und mittels Ultraschall mechanisch gereinigt, um Ölreste zu entfernen. Anschließend wurden sie mit Alkohol entwässert und im Trockenschrank getrocknet. Die gereinigten Proben wurden dann in die Prüfkammer des Salzsprühnebelprüfgeräts eingebracht, um die Korrosionsbedingungen im feuchten Klima von Chongqing zu simulieren. Gemäß der Norm NACETM 177-2005 und der Salzsprühnebelprüfnorm GB/T 10125-2012 wurde die Dauer des Spannungsrisskorrosionsversuchs unter konstanter Last in dieser Studie einheitlich auf 168 Stunden festgelegt. An den korrodierten Proben wurden Zugversuche unter verschiedenen Korrosionsbedingungen mit der Universalprüfmaschine MTS-810 durchgeführt und ihre mechanischen Eigenschaften sowie die Bruchkorrosionsmorphologie analysiert.
Abbildung 1 zeigt die Makro- und Mikromorphologie der Oberflächenkorrosion von Proben aus hochfesten Schraubenspannungskorrosion unter verschiedenen Korrosionsbedingungen.2 bzw. 3
Makroskopische Morphologie von Spannungsrisskorrosionsproben aus hochfesten 20MnTiB-Schrauben unter verschiedenen simulierten Korrosionsbedingungen: (a) keine Korrosion; (b) 1-mal; (c) 20-mal; (d) 200-mal; (e) pH 3,5; (f) pH 7,5; (g) 50 °C.
Mikromorphologie der Korrosionsprodukte von hochfesten 20MnTiB-Schrauben in verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen (100×): (a) 1 Mal; (b) 20 ×; (c) 200 ×; (d) pH 3,5; (e) pH 7,5; (f) 50 °C.
Abbildung 2a zeigt, dass die Oberfläche der unkorrodierten, hochfesten Schraubenprobe einen hellen, metallischen Glanz ohne erkennbare Korrosion aufweist. Unter den Bedingungen der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung (Abb. 2b) war die Probenoberfläche jedoch teilweise mit hellbraunen und braunroten Korrosionsprodukten bedeckt, wobei einige Bereiche weiterhin einen deutlichen metallischen Glanz zeigten. Dies deutet darauf hin, dass nur einige Bereiche der Probenoberfläche leicht korrodiert waren und die simulierte Korrosionslösung keine Auswirkungen auf die Probenoberfläche hatte. Die Materialeigenschaften haben nur geringen Einfluss. Bei einer 20-fachen Konzentration der simulierten Korrosionslösung (Abb. 2c) ist die Oberfläche der hochfesten Schraubenprobe jedoch vollständig mit einer großen Menge an hellbraunen Korrosionsprodukten und einer geringen Menge an braunroten Korrosionsprodukten bedeckt. Es ist kein deutlicher metallischer Glanz erkennbar, und in Oberflächennähe des Substrats befindet sich eine geringe Menge an braun-schwarzen Korrosionsprodukten. Bei einer 200-fachen Konzentration der simulierten Korrosionslösung (Abb. 2d) ist die Probenoberfläche vollständig mit braunen Korrosionsprodukten bedeckt, und in einigen Bereichen treten braun-schwarze Korrosionsprodukte auf.
Als der pH-Wert auf 3,5 sank (Abb. 2e), befanden sich die hellbraunen Korrosionsprodukte am häufigsten auf der Oberfläche der Proben, und einige der Korrosionsprodukte hatten sich bereits abgelöst.
Abbildung 2g zeigt, dass mit steigender Temperatur bis 50 °C der Anteil braunroter Korrosionsprodukte auf der Probenoberfläche stark abnimmt, während hellbraune Korrosionsprodukte die Oberfläche großflächig bedecken. Die Korrosionsproduktschicht ist relativ locker, und einige braun-schwarze Produkte blättern ab.
Wie in Abbildung 3 dargestellt, zeigen die Korrosionsprodukte auf der Oberfläche von 20MnTiB-Hochleistungsbolzenproben unter verschiedenen Korrosionsbedingungen eine deutliche Delamination. Die Dicke der Korrosionsschicht nimmt mit steigender Konzentration der simulierten Korrosionslösung zu. Unter den Bedingungen der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung (Abb. 3a) lassen sich die Korrosionsprodukte auf der Probenoberfläche in zwei Schichten unterteilen: Die äußerste Schicht ist gleichmäßig verteilt, weist jedoch zahlreiche Risse auf; die innere Schicht besteht aus lockeren Korrosionsproduktclustern. Bei einer 20-fach höheren Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung (Abb. 3b) lässt sich die Korrosionsschicht auf der Probenoberfläche in drei Schichten unterteilen: Die äußerste Schicht besteht hauptsächlich aus dispergierten, lockeren und porösen Korrosionsproduktclustern ohne guten Schutz; die mittlere Schicht ist eine gleichmäßige Korrosionsproduktschicht mit deutlichen Rissen, durch die Korrosionsionen eindringen und das Substrat erodieren können; Die innere Schicht ist eine dichte Korrosionsproduktschicht ohne erkennbare Risse, die das Substrat gut schützt. Unter den Bedingungen einer 200-fachen Konzentration der simulierten Korrosionslösung (Abb. 3c) lässt sich die Korrosionsschicht auf der Probenoberfläche in drei Schichten unterteilen: Die äußerste Schicht ist eine dünne und gleichmäßige Korrosionsproduktschicht; die mittlere Schicht besteht hauptsächlich aus blütenblatt- und schuppenförmigen Korrosionspartikeln. Die innere Schicht ist eine dichte Korrosionsproduktschicht ohne erkennbare Risse und Löcher, die das Substrat gut schützt.
Abbildung 3d zeigt, dass sich in der simulierten Korrosionsumgebung mit pH 3,5 zahlreiche flockige oder nadelförmige Korrosionsprodukte auf der Oberfläche der hochfesten 20MnTiB-Schraubenprobe befinden. Es wird vermutet, dass diese Korrosionsprodukte hauptsächlich aus γ-FeOOH und einer geringen Menge α-FeOOH bestehen, die miteinander verwoben sind.²⁶ Die Korrosionsschicht weist deutliche Risse auf.
Abbildung 3f zeigt, dass bei einer Temperaturerhöhung auf 50 °C keine ausgeprägte dichte innere Rostschicht in der Korrosionsschichtstruktur zu erkennen war. Dies deutet darauf hin, dass bei 50 °C Lücken zwischen den Korrosionsschichten bestanden, wodurch das Substrat nicht vollständig von Korrosionsprodukten bedeckt wurde. Dies bietet Schutz vor erhöhter Korrosionsanfälligkeit des Substrats.
Die mechanischen Eigenschaften von hochfesten Schrauben unter konstanter Spannungsrisskorrosion in verschiedenen korrosiven Umgebungen sind in Tabelle 2 dargestellt:
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, erfüllen die mechanischen Eigenschaften der hochfesten 20MnTiB-Schraubenproben nach dem beschleunigten Korrosionstest mit Trocken-Nass-Wechsel in verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen weiterhin die Normvorgaben. Im Vergleich zu den unkorrodierten Proben ist jedoch eine gewisse Schädigung festzustellen. Bei der Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung veränderten sich die mechanischen Eigenschaften der Probe nicht signifikant. Bei der 20- bzw. 200-fachen Konzentration der simulierten Lösung nahm die Dehnung der Probe jedoch deutlich ab. Bei den Konzentrationen der 20- und 200-fachen Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung sind die mechanischen Eigenschaften vergleichbar. Sinkt der pH-Wert der simulierten Korrosionslösung auf 3,5, verringern sich Zugfestigkeit und Dehnung der Proben signifikant. Bei einer Temperaturerhöhung auf 50 °C nehmen Zugfestigkeit und Dehnung ebenfalls deutlich ab, und die Flächenschrumpfung liegt sehr nahe am Normwert.
Die Bruchmorphologien der 20MnTiB-Hochleistungsbolzen-Spannungskorrosionsproben unter verschiedenen Korrosionsbedingungen sind in Abbildung 4 dargestellt. Dargestellt sind die Makromorphologie des Bruchs, die Faserzone im Zentrum des Bruchs, die mikromorphologische Lippe der Schergrenzfläche und die Oberfläche der Probe.
Makroskopische und mikroskopische Bruchmorphologien von 20MnTiB-Hochleistungsbolzenproben in verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen (500×): (a) keine Korrosion; (b) 1 Mal; (c) 20 ×; (d) 200 ×; (e) pH 3,5; (f) pH 7,5; (g) 50 °C.
Abbildung 4 zeigt, dass der Bruch der 20MnTiB-Hochleistungsbolzenprobe unter verschiedenen simulierten Korrosionsbedingungen einen typischen kegelförmigen Bruch aufweist. Im Vergleich zur unkorrodierten Probe (Abb. 4a) ist der zentrale Bereich des Faserrisses relativ klein, der Bereich der Scherlippe hingegen größer. Dies deutet auf eine signifikante Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Materials durch die Korrosion hin. Mit zunehmender Konzentration der simulierten Korrosionslösung verstärkten sich die Korrosionsgruben im Faserbereich im Zentrum des Bruchs, und es bildeten sich deutliche Rissnähte. Bei einer 20-fachen Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung traten deutliche Korrosionsgruben an der Grenzfläche zwischen Scherlippenkante und Probenoberfläche auf, und es fanden sich zahlreiche Korrosionsprodukte auf der Probenoberfläche.
Aus Abbildung 3d geht hervor, dass die Korrosionsschicht auf der Probenoberfläche deutliche Risse aufweist und die Matrix nur unzureichend schützt. In der simulierten Korrosionslösung mit pH 3,5 (Abbildung 4e) ist die Probenoberfläche stark korrodiert, und der zentrale Faserbereich ist deutlich verkleinert. Im Zentrum des Faserbereichs befinden sich zahlreiche unregelmäßige Rissnähte. Mit steigendem pH-Wert der simulierten Korrosionslösung verringert sich die Risszone im Faserbereich im Zentrum des Bruchs, die Korrosionsgruben werden kleiner und ihre Tiefe nimmt ab.
Bei einer Temperaturerhöhung auf 50 °C (Abb. 4g) erreichte die Scherlippenfläche des Bruchs ihre maximale Größe, die Anzahl der Korrosionsgruben im zentralen Faserbereich nahm deutlich zu, ebenso wie deren Tiefe. Auch die Grenzfläche zwischen Scherlippenrand und Probenoberfläche vergrößerte sich. Korrosionsprodukte und Korrosionsgruben nahmen zu, was den in Abb. 3f dargestellten Trend der Substratkorrosion bestätigte.
Der pH-Wert der Korrosionslösung beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften der hochfesten 20MnTiB-Schrauben geringfügig, jedoch nicht signifikant. In der Korrosionslösung mit pH 3,5 verteilen sich zahlreiche flockige oder nadelförmige Korrosionsprodukte auf der Probenoberfläche. Die Korrosionsschicht weist deutliche Risse auf und bietet keinen ausreichenden Schutz für das Substrat. Im mikroskopischen Bild des Probenbruchs sind deutliche Korrosionsnarben und zahlreiche Korrosionsprodukte zu erkennen. Dies zeigt, dass die Verformungsbeständigkeit der Probe in saurem Milieu deutlich reduziert und die Anfälligkeit des Materials für Spannungsrisskorrosion signifikant erhöht ist.
Die ursprüngliche Korrosionssimulationslösung hatte nur geringen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der hochfesten Bolzenproben. Bei einer Erhöhung der Konzentration der Korrosionssimulationslösung auf das 20-Fache der ursprünglichen Konzentration verschlechterten sich die mechanischen Eigenschaften der Proben jedoch deutlich, und im Bruchgefüge zeigten sich ausgeprägte Korrosionsnarben, Sekundärrisse und zahlreiche Korrosionsprodukte. Eine weitere Erhöhung der Konzentration der Korrosionssimulationslösung vom 20-Fachen auf das 200-Fache der ursprünglichen Konzentration führte zu einer Abschwächung des Einflusses der Korrosionslösungskonzentration auf die mechanischen Eigenschaften des Materials.
Bei einer simulierten Korrosionstemperatur von 25 °C veränderten sich die Streckgrenze und Zugfestigkeit der hochfesten 20MnTiB-Schraubenproben im Vergleich zu den unkorrodierten Proben kaum. Unter einer simulierten Korrosionstemperatur von 50 °C nahmen Zugfestigkeit und Bruchdehnung der Probe jedoch deutlich ab, die Querschnittsschrumpfung erreichte nahezu den Normwert, die Bruchkante war am größten, und im zentralen Faserbereich traten Grübchen auf. Die Korrosionstiefe, die Korrosionsprodukte und die Anzahl der Korrosionsgruben nahmen deutlich zu. Dies zeigt, dass die Temperatur in Kombination mit der Korrosionsumgebung einen großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften hochfester Schrauben hat. Dieser Einfluss ist bei Raumtemperatur nicht so deutlich, tritt aber bei 50 °C deutlich stärker hervor.
Nach einem beschleunigten Korrosionstest unter simulierten atmosphärischen Bedingungen in Chongqing reduzierten sich Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung und weitere Parameter der hochfesten 20MnTiB-Schrauben, und es traten deutliche Spannungsrisskorrosion auf. Da das Material unter Spannung steht, kommt es zu einer signifikanten lokalen Beschleunigung der Korrosion. Durch die kombinierte Wirkung von Spannungskonzentrationen und Korrosionsnarben kann es leicht zu deutlichen plastischen Schäden an den hochfesten Schrauben kommen, wodurch deren Widerstandsfähigkeit gegen Verformung durch äußere Kräfte verringert und die Neigung zu Spannungsrisskorrosion erhöht wird.
Li, G., Li, M., Yin, Y. & Jiang, S. Experimentelle Untersuchung der Eigenschaften von hochfesten Schrauben aus 20MnTiB-Stahl bei erhöhter Temperatur. Jaw. Civil Engineering Journal 34, 100–105 (2001).
Hu, J., Zou, D. & Yang, Q. Bruchversagensanalyse von hochfesten 20MnTiB-Stahlbolzen für Schienen. Wärmebehandlung. Metal. 42, 185–188 (2017).
Catar, R. & Altun, H. Spannungsrisskorrosionsverhalten von Mg-Al-Zn-Legierungen unter verschiedenen pH-Bedingungen mittels SSRT-Methode.Open.Chemical.17, 972–979 (2019).
Nazer, AA et al. Auswirkungen von Glycin auf das elektrochemische Verhalten und das Spannungsrisskorrosionsverhalten der Cu10Ni-Legierung in sulfidbelasteter Sole. Industrial Engineering. Chemical.reservoir.50, 8796–8802 (2011).
Aghion, E. & Lulu, N. Korrosionseigenschaften der gegossenen Magnesiumlegierung MRI230D in Mg(OH)2-gesättigter 3,5%iger NaCl-Lösung.alma mater.character.61, 1221–1226 (2010).
Zhang, Z., Hu, Z. & Preet, MS Einfluss von Chloridionen auf das statische und Spannungskorrosionsverhalten von 9Cr-Martensitstahl.surf.Technology.48, 298–304 (2019).
Chen, X., Ma, J., Li, X., Wu, M. & Song, B. Synergistischer Effekt von SRB und Temperatur auf die Spannungsrisskorrosion von X70-Stahl in künstlicher Meeresschlammlösung.J. Chin.Socialist Party.coros.Pro.39, 477–484 (2019).
Liu, J., Zhang, Y. & Yang, S. Spannungskorrosionsverhalten von 00Cr21Ni14Mn5Mo2N-Edelstahl in Meerwasser.physics.take an exam.test.36, 1-5 (2018).
Lu, C. Eine Studie zum verzögerten Bruchverhalten von hochfesten Brückenbolzen.jaw.Academic school.rail.science.2, 10369 (2019).
Ananya, B. Spannungsrisskorrosion von Duplex-Edelstählen in alkalischen Lösungen. Dissertation, Atlanta, GA, USA: Georgia Institute of Technology 137–8 (2008)
Sunada, S., Masanori, K., Kazuhiko, M. & Sugimoto, K. Auswirkungen der H2SO4- und NaCl-Konzentrationen auf die Spannungsrisskorrosion von SUS304-Edelstahl in wässriger H2SO4-NaCl-Lösung. Alma Mater. Trans. 47, 364–370 (2006).
Merwe, JWVD Einfluss von Umgebung und Materialien auf die Spannungsrisskorrosion von Stahl in H2O/CO/CO2-Lösung.Inter Milan.J. Koros.2012, 1-13 (2012).
Ibrahim, M. & Akram A. Auswirkungen von Bicarbonat, Temperatur und pH-Wert auf die Passivierung von API-X100-Rohrleitungsstahl in simulierter Grundwasserlösung. In IPC 2014-33180.
Shan, G., Chi, L., Song, X., Huang, X. & Qu, D. Einfluss der Temperatur auf die Anfälligkeit von austenitischem Edelstahl für Spannungsrisskorrosion.coro.be opposite to.Technology.18, 42–44 (2018).
Han, S. Wasserstoffinduziertes verzögertes Bruchverhalten mehrerer hochfester Verbindungselemente aus Stählen (Kunming University of Science and Technology, 2014).
Zhao, B., Zhang, Q. & Zhang, M. Stress corrosion mechanism of GH4080A alloy for tenders.cross.companion.Hey.treat.41, 102–110 (2020).