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20MnTiB鋼は、我が国の鋼構造橋梁で最も広く使用されている高強度ボルト材料であり、その性能は橋梁の安全な運用にとって非常に重要です。本研究では、重慶の大気環境の調査に基づいて、重慶の湿潤気候をシミュレートした腐食溶液を設計し、重慶の湿潤気候をシミュレートした高強度ボルトの応力腐食試験を実施しました。温度、pH値、およびシミュレートされた腐食溶液濃度が20MnTiB高強度ボルトの応力腐食挙動に及ぼす影響を調査しました。
20MnTiB鋼は、我が国の鋼構造橋梁で最も広く使用されている高強度ボルト材料であり、その性能は橋梁の安全な運用にとって非常に重要です。Liら1は、10.9級高強度ボルトに一般的に使用されている20MnTiB鋼の特性を20～700℃の高温範囲で試験し、応力-ひずみ曲線、降伏強度、引張強度、ヤング率、伸び、膨張係数を取得しました。Zhangら2、Huら3などは、化学組成試験、機械的特性試験、微細構造試験、ねじ表面のマクロおよびミクロ分析を通じて、高強度ボルトの破壊の主な原因はねじ欠陥に関連しており、ねじ欠陥の発生、大きな応力集中、亀裂先端応力集中、および開放腐食条件はすべて応力腐食割れにつながることを示しています。
鋼橋用の高強度ボルトは通常、湿度の高い環境で長期間使用されます。高湿度、高温、環境中の有害物質の沈降や吸収などの要因により、鋼構造物の腐食が容易に発生します。腐食は高強度ボルトの断面積の減少を引き起こし、多数の欠陥や亀裂を生じさせます。そして、これらの欠陥や亀裂は拡大し続け、高強度ボルトの寿命を縮め、最終的には破損に至ります。これまで、環境腐食が材料の応力腐食性能に及ぼす影響に関する研究は数多く行われてきました。Catarら4は、低ひずみ速度試験（SSRT）により、酸性、アルカリ性、中性環境におけるアルミニウム含有量の異なるマグネシウム合金の応力腐食挙動を調査しました。Abdelら5は、異なる濃度の硫化物イオンが存在する3.5% NaCl溶液中におけるCu10Ni合金の電気化学的挙動と応力腐食割れ挙動を研究しました。Aghionら6は、ダイカストマグネシウム合金MRI230Dの腐食性能を評価しました。 3.5% NaCl 溶液に対する浸漬試験、塩水噴霧試験、電位動的分極分析、および SSRT による腐食挙動を調べた。Zhang ら 7 は SSRT と従来の電気化学試験技術を用いて 9Cr マルテンサイト鋼の応力腐食挙動を研究し、室温でのマルテンサイト鋼の静的腐食挙動に対する塩化物イオンの影響を得た。Chen ら 8 は SSRT を用いて、異なる温度での SRB を含む模擬海泥溶液中の X70 鋼の応力腐食挙動と亀裂発生メカニズムを調査した。Liu ら 9 は SSRT を用いて、00Cr21Ni14Mn5Mo2N オーステナイト系ステンレス鋼の海水応力腐食耐性に対する温度と引張ひずみ速度の影響を研究した。結果は、35〜65℃ の範囲の温度ではステンレス鋼の応力腐食挙動に大きな影響がないことを示唆している。Lu ら10 は、デッドロード遅延破壊試験と SSRT により、異なる引張強度グレードのサンプルの遅延破壊感受性を評価しました。20MnTiB 鋼と 35VB 鋼の高強度ボルトの引張強度は 1040～1190MPa に制御する必要があることが示唆されています。しかし、これらの研究のほとんどは、腐食環境をシミュレートするために単純な 3.5% NaCl 溶液を使用していますが、高強度ボルトの実際の使用環境はより複雑で、ボルトの pH 値など、多くの影響要因があります。Ananya ら 11 は、腐食媒体の環境パラメータと材料が二相ステンレス鋼の腐食と応力腐食割れに及ぼす影響を研究しました。Sunada ら12 は、H2SO4 (0-5.5 kmol/m-3) と NaCl (0-4.5 kmol/m-3) を含む水溶液中で SUS304 鋼の室温応力腐食割れ試験を実施した。SUS304 鋼の腐食タイプに対する H2SO4 と NaCl の影響も研究された。Merwe ら 13 は SSRT を使用して、圧延方向、温度、CO2/CO 濃度、ガス圧力、腐食時間が A516 圧力容器鋼の応力腐食感受性に及ぼす影響を研究した。Ibrahim ら 14 は、NS4 溶液を地下水模擬溶液として使用し、コーティングを剥がした後の API-X100 パイプライン鋼の応力腐食割れに対する重炭酸イオン (HCO) 濃度、pH、温度などの環境パラメータの影響を調査した。Shan ら15は、SSRTを用いて、模擬石炭水素化プラントの黒水媒体の条件下で、異なる温度条件（30～250℃）におけるオーステナイト系ステンレス鋼00Cr18Ni10の応力腐食割れ感受性の温度による変化法則を研究した。Hanら16は、デッドロード遅延破壊試験とSSRTを用いて、高強度ボルトサンプルの水素脆化感受性を特徴付けた。Zhao17は、SSRTを用いて、pH、SO42-、Cl-1がGH4080A合金の応力腐食挙動に及ぼす影響を研究した。結果は、pH値が低いほど、GH4080A合金の応力腐食耐性が悪くなることを示している。室温では、Cl-1に対して明らかな応力腐食感受性があり、SO42-イオン媒体に対しては感受性がない。しかし、20MnTiB鋼高強度ボルトに対する環境腐食の影響に関する研究はほとんどない。
橋梁に使用される高強度ボルトの破損原因を解明するため、著者は一連の研究を実施しました。高強度ボルトのサンプルを選択し、化学組成、破面の微細形態、金属組織、機械的特性分析の観点から、これらのサンプルの破損原因について考察しました19, 20。近年の重慶の大気環境の調査に基づき、重慶の湿潤気候をシミュレートした腐食スキームを設計しました。重慶の模擬湿潤気候下で、高強度ボルトの応力腐食実験、電気化学腐食実験、腐食疲労実験を実施しました。本研究では、機械的特性試験、破面の巨視的および微視的分析、表面腐食生成物を通して、模擬腐食溶液の温度、pH値、濃度が20MnTiB高強度ボルトの応力腐食挙動に及ぼす影響を調査しました。
重慶は中国南西部、長江上流域に位置し、湿潤亜熱帯モンスーン気候です。年間平均気温は16～18℃、年間平均相対湿度は70～80%、年間日照時間は1000～1400時間、日照率はわずか25～35%です。
2015年から2018年までの重慶の日照時間と気温に関する報告によると、重慶の日平均気温は最低17℃、最高23℃です。重慶の朝天門大橋の橋体部分の最高温度は50℃に達することがあります21,22。そのため、応力腐食試験の温度レベルは25℃と50℃に設定されました。
模擬腐食溶液のpH値はH+の量を直接決定しますが、pH値が低いほど腐食が起こりやすいという意味ではありません。pHが結果に及ぼす影響は、材料や溶液によって異なります。高強度ボルトの応力腐食性能に対する模擬腐食溶液の影響をよりよく研究するために、文献調査23と重慶市の2010年から2018年の年間降雨量のpH範囲を組み合わせて、応力腐食実験のpH値を3.5、5.5、7.5に設定しました。
模擬腐食溶液の濃度が高いほど、模擬腐食溶液中のイオン含有量が多くなり、材料特性への影響が大きくなります。高強度ボルトの応力腐食に対する模擬腐食溶液濃度の影響を研究するために、人工実験室加速腐食試験を実施し、模擬腐食溶液濃度を腐食のないレベル4に設定しました。これは、元の模擬腐食溶液濃度（1×）、元の模擬腐食溶液濃度の20×（20×）、および元の模擬腐食溶液濃度の200×（200×）です。
温度25℃、pH値5.5、および元の模擬腐食溶液の濃度という環境は、橋梁用高強度ボルトの実際の使用条件に最も近い。しかし、腐食試験プロセスを迅速化するために、温度25℃、pH値5.5、および元の模擬腐食溶液の濃度200倍の実験条件を基準対照群として設定した。模擬腐食溶液の温度、濃度、またはpH値が高強度ボルトの応力腐食性能に及ぼす影響をそれぞれ調査する際には、他の要因は変更せず、これを基準対照群の実験レベルとして使用した。
重慶市生態環境局が発行した2010～2018年の大気環境品質概要書に基づき、張24で報告された降水成分や重慶で報告された他の文献を参照して、SO42-の濃度増加に基づく模擬腐食溶液を設計した。2017年の重慶市中心部の降水組成。模擬腐食溶液の組成は表1に示すとおりである。
模擬腐食溶液は、分析用試薬と蒸留水を用いた化学イオン濃度バランス法により調製した。模擬腐食溶液のpH値は、精密pH計、硝酸溶液、および水酸化ナトリウム溶液を用いて調整した。
重慶の湿潤な気候をシミュレートするために、塩水噴霧試験機は特別に改造され設計されています25。図1に示すように、実験装置には塩水噴霧システムと照明システムの2つのシステムがあります。塩水噴霧システムは実験装置の主な機能であり、制御部、噴霧部、誘導部で構成されています。噴霧部の機能は、空気圧縮機を介して試験室に塩ミストを送り込むことです。誘導部は、試験室の温度を感知する温度測定素子で構成されています。制御部は、噴霧部と誘導部を接続して実験プロセス全体を制御するマイクロコンピュータで構成されています。照明システムは、日光をシミュレートするために塩水噴霧試験室に設置されています。照明システムは、赤外線ランプと時間コントローラで構成されています。同時に、塩水噴霧試験室には温度センサーが設置され、サンプルの周囲の温度をリアルタイムで監視します。
一定荷重下での応力腐食試験片は、NACETM0177-2005（H2S環境下における金属の硫化物応力割れおよび応力腐食割れ耐性の実験室試験）に従って処理された。応力腐食試験片は、まずアセトンと超音波洗浄機で洗浄して油分を除去し、次にアルコールで脱水し、オーブンで乾燥させた。次に、洗浄した試験片を塩水噴霧試験装置の試験室に入れ、重慶の湿潤気候環境における腐食状況をシミュレートした。NACETM0177-2005規格および塩水噴霧試験規格GB/T 10,125-2012に従って、本研究における一定荷重応力腐食試験時間は一律に168時間と決定した。異なる腐食条件下で腐食試験片に対してMTS-810万能引張試験機で引張試験を実施し、その機械的特性と破壊腐食形態を分析した。
図1は、異なる腐食条件下における高強度ボルト応力腐食試験片の表面腐食のマクロ形態とミクロ形態をそれぞれ示しています。2および3。
異なる模擬腐食環境下における20MnTiB高強度ボルトの応力腐食試験片の巨視的形態：（a）腐食なし；（b）1回；（c）20倍；（d）200倍；（e）pH3.5；（f）pH7.5；（g）50℃。
異なる模擬腐食環境における20MnTiB高強度ボルトの腐食生成物の微細形態（100倍）：(a) 1倍；(b) 20倍；(c) 200倍；(d) pH3.5；(e) pH7.5；(f) 50℃。
図2aからわかるように、腐食していない高強度ボルト試験片の表面は、明らかな腐食がなく、明るい金属光沢を示しています。しかし、元の模擬腐食溶液の条件下では（図2b）、サンプルの表面は部分的に黄褐色と茶赤色の腐食生成物で覆われ、表面の一部には依然として明らかな金属光沢が見られました。これは、サンプルの表面の一部のみがわずかに腐食しており、模擬腐食溶液はサンプルの表面に影響を与えなかったことを示しています。材料特性の影響は小さい。ただし、元の模擬腐食溶液濃度が 20 倍の条件下 (図 2c) では、高強度ボルト試験片の表面は大量の黄褐色の腐食生成物と少量の茶赤色の腐食生成物で完全に覆われており、明らかな金属光沢は見られず、基材表面付近に少量の茶黒色の腐食生成物があった。また、元の模擬腐食溶液濃度が 200 倍の条件下 (図 2d) では、サンプルの表面は茶色の腐食生成物で完全に覆われており、一部の領域に茶黒色の腐食生成物が現れている。
pHが3.5まで低下すると（図2e）、試料表面には黄褐色の腐食生成物が最も多く見られ、腐食生成物の一部は剥離していた。
図2gは、温度が50℃まで上昇すると、試料表面の茶赤色の腐食生成物の含有量が急激に減少し、明るい茶色の腐食生成物が試料表面の広い範囲を覆うことを示している。腐食生成物層は比較的緩く、一部の茶黒色の生成物が剥がれ落ちる。
図3に示すように、異なる腐食環境下では、20MnTiB高強度ボルト応力腐食試験片の表面の腐食生成物は明らかに剥離しており、腐食層の厚さは模擬腐食溶液の濃度の増加とともに増加している。元の模擬腐食溶液の条件下（図3a）では、サンプルの表面の腐食生成物は2つの層に分けられる。腐食生成物の最外層は均一に分布しているが、多数の亀裂が発生している。内層は腐食生成物の緩いクラスターである。元の模擬腐食溶液の濃度の20倍の条件下（図3b）では、サンプルの表面の腐食層は3つの層に分けられる。最外層は主に分散したクラスター腐食生成物であり、緩く多孔質で、保護性能は良好ではない。中間層は均一な腐食生成物層であるが、明らかな亀裂があり、腐食イオンが亀裂を通過して基材を侵食する。内部層は明らかな亀裂のない緻密な腐食生成物層であり、基材に対して良好な保護効果を発揮します。 200倍の元の模擬腐食溶液濃度の条件下（図3c）、サンプルの表面の腐食層は3つの層に分けられます。最外層は薄く均一な腐食生成物層です。中間層は主に花びら状および薄片状の腐食です。内部層は明らかな亀裂や穴のない緻密な腐食生成物層であり、基材に対して良好な保護効果を発揮します。
図3dから、pH3.5の模擬腐食環境では、20MnTiB高強度ボルト試験片の表面に多数の凝集状または針状の腐食生成物が存在することがわかる。これらの腐食生成物は主にγ-FeOOHと少量のα-FeO​​OHが混在したものと考えられ、腐食層には明らかな亀裂がある。
図3fからわかるように、温度が50℃まで上昇すると、腐食層構造に明らかな緻密な内部錆層は見られず、50℃では腐食層間に隙間が生じ、基材が腐食生成物で完全に覆われていないことが示された。これにより、基材の腐食傾向の増加に対する保護が提供される。
表2に、さまざまな腐食環境下における一定荷重応力腐食下での高強度ボルトの機械的特性を示す。
表2から、20MnTiB高強度ボルト試験片の機械的特性は、異なる模擬腐食環境での乾湿サイクル加速腐食試験後も標準要件を満たしているが、腐食していないものと比較すると一定の損傷があることがわかる。元の模擬腐食溶液の濃度では、サンプルの機械的特性は大きく変化しなかったが、模擬溶液の濃度が20倍または200倍になると、サンプルの伸びは大幅に減少した。元の模擬腐食溶液の濃度が20倍と200倍の場合、機械的特性は類似している。模擬腐食溶液のpH値が3.5に低下すると、サンプルの引張強度と伸びが大幅に低下した。温度が50℃に上昇すると、引張強度と伸びが大幅に低下し、面積収縮率は標準値に非常に近い。
図4には、異なる腐食環境下における20MnTiB高強度ボルトの応力腐食試験片の破面形態が示されており、破面の巨視的形態、破面中央の繊維領域、せん断界面の微細形態リップ、および試料表面が示されている。
異なる模擬腐食環境における20MnTiB高強度ボルト試験片の巨視的および微視的破壊形態（500倍）：(a)腐食なし；(b)1回；(c)20倍；(d)200倍；(e)pH3.5；(f)pH7.5；(g)50℃。
図4から、異なる模擬腐食環境下での20MnTiB高強度ボルト応力腐食試験片の破断は、典型的なカップコーン破断を示すことがわかる。腐食していない試験片（図4a）と比較すると、繊維領域の亀裂の中心領域は比較的小さく、せん断リップ領域は大きい。これは、腐食後に材料の機械的特性が著しく損なわれることを示している。模擬腐食溶液の濃度が増加するにつれて、破断の中心にある繊維領域のピットが増加し、明らかな引き裂き継ぎ目が現れた。濃度が元の模擬腐食溶液の20倍になると、せん断リップエッジとサンプルの表面との界面に明らかな腐食ピットが現れ、表面には多くの腐食生成物が付着した。
図3dから、試料表面の腐食層に明らかな亀裂があり、マトリックスに対する保護効果が低いことが推測される。pH3.5の模擬腐食溶液（図4e）では、試料表面がひどく腐食し、中央の繊維領域が明らかに小さくなっている。繊維領域の中心には多数の不規則な裂け目がある。模擬腐食溶液のpH値が増加するにつれて、破断中心の繊維領域の裂け目領域が減少し、ピットが徐々に減少し、ピットの深さも徐々に減少する。
温度が50℃まで上昇すると（図4g）、試料の破断面のせん断リップ領域が最大となり、中央繊維領域のピットが著しく増加し、ピットの深さも増加し、せん断リップエッジと試料表面との界面の腐食生成物とピットが増加し、図3fに反映された基材腐食の深化傾向が確認されました。
腐食溶液のpH値は20MnTiB高強度ボルトの機械的特性に多少の損傷を与えるが、その影響は大きくない。pH3.5の腐食溶液では、サンプルの表面に多数の凝集物または針状の腐食生成物が分布し、腐食層には明らかな亀裂があり、基材を良好に保護することができない。また、サンプルの破断面の微細形態には明らかな腐食ピットと多数の腐食生成物が見られる。これは、酸性環境下ではサンプルが外力による変形に抵抗する能力が著しく低下し、材料の応力腐食傾向が著しく増加することを示す。
元の模擬腐食溶液は高強度ボルトサンプルの機械的特性にほとんど影響を与えなかったが、模擬腐食溶液の濃度が元の模擬腐食溶液の20倍に増加すると、サンプルの機械的特性は著しく損なわれ、破断面の微細構造には明らかな腐食、ピット、二次亀裂、および多くの腐食生成物が見られた。模擬腐食溶液の濃度が元の模擬腐食溶液の濃度の20倍から200倍に増加すると、腐食溶液濃度が材料の機械的特性に及ぼす影響は弱まった。
模擬腐食温度が 25℃ の場合、20MnTiB 高強度ボルト試験片の降伏強度と引張強度は、腐食していない試験片と比べてほとんど変化しません。しかし、模擬腐食環境温度が 50 °C の場合、試験片の引張強度と伸びは大幅に低下し、断面収縮率は標準値に近く、破断せん断リップは最大となり、中央繊維領域にディンプルが生じました。ピットの深さは大幅に増加し、腐食生成物と腐食ピットも増加しました。これは、温度と相乗的な腐食環境が高強度ボルトの機械的特性に大きな影響を与え、室温では顕著ではありませんが、温度が 50 °C に達するとより顕著になることを示しています。
重慶の大気環境をシミュレートした室内加速腐食試験後、20MnTiB高強度ボルトの引張強度、降伏強度、伸びなどのパラメータが低下し、明らかな応力損傷が発生しました。材料に応力がかかっているため、局所的な腐食加速現象が顕著に現れます。また、応力集中と腐食ピットの複合効果により、高強度ボルトに明らかな塑性損傷が発生しやすく、外力による変形に対する抵抗力が低下し、応力腐食傾向が高まります。
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