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20MnTiB강은 우리나라에서 강구조 교량에 가장 널리 사용되는 고강도 볼트 소재이며, 그 성능은 교량의 안전한 운영에 매우 중요한 의미를 갖습니다. 본 연구에서는 충칭의 대기 환경 조사를 바탕으로 충칭의 습윤 기후를 모사한 부식 용액을 설계하고, 이를 모사한 고강도 볼트의 응력 부식 시험을 수행했습니다. 온도, pH 값, 모사 부식 용액 농도가 20MnTiB 고강도 볼트의 응력 부식 거동에 미치는 영향을 분석했습니다.
20MnTiB강은 우리나라에서 강구조 교량에 가장 널리 사용되는 고강도 볼트 소재이며, 그 성능은 교량의 안전한 운영에 매우 중요한 의미를 갖습니다. Li 등¹은 10.9 등급 고강도 볼트에 일반적으로 사용되는 20MnTiB강의 특성을 20~700℃의 고온 범위에서 시험하여 응력-변형률 곡선, 항복강도, 인장강도, 영률, 연신율 및 열팽창계수를 얻었습니다. Zhang 등², Hu 등³ 등은 화학 조성 분석, 기계적 특성 분석, 미세구조 분석, 나사산 표면의 거시적 및 미시적 분석을 통해 고강도 볼트 파손의 주요 원인이 나사산 결함과 관련이 있으며, 나사산 결함으로 인한 큰 응력 집중, 균열 선단 응력 집중 및 개방된 공기 부식 조건 등이 모두 응력 부식 균열을 유발한다는 것을 보여주었습니다.
강철 교량에 사용되는 고강도 볼트는 일반적으로 습한 환경에서 장기간 사용됩니다. 높은 습도, 고온, 환경 유해 물질의 침전 및 흡수와 같은 요인들은 강철 구조물의 부식을 쉽게 유발할 수 있습니다. 부식은 고강도 볼트의 단면 손실을 초래하여 수많은 결함과 균열을 발생시킵니다. 이러한 결함과 균열은 계속해서 확장되어 고강도 볼트의 수명을 단축시키고 심지어 파손으로 이어질 수 있습니다. 지금까지 환경 부식이 재료의 응력 부식 성능에 미치는 영향에 대한 많은 연구가 진행되었습니다. Catar 등4은 저속 변형률 시험(SSRT)을 통해 산성, 알칼리성 및 중성 환경에서 알루미늄 함량이 다른 마그네슘 합금의 응력 부식 거동을 조사했습니다. Abdel 등5은 다양한 농도의 황화물 이온이 존재하는 3.5% NaCl 용액에서 Cu10Ni 합금의 전기화학적 및 응력 부식 균열 거동을 연구했습니다. Aghion 등6은 3.5% NaCl 용액에서 다이캐스팅 마그네슘 합금 MRI230D의 부식 성능을 평가했습니다. 침지 시험, 염수 분무 시험, 동전위 분극 분석 및 SSRT를 통해 Zhang et al.7은 SSRT와 기존 전기화학적 시험 기법을 사용하여 9Cr 마르텐사이트강의 응력 부식 거동을 연구하고 상온에서 마르텐사이트강의 정적 부식 거동에 대한 염화 이온의 영향을 얻었습니다. Chen et al.8은 SSRT를 사용하여 다양한 온도에서 SRB를 포함하는 모의 해저 진흙 용액에서 X70강의 응력 부식 거동 및 균열 메커니즘을 조사했습니다. Liu et al.9는 SSRT를 사용하여 00Cr21Ni14Mn5Mo2N 오스테나이트 스테인리스강의 해수 응력 부식 저항성에 대한 온도 및 인장 변형률 속도의 영향을 연구했습니다. 결과는 35~65℃ 범위의 온도가 스테인리스강의 응력 부식 거동에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 보여줍니다. Lu et al. 10은 자중 지연 파괴 시험과 SSRT를 통해 인장 강도 등급이 다른 시편의 지연 파괴 민감도를 평가했습니다. 20MnTiB 강과 35VB 강 고강도 볼트의 인장 강도는 1040-1190MPa로 제어해야 한다고 제안했습니다. 그러나 이러한 연구의 대부분은 부식 환경을 모사하기 위해 단순한 3.5% NaCl 용액을 사용했지만, 고강도 볼트의 실제 사용 환경은 볼트의 pH 값과 같은 많은 영향 요인이 있는 훨씬 더 복잡한 환경입니다. Ananya 등11은 부식 매체의 환경 매개변수와 재료가 듀플렉스 스테인리스강의 부식 및 응력 부식 균열에 미치는 영향을 연구했습니다. Sunada 등은 12번 연구에서는 H2SO4(0-5.5 kmol/m-3) 및 NaCl(0-4.5 kmol/m-3)을 함유한 수용액에서 SUS304강에 대한 상온 응력 부식 균열 시험을 수행했습니다. 또한 H2SO4와 NaCl이 SUS304강의 부식 유형에 미치는 영향도 연구했습니다. Merwe 등13은 SSRT를 사용하여 압연 방향, 온도, CO2/CO2 농도, 가스 압력 및 부식 시간이 A516 압력 용기강의 응력 부식 민감도에 미치는 영향을 연구했습니다. Ibrahim 등14은 NS4 용액을 지하수 모사 용액으로 사용하여 코팅 박리 후 API-X100 파이프라인강의 응력 부식 균열에 대한 중탄산 이온(HCO3-) 농도, pH 및 온도와 같은 환경 매개변수의 영향을 조사했습니다. Shan 등 15번 연구에서는 SSRT를 이용하여 모의 석탄-수소 발전소의 흑수 환경에서 다양한 온도 조건(30~250℃) 하에 오스테나이트 스테인리스강 00Cr18Ni10의 응력 부식 균열 민감도 변화 양상을 조사했습니다. Han 등16은 자중 지연 파괴 시험과 SSRT를 이용하여 고강도 볼트 시편의 수소 취성 민감도를 분석했습니다. Zhao17은 SSRT를 통해 GH4080A 합금의 응력 부식 거동에 대한 pH, SO42-, Cl-1의 영향을 연구했습니다. 연구 결과, pH 값이 낮을수록 GH4080A 합금의 응력 부식 저항성이 저하되는 것으로 나타났습니다. 또한, GH4080A 합금은 Cl-1에 대해 뚜렷한 응력 부식 민감성을 보였지만, 상온에서 SO42- 이온 환경에는 민감하지 않았습니다. 그러나 20MnTiB강 고강도 볼트에 대한 환경 부식의 영향에 대한 연구는 거의 없습니다.
저자는 교량에 사용되는 고강도 볼트의 파손 원인을 규명하기 위해 일련의 연구를 수행하였다. 고강도 볼트 시료를 선정하여 화학 조성, 파괴면의 미세 형태, 금속 조직 및 기계적 특성 분석 관점에서 파손 원인을 분석하였다.19, 20 최근 충칭의 대기 환경 조사를 바탕으로 충칭의 습윤 기후를 모사한 부식 조건을 설계하였다. 충칭의 모사 습윤 기후 조건에서 고강도 볼트에 대한 응력 부식 실험, 전기화학적 부식 실험 및 부식 피로 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 온도, pH 값 및 모사 부식 용액 농도가 20MnTiB 고강도 볼트의 응력 부식 거동에 미치는 영향을 기계적 특성 시험, 파괴면의 거시적 및 미시적 분석, 그리고 표면 부식 생성물 분석을 통해 조사하였다.
충칭은 중국 남서부, 양쯔강 상류에 위치하며 습윤 아열대 몬순 기후를 나타냅니다. 연평균 기온은 16~18°C이고, 연평균 상대 습도는 대부분 70~80%이며, 연간 일조 시간은 1000~1400시간이고, 일조량은 25~35%에 불과합니다.
2015년부터 2018년까지 충칭의 일조량 및 주변 온도 관련 보고서에 따르면, 충칭의 일평균 기온은 최저 17°C에서 최고 23°C에 이르렀습니다. 충칭 차오톈먼 대교의 교량 본체 최고 온도는 50°C까지 도달할 수 있습니다.21,22 따라서 응력 부식 시험의 온도 수준은 25°C와 50°C로 설정했습니다.
모의 부식 용액의 pH 값은 H+의 양을 직접적으로 결정하지만, pH 값이 낮을수록 부식이 더 쉽게 발생하는 것은 아닙니다. pH가 결과에 미치는 영향은 재료와 용액에 따라 다릅니다. 고강도 볼트의 응력 부식 성능에 대한 모의 부식 용액의 영향을 더 잘 연구하기 위해, 응력 부식 실험의 pH 값은 문헌 연구23 및 2010년부터 2018년까지 충칭의 연간 강우량의 pH 범위를 고려하여 3.5, 5.5 및 7.5로 설정했습니다.
모의 부식 용액의 농도가 높을수록 용액 내 이온 함량이 많아지고 재료 특성에 미치는 영향이 커집니다. 고강도 볼트의 응력 부식에 대한 모의 부식 용액 농도의 영향을 연구하기 위해 인공 실험실 가속 부식 시험을 수행했으며, 모의 부식 용액 농도는 부식이 발생하지 않는 4단계, 즉 초기 모의 부식 용액 농도(1배), 초기 모의 부식 용액 농도의 20배(20배), 초기 모의 부식 용액 농도의 200배(200배)로 설정했습니다.
온도 25℃, pH 5.5, 그리고 모의 부식 용액의 농도가 동일한 환경은 교량용 고강도 볼트의 실제 사용 조건에 가장 가깝습니다. 그러나 부식 시험 과정을 신속하게 진행하기 위해 온도 25℃, pH 5.5, 그리고 모의 부식 용액 농도의 200배 농도를 기준 대조군으로 설정했습니다. 고강도 볼트의 응력 부식 성능에 대한 모의 부식 용액의 온도, 농도 또는 pH 값의 영향을 각각 조사할 때, 다른 요인들은 일정하게 유지했으며, 이를 기준 대조군의 실험 수준으로 사용했습니다.
충칭시 생태환경국에서 발행한 2010-2018년 대기환경질 보고서와 Zhang24 및 기타 충칭 관련 문헌에 보고된 강수 성분을 참고하여 SO42- 농도 증가를 기반으로 한 모의 부식 용액을 설계하였다. 2017년 충칭 주요 도심 지역의 강수 성분을 사용한 모의 부식 용액의 조성은 표 1에 나타내었다.
모의 부식 용액은 분석용 시약과 증류수를 사용하여 화학 이온 농도 균형법으로 제조하였다. 모의 부식 용액의 pH는 정밀 pH 측정기, 질산 용액 및 수산화나트륨 용액을 사용하여 조절하였다.
충칭의 습한 기후를 모사하기 위해 염수 분무 시험기는 특별히 개조 및 설계되었습니다.25 그림 1에서 보는 바와 같이, 실험 장비는 염수 분무 시스템과 조명 시스템의 두 가지 시스템으로 구성됩니다. 염수 분무 시스템은 실험 장비의 주요 기능으로, 제어부, 분무부, 감지부로 이루어져 있습니다. 분무부는 공기 압축기를 통해 염수를 시험 챔버로 분사하는 역할을 합니다. 감지부는 시험 챔버 내부의 온도를 감지하는 온도 측정 소자로 구성됩니다. 제어부는 분무부와 감지부를 연결하여 전체 실험 과정을 제어하는 ​​마이크로컴퓨터로 구성됩니다. 조명 시스템은 염수 분무 시험 챔버에 설치되어 햇빛을 모사합니다. 조명 시스템은 적외선 램프와 타이머로 구성됩니다. 또한, 염수 분무 시험 챔버에는 시료 주변의 온도를 실시간으로 모니터링하는 온도 센서가 설치되어 있습니다.
정하중 응력 부식 시편은 NACETM0177-2005(황화수소 환경에서 금속의 황화물 응력 균열 및 응력 부식 균열 저항성 실험실 시험)에 따라 처리하였다. 응력 부식 시편은 먼저 아세톤과 초음파 세척을 통해 오일 잔류물을 제거한 후, 알코올로 탈수시키고 오븐에서 건조시켰다. 그런 다음 세척된 시편을 염수 분무 시험 장치의 시험 챔버에 넣어 충칭의 습한 기후 환경에서의 부식 상황을 모사하였다. NACETM0177-2005 및 염수 분무 시험 표준 GB/T 10,125-2012에 따라, 본 연구에서는 정하중 응력 부식 시험 시간을 168시간으로 동일하게 설정하였다. 다양한 부식 조건에서 제작된 부식 시편에 대해 MTS-810 만능 인장 시험기를 이용하여 인장 시험을 수행하고, 기계적 특성 및 파괴 부식 형상을 분석하였다.
그림 1은 각각 다른 부식 조건2와 3에서 고강도 볼트 응력 부식 시편의 표면 부식의 거시적 및 미시적 형태를 보여준다.
다양한 모의 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트의 응력 부식 시편의 거시적 형태: (a) 부식 없음; (b) 1회; (c) 20배; (d) 200배; (e) pH 3.5; (f) pH 7.5; (g) 50°C.
다양한 모의 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트의 부식 생성물의 미세 형태(100배): (a) 1회; (b) 20배; (c) 200배; (d) pH 3.5; (e) pH 7.5; (f) 50°C.
그림 2a에서 볼 수 있듯이, 부식되지 않은 고강도 볼트 시편의 표면은 뚜렷한 부식 흔적 없이 밝은 금속 광택을 나타냅니다. 그러나 원래의 모의 부식 용액 조건(그림 2b)에서는 시편 표면이 부분적으로 황갈색 및 갈적색 부식 생성물로 덮여 있으며, 표면의 일부 영역에서는 여전히 뚜렷한 금속 광택이 남아 있습니다. 이는 시편 표면의 일부 영역만 약간 부식되었으며, 모의 부식 용액이 시편 표면에는 영향을 미치지 않았음을 나타냅니다. 재료 특성은 큰 영향을 미치지 않았습니다. 그러나, 모의 부식 용액 농도가 원래 농도의 20배인 조건(그림 2c)에서는 고강도 볼트 시편 표면이 다량의 황갈색 부식 생성물과 소량의 갈적색 부식 생성물로 완전히 덮여 있었고, 뚜렷한 금속 광택은 관찰되지 않았으며, 기판 표면 근처에 소량의 갈흑색 부식 생성물이 있었습니다. 모의 부식 용액 농도가 원래 농도의 200배인 조건(그림 2d)에서는 시편 표면이 갈색 부식 생성물로 완전히 덮여 있었고, 일부 영역에서 갈흑색 부식 생성물이 나타났습니다.
pH가 3.5로 감소함에 따라(그림 2e), 황갈색 부식 생성물이 시료 표면에 가장 많이 나타났으며, 일부 부식 생성물은 박리되었다.
그림 2g는 온도가 50°C까지 상승함에 따라 시료 표면의 갈적색 부식 생성물 함량이 급격히 감소하는 반면, 밝은 갈색 부식 생성물이 시료 표면의 넓은 영역을 덮고 있음을 보여준다. 부식 생성물 층은 비교적 느슨하며, 일부 갈흑색 생성물은 벗겨져 나간다.
그림 3에서 볼 수 있듯이, 다양한 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 응력 부식 시편 표면의 부식 생성물은 뚜렷하게 박리되었으며, 부식층의 두께는 모의 부식 용액의 농도가 증가함에 따라 증가했습니다. 원래 모의 부식 용액 조건(그림 3a)에서 시편 표면의 부식 생성물은 두 층으로 나눌 수 있습니다. 가장 바깥쪽 층은 부식 생성물이 고르게 분포되어 있지만 다수의 균열이 나타나고, 안쪽 층은 부식 생성물이 느슨하게 뭉쳐진 형태입니다. 원래 모의 부식 용액 농도의 20배 조건(그림 3b)에서 시편 표면의 부식층은 세 층으로 나눌 수 있습니다. 가장 바깥쪽 층은 주로 분산된 부식 생성물 덩어리로, 느슨하고 다공성이어서 보호 성능이 좋지 않습니다. 중간 층은 균일한 부식 생성물 층이지만, 뚜렷한 균열이 존재하며 부식 이온이 균열을 통해 침투하여 기판을 침식할 수 있습니다. 내부층은 뚜렷한 균열이 없는 조밀한 부식 생성물층으로, 기판에 우수한 보호 효과를 제공합니다. 200배 농도의 모의 부식 용액 조건(그림 3c)에서 시료 표면의 부식층은 세 층으로 나눌 수 있습니다. 가장 바깥쪽 층은 얇고 균일한 부식 생성물층이고, 중간 층은 주로 꽃잎 모양과 조각 모양의 부식 생성물이며, 내부 층은 뚜렷한 균열이나 구멍이 없는 조밀한 부식 생성물층으로, 기판에 우수한 보호 효과를 제공합니다.
그림 3d에서 볼 수 있듯이 pH 3.5의 모의 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 시편 표면에는 다수의 응집성 또는 바늘 모양의 부식 생성물이 존재합니다. 이러한 부식 생성물은 주로 γ-FeOOH와 소량의 α-FeOOH가 섞여 있는 것으로 추측되며26, 부식층에는 명확한 균열이 있습니다.
그림 3f에서 볼 수 있듯이 온도가 50°C로 상승했을 때 부식층 구조에서 뚜렷한 밀도가 높은 내부 녹층이 발견되지 않았는데, 이는 50°C에서 부식층 사이에 틈이 존재하여 기판이 부식 생성물로 완전히 덮이지 않았음을 나타냅니다. 이러한 틈은 기판의 부식 경향 증가에 대한 보호 효과를 제공합니다.
표 2는 다양한 부식 환경에서 일정 하중 응력 부식을 받는 고강도 볼트의 기계적 특성을 보여줍니다.
표 2에서 볼 수 있듯이, 20MnTiB 고강도 볼트 시편은 다양한 모의 부식 환경에서 건습 사이클 가속 부식 시험 후에도 기계적 특성이 표준 요구 사항을 충족하지만, 부식되지 않은 시편에 비해 일정 수준의 손상이 나타났습니다. 초기 모의 부식 용액 농도에서는 시편의 기계적 특성에 큰 변화가 없었지만, 20배 또는 200배 농도에서는 시편의 연신율이 크게 감소했습니다. 20배와 200배 농도의 초기 모의 부식 용액에서는 기계적 특성이 유사했습니다. 모의 부식 용액의 pH가 3.5로 낮아지면 시편의 인장 강도와 연신율이 크게 감소했습니다. 온도가 50°C로 상승하면 인장 강도와 연신율이 크게 감소하고, 단면 수축률은 표준값에 매우 근접했습니다.
그림 4는 서로 다른 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 응력 부식 시편의 파괴 형태를 보여주는데, 여기에는 거시적인 파괴 형태, 파괴 중심부의 섬유 영역, 전단 계면의 미시적인 형태, 그리고 시편 표면이 포함된다.
다양한 모의 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 시편의 거시적 및 미시적 파괴 형태(500배): (a) 부식 없음; (b) 1회; (c) 20배; (d) 200배; (e) pH 3.5; (f) pH 7.5; (g) 50°C.
그림 4에서 볼 수 있듯이, 다양한 모의 부식 환경에서 20MnTiB 고강도 볼트 응력 부식 시편의 파괴는 전형적인 컵-콘 파괴 형태를 나타냅니다. 부식되지 않은 시편(그림 4a)과 비교했을 때, 섬유 영역 균열의 중심부는 상대적으로 작고, 전단 립 영역은 더 큽니다. 이는 부식 후 재료의 기계적 특성이 크게 손상되었음을 보여줍니다. 모의 부식 용액의 농도가 증가함에 따라 파괴 중심부의 섬유 영역에 있는 피트가 증가하고 뚜렷한 찢어짐이 나타났습니다. 농도가 원래 모의 부식 용액의 20배로 증가했을 때, 전단 립 가장자리와 시편 표면 사이의 계면에 뚜렷한 부식 피트가 나타났고, 시편 표면에는 많은 부식 생성물이 형성되었습니다.
그림 3d에서 알 수 있듯이, 시편 표면의 부식층에 뚜렷한 균열이 있으며, 이는 기지에 대한 보호 효과가 미흡함을 보여줍니다. pH 3.5의 모의 부식 용액(그림 4e)에서 시편 표면은 심하게 부식되었고, 중심부 섬유 영역의 크기가 현저히 작아졌으며, 섬유 영역 중앙에는 불규칙한 파단면이 다수 존재합니다. 모의 부식 용액의 pH 값이 증가함에 따라 파단면 중앙 섬유 영역의 파단면 크기가 감소하고, 피트의 크기와 깊이 또한 점차 감소합니다.
온도가 50°C로 상승했을 때(그림 4g), 시편 파단면의 전단단면적이 최대가 되었고, 중심 섬유 영역의 피트가 크게 증가했으며, 피트 깊이 또한 증가했습니다. 또한 전단단면 가장자리와 시편 표면 사이의 계면에서 부식 생성물과 피트가 증가했는데, 이는 그림 3f에 나타난 기판 부식의 심화 경향을 확인시켜 줍니다.
부식 용액의 pH 값은 20MnTiB 고강도 볼트의 기계적 특성에 어느 정도 손상을 일으키지만, 그 영향은 크지 않습니다. pH 3.5의 부식 용액에서 시편 표면에는 다량의 응집성 또는 바늘 모양의 부식 생성물이 분포되어 있으며, 부식층에는 뚜렷한 균열이 있어 기판을 제대로 보호하지 못합니다. 또한 시편 파단면의 미세 구조에서 명확한 부식 구덩이와 다량의 부식 생성물이 관찰됩니다. 이는 산성 환경에서 시편의 외부 힘에 대한 변형 저항 능력이 크게 감소하고, 재료의 응력 부식 경향이 현저히 증가함을 보여줍니다.
초기 모의 부식 용액은 고강도 볼트 시편의 기계적 특성에 거의 영향을 미치지 않았지만, 모의 부식 용액의 농도가 초기 용액 농도의 20배로 증가함에 따라 시편의 기계적 특성이 크게 손상되었고, 파괴 미세구조에서 부식으로 인한 피트, 이차 균열 및 다량의 부식 생성물이 뚜렷하게 관찰되었다. 모의 부식 용액의 농도가 초기 용액 농도의 20배에서 200배로 증가했을 때, 재료의 기계적 특성에 대한 부식 용액 농도의 영향은 약화되었다.
모의 부식 온도가 25℃일 때, 20MnTiB 고강도 볼트 시편의 항복 강도와 인장 강도는 부식되지 않은 시편과 비교하여 큰 변화가 없었다. 그러나 모의 부식 환경 온도가 50℃일 때는 시편의 인장 강도와 연신율이 현저히 감소했고, 단면 수축률은 표준값에 근접했으며, 파괴 전단 립이 가장 컸고, 중심 섬유 영역에 딤플이 발생했으며, 피트 깊이와 부식 생성물 및 부식 피트의 양이 크게 증가했다. 이는 온도에 따른 부식 환경의 복합적인 영향이 고강도 볼트의 기계적 특성에 큰 영향을 미치며, 상온에서는 그 영향이 뚜렷하지 않지만 50℃에 도달하면 더욱 두드러진다는 것을 보여준다.
충칭의 대기 환경을 모사한 실내 가속 부식 시험 후, 20MnTiB 고강도 볼트의 인장 강도, 항복 강도, 연신율 등의 매개변수가 감소하고 명확한 응력 손상이 발생했습니다. 재료가 응력을 받으면 국부적인 부식 가속 현상이 크게 나타납니다. 응력 집중과 부식 구덩이의 복합적인 영향으로 고강도 볼트에 뚜렷한 소성 손상이 발생하기 쉽고, 외부 힘에 의한 변형 저항 능력이 감소하며, 응력 부식 경향이 증가합니다.
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