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O aço 20MnTiB é o material mais utilizado para parafusos de alta resistência em pontes de estrutura metálica no meu país, e seu desempenho é de grande importância para a operação segura dessas estruturas. Com base na investigação do ambiente atmosférico de Chongqing, este estudo desenvolveu uma solução corrosiva que simula o clima úmido da cidade e realizou testes de corrosão sob tensão em parafusos de alta resistência, simulando essas condições climáticas. Foram estudados os efeitos da temperatura, do pH e da concentração da solução corrosiva simulada sobre o comportamento de corrosão sob tensão dos parafusos de aço 20MnTiB.
O aço 20MnTiB é o material mais utilizado para parafusos de alta resistência em pontes de estrutura metálica no meu país, e seu desempenho é de grande importância para a operação segura dessas estruturas. Li et al.¹ testaram as propriedades do aço 20MnTiB, comumente utilizado em parafusos de alta resistência de grau 10.9, na faixa de alta temperatura de 20 a 700 °C, obtendo a curva tensão-deformação, limite de escoamento, resistência à tração, módulo de Young, alongamento e coeficiente de expansão. Zhang et al.², Hu et al.³, entre outros, por meio de testes de composição química, propriedades mecânicas, microestrutura e análises macroscópicas e microscópicas da superfície da rosca, demonstraram que a principal causa da fratura de parafusos de alta resistência está relacionada a defeitos na rosca. A ocorrência desses defeitos, juntamente com grandes concentrações de tensão, concentrações de tensão na ponta da trinca e condições de corrosão ao ar livre, levam à fissuração por corrosão sob tensão.
Parafusos de alta resistência para pontes de aço são geralmente utilizados por longos períodos em ambientes úmidos. Fatores como alta umidade, alta temperatura e a sedimentação e absorção de substâncias nocivas no ambiente podem facilmente causar corrosão em estruturas de aço. A corrosão pode causar perda da seção transversal do parafuso de alta resistência, resultando em inúmeros defeitos e trincas. Esses defeitos e trincas continuarão a se expandir, reduzindo a vida útil dos parafusos de alta resistência e podendo até mesmo causar sua ruptura. Até o momento, existem muitos estudos sobre o efeito da corrosão ambiental no desempenho de materiais sob corrosão sob tensão. Catar et al.⁴ 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 ensaios de taxa de deformação lenta (SSRT). Abdel et al.⁵ estudaram o comportamento eletroquímico e de fissuração por corrosão sob tensão da liga Cu10Ni em solução de NaCl a 3,5% na presença de diferentes concentrações de íons sulfeto. Aghion et al.⁶ avaliaram o desempenho de corrosão da liga de magnésio fundida MRI230D em solução de NaCl a 3,5% por meio de 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 dos íons cloreto no comportamento de corrosão estática do aço martensítico à temperatura ambiente. Chen et al.8 investigaram o comportamento de corrosão sob tensão e o mecanismo de fissuração do aço X70 em solução simulada de lama marinha contendo SRB em diferentes temperaturas por SSRT. Liu et al.9 usaram SSRT para estudar o efeito da temperatura e da taxa de deformação por tração na resistência à corrosão sob tensão em água do mar do aço inoxidável austenítico 00Cr21Ni14Mn5Mo2N. Os resultados mostram que a temperatura na faixa de 35~65℃ não tem efeito significativo no comportamento de corrosão sob tensão do aço inoxidável. Lu et al. 10 avaliaram a suscetibilidade à fratura retardada de amostras com diferentes classes de resistência à tração por meio de um teste de fratura retardada sob carga morta e SSRT. Sugere-se que a resistência à tração de parafusos de alta resistência de aço 20MnTiB e aço 35VB seja controlada entre 1040 e 1190 MPa. No entanto, a maioria desses estudos utiliza basicamente 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 possui muitos fatores de influência, como o valor do pH do parafuso. Ananya et al. 11 estudaram o efeito dos parâmetros ambientais e dos materiais no meio corrosivo sobre a corrosão e a fissuração por corrosão sob tensão de aços inoxidáveis ​​duplex. Sunada et al. 12 realizaram testes de fissuração por corrosão sob tensão à temperatura ambiente em aço SUS304 em soluções aquosas contendo H2SO4 (0-5,5 kmol/m-3) e NaCl (0-4,5 kmol/m-3). Os efeitos do H2SO4 e do NaCl nos tipos de corrosão do aço SUS304 também foram estudados. Merwe et al.13 usaram SSRT para estudar os efeitos da direção de laminação, temperatura, concentração de CO2/CO, pressão do gás e tempo de corrosão na susceptibilidade à corrosão sob tensão do aço A516 para vasos de pressão. Usando a solução NS4 como solução simuladora de água subterrânea, Ibrahim et al.14 investigaram o efeito de parâmetros ambientais, como concentração de íons bicarbonato (HCO3-), pH e temperatura, na fissuração por corrosão sob tensão do aço API-X100 para dutos após a remoção do revestimento. Shan et al. Han et al.15 estudaram a variação da susceptibilidade à fissuração por corrosão sob tensão do aço inoxidável austenítico 00Cr18Ni10 com a temperatura em diferentes condições de temperatura (30~250℃) em meio aquoso em uma planta simulada de conversão de carvão em hidrogênio por meio do ensaio SSRT. Han et al.16 caracterizaram a susceptibilidade à fragilização por hidrogênio de amostras de parafusos de alta resistência usando um teste de fratura retardada por carga morta e o ensaio SSRT. Zhao17 estudou os efeitos do pH, SO42- e Cl-1 no comportamento de corrosão sob tensão da liga GH4080A por meio do ensaio SSRT. Os resultados mostraram que quanto menor o valor do pH, pior a resistência à corrosão sob tensão da liga GH4080A. Ela apresenta sensibilidade significativa à corrosão sob tensão induzida por 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.
Para descobrir as razões da 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 da falha dessas amostras foram discutidas sob as perspectivas da composição química, morfologia microscópica da fratura, estrutura metalográfica e análise das propriedades mecânicas^{19, 20}. Com base na investigação do ambiente atmosférico em Chongqing nos últimos anos, foi projetado um esquema de corrosão simulando o clima úmido de Chongqing. Experimentos de corrosão sob tensão, experimentos de corrosão eletroquímica e experimentos de fadiga por corrosão de parafusos de alta resistência em clima úmido simulado de Chongqing foram realizados. Neste estudo, os efeitos da temperatura, do valor do pH e da concentração da solução de corrosão simulada no comportamento de corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência 20MnTiB foram investigados por meio de testes de propriedades mecânicas, análise macroscópica e microscópica da fratura e produtos de corrosão superficial.
Chongqing está localizada no sudoeste da China, no curso superior do rio Yangtzé, e possui um clima subtropical úmido de monções. A temperatura média anual varia entre 16 e 18 °C, a umidade relativa média anual fica geralmente entre 70 e 80%, o número de horas de sol anuais é de 1000 a 1400, e a porcentagem de insolação é de apenas 25 a 35%.
De acordo com relatórios sobre a insolação e a temperatura ambiente em Chongqing entre 2015 e 2018, a temperatura média diária em Chongqing varia entre 17°C e 23°C. A temperatura máxima na estrutura da Ponte Chaotianmen em Chongqing pode atingir 50°C. Portanto, os níveis de temperatura para o teste de corrosão sob tensão foram definidos em 25°C e 50°C.
O valor do pH da solução de corrosão simulada determina diretamente a quantidade de H+, mas isso não significa que quanto menor o valor do pH, mais fácil será a ocorrência da corrosão. O efeito do pH nos resultados varia para diferentes materiais e soluções. Para melhor estudar o efeito da solução de corrosão simulada no desempenho da corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência, os valores de pH dos experimentos de corrosão sob tensão foram definidos em 3,5, 5,5 e 7,5, em combinação com pesquisas da literatura23 e a faixa de pH da água da chuva anual em Chongqing, de 2010 a 2018.
Quanto maior a concentração da solução de corrosão simulada, maior o conteúdo iônico na solução 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 um teste de corrosão acelerada em laboratório, com concentrações da solução de corrosão simulada definidas em níveis iguais a 4 (sem corrosão), 20 vezes a concentração original da solução de corrosão simulada (200 vezes) e 200 vezes a concentração original da solução de corrosão simulada (200 vezes).
O ambiente com temperatura de 25 °C, pH de 5,5 e a concentração da solução de corrosão simulada original é o que mais se aproxima das condições reais de uso de parafusos de alta resistência para pontes. No entanto, para acelerar o processo de teste de corrosão, as condições experimentais com temperatura de 25 °C, pH de 5,5 e concentração 200 vezes maior que a da solução de corrosão simulada original foram definidas como grupo de controle de referência. Ao investigar os efeitos da temperatura, da concentração ou do pH da solução de corrosão simulada no desempenho da corrosão sob tensão dos parafusos de alta resistência, mantendo-se os demais fatores inalterados, essas condições foram utilizadas como nível experimental do grupo de controle de referência.
De acordo com o relatório sobre a qualidade do ambiente atmosférico de 2010-2018 emitido pelo Departamento Municipal de Ecologia e Meio Ambiente de Chongqing, e considerando os componentes da precipitação relatados em Zhang24 e outras publicações sobre Chongqing, foi projetada uma solução de corrosão simulada com base no aumento da concentração de SO42-. A composição da precipitação na principal área urbana de Chongqing em 2017 e a composição da solução de corrosão simulada são apresentadas na Tabela 1.
A solução de corrosão simulada foi preparada pelo método de balanço de concentração iônica química, utilizando reagentes analíticos e água destilada. O valor do pH da solução de corrosão simulada foi ajustado com um pHmetro de precisão, solução de ácido nítrico e solução de hidróxido de sódio.
Para simular o clima úmido de Chongqing, o testador de névoa salina foi especialmente modificado e projetado.²⁵ Como 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 e consiste em uma parte de controle, uma parte de pulverização e uma parte de indução. A função da parte de pulverização é bombear a névoa salina para dentro da câmara de teste através do compressor de ar. A parte de indução é composta por elementos de medição de temperatura, que detectam a temperatura na câmara de teste. A parte de controle 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. Ao mesmo tempo, um sensor de temperatura é instalado na câmara de teste de névoa salina para monitorar a temperatura ao redor da amostra em tempo real.
Amostras submetidas à corrosão sob tensão e carga constante foram processadas de acordo com a norma NACETM0177-2005 (Ensaios Laboratoriais de Trincas por Sulfeto e Resistência à Corrosão Sob Tensão de Metais em Ambiente de H2S). Os corpos de prova foram inicialmente limpos com acetona e por ultrassom para remoção de resíduos de óleo, desidratados com álcool e secos em estufa. Em seguida, as amostras limpas foram colocadas na câmara de ensaio do equipamento de névoa salina para simular as condições de corrosão no clima úmido de Chongqing. De acordo com a norma NACETM0177-2005 e a norma GB/T 10125-2012 para ensaio de névoa salina, o tempo de ensaio de corrosão sob tensão e carga constante neste estudo foi uniformemente determinado em 168 horas. Ensaios de tração foram realizados nas amostras corroídas sob diferentes condições de corrosão na máquina universal de ensaios de tração MTS-810, e suas propriedades mecânicas e morfologia da fratura por corrosão foram analisadas.
A Figura 1 mostra a macro e micromorfologia da corrosão superficial de corpos de prova de parafusos de alta resistência submetidos à corrosão sob tensão em diferentes condições de corrosão.2 e 3, respectivamente.
Morfologia macroscópica de amostras de corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência 20MnTiB em diferentes ambientes de corrosão simulados: (a) sem corrosão; (b) 1 vez; (c) 20 vezes; (d) 200 vezes; (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 de corrosão simulados (100×): (a) 1 vez; (b) 20 ×; (c) 200 ×; (d) pH 3,5; (e) pH 7,5; (f) 50 °C.
Como pode ser observado na Figura 2a, a superfície do parafuso de alta resistência não corroído exibe um brilho metálico intenso, sem sinais óbvios de corrosão. No entanto, sob a condição da solução de corrosão simulada original (Figura 2b), a superfície da amostra ficou parcialmente coberta por produtos de corrosão de coloração bege e marrom-avermelhada, e algumas áreas da superfície ainda apresentavam brilho metálico evidente, indicando que apenas algumas áreas da superfície da amostra sofreram corrosão leve e que a solução de corrosão simulada não teve efeito sobre a superfície da amostra. As propriedades do material têm pouco efeito. No entanto, sob a condição de concentração da solução de corrosão simulada 20 vezes maior que a original (Fig. 2c), a superfície do parafuso de alta resistência ficou completamente coberta por uma grande quantidade de produtos de corrosão bege e uma pequena quantidade de produtos de corrosão marrom-avermelhados. Não foi observado brilho metálico evidente, e havia uma pequena quantidade de produto de corrosão marrom-escuro próximo à superfície do substrato. Já sob a condição de concentração da solução de corrosão simulada 200 vezes maior que a original (Fig. 2d), a superfície da amostra ficou completamente coberta por produtos de corrosão marrons, e produtos de corrosão marrom-escuros apareceram em algumas áreas.
À medida que o pH diminuía para 3,5 (Fig. 2e), os produtos de corrosão de cor castanha eram mais abundantes na superfície das amostras, e alguns desses produtos haviam sido 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-claros cobrem uma grande área da superfície da amostra. A camada de produto de corrosão é relativamente solta e alguns produtos marrom-escuros se desprendem.
Como mostrado na Figura 3, sob diferentes ambientes de corrosão, os produtos de corrosão na superfície dos corpos de prova de parafusos de alta resistência 20MnTiB submetidos à corrosão sob tensão apresentam delaminação evidente, e a espessura da camada de corrosão aumenta com o aumento da concentração da solução de corrosão simulada. Na 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 apresenta produtos de corrosão distribuídos uniformemente, porém com um grande número de fissuras; a camada interna consiste em aglomerados dispersos de produtos de corrosão. Na condição de concentração da solução de corrosão simulada 20 vezes maior que a original (Fig. 3b), a camada de corrosão na superfície da amostra pode ser dividida em três camadas: a camada mais externa consiste principalmente em aglomerados dispersos de produtos de corrosão, que são dispersos e porosos, e não apresentam bom desempenho protetor; a camada intermediária é uma camada uniforme de produtos de corrosão, porém com fissuras evidentes, pelas quais os íons de corrosão podem passar e corroer o substrato; A camada interna é uma camada densa de produto de corrosão sem fissuras óbvias, que tem um bom efeito protetor sobre o substrato. Sob a condição de concentração da solução de corrosão simulada 200 vezes maior que a original (Fig. 3c), a camada de corrosão na superfície da amostra pode ser dividida em três camadas: a camada mais externa é uma camada fina e uniforme de produto de corrosão; a camada intermediária é composta principalmente por corrosão em forma de pétala e flocos; e a camada interna é uma camada densa de produto de corrosão sem fissuras ou orifícios óbvios, que tem um bom efeito protetor sobre o substrato.
Como pode ser visto na Fig. 3d, no ambiente de corrosão simulado com pH 3,5, há um grande número de produtos de corrosão floculentos ou em forma de agulha na superfície do corpo de prova do parafuso de alta resistência 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 apresenta fissuras evidentes.
Como pode ser observado na Figura 3f, quando a temperatura aumentou para 50 °C, não foi encontrada uma camada interna densa de ferrugem na estrutura da camada de corrosão, indicando que havia lacunas entre as camadas de corrosão a 50 °C, o que impediu a cobertura completa do substrato pelos produtos de corrosão. Isso proporciona proteção contra o aumento da tendência de corrosão do substrato.
As propriedades mecânicas de parafusos de alta resistência sob corrosão sob tensão de carga constante em diferentes ambientes corrosivos são mostradas na Tabela 2:
Como pode ser observado na Tabela 2, as propriedades mecânicas dos parafusos de alta resistência 20MnTiB ainda atendem aos requisitos padrão após o teste de corrosão acelerada por ciclos de umidade e secagem em diferentes ambientes de corrosão simulados, embora apresentem certo grau de danos em comparação com as amostras não corroídas. Na concentração original da solução de corrosão simulada, as propriedades mecânicas da amostra não sofreram alterações significativas, mas em concentrações 20 vezes maiores ou 200 vezes maiores da solução simulada, o alongamento da amostra diminuiu significativamente. As propriedades mecânicas são semelhantes nas concentrações 20 vezes maiores e 200 vezes maiores da solução de corrosão simulada original. Quando o valor do pH da solução de corrosão simulada caiu para 3,5, a resistência à tração e o alongamento das amostras diminuíram significativamente. Quando a temperatura subiu para 50 °C, a resistência à tração e o alongamento diminuíram significativamente, e a taxa de contração da área ficou muito próxima do valor padrão.
As morfologias de fratura dos corpos de prova de parafusos de alta resistência 20MnTiB submetidos à corrosão sob tensão em diferentes ambientes corrosivos são mostradas na Figura 4, que inclui a macromorfologia da fratura, a zona fibrosa no centro da fratura, a borda micromorfológica da interface de cisalhamento e a superfície da amostra.
Morfologias de fratura macroscópicas e microscópicas de corpos de prova de parafusos de alta resistência 20MnTiB em diferentes ambientes de corrosão simulados (500×): (a) sem corrosão; (b) 1 vez; (c) 20 ×; (d) 200 ×; (e) pH 3,5; (f) pH 7,5; (g) 50 °C.
Como pode ser observado na Figura 4, a fratura do corpo de prova de parafuso de alta resistência 20MnTiB submetido à corrosão sob tensão em diferentes ambientes de corrosão simulados apresenta uma fratura típica em forma de taça-cone. Comparada com o corpo de prova não corroído (Figura 4a), a área central da trinca na região das fibras é relativamente pequena, enquanto a área da borda de cisalhamento é maior. Isso demonstra que as propriedades mecânicas do material são significativamente danificadas após a corrosão. Com o aumento da concentração da solução de corrosão simulada, o número de pites na região das fibras, no centro da fratura, aumentou, e linhas de ruptura evidentes apareceram. Quando a concentração aumentou para 20 vezes a da solução de corrosão simulada original, apareceram pites de corrosão evidentes na interface entre a borda de cisalhamento e a superfície da amostra, além de uma grande quantidade de produtos de corrosão na superfície.
A partir da Figura 3d, infere-se que existem fissuras evidentes na camada de corrosão na superfície da amostra, o que compromete a proteção da matriz. Na solução de corrosão simulada com pH 3,5 (Figura 4e), a superfície da amostra apresenta corrosão severa, com uma área central da fibra visivelmente reduzida. Observa-se um grande número de linhas de ruptura irregulares no centro da área da fibra. Com o aumento do pH da solução de corrosão simulada, a zona de ruptura no centro da fratura na área da fibra diminui, a profundidade da cavidade também diminui gradualmente.
Quando a temperatura aumentou para 50 °C (Fig. 4g), a área da borda de cisalhamento da fratura da amostra foi a maior, as cavidades na área central da fibra aumentaram significativamente, a profundidade das cavidades também aumentou e a interface entre a borda de cisalhamento e a superfície da amostra aumentou. Os produtos de corrosão e as cavidades aumentaram, o que confirmou a tendência de aprofundamento da corrosão do substrato refletida na Fig. 3f.
O valor do pH da solução corrosiva causa alguns danos às propriedades mecânicas dos parafusos de alta resistência 20MnTiB, mas o efeito não é significativo. Na solução corrosiva com pH 3,5, observa-se uma grande quantidade de produtos de corrosão floculentos ou aciculares distribuídos na superfície da amostra, e a camada de corrosão apresenta fissuras evidentes, não oferecendo uma boa proteção ao substrato. Além disso, a morfologia microscópica da fratura da amostra revela pites de corrosão evidentes e uma grande quantidade de produtos de corrosão. Isso demonstra que a capacidade da amostra de resistir à deformação por força externa é significativamente reduzida em um ambiente ácido, e o grau de tendência à corrosão sob tensão do material aumenta consideravelmente.
A solução de corrosão simulada original teve pouco efeito sobre as propriedades mecânicas das amostras de parafusos de alta resistência. No entanto, à medida que a concentração da solução de corrosão simulada aumentou para 20 vezes a concentração original, as propriedades mecânicas das amostras foram significativamente prejudicadas, e observou-se corrosão evidente na microestrutura da fratura, com presença de pites, trincas secundárias e muitos produtos de corrosão. Quando a concentração da solução de corrosão simulada foi aumentada de 20 para 200 vezes a concentração original, o efeito da concentração da solução sobre as propriedades mecânicas do material diminuiu.
Quando a temperatura de corrosão simulada é de 25 °C, a resistência ao escoamento e a resistência à tração dos parafusos de alta resistência 20MnTiB não se alteram significativamente em comparação com os parafusos não corroídos. No entanto, sob uma temperatura de corrosão simulada de 50 °C, a resistência à tração e o alongamento da amostra diminuem significativamente, a taxa de contração da seção transversal aproxima-se do valor padrão, o lábio de cisalhamento da fratura atinge o seu maior tamanho e observa-se um aumento significativo na profundidade das cavidades na região central das fibras, bem como um aumento nos produtos de corrosão e na quantidade de cavidades de corrosão. Isso demonstra que a interação entre a temperatura e o ambiente corrosivo exerce grande influência sobre as propriedades mecânicas dos parafusos de alta resistência, influência essa que não é tão evidente à temperatura ambiente, mas torna-se mais significativa quando a temperatura atinge 50 °C.
Após o teste de corrosão acelerada em ambiente controlado, simulando as condições atmosféricas de Chongqing, observou-se redução na resistência à tração, limite de escoamento, alongamento e outros parâmetros dos parafusos de alta resistência 20MnTiB, além de danos significativos por tensão. Como o material está sob tensão, ocorre um fenômeno de aceleração da corrosão localizada. Devido ao efeito combinado da concentração de tensão e da formação de pites de corrosão, os parafusos de alta resistência sofrem danos plásticos significativos, reduzindo sua capacidade de resistir à deformação por forças externas e aumentando a tendência à corrosão sob tensão.
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