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O aço 20MnTiB é o material de parafuso de alta resistência mais amplamente utilizado para pontes de estrutura de aço no meu país, e seu desempenho é de grande importância para a operação segura de pontes. Com base na investigação do ambiente atmosférico em Chongqing, este estudo projetou uma solução de corrosão simulando o clima úmido de Chongqing e realizou testes de corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência simulando o clima úmido de Chongqing. Os efeitos da temperatura, valor de pH e concentração da solução de corrosão simulada no comportamento de corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência 20MnTiB foram estudados.
O aço 20MnTiB é o material de parafuso de alta resistência mais amplamente utilizado para pontes de estrutura de aço no meu país, e seu desempenho é de grande importância para a operação segura de pontes. Li et al. 1 testaram as propriedades do aço 20MnTiB comumente usado em parafusos de alta resistência de grau 10.9 na faixa de alta temperatura de 20~700 ℃, e obtiveram a curva tensão-deformação, resistência ao escoamento, resistência à tração, módulo de Young e alongamento. e coeficiente de expansão. Zhang et al. 2, Hu et al. 3, etc., por meio de testes de composição química, testes de propriedades mecânicas, testes de microestrutura, análise macroscópica e microscópica da superfície da rosca, e os resultados mostram que o principal motivo para a fratura de parafusos de alta resistência está relacionado a defeitos de rosca e à ocorrência de defeitos de rosca Grandes concentrações de tensão, concentrações de tensão na ponta da trinca e condições de corrosão ao ar livre levam à corrosão sob tensão.
Parafusos de alta resistência para pontes de aço geralmente são usados por um longo período 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 de seção transversal em parafusos de alta resistência, resultando em inúmeros defeitos e rachaduras. E esses defeitos e rachaduras continuarão a se expandir, reduzindo assim a vida útil dos parafusos de alta resistência e até mesmo causando sua quebra. Até o momento, existem muitos estudos sobre o efeito da corrosão ambiental no desempenho de materiais à corrosão sob tensão. Catar et al. investigaram o comportamento da corrosão sob tensão de ligas de magnésio com diferentes teores de alumínio em ambientes ácidos, alcalinos e neutros por meio de testes de taxa de deformação lenta (SSRT). Abdel et al. estudaram o comportamento eletroquímico e de corrosão sob tensão da liga Cu10Ni em solução de NaCl a 3,5% na presença de diferentes concentrações de íons sulfeto. Aghion et al. avaliaram o desempenho de corrosão da liga de magnésio fundido MRI230D em solução de NaCl a 3,5%. por 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 de íons cloreto no comportamento de corrosão estática do aço martensítico em temperatura ambiente. Chen et al.8 investigaram o comportamento de corrosão sob tensão e o mecanismo de rachaduras 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 da 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 tardia de amostras com diferentes graus de resistência à tração por meio de um teste de fratura tardia por carga morta e SSRT. Sugere-se que a resistência à tração de parafusos de alta resistência de aço 20MnTiB e aço 35VB seja controlada a 1040-1190MPa. No entanto, a maioria desses estudos usa 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 tem muitos fatores de influência, como o valor de pH do parafuso. Ananya et al. 11 estudaram o efeito de parâmetros ambientais e materiais no meio corrosivo na corrosão e na corrosão sob tensão de aços inoxidáveis duplex. Sunada et al. 12 conduziram testes de corrosão sob tensão em 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 de H2SO4 e 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 suscetibilidade à corrosão sob tensão do aço para vasos de pressão A516. Usando a solução NS4 como uma solução de simulação de águas subterrâneas, Ibrahim et al. 14 investigaram o efeito de parâmetros ambientais, como concentração de íons bicarbonato (HCO), pH e temperatura na corrosão sob tensão do aço para dutos API-X100 após a remoção do revestimento. Shan et al. 15 estudaram a lei de variação da suscetibilidade à corrosão sob tensão do aço inoxidável austenítico 00Cr18Ni10 com temperatura sob diferentes condições de temperatura (30~250℃) sob a condição de meio de água preta em uma planta simulada de carvão para hidrogênio por SSRT. Han et al.16 caracterizaram a suscetibilidade à fragilização por hidrogênio de amostras de parafusos de alta resistência usando um teste de fratura retardada por carga morta e SSRT. Zhao17 estudou os efeitos do pH, SO42-, Cl-1 no comportamento de corrosão sob tensão da liga GH4080A por SSRT. Os resultados mostram que quanto menor o valor do pH, pior a resistência à corrosão sob tensão da liga GH4080A. Ela tem óbvia sensibilidade à corrosão sob tensão ao Cl-1 e não é sensível ao meio iônico SO42- em temperatura ambiente. No entanto, há poucos estudos sobre o efeito da corrosão ambiental em parafusos de alta resistência de aço 20MnTiB.
Para descobrir as razões para a 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 para a falha dessas amostras foram discutidas a partir das perspectivas de composição química, morfologia microscópica de fratura, estrutura metalográfica e análise de propriedades mecânicas19, 20. Com base na investigação do ambiente atmosférico em Chongqing nos últimos anos, um esquema de corrosão simulando o clima úmido de Chongqing foi projetado. 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, valor de pH e concentração de 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 de fratura e produtos de corrosão de superfície.
Chongqing está localizada no sudoeste da China, no curso superior do Rio Yangtze, e tem um clima subtropical úmido de monções. A temperatura média anual é de 16-18 °C, a umidade relativa média anual é de 70-80%, as horas de sol anuais são de 1000-1400 horas e a porcentagem de sol é de apenas 25-35%.
De acordo com relatórios sobre a insolação e a temperatura ambiente em Chongqing, de 2015 a 2018, a temperatura média diária em Chongqing foi de 17 °C a 23 °C. A temperatura máxima no corpo da Ponte Chaotianmen em Chongqing pode chegar a 50 °C21,22. Portanto, os níveis de temperatura para o teste de corrosão sob tensão foram fixados em 25 °C e 50 °C.
O valor de pH da solução de corrosão simulada determina diretamente a quantidade de H+, mas isso não significa que quanto menor o valor de pH, mais fácil ocorrerá a corrosão. O efeito do pH nos resultados variará para diferentes materiais e soluções. Para estudar melhor 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 como 3,5, 5,5 e 7,5 em combinação com pesquisas bibliográficas23 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 de íons na solução de corrosão simulada 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, o teste de corrosão acelerada artificial em laboratório foi realizado, e a concentração da solução de corrosão simulada foi definida para o nível 4 sem corrosão, que eram a concentração original da solução de corrosão simulada (1×), 20 × concentração original da solução de corrosão simulada (20 ×) e 200 × concentração original da solução de corrosão simulada (200 ×).
O ambiente com temperatura de 25°C, pH de 5,5 e concentração da solução de corrosão simulada original é o mais próximo 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 de 200 × solução de corrosão simulada original foram definidas como grupo de controle de referência. Quando os efeitos da temperatura, concentração ou valor de pH da solução de corrosão simulada no desempenho de corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência foram investigados, respectivamente, outros fatores permaneceram inalterados, o que foi usado como nível experimental do grupo de controle de referência.
De acordo com o briefing sobre a qualidade do ambiente atmosférico de 2010-2018 emitido pelo Departamento Municipal de Ecologia e Meio Ambiente de Chongqing, e referindo-se aos componentes de precipitação relatados em Zhang24 e outras literaturas relatadas em Chongqing, uma solução de corrosão simulada com base no aumento da concentração de SO42- foi projetada. A composição da precipitação na principal área urbana de Chongqing em 2017. A composição da solução de corrosão simulada é mostrada na Tabela 1:
A solução de corrosão simulada é preparada pelo método de equilíbrio de concentração de íons químicos usando reagentes analíticos e água destilada. O valor de pH da solução de corrosão simulada foi ajustado com um medidor de pH de precisão, solução de ácido nítrico e solução de hidróxido de sódio.
Para simular o clima úmido em Chongqing, o testador de névoa salina foi especialmente modificado e projetado25. Conforme 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, que 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 a câmara de teste através do compressor de ar. A parte de indução é composta de 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 de corrosão sob tensão sob carga constante foram processadas de acordo com NACETM0177-2005 (Testes de laboratório de trincas sob tensão por sulfeto e resistência à trincas de corrosão sob tensão de metais em um ambiente de H2S). As amostras de corrosão sob tensão foram primeiramente limpas com acetona e limpeza mecânica ultrassônica para remover resíduos de óleo, depois desidratadas com álcool e secas em um forno. Em seguida, coloque as amostras limpas na câmara de teste do dispositivo de teste de névoa salina para simular a situação de corrosão no ambiente de clima úmido de Chongqing. De acordo com a norma NACETM0177-2005 e a norma de teste de névoa salina GB/T 10.125-2012, o tempo de teste de corrosão sob tensão de carga constante neste estudo é uniformemente determinado como sendo 168 h. Testes de tração foram realizados nas amostras de corrosão sob diferentes condições de corrosão na máquina universal de teste de tração MTS-810, e suas propriedades mecânicas e morfologia de corrosão por fratura foram analisadas.
A Figura 1 mostra a macro e micromorfologia da corrosão superficial de amostras de corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência sob diferentes condições de corrosão.2 e 3 respectivamente.
Morfologia macroscópica de espécimes de corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência 20MnTiB sob diferentes ambientes de corrosão simulados: (a) sem corrosão; (b) 1 vez; (c) 20 ×; (d) 200 ×; (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.
Pode ser visto na Fig. 2a que a superfície do espécime de parafuso de alta resistência não corroído exibe brilho metálico brilhante sem corrosão óbvia. No entanto, sob a condição da solução de corrosão simulada original (Fig. 2b), a superfície da amostra foi parcialmente coberta com produtos de corrosão castanho-amarelados e marrom-avermelhados, e algumas áreas da superfície ainda apresentavam brilho metálico óbvio, indicando que apenas algumas áreas da superfície da amostra estavam levemente corroídas, e a solução de corrosão simulada não teve efeito na superfície da amostra. As propriedades do material têm pouco efeito. No entanto, sob a condição de 20 × concentração original da solução de corrosão simulada (Fig. 2c), a superfície da amostra do parafuso de alta resistência foi completamente coberta por uma grande quantidade de produtos de corrosão bege e uma pequena quantidade de produto de corrosão marrom-avermelhado, nenhum brilho metálico óbvio foi encontrado, e havia uma pequena quantidade de produto de corrosão marrom-preto próximo à superfície do substrato. E sob a condição de 200 × concentração original da solução de corrosão simulada (Fig. 2d), a superfície da amostra é completamente coberta por produtos de corrosão marrons, e produtos de corrosão marrom-preto aparecem em algumas áreas.
À medida que o pH diminuiu para 3,5 (Fig. 2e), os produtos de corrosão de cor castanha estavam mais presentes na superfície das amostras, e alguns dos produtos de corrosão foram esfoliados.
A Figura 2g mostra que, à medida que a temperatura aumenta para 50 °C, o conteúdo de produtos de corrosão marrom-avermelhados na superfície da amostra diminui drasticamente, enquanto os produtos de corrosão marrom-brilhantes cobrem a superfície da amostra em uma grande área. A camada de produtos de corrosão é relativamente solta, e alguns produtos marrom-escuros são descascados.
Conforme mostrado na Figura 3, sob diferentes ambientes de corrosão, os produtos de corrosão na superfície de espécimes de corrosão sob tensão de parafuso de alta resistência 20MnTiB são obviamente delaminados, e a espessura da camada de corrosão aumenta com o aumento da concentração da solução de corrosão simulada. Sob a 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 de produtos de corrosão é distribuída uniformemente, mas um grande número de rachaduras aparece; a camada interna é um aglomerado solto de produtos de corrosão. Sob a condição de 20 × concentração da solução de corrosão simulada original (Fig. 3b), a camada de corrosão na superfície da amostra pode ser dividida em três camadas: a camada mais externa é composta principalmente de produtos de corrosão em aglomerados dispersos, que são soltos e porosos, e não têm bom desempenho de proteção; A camada intermediária é uma camada uniforme de produtos de corrosão, mas há rachaduras óbvias, e os íons de corrosão podem passar pelas rachaduras e erodir o substrato; a camada interna é uma camada densa de produtos de corrosão sem rachaduras óbvias, o que tem um bom efeito protetor no substrato. Sob a condição de 200× concentração original da solução de corrosão simulada (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 produtos de corrosão; a camada do meio é principalmente corrosão em forma de pétala e floco A camada interna é uma camada densa de produtos de corrosão sem rachaduras e buracos óbvios, o que tem um bom efeito protetor no substrato.
Pode ser visto na Fig. 3d que no ambiente de corrosão simulado de pH 3,5, há um grande número de produtos de corrosão floculentos ou em forma de agulha na superfície do espécime de 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 tenha rachaduras óbvias.
Pode-se observar na Figura 3f que, quando a temperatura aumentou para 50 °C, não foi encontrada nenhuma 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 fez com que o substrato não fosse completamente coberto por produtos de corrosão. Isso proporciona proteção contra o aumento da tendência à 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:
Pode-se observar na Tabela 2 que as propriedades mecânicas dos espécimes de parafusos de alta resistência 20MnTiB ainda atendem aos requisitos padrão após o teste de corrosão acelerada do ciclo seco-úmido em diferentes ambientes de corrosão simulados, mas há um certo dano em comparação com os não corroídos.amostra. Na concentração da solução de corrosão simulada original, as propriedades mecânicas da amostra não mudaram significativamente, mas na concentração de 20 × ou 200 × da solução simulada, o alongamento da amostra diminuiu significativamente. As propriedades mecânicas são semelhantes nas concentrações de 20 × e 200 × soluções de corrosão simuladas originais. 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 sobe para 50 °C, a resistência à tração e o alongamento diminuem significativamente, e a taxa de encolhimento da área fica muito próxima do valor padrão.
As morfologias de fratura dos espécimes de corrosão sob tensão de parafusos de alta resistência 20MnTiB sob diferentes ambientes de corrosão são mostradas na Figura 4, que são a macromorfologia da fratura, a zona de fibra no centro da fratura, o lábio micromorfológico da interface de cisalhamento e a superfície da amostra.
Morfologias de fratura macroscópica e microscópica de espécimes 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.
A Figura 4 mostra que a fratura da amostra de corrosão sob tensão de parafuso de alta resistência 20MnTiB sob diferentes ambientes de corrosão simulados apresenta uma fratura típica do tipo copo-cone. Comparada à amostra não corroída (Figura 4a), a área central da fissura na área da fibra é relativamente pequena, e 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, as cavidades na área da fibra no centro da fratura aumentaram e surgiram costuras de ruptura óbvias. Quando a concentração aumentou para 20 vezes a da solução de corrosão simulada original, cavidades de corrosão óbvias surgiram na interface entre a borda da borda de cisalhamento e a superfície da amostra, e havia muitos produtos de corrosão na superfície da amostra.
A Figura 3d indica que há rachaduras evidentes na camada de corrosão na superfície da amostra, o que não proporciona um bom efeito protetor sobre a matriz. Na solução de corrosão simulada com pH 3,5 (Figura 4e), a superfície da amostra está severamente corroída e a área central da fibra é claramente pequena. Há um grande número de costuras de ruptura irregulares no centro da área da fibra. Com o aumento do pH da solução de corrosão simulada, a zona de ruptura na área da fibra no centro da fratura diminui, a área de corrosão diminui gradualmente e a profundidade da área de corrosão 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 da cavidade também aumentou e a interface entre a borda da 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 de pH da solução de corrosão causará alguns danos às propriedades mecânicas dos parafusos de alta resistência 20MnTiB, mas o efeito não é significativo. Na solução de corrosão de pH 3,5, um grande número de produtos de corrosão floculentos ou em forma de agulha são distribuídos na superfície da amostra, e a camada de corrosão tem rachaduras óbvias, que não podem formar uma boa proteção para o substrato. E há poços de corrosão óbvios e um grande número de produtos de corrosão na morfologia microscópica da fratura da amostra. Isso mostra 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 é significativamente aumentado.
A solução de corrosão simulada original teve pouco efeito nas propriedades mecânicas das amostras de parafusos de alta resistência, mas à medida que a concentração da solução de corrosão simulada aumentou para 20 vezes a da solução de corrosão simulada original, as propriedades mecânicas das amostras foram significativamente danificadas, e houve corrosão óbvia na microestrutura da fratura, cavidades, rachaduras secundárias e muitos produtos de corrosão. Quando a concentração da solução de corrosão simulada foi aumentada de 20 vezes para 200 vezes a concentração da solução de corrosão simulada original, o efeito da concentração da solução de corrosão nas propriedades mecânicas do material foi enfraquecido.
Quando a temperatura de corrosão simulada é de 25°C, a resistência ao escoamento e a resistência à tração dos espécimes de parafusos de alta resistência 20MnTiB não mudam muito em comparação com os espécimes não corroídos. No entanto, sob a temperatura do ambiente de corrosão simulada de 50°C, a resistência à tração e o alongamento da amostra diminuíram significativamente, a taxa de retração da seção ficou próxima do valor padrão, o lábio de cisalhamento da fratura foi o maior e houve covinhas na área central da fibra. Aumentou significativamente, a profundidade do poço aumentou, os produtos de corrosão e os poços de corrosão aumentaram. Isso mostra que o ambiente de corrosão sinérgico de temperatura tem uma grande influência nas propriedades mecânicas dos parafusos de alta resistência, o que não é óbvio à temperatura ambiente, mas mais significativo quando a temperatura atinge 50°C.
Após o teste de corrosão acelerada interna simulando o ambiente atmosférico em Chongqing, a resistência à tração, resistência ao escoamento, alongamento e outros parâmetros dos parafusos de alta resistência 20MnTiB foram reduzidos, e danos óbvios por estresse ocorreram. Como o material está sob estresse, haverá um fenômeno significativo de aceleração da corrosão localizada. E devido ao efeito combinado da concentração de estresse e dos pontos de corrosão, é fácil causar danos plásticos óbvios aos parafusos de alta resistência, reduzir a capacidade de resistir à deformação por forças externas e aumentar a tendência à corrosão por estresse.
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Data de publicação: 17 de fevereiro de 2022


