Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt được cập nhật (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Thép 20MnTiB là vật liệu chế tạo bu lông cường độ cao được sử dụng rộng rãi nhất cho các cầu kết cấu thép ở nước ta, và hiệu suất của nó có ý nghĩa rất lớn đối với sự an toàn khi vận hành cầu. Dựa trên nghiên cứu về môi trường khí quyển ở Trùng Khánh, nghiên cứu này đã thiết kế một dung dịch ăn mòn mô phỏng khí hậu ẩm ướt của Trùng Khánh, và tiến hành các thử nghiệm ăn mòn ứng suất đối với bu lông cường độ cao mô phỏng khí hậu ẩm ướt của Trùng Khánh. Nghiên cứu này đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, giá trị pH và nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng đến hành vi ăn mòn ứng suất của bu lông cường độ cao 20MnTiB.
Thép 20MnTiB là vật liệu chế tạo bu lông cường độ cao được sử dụng rộng rãi nhất cho các cầu kết cấu thép ở nước ta, và hiệu suất của nó có ý nghĩa rất lớn đối với sự vận hành an toàn của cầu. Li và cộng sự 1 đã thử nghiệm các đặc tính của thép 20MnTiB thường được sử dụng trong bu lông cường độ cao cấp 10.9 trong phạm vi nhiệt độ cao từ 20 đến 700 ℃, và thu được đường cong ứng suất-biến dạng, giới hạn chảy, độ bền kéo, mô đun Young, độ giãn dài và hệ số giãn nở. Zhang và cộng sự 2, Hu và cộng sự 3, v.v., thông qua thử nghiệm thành phần hóa học, thử nghiệm tính chất cơ học, thử nghiệm cấu trúc vi mô, phân tích vĩ mô và vi mô bề mặt ren, và kết quả cho thấy nguyên nhân chính gây ra gãy vỡ bu lông cường độ cao có liên quan đến các khuyết tật ren, và sự xuất hiện của các khuyết tật ren, sự tập trung ứng suất lớn, sự tập trung ứng suất ở đầu vết nứt và điều kiện ăn mòn trong không khí đều dẫn đến nứt ăn mòn do ứng suất.
Bu lông cường độ cao dùng cho cầu thép thường được sử dụng trong thời gian dài trong môi trường ẩm ướt. Các yếu tố như độ ẩm cao, nhiệt độ cao, và sự lắng đọng và hấp thụ các chất độc hại trong môi trường dễ gây ăn mòn kết cấu thép. Ăn mòn có thể gây mất tiết diện của bu lông cường độ cao, dẫn đến nhiều khuyết tật và vết nứt. Và những khuyết tật và vết nứt này sẽ tiếp tục mở rộng, do đó làm giảm tuổi thọ của bu lông cường độ cao và thậm chí gây ra hiện tượng gãy vỡ. Cho đến nay, đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của ăn mòn môi trường đến hiệu suất ăn mòn ứng suất của vật liệu. Catar et al.4 đã nghiên cứu hành vi ăn mòn ứng suất của hợp kim magie với hàm lượng nhôm khác nhau trong môi trường axit, kiềm và trung tính bằng phương pháp thử nghiệm tốc độ biến dạng chậm (SSRT). Abdel et al.5 đã nghiên cứu hành vi nứt ăn mòn điện hóa và ứng suất của hợp kim Cu10Ni trong dung dịch NaCl 3,5% khi có mặt các nồng độ ion sunfua khác nhau. Aghion et al.6 đã đánh giá hiệu suất ăn mòn của hợp kim magie đúc khuôn MRI230D trong dung dịch NaCl 3,5% bằng phương pháp thử nghiệm ngâm, thử nghiệm phun muối và phân tích phân cực động. và SSRT. Zhang et al.7 đã nghiên cứu hành vi ăn mòn ứng suất của thép mactenxit 9Cr bằng SSRT và các kỹ thuật thử nghiệm điện hóa truyền thống, và thu được ảnh hưởng của ion clorua đến hành vi ăn mòn tĩnh của thép mactenxit ở nhiệt độ phòng. Chen et al.8 đã nghiên cứu hành vi ăn mòn ứng suất và cơ chế nứt của thép X70 trong dung dịch bùn biển mô phỏng có chứa SRB ở các nhiệt độ khác nhau bằng SSRT. Liu et al.9 đã sử dụng SSRT để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ biến dạng kéo đến khả năng chống ăn mòn ứng suất nước biển của thép không gỉ austenit 00Cr21Ni14Mn5Mo2N. Kết quả cho thấy nhiệt độ trong khoảng 35~65℃ không có ảnh hưởng đáng kể đến hành vi ăn mòn ứng suất của thép không gỉ. Lu et al. 10 đã đánh giá khả năng gãy chậm của các mẫu có cấp độ bền kéo khác nhau bằng thử nghiệm gãy chậm tải trọng tĩnh và SSRT. Người ta đề xuất rằng độ bền kéo của bu lông cường độ cao bằng thép 20MnTiB và thép 35VB nên được kiểm soát ở mức 1040-1190MPa. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu này về cơ bản chỉ sử dụng dung dịch NaCl 3,5% đơn giản để mô phỏng môi trường ăn mòn, trong khi môi trường sử dụng thực tế của bu lông cường độ cao phức tạp hơn và có nhiều yếu tố ảnh hưởng, chẳng hạn như giá trị pH của bu lông. Ananya et al. 11 đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số môi trường và vật liệu trong môi trường ăn mòn đến sự ăn mòn và nứt ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ song pha. Sunada et al. 12 đã tiến hành các thử nghiệm nứt ăn mòn do ứng suất ở nhiệt độ phòng trên thép SUS304 trong dung dịch nước chứa H2SO4 (0-5,5 kmol/m-3) và NaCl (0-4,5 kmol/m-3). Tác động của H2SO4 và NaCl lên các loại ăn mòn của thép SUS304 cũng được nghiên cứu. Merwe et al.13 đã sử dụng SSRT để nghiên cứu tác động của hướng cán, nhiệt độ, nồng độ CO2/CO, áp suất khí và thời gian ăn mòn lên khả năng dễ bị ăn mòn do ứng suất của thép bình áp lực A516. Sử dụng dung dịch NS4 làm dung dịch mô phỏng nước ngầm, Ibrahim et al.14 đã nghiên cứu tác động của các thông số môi trường như nồng độ ion bicacbonat (HCO), pH và nhiệt độ lên hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất của thép ống API-X100 sau khi bóc lớp phủ. Shan et al. 15 đã nghiên cứu quy luật biến thiên của khả năng nứt ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ austenit 00Cr18Ni10 theo nhiệt độ dưới các điều kiện nhiệt độ khác nhau (30~250℃) trong điều kiện môi trường nước đen trong nhà máy chuyển đổi than thành hydro mô phỏng bằng SSRT. Han et al.16 đã đặc trưng hóa khả năng giòn hydro của các mẫu bu lông cường độ cao bằng cách sử dụng thử nghiệm gãy chậm tải trọng tĩnh và SSRT. Zhao17 đã nghiên cứu ảnh hưởng của pH, SO42-, Cl-1 đến hành vi ăn mòn do ứng suất của hợp kim GH4080A bằng SSRT. Kết quả cho thấy giá trị pH càng thấp thì khả năng chống ăn mòn do ứng suất của hợp kim GH4080A càng kém. Nó có độ nhạy ăn mòn do ứng suất rõ rệt với Cl-1, và không nhạy cảm với môi trường ion SO42- ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu về ảnh hưởng của ăn mòn môi trường lên bu lông cường độ cao bằng thép 20MnTiB.
Để tìm ra nguyên nhân gây hỏng các bu lông cường độ cao được sử dụng trong cầu, tác giả đã tiến hành một loạt các nghiên cứu. Các mẫu bu lông cường độ cao đã được lựa chọn và nguyên nhân gây hỏng của các mẫu này đã được thảo luận từ các khía cạnh về thành phần hóa học, hình thái vi mô gãy vỡ, cấu trúc luyện kim và phân tích tính chất cơ học19, 20. Dựa trên nghiên cứu về môi trường khí quyển ở Trùng Khánh trong những năm gần đây, một phương án ăn mòn mô phỏng khí hậu ẩm ướt của Trùng Khánh đã được thiết kế. Các thí nghiệm ăn mòn ứng suất, thí nghiệm ăn mòn điện hóa và thí nghiệm mỏi ăn mòn của bu lông cường độ cao trong điều kiện khí hậu ẩm ướt mô phỏng của Trùng Khánh đã được thực hiện. Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của nhiệt độ, giá trị pH và nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng đến hành vi ăn mòn ứng suất của bu lông cường độ cao 20MnTiB đã được nghiên cứu thông qua các thử nghiệm tính chất cơ học, phân tích vĩ mô và vi mô gãy vỡ, và các sản phẩm ăn mòn bề mặt.
Trùng Khánh nằm ở phía tây nam Trung Quốc, thượng nguồn sông Dương Tử, và có khí hậu gió mùa cận nhiệt đới ẩm. Nhiệt độ trung bình hàng năm là 16-18°C, độ ẩm tương đối trung bình hàng năm chủ yếu là 70-80%, số giờ nắng hàng năm là 1000-1400 giờ, và tỷ lệ phần trăm nắng chỉ là 25-35%.
Theo các báo cáo liên quan đến ánh nắng mặt trời và nhiệt độ môi trường ở Trùng Khánh từ năm 2015 đến năm 2018, nhiệt độ trung bình hàng ngày ở Trùng Khánh thấp nhất là 17°C và cao nhất là 23°C. Nhiệt độ cao nhất trên thân cầu Triều Thiên Môn ở Trùng Khánh có thể đạt tới 50°C21,22. Do đó, mức nhiệt độ cho thử nghiệm ăn mòn ứng suất được đặt ở mức 25°C và 50°C.
Giá trị pH của dung dịch ăn mòn mô phỏng quyết định trực tiếp lượng H+, nhưng điều đó không có nghĩa là giá trị pH càng thấp thì ăn mòn càng dễ xảy ra. Ảnh hưởng của pH đến kết quả sẽ khác nhau đối với các vật liệu và dung dịch khác nhau. Để nghiên cứu tốt hơn ảnh hưởng của dung dịch ăn mòn mô phỏng đến hiệu suất ăn mòn ứng suất của bu lông cường độ cao, giá trị pH của các thí nghiệm ăn mòn ứng suất được thiết lập ở mức 3,5, 5,5 và 7,5 kết hợp với nghiên cứu tài liệu23 và phạm vi pH của nước mưa hàng năm ở Trùng Khánh từ năm 2010 đến năm 2018.
Nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng càng cao, hàm lượng ion trong dung dịch ăn mòn mô phỏng càng nhiều, và ảnh hưởng đến tính chất vật liệu càng lớn. Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng đến sự ăn mòn do ứng suất của bu lông cường độ cao, thí nghiệm ăn mòn tăng tốc nhân tạo trong phòng thí nghiệm đã được thực hiện, và nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng được thiết lập ở mức 4 không có ăn mòn, bao gồm nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng ban đầu (1×), 20× nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng ban đầu (20×) và 200× nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng ban đầu (200×).
Môi trường với nhiệt độ 25℃, độ pH 5,5 và nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng ban đầu là gần nhất với điều kiện sử dụng thực tế của bu lông cường độ cao dùng cho cầu. Tuy nhiên, để đẩy nhanh quá trình thử nghiệm ăn mòn, các điều kiện thí nghiệm với nhiệt độ 25°C, độ pH 5,5 và nồng độ gấp 200 lần dung dịch ăn mòn mô phỏng ban đầu được thiết lập làm nhóm đối chứng tham chiếu. Khi nghiên cứu riêng biệt ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ hoặc độ pH của dung dịch ăn mòn mô phỏng đến hiệu suất ăn mòn ứng suất của bu lông cường độ cao, các yếu tố khác được giữ nguyên, và được sử dụng làm mức độ thí nghiệm của nhóm đối chứng tham chiếu.
Theo báo cáo tóm tắt về chất lượng môi trường khí quyển giai đoạn 2010-2018 do Cục Sinh thái và Môi trường thành phố Trùng Khánh ban hành, và dựa trên các thành phần lượng mưa được báo cáo trong Zhang24 và các tài liệu khác được công bố tại Trùng Khánh, một dung dịch ăn mòn mô phỏng dựa trên việc tăng nồng độ SO42- đã được thiết kế. Thành phần lượng mưa tại khu vực đô thị chính của Trùng Khánh năm 2017. Thành phần của dung dịch ăn mòn mô phỏng được thể hiện trong Bảng 1:
Dung dịch ăn mòn mô phỏng được pha chế bằng phương pháp cân bằng nồng độ ion hóa học sử dụng thuốc thử phân tích và nước cất. Giá trị pH của dung dịch ăn mòn mô phỏng được điều chỉnh bằng máy đo pH chính xác, dung dịch axit nitric và dung dịch natri hydroxit.
Để mô phỏng khí hậu ẩm ướt ở Trùng Khánh, thiết bị thử nghiệm phun muối đã được sửa đổi và thiết kế đặc biệt25. Như thể hiện trong Hình 1, thiết bị thí nghiệm có hai hệ thống: hệ thống phun muối và hệ thống chiếu sáng. Hệ thống phun muối là chức năng chính của thiết bị thí nghiệm, bao gồm phần điều khiển, phần phun và phần cảm ứng. Chức năng của phần phun là bơm sương muối vào buồng thử nghiệm thông qua máy nén khí. Phần cảm ứng bao gồm các phần tử đo nhiệt độ, cảm nhận nhiệt độ trong buồng thử nghiệm. Phần điều khiển bao gồm một máy vi tính, kết nối phần phun và phần cảm ứng để điều khiển toàn bộ quá trình thí nghiệm. Hệ thống chiếu sáng được lắp đặt trong buồng thử nghiệm phun muối để mô phỏng ánh sáng mặt trời. Hệ thống chiếu sáng bao gồm đèn hồng ngoại và bộ điều khiển thời gian. Đồng thời, một cảm biến nhiệt độ được lắp đặt trong buồng thử nghiệm phun muối để theo dõi nhiệt độ xung quanh mẫu trong thời gian thực.
Các mẫu thử ăn mòn ứng suất dưới tải trọng không đổi được xử lý theo tiêu chuẩn NACETM0177-2005 (Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm về khả năng chống nứt do ứng suất sunfua và nứt do ăn mòn ứng suất của kim loại trong môi trường H2S). Các mẫu thử ăn mòn ứng suất được làm sạch bằng acetone và làm sạch cơ học bằng sóng siêu âm để loại bỏ cặn dầu, sau đó khử nước bằng cồn và sấy khô trong lò. Tiếp theo, đặt các mẫu đã làm sạch vào buồng thử nghiệm của thiết bị thử nghiệm phun muối để mô phỏng tình trạng ăn mòn trong môi trường khí hậu ẩm ướt của Trùng Khánh. Theo tiêu chuẩn NACETM0177-2005 và tiêu chuẩn thử nghiệm phun muối GB/T 10,125-2012, thời gian thử nghiệm ăn mòn ứng suất dưới tải trọng không đổi trong nghiên cứu này được xác định thống nhất là 168 giờ. Các thử nghiệm kéo được thực hiện trên các mẫu ăn mòn trong các điều kiện ăn mòn khác nhau trên máy thử kéo vạn năng MTS-810, và các tính chất cơ học cũng như hình thái ăn mòn gãy của chúng được phân tích.
Hình 1 thể hiện hình thái vĩ mô và vi mô của sự ăn mòn bề mặt của các mẫu thử ăn mòn ứng suất bu lông cường độ cao dưới các điều kiện ăn mòn khác nhau.2 và 3 tương ứng.
Hình thái vĩ mô của các mẫu ăn mòn do ứng suất của bu lông cường độ cao 20MnTiB trong các môi trường ăn mòn mô phỏng khác nhau: (a) không ăn mòn; (b) 1 lần; (c) 20 lần; (d) 200 lần; (e) pH 3,5; (f) pH 7,5; (g) 50°C.
Hình thái vi mô của sản phẩm ăn mòn của bu lông cường độ cao 20MnTiB trong các môi trường ăn mòn mô phỏng khác nhau (100×): (a) 1 lần; (b) 20 ×; (c) 200 ×; (d) pH3,5; (e) pH7,5; (f) 50°C.
Có thể thấy từ Hình 2a rằng bề mặt của mẫu bu lông cường độ cao không bị ăn mòn thể hiện độ bóng kim loại sáng mà không có dấu hiệu ăn mòn rõ ràng. Tuy nhiên, trong điều kiện dung dịch ăn mòn mô phỏng ban đầu (Hình 2b), bề mặt của mẫu bị phủ một phần bởi các sản phẩm ăn mòn màu nâu vàng và nâu đỏ, và một số vùng trên bề mặt vẫn thể hiện độ bóng kim loại rõ rệt, cho thấy chỉ một số vùng trên bề mặt mẫu bị ăn mòn nhẹ, và dung dịch ăn mòn mô phỏng không có tác dụng lên bề mặt của mẫu. Tính chất vật liệu ít ảnh hưởng. Tuy nhiên, trong điều kiện nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng gấp 20 lần so với ban đầu (Hình 2c), bề mặt của mẫu bu lông cường độ cao đã bị bao phủ hoàn toàn bởi một lượng lớn sản phẩm ăn mòn màu nâu nhạt và một lượng nhỏ sản phẩm ăn mòn màu nâu đỏ, không thấy rõ độ bóng kim loại, và có một lượng nhỏ sản phẩm ăn mòn màu nâu đen gần bề mặt chất nền. Và trong điều kiện nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng gấp 200 lần so với ban đầu (Hình 2d), bề mặt của mẫu bị bao phủ hoàn toàn bởi sản phẩm ăn mòn màu nâu, và sản phẩm ăn mòn màu nâu đen xuất hiện ở một số khu vực.
Khi độ pH giảm xuống 3,5 (Hình 2e), các sản phẩm ăn mòn màu nâu nhạt tập trung nhiều nhất trên bề mặt mẫu, và một số sản phẩm ăn mòn đã bị bong tróc.
Hình 2g cho thấy khi nhiệt độ tăng lên 50 °C, hàm lượng sản phẩm ăn mòn màu nâu đỏ trên bề mặt mẫu giảm mạnh, trong khi sản phẩm ăn mòn màu nâu sáng bao phủ bề mặt mẫu trên một diện tích lớn. Lớp sản phẩm ăn mòn tương đối lỏng lẻo, và một số sản phẩm màu nâu đen bị bong ra.
Như thể hiện trong Hình 3, dưới các môi trường ăn mòn khác nhau, sản phẩm ăn mòn trên bề mặt mẫu thử ăn mòn ứng suất bu lông cường độ cao 20MnTiB bị bong tróc rõ rệt, và độ dày của lớp ăn mòn tăng lên khi nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng tăng. Dưới điều kiện dung dịch ăn mòn mô phỏng ban đầu (Hình 3a), sản phẩm ăn mòn trên bề mặt mẫu có thể được chia thành hai lớp: lớp ngoài cùng của sản phẩm ăn mòn phân bố đều, nhưng xuất hiện nhiều vết nứt; lớp bên trong là một cụm sản phẩm ăn mòn rời rạc. Dưới điều kiện nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng gấp 20 lần ban đầu (Hình 3b), lớp ăn mòn trên bề mặt mẫu có thể được chia thành ba lớp: lớp ngoài cùng chủ yếu là các cụm sản phẩm ăn mòn phân tán, rời rạc và xốp, không có khả năng bảo vệ tốt; lớp giữa là một lớp sản phẩm ăn mòn đồng nhất, nhưng có nhiều vết nứt rõ ràng, và các ion ăn mòn có thể đi qua các vết nứt và ăn mòn chất nền; Lớp bên trong là một lớp sản phẩm ăn mòn dày đặc không có vết nứt rõ ràng, có tác dụng bảo vệ tốt cho chất nền. Trong điều kiện nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng gấp 200 lần so với ban đầu (Hình 3c), lớp ăn mòn trên bề mặt mẫu có thể được chia thành ba lớp: lớp ngoài cùng là một lớp sản phẩm ăn mòn mỏng và đồng nhất; lớp giữa chủ yếu là các vết ăn mòn hình cánh hoa và hình vảy; lớp trong cùng là một lớp sản phẩm ăn mòn dày đặc không có vết nứt và lỗ rõ ràng, có tác dụng bảo vệ tốt cho chất nền.
Từ Hình 3d có thể thấy rằng trong môi trường ăn mòn mô phỏng ở pH 3,5, có một lượng lớn sản phẩm ăn mòn dạng bông hoặc dạng kim trên bề mặt mẫu bu lông cường độ cao 20MnTiB. Người ta suy đoán rằng các sản phẩm ăn mòn này chủ yếu là γ-FeOOH và một lượng nhỏ α-FeOOH xen kẽ26, và lớp ăn mòn có các vết nứt rõ ràng.
Có thể thấy từ Hình 3f rằng khi nhiệt độ tăng lên 50 °C, không tìm thấy lớp gỉ bên trong dày đặc rõ ràng trong cấu trúc lớp ăn mòn, cho thấy có những khoảng trống giữa các lớp ăn mòn ở 50 °C, khiến cho chất nền không được bao phủ hoàn toàn bởi các sản phẩm ăn mòn. Điều này giúp bảo vệ chống lại xu hướng ăn mòn chất nền ngày càng tăng.
Bảng 2 thể hiện các đặc tính cơ học của bu lông cường độ cao dưới tác động ăn mòn do ứng suất tải trọng không đổi trong các môi trường ăn mòn khác nhau:
Từ Bảng 2 có thể thấy rằng các tính chất cơ học của mẫu bu lông cường độ cao 20MnTiB vẫn đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn sau thử nghiệm ăn mòn gia tốc chu kỳ khô-ướt trong các môi trường ăn mòn mô phỏng khác nhau, nhưng có một số hư hại nhất định so với mẫu không bị ăn mòn. Ở nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng ban đầu, các tính chất cơ học của mẫu không thay đổi đáng kể, nhưng ở nồng độ dung dịch mô phỏng gấp 20 lần hoặc 200 lần, độ giãn dài của mẫu giảm đáng kể. Các tính chất cơ học tương tự nhau ở nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng gấp 20 lần và 200 lần so với ban đầu. Khi giá trị pH của dung dịch ăn mòn mô phỏng giảm xuống 3,5, độ bền kéo và độ giãn dài của mẫu giảm đáng kể. Khi nhiệt độ tăng lên 50°C, độ bền kéo và độ giãn dài giảm đáng kể, và tỷ lệ co ngót diện tích rất gần với giá trị tiêu chuẩn.
Hình thái gãy vỡ của các mẫu thử ăn mòn ứng suất bu lông cường độ cao 20MnTiB dưới các môi trường ăn mòn khác nhau được thể hiện trong Hình 4, bao gồm hình thái vĩ mô của vết gãy, vùng sợi ở trung tâm vết gãy, mép vi mô của giao diện cắt và bề mặt của mẫu.
Hình thái gãy vỡ vĩ mô và vi mô của các mẫu bu lông cường độ cao 20MnTiB trong các môi trường ăn mòn mô phỏng khác nhau (500×): (a) không ăn mòn; (b) 1 lần; (c) 20 ×; (d) 200 ×; (e) pH3,5; (f) pH7,5; (g) 50°C.
Có thể thấy từ Hình 4 rằng vết nứt của mẫu thử ăn mòn ứng suất bu lông cường độ cao 20MnTiB dưới các môi trường ăn mòn mô phỏng khác nhau thể hiện dạng nứt hình chén-hình nón điển hình. So với mẫu không bị ăn mòn (Hình 4a), vùng trung tâm của vết nứt ở khu vực sợi tương đối nhỏ, trong khi vùng mép cắt lớn hơn. Điều này cho thấy các tính chất cơ học của vật liệu bị hư hại đáng kể sau khi bị ăn mòn. Khi nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng tăng lên, các vết rỗ ở khu vực sợi tại trung tâm vết nứt tăng lên, và xuất hiện các đường rách rõ ràng. Khi nồng độ tăng lên gấp 20 lần so với dung dịch ăn mòn mô phỏng ban đầu, các vết rỗ ăn mòn rõ ràng xuất hiện ở giao diện giữa mép cắt và bề mặt mẫu, và có rất nhiều sản phẩm ăn mòn trên bề mặt mẫu.
Từ Hình 3d có thể thấy rõ các vết nứt trong lớp ăn mòn trên bề mặt mẫu, điều này cho thấy lớp ăn mòn không có tác dụng bảo vệ tốt đối với vật liệu nền. Trong dung dịch ăn mòn mô phỏng có pH 3,5 (Hình 4e), bề mặt mẫu bị ăn mòn nghiêm trọng, và diện tích sợi trung tâm bị thu hẹp rõ rệt. Có rất nhiều vết rách không đều ở trung tâm vùng sợi. Khi pH của dung dịch ăn mòn mô phỏng tăng lên, vùng rách ở trung tâm vết nứt trong vùng sợi giảm đi, vết rỗ giảm dần, và độ sâu của vết rỗ cũng giảm dần.
Khi nhiệt độ tăng lên 50 °C (Hình 4g), diện tích mép cắt của vết nứt trên mẫu đạt mức lớn nhất, các vết rỗ ở vùng sợi trung tâm tăng lên đáng kể, độ sâu của vết rỗ cũng tăng lên, và diện tích tiếp xúc giữa mép cắt và bề mặt mẫu tăng lên. Sản phẩm ăn mòn và các vết rỗ tăng lên, điều này xác nhận xu hướng ăn mòn chất nền ngày càng sâu hơn được thể hiện trong Hình 3f.
Giá trị pH của dung dịch ăn mòn sẽ gây ra một số hư hại đến tính chất cơ học của bu lông cường độ cao 20MnTiB, nhưng ảnh hưởng không đáng kể. Trong dung dịch ăn mòn có pH 3,5, một lượng lớn sản phẩm ăn mòn dạng bông hoặc hình kim phân bố trên bề mặt mẫu, và lớp ăn mòn có những vết nứt rõ ràng, không thể tạo thành lớp bảo vệ tốt cho chất nền. Ngoài ra, hình thái vi mô của vết nứt mẫu cho thấy có những vết rỗ ăn mòn rõ ràng và một lượng lớn sản phẩm ăn mòn. Điều này cho thấy khả năng chống biến dạng do lực tác động bên ngoài của mẫu giảm đáng kể trong môi trường axit, và mức độ ăn mòn do ứng suất của vật liệu tăng lên đáng kể.
Dung dịch ăn mòn mô phỏng ban đầu hầu như không ảnh hưởng đến tính chất cơ học của các mẫu bu lông cường độ cao, nhưng khi nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng tăng lên gấp 20 lần so với nồng độ ban đầu, tính chất cơ học của các mẫu bị suy giảm đáng kể, và có dấu hiệu ăn mòn rõ rệt trong cấu trúc vi mô vết nứt, bao gồm các vết rỗ, vết nứt thứ cấp và nhiều sản phẩm ăn mòn. Khi nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng tăng từ gấp 20 lần đến gấp 200 lần so với nồng độ dung dịch ăn mòn mô phỏng ban đầu, ảnh hưởng của nồng độ dung dịch ăn mòn đến tính chất cơ học của vật liệu bị suy yếu.
Khi nhiệt độ ăn mòn mô phỏng là 25℃, giới hạn chảy và độ bền kéo của các mẫu bu lông cường độ cao 20MnTiB không thay đổi nhiều so với các mẫu không bị ăn mòn. Tuy nhiên, dưới nhiệt độ môi trường ăn mòn mô phỏng là 50°C, độ bền kéo và độ giãn dài của mẫu giảm đáng kể, tỷ lệ co ngót mặt cắt gần bằng giá trị tiêu chuẩn, mép cắt gãy lớn nhất, và xuất hiện các vết lõm ở vùng thớ trung tâm. Độ sâu rỗ tăng lên, sản phẩm ăn mòn và các vết rỗ ăn mòn cũng tăng lên. Điều này cho thấy môi trường ăn mòn kết hợp với nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của bu lông cường độ cao, điều này không rõ ràng ở nhiệt độ phòng, nhưng rõ rệt hơn khi nhiệt độ đạt đến 50°C.
Sau thử nghiệm ăn mòn gia tốc trong nhà mô phỏng môi trường khí quyển ở Trùng Khánh, độ bền kéo, giới hạn chảy, độ giãn dài và các thông số khác của bu lông cường độ cao 20MnTiB đã giảm, và xuất hiện hư hỏng do ứng suất rõ rệt. Do vật liệu chịu ứng suất, sẽ xảy ra hiện tượng ăn mòn cục bộ gia tốc đáng kể. Và do tác động kết hợp của sự tập trung ứng suất và các vết ăn mòn, dễ gây ra hư hỏng dẻo rõ rệt cho bu lông cường độ cao, làm giảm khả năng chống biến dạng do lực tác động bên ngoài và làm tăng xu hướng ăn mòn do ứng suất.
Li, G., Li, M., Yin, Y. & Jiang, S. Nghiên cứu thực nghiệm về tính chất của bu lông cường độ cao làm bằng thép 20MnTiB ở nhiệt độ cao. Tạp chí kỹ thuật xây dựng. 34, 100–105 (2001).
Hu, J., Zou, D. & Yang, Q. Phân tích hỏng hóc do gãy của bu lông cường độ cao bằng thép 20MnTiB dùng cho đường ray. Xử lý nhiệt. Kim loại. 42, 185–188 (2017).
Catar, R. & Altun, H. Hành vi nứt ăn mòn do ứng suất của hợp kim Mg-Al-Zn dưới các điều kiện pH khác nhau bằng phương pháp SSRT. Open.Chemical.17, 972–979 (2019).
Nazer, AA et al. Ảnh hưởng của glycine đến hành vi nứt ăn mòn điện hóa và ứng suất của hợp kim Cu10Ni trong nước muối bị nhiễm sunfua. Kỹ thuật công nghiệp. Hóa học. Hồ chứa. 50, 8796–8802 (2011).
Aghion, E. & Lulu, N. Tính chất ăn mòn của hợp kim magie đúc khuôn MRI230D trong dung dịch NaCl 3,5% bão hòa Mg(OH)2. alma mater.character. 61, 1221–1226 (2010).
Zhang, Z., Hu, Z. & Preet, MS Ảnh hưởng của ion clorua đến hành vi ăn mòn tĩnh và ăn mòn do ứng suất của thép mactenxit 9Cr.surf.Technology.48, 298–304 (2019).
Chen, X., Ma, J., Li, X., Wu, M. & Song, B. Tác dụng hiệp đồng của SRB và nhiệt độ đối với hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất của thép X70 trong dung dịch bùn biển nhân tạo. Tạp chí Đảng Xã hội Trung Quốc.coros.Pro.39, 477–484 (2019).
Liu, J., Zhang, Y. & Yang, S. Hành vi ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ 00Cr21Ni14Mn5Mo2N trong nước biển.physics.take an exam.test.36, 1-5 (2018).
Lu, C. Nghiên cứu gãy chậm của bu lông cường độ cao cầu.jaw.Academic school.rail.science.2, 10369 (2019).
Ananya, B. Hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ song pha trong dung dịch kiềm. Luận án Tiến sĩ, Atlanta, GA, Hoa Kỳ: Viện Công nghệ Georgia 137–8 (2008)
Sunada, S., Masanori, K., Kazuhiko, M. & Sugimoto, K. Ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 và NaCl đến hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ SUS304 trong dung dịch nước H2SO4-NaCl. alma mater.trans. 47, 364–370 (2006).
Merwe, JWVD Ảnh hưởng của môi trường và vật liệu đến hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất của thép trong dung dịch H2O/CO/CO2. Inter Milan.J. Koros.2012, 1-13 (2012).
Ibrahim, M. & Akram A. Ảnh hưởng của bicacbonat, nhiệt độ và pH đến quá trình thụ động hóa thép ống API-X100 trong dung dịch nước ngầm mô phỏng. Trong IPC 2014-33180.
Shan, G., Chi, L., Song, X., Huang, X. & Qu, D. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng nứt ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ austenit.coro.be đối lập với.Công nghệ.18, 42–44 (2018).
Han, S. Hiện tượng nứt gãy chậm do hydro gây ra ở một số loại thép cường độ cao dùng cho ốc vít (Đại học Khoa học và Công nghệ Côn Minh, 2014).
Zhao, B., Zhang, Q. & Zhang, M. Cơ chế ăn mòn ứng suất của hợp kim GH4080A dùng cho ốc vít.cross.companion.Hey.treat.41, 102–110 (2020).