Spannungsrisskorrosionsverhalten von 20MnTiB hoch

Wissenschaftliche Berichte Band 11, Artikelnummer: 23894 (2021) Diesen Artikel zitieren

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20MnTiB-Stahl ist das am häufigsten verwendete hochfeste Bolzenmaterial für Stahlkonstruktionsbrücken in China, und seine Leistung ist für den sicheren Betrieb von Brücken von großer Bedeutung. Basierend auf der Untersuchung der atmosphärischen Umgebung in Chongqing in den letzten Jahren wurde in dieser Studie die Korrosionslösung zur Simulation des feuchten Klimas von Chongqing entwickelt und das Spannungskorrosionsexperiment hochfester Schrauben im simulierten feuchten Klima von Chongqing durchgeführt . Es wurden die Auswirkungen von Temperatur, pH-Wert und Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf das Spannungskorrosionsverhalten von hochfesten 20MnTiB-Schrauben untersucht.

20MnTiB-Stahl ist das am häufigsten verwendete hochfeste Bolzenmaterial für Stahlkonstruktionsbrücken in China, und seine Leistung ist für den sicheren Betrieb von Brücken von großer Bedeutung. Li et al.1 testeten die Eigenschaften von 20MnTiB-Stahl, der üblicherweise für hochfeste Schrauben der Güteklasse 10.9 verwendet wird, bei hohen Temperaturen im Bereich von 20–700 °C und ermittelten die Spannungs-Dehnungs-Kurve, Streckgrenze, Zugfestigkeit und Young Modul, Dehnung und Ausdehnungskoeffizient. Zhang et al.2, Hu et al.3 usw. analysierten den Bruch von hochfesten 20MnTiB-Schrauben, die in Stahlbrücken verwendet werden, durch Untersuchung der chemischen Zusammensetzung, Prüfung mechanischer Eigenschaften, Mikrostrukturuntersuchung, Makro- und Mikroanalyse der Gewindezahnoberfläche und Bruchfläche, und die Ergebnisse zeigen, dass der Hauptgrund für den Bruch hochfester Bolzen mit dem Gewindefehler zusammenhängt, der eine große Spannungskonzentration erzeugt, und dass sowohl die Spannungskonzentration an der Rissspitze als auch der Korrosionszustand im Freien Spannungsrisskorrosion verursachen.

Hochfeste Schrauben, die in Stahlbrücken verwendet werden, werden normalerweise über einen langen Zeitraum in feuchter Atmosphäre gewartet. Faktoren wie hohe Luftfeuchtigkeit, hohe Temperaturen sowie die Ansammlung und Aufnahme von Schadstoffen in der Umgebung können sehr leicht zu Korrosion der Stahlkonstruktion führen. Korrosion führt zu Querschnittsverlusten hochfester Schrauben und führt zu zahlreichen Defekten und Rissen. Und diese Defekte und Risse werden sich weiter ausdehnen, was die Lebensdauer hochfester Schrauben verringert und sogar zu deren Bruch führt. Bisher gibt es zahlreiche Untersuchungen zum Einfluss von Umweltkorrosion auf die Spannungskorrosionseigenschaften von Materialien. Catar et al.4 untersuchten das Spannungskorrosionsverhalten von Magnesiumlegierungen mit unterschiedlichem Aluminiumgehalt in saurer, alkalischer und neutraler Umgebung mittels Slow-Stretch-Rate-Test (SSRT). Abdel et al.5 untersuchten das elektrochemische und Spannungsrisskorrosionsverhalten der Cu10Ni-Legierung in 3,5 %iger NaCl-Lösung in Gegenwart unterschiedlicher Konzentrationen von Sulfidionen. Aghion et al.6 bewerteten die Korrosionsleistung der Magnesiumdruckgusslegierung MRI230D in 3,5 %iger NaCl-Lösung durch Eintauchtest, Salzsprühtest, potentiodynamische Polarisationsanalyse und SSRT. Zhang et al.7 untersuchten das Spannungskorrosionsverhalten von martensitischem 9Cr-Stahl mittels SSRT und traditioneller elektrochemischer Prüftechnik und ermittelten die Einflussregel von Chloridionen auf das statische Korrosionsverhalten von martensitischem Stahl bei Raumtemperatur. Chen et al.8 untersuchten das Spannungskorrosionsverhalten und den Rissmechanismus von X70-Stahl in der simulierten Lösung von Meeresschlamm, der SRB enthielt, bei verschiedenen Temperaturen mittels SSRT. Liu et al.9 untersuchten den Einfluss von Temperatur und Zugdehnungsrate auf die Meerwasser-Spannungskorrosionsbeständigkeit von austenitischem Edelstahl 00Cr21Ni14Mn5Mo2N mittels SSRT. Die Ergebnisse zeigten, dass die Temperatur im Bereich von 35–65 °C keinen signifikanten Einfluss auf das Spannungskorrosionsverhalten des Edelstahls hatte. Lu et al.10 bewerteten die verzögerte Bruchempfindlichkeit von Proben mit unterschiedlichen Zugfestigkeitsgraden durch den verzögerten Bruchtest mit konstanter Last und SSRT. Es wird empfohlen, die Zugfestigkeit von hochfesten Schrauben aus 20MnTiB-Stahl und 35VB-Stahl auf 1040–1190 MPa zu kontrollieren. Bei den meisten dieser Studien wird jedoch grundsätzlich eine einfache 3,5-prozentige NaCl-Lösung zur Simulation der Korrosionsumgebung verwendet, während die tatsächliche Betriebsumgebung der hochfesten Schrauben komplexer ist und es viele Einflussfaktoren gibt, wie beispielsweise den pH-Wert von die Lösung, die Temperatur, die Konzentration des Korrosionsmediums usw. Ananya et al.11 untersuchten die Auswirkung von Umgebungsparametern und dem Material im Korrosionsmedium auf die Korrosion und Spannungsrisskorrosion von Duplex-Edelstahl. Sunada et al.12 führten den Spannungsrisskorrosionstest von SUS304-Stahl bei Raumtemperatur in einer wässrigen Lösung durch, die H2SO4 (0–5,5 kmol/m−3) und NaCl (0–4,5 kmol/m−3) enthielt. Außerdem wurde die Wirkung von H2SO4 und NaCl auf den Korrosionstyp von SUS304-Stahl untersucht. Merwe et al.13 untersuchten mittels SSRT den Einfluss von Walzrichtung, Temperatur, CO2/CO-Konzentration, Luftdruck und Korrosionszeit auf die Spannungskorrosionsempfindlichkeit von A516-Druckbehälterstahl. Ibrahim et al.14 verwendeten NS4-Lösung als Grundwassersimulationslösung, um die Auswirkung von Umweltparametern wie der Konzentration von Bikarbonat-Ionen (HCO), dem pH-Wert und der Temperatur auf die Spannungsrisskorrosion von API-X100-Pipelinestahl nach dem Abziehen der Beschichtung zu untersuchen. Shan et al.15 untersuchten die Änderungsregel der Spannungsrisskorrosionsempfindlichkeit von austenitischem Edelstahl 00Cr18Ni10 mit der Temperatur unter dem Schwarzwassermediumzustand einer simulierten Kohlewasserstoffanlage durch SSRT unter verschiedenen Temperaturbedingungen (30–250 °C). Han et al.16 charakterisierten die Wasserstoffversprödungsempfindlichkeit hochfester Schraubenproben mithilfe des verzögerten Bruchtests bei konstanter Last und der SSRT. Zhao17 untersuchte den Einfluss von pH, SO42−, Cl−1 auf das Spannungskorrosionsverhalten der GH4080A-Legierung mittels SSRT. Die Ergebnisse zeigten, dass die Spannungskorrosionsbeständigkeit der GH4080A-Legierung umso schlechter ist, je niedriger der pH-Wert ist. Es weist eine offensichtliche Spannungskorrosionsempfindlichkeit gegenüber Cl−1 auf und ist bei Raumtemperatur unempfindlich gegenüber dem SO42−-Ionenmedium. Es gibt jedoch nur wenige Studien zum Einfluss von Umweltkorrosion auf hochfeste 20MnTiB-Stahlschrauben.

Um die Gründe für das Versagen hochfester Schrauben in Brücken herauszufinden, hat der Autor eine Reihe von Studien durchgeführt. Zunächst wurden die räumlichen und zeitlichen Verteilungseigenschaften ausgefallener hochfester Schrauben in der Chaotianmeng-Brücke analysiert18, dann wurden repräsentative Ausfälle analysiert Es wurden hochfeste Schraubenproben ausgewählt und die Ursachen des Versagens dieser Proben aus der Perspektive der chemischen Zusammensetzung, der Mikromorphologie von Brüchen, der metallografischen Struktur und der Analyse der mechanischen Eigenschaften diskutiert19,20. Basierend auf der Untersuchung der atmosphärischen Umgebung in Chongqing in den letzten Jahren wurde die Korrosionslösung zur Simulation des feuchten Klimas von Chongqing entwickelt. Es wurden das Spannungskorrosionsexperiment, das elektrochemische Korrosionsexperiment und das Korrosionsermüdungsexperiment hochfester Schrauben im simulierten feuchten Klima von Chongqing durchgeführt. In dieser Studie wurden die Auswirkungen von Temperatur, pH-Wert und Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf das Spannungskorrosionsverhalten von hochfesten 20MnTiB-Schrauben durch Tests der mechanischen Eigenschaften, die Makro- und Mikroanalyse der Bruchfläche und der Oberflächenkorrosionsprodukte untersucht.

Chongqing liegt im Südwesten Chinas und am Oberlauf des Jangtsekiang, der zu einem subtropischen Monsun-Feuchtklima gehört. Die Jahresdurchschnittstemperatur beträgt 16–18 °C, die jährliche durchschnittliche relative Luftfeuchtigkeit beträgt meist 70–80 %, die jährliche Sonnenscheindauer beträgt 1000–1400 Stunden und der Sonnenscheinanteil beträgt nur 25–35 %.

Relevanten Berichten über Sonnenschein und Umgebungstemperatur von Chongqing aus den Jahren 2015 bis 2018 zufolge beträgt die tägliche Durchschnittstemperatur in Chongqing 17 °C am niedrigsten und 23 °C am höchsten, und die maximale Temperatur des Körpers der Chaotianmen-Brücke in Chongqing kann 50 °C erreichen °C21,22. Daher wurde das Temperaturniveau des Spannungskorrosionstests auf 25 °C und 50 °C festgelegt.

Der pH-Wert der simulierten Korrosionslösung bestimmt direkt die Menge an H+, aber je niedriger der pH-Wert ist, desto wahrscheinlicher ist es jedoch, dass Korrosion auftritt. Die Auswirkungen des pH-Werts auf die Ergebnisse sind je nach Material und Lösung unterschiedlich. Um die Wirkung einer simulierten Korrosionslösung auf die Spannungskorrosionsleistung hochfester Schrauben besser untersuchen zu können, wurde der pH-Wert des Spannungskorrosionsexperiments in Kombination mit Literaturrecherchen23 und dem jährlichen Regenwasser-pH-Bereich von Chongqing auf 3,5, 5,5 und 7,5 festgelegt 2010 bis 2018.

Je höher die Konzentration der simulierten Korrosionslösung ist, desto höher ist der Ionengehalt in der simulierten Korrosionslösung, desto größer ist die Auswirkung auf die Leistung des Materials. Um den Einfluss der Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf die Spannungskorrosion hochfester Schrauben zu untersuchen und den beschleunigten Korrosionstest im künstlichen Labor durchzuführen, wurde die Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf 4 Stufen eingestellt: keine Korrosion, ursprüngliche simulierte Korrosionslösungskonzentration (1 ×), 20 × die ursprüngliche simulierte Korrosionslösungskonzentration (20 ×) bzw. 200 × die ursprüngliche simulierte Korrosionslösungskonzentration (200 ×).

Die Umgebung mit einer Temperatur von 25 °C, einem pH-Wert von 5,5 und der Konzentration der ursprünglich simulierten Korrosionslösung kommt dem tatsächlichen Betriebszustand der in der Brücke verwendeten hochfesten Schraube am nächsten. Um den Korrosionstestprozess zu beschleunigen, wurden jedoch die experimentellen Bedingungen einer Temperatur von 25 °C, eines pH-Werts von 5,5 und einer 200-fachen Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung als Referenzkontrollgruppe festgelegt. Bei der Untersuchung der Auswirkungen von Temperatur, Konzentration oder pH-Wert der simulierten Korrosionslösung auf die Spannungskorrosionsleistung der hochfesten Schraube blieben andere Faktoren unverändert, ebenso wie das experimentelle Niveau der Referenzkontrollgruppe.

Laut dem kurzen Bericht über die Qualität der atmosphärischen Umwelt, der 2010–2018 vom Büro für ökologische Umwelt der Stadt Chongqing herausgegeben wurde und sich auf die Niederschlagszusammensetzung in Chongqing bezieht, über die Zhang24 und andere Literatur berichteten, wurde die simulierte Korrosionslösung durch Förderung der Konzentration von SO42− entwickelt zur Niederschlagszusammensetzung im Hauptstadtgebiet von Chongqing im Jahr 2017. Die Zusammensetzung der simulierten Korrosionslösung ist in Tabelle 1 wie folgt dargestellt:

Die simulierte Korrosionslösung wurde mit analytischem Reagenz und destilliertem Wasser gemäß der Methode des chemischen Ionenkonzentrationsausgleichs hergestellt. Und der pH-Wert der simulierten Korrosionslösung wurde mithilfe des Präzisions-pH-Meters, der Salpetersäurelösung und der Natriumhydroxidlösung eingestellt.

Um die feuchte Klimaumgebung in Chongqing zu simulieren, wurde der Salzsprühtester speziell modifiziert und entwickelt25. Wie in Abb. 1 dargestellt, gibt es in dieser Versuchsanlage zwei Systeme: das Salzsprühsystem und das Lichtsystem. Das Salzsprühsystem ist die Hauptfunktion dieser Versuchsausrüstung, die aus einem Steuerteil, einem Sprühteil und einem Induktionsteil besteht. Die Funktion des Sprühteils besteht darin, Salzspray durch einen Luftkompressor in die Prüfkammer zu pumpen. Der Induktionsteil besteht aus einem Temperaturmesselement, das die Temperatur in der Prüfkammer induziert. Der Steuerteil besteht aus einem Mikrocomputer, der den Sprühteil und den Induktionsteil verbindet und so den gesamten Versuchsprozess steuert. Das Beleuchtungssystem ist in der Salzsprühtestkammer installiert, um Sonnenschein zu simulieren. Das Beleuchtungssystem besteht aus einer Infrarotlampe und einem Zeitregler. Gleichzeitig ist in der Salzsprühtestkammer ein Temperatursensor installiert, der die Temperatur rund um die Probe in Echtzeit überwacht.

Schematische Darstellung eines Salzsprühtestgeräts zur Simulation atmosphärischer Korrosion.

Die Spannungskorrosionsproben unter konstanter Belastung wurden gemäß der Norm NACETM0177-2005 (Laborprüfung von Metallen auf Widerstand gegen Sulfid-Spannungsrissbildung und Spannungsrisskorrosion in H2S-Umgebungen) verarbeitet. Die Spannungskorrosionsproben wurden zunächst mit Aceton und mechanischer Ultraschallreinigung gereinigt, um Ölreste zu entfernen, und dann mit Alkohol entwässert und in einem Trockenofen getrocknet. Anschließend wurden die sauberen Proben in die Testkammer des Salzsprühtestgeräts gegeben, um die Korrosion in der feuchten Klimaumgebung von Chongqing zu simulieren. Gemäß der Norm NACETM0177-2005 und der Salzsprühtestnorm GB/T 10.125–2012 wurde die experimentelle Zeit der Spannungskorrosion unter konstanter Belastung in dieser Studie einheitlich mit 168 Stunden bestimmt. Der Zugversuch der korrodierten Proben unter verschiedenen Korrosionsbedingungen wurde auf der Universal-Zugprüfmaschine MTS-810 durchgeführt und die mechanischen Eigenschaften sowie die Bruchkorrosionsmorphologie analysiert.

Die Makromorphologie und Mikromorphologie der Oberflächenkorrosion von Spannungskorrosionsproben hochfester Schrauben unter verschiedenen Korrosionsbedingungen sind in den Abbildungen dargestellt. 2 bzw. 3.

Makromorphologie von Spannungskorrosionsproben von hochfesten 20MnTiB-Schrauben in verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen: (a) keine Korrosion; (b) 1 Mal; (c) 20 ×; (d) 200 ×; (e) pH 3,5; (f) pH 7,5; (g) 50 °C.

Mikromorphologie von Korrosionsprodukten hochfester 20MnTiB-Schrauben in verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen (100 ×): (a) 1 Mal; (b) 20 ×; (c) 200 ×; (d) pH 3,5; (e) pH 7,5; (f) 50 °C.

Aus Abb. 2a ist ersichtlich, dass die Oberfläche der hochfesten Schraubenprobe ohne Korrosion einen hellen metallischen Glanz aufweist und kein offensichtliches Korrosionsphänomen aufweist. Unter den Bedingungen der ursprünglich simulierten Korrosionslösung (Abb. 2b) bedecken sepiafarbene und bräunlich-rote Korrosionsprodukte teilweise die Probenoberfläche, und einige Bereiche der Oberfläche weisen immer noch einen offensichtlichen metallischen Glanz auf, was darauf hindeutet, dass nur einige Bereiche der Probe vorhanden sind Probenoberflächen weisen Lochfraß auf und die simulierte Korrosionslösung hat nur geringe Auswirkungen auf die Leistung des Materials. Aber unter der Bedingung, dass die Konzentration der ursprünglich simulierten Korrosionslösung 20-mal höher ist (Abb. 2c), ist die Oberfläche der hochfesten Schraubenprobe vollständig von einer großen Anzahl sepiafarbener Korrosionsprodukte und einer kleinen Anzahl bräunlich-roter Korrosion bedeckt Bei diesen Produkten ist kein offensichtlicher Metallglanz zu erkennen, und in der Nähe der Substratoberfläche befinden sich einige bräunlich-schwarze Korrosionsprodukte. Und unter der Bedingung einer 200-fachen Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung (Abb. 2d) ist die Oberfläche der Probe vollständig mit Sepia-Korrosionsprodukten bedeckt, und in einigen Bereichen erscheinen bräunlichschwarze Korrosionsprodukte.

Mit dem Absinken des pH-Werts auf 3,5 (Abb. 2e) sind die Sepia-Korrosionsprodukte auf der Oberfläche der Probe am stärksten und einige Korrosionsprodukte haben sich abgeschält.

Abbildung 2g zeigt, dass mit steigender Temperatur auf 50 °C der Gehalt an braunroten Korrosionsprodukten auf der Oberfläche der Probe stark abnimmt, während die hellen Sepia-Korrosionsprodukte die Oberfläche der Probe in großem Umfang bedecken. Die Schichten der Korrosionsprodukte sind relativ locker und einige bräunlich-schwarze Produkte haben sich abgeblättert.

Wie in Abb. 3 dargestellt, sind die Korrosionsprodukte auf der Oberfläche von 20MnTiB-Spannungskorrosionsproben mit hochfesten Bolzen in verschiedenen Korrosionsumgebungen offensichtlich geschichtet, und die Dicke der Korrosionsschicht nimmt mit der Konzentration der simulierten Korrosionslösung zu. Unter der Bedingung der ursprünglich simulierten Korrosionslösung (Abb. 3a) können die Korrosionsprodukte auf der Probenoberfläche in zwei Schichten unterteilt werden: Die Korrosionsprodukte auf der äußersten Schicht sind gleichmäßig verteilt, es treten jedoch zahlreiche Schildkrötenrisse auf; Die innere Schicht besteht aus losen Clusterkorrosionsprodukten. Unter der Bedingung einer 20-fachen Konzentration der ursprünglich simulierten Korrosionslösung (Abb. 3b) kann die Korrosionsschicht auf der Probenoberfläche in drei Schichten unterteilt werden: Die äußerste Schicht besteht hauptsächlich aus verstreuten Cluster-Korrosionsprodukten, die locker und porös sind und dies auch tun keine gute Schutzleistung haben; Die mittlere Schicht ist eine gleichmäßige Korrosionsproduktschicht, weist jedoch deutliche Risse auf, so dass die korrosiven Ionen durch die Risse dringen und die Matrix erodieren können. Die Innenschicht ist eine dichte Korrosionsproduktschicht ohne offensichtliche Risse, die eine gute Schutzwirkung auf die Matrix hat. Unter der Bedingung einer 200-fachen Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung (Abb. 3c) kann die Korrosionsschicht auf der Probenoberfläche in drei Schichten unterteilt werden: Die äußerste Schicht ist eine dünne und gleichmäßige Korrosionsproduktschicht; Die mittlere Schicht besteht hauptsächlich aus blütenblattförmigen und blattförmigen Korrosionsprodukten. und die innere Schicht ist eine dichte Korrosionsproduktschicht ohne offensichtliche Risse und Löcher, die eine gute Schutzwirkung auf die Matrix hat.

Aus Abb. 3d ist ersichtlich, dass sich in der simulierten Korrosionsumgebung mit einem pH-Wert von 3,5 eine große Anzahl flockiger oder nadelförmiger Korrosionsprodukte auf der Oberfläche von hochfesten 20MnTiB-Bolzenproben befindet. Es wird vermutet, dass es sich bei diesen Korrosionsprodukten hauptsächlich um γ-FeOOH und eine kleine Menge α-FeOOH mit gestaffelter Verteilung handelt26, und dass es offensichtliche Risse in der Korrosionsschicht gibt.

Aus Abb. 3f ist ersichtlich, dass bei einer Temperaturerhöhung auf 50 °C keine offensichtliche dichte innere Rostschicht in der Struktur der Korrosionsschicht zu finden ist, was darauf hindeutet, dass bei 50 °C eine Lücke zwischen den Korrosionsschichten besteht, was zu einer Lücke führt Die Matrix wird nicht vollständig von Korrosionsprodukten bedeckt, um Schutz zu bieten, und die Korrosionstendenz der Matrix wird verstärkt.

Die mechanischen Eigenschaften hochfester Schrauben unter konstanter Lastspannungskorrosion in verschiedenen Korrosionsumgebungen sind in Tabelle 2 dargestellt:

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die mechanischen Eigenschaften hochfester 20MnTiB-Schraubenproben nach dem beschleunigten Korrosionstest im Trocken- und Nasszyklus unter verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen immer noch den Standardanforderungen entsprechen, im Vergleich zu nicht korrodierten Proben jedoch einige Schäden auftreten Probe. Unter der Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung änderten sich die mechanischen Eigenschaften der Probe nicht wesentlich, aber unter der Konzentration von 20 × oder 200 × der simulierten Lösung nahm die Dehnung der Probe deutlich ab. Die mechanischen Eigenschaften waren bei 20-facher und 200-facher Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung ähnlich. Als der pH-Wert der simulierten Korrosionslösung auf 3,5 sank, nahmen die Zugfestigkeit und die Dehnung der Probe deutlich ab. Steigt die Temperatur auf 50 °C, nehmen Zugfestigkeit und Dehnung deutlich ab und die Schrumpfung des Abschnitts liegt sehr nahe am Normwert.

Die Bruchmorphologie von 20MnTiB-Spannungskorrosionsproben hochfester Bolzen unter verschiedenen Korrosionsumgebungen ist in Abb. 4 dargestellt. Dies ist wiederum die Makromorphologie des Bruchs, der zentrale Faserbereich des Bruchs und die Mikromorphologie der Grenzfläche zwischen Scherung Lippenkante und der Probenoberfläche.

Makro- und Mikrobruchmorphologie einer hochfesten 20MnTiB-Bolzenprobe in verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen (500 ×): (a) keine Korrosion; (b) 1 Mal; (c) 20 ×; (d) 200 ×; (e) pH 3,5; (f) pH 7,5; (g) 50 °C.

Aus Abb. 4 ist ersichtlich, dass der Bruch von Spannungskorrosionsproben von hochfesten 20MnTiB-Schrauben in verschiedenen simulierten Korrosionsumgebungen einen typischen Becherkegelbruch darstellt und im Vergleich zu den Proben ohne Korrosion (Abb. 4a) die Faserfläche vergrößert Der Bereich im Zentrum der Fraktur ist relativ kleiner und der Bereich der Scherlippe ist größer. Dies zeigt, dass nach der Korrosion die mechanischen Eigenschaften des Materials offensichtlich beeinträchtigt sind. Mit zunehmender Konzentration der simulierten Korrosionslösung vergrößerte sich die Vertiefung im zentralen Faserbereich des Bruchs und es traten deutliche Rissschlitze auf. Wenn die Konzentration auf das 20-fache der ursprünglich simulierten Korrosionslösungskonzentration ansteigt, treten an der Grenzfläche zwischen der Kante der Scherlippe und der Oberfläche der Probe offensichtliche Korrosionsgruben auf, und auf der Oberfläche der Probe befinden sich viele Korrosionsprodukte Probe.

Wie aus Abb. 3d hervorgeht, weist die Korrosionsschicht auf der Probenoberfläche offensichtliche Risse auf und bietet keinen guten Schutz für die Matrix. In der simulierten Korrosionslösung mit einem pH-Wert von 3,5 (Abb. 4e) ist die Probenoberfläche stark korrodiert. und der zentrale Faserbereich ist offensichtlich klein und es gibt viele unregelmäßige Reißschlitze in der Mitte des Faserbereichs. Mit der Erhöhung des pH-Werts der simulierten Korrosionslösung nahm das Reißband des zentralen Faserbereichs der Bruchfläche ab, die Grübchen nahmen allmählich ab und auch die Grübchentiefe nahm allmählich ab.

Wenn die Temperatur auf 50 °C ansteigt (Abb. 4g), ist die Scherlippenfläche der Bruchfläche der Probe am größten, das Grübchen im zentralen Faserbereich nimmt deutlich zu und auch die Grübchentiefe nimmt zu Korrosionsprodukte und Grübchen an der Grenzfläche zwischen der Kante der Scherlippe und der Probenoberfläche nehmen zu, was die in Abb. 3f dargestellte zunehmende Korrosionstendenz der Matrix bestätigt.

Der pH-Wert der Korrosionslösung führt zu gewissen Schäden an den mechanischen Eigenschaften der hochfesten 20MnTiB-Schraube, die Auswirkung ist jedoch nicht signifikant. In der Korrosionslösung mit einem pH-Wert von 3,5 verteilen sich viele flockige oder nadelförmige Korrosionsprodukte auf der Oberfläche der Probe, und es gibt offensichtliche Risse in der Korrosionsschicht, die keinen guten Schutz für die Matrix bilden können. Und es gibt erhebliche Korrosionsgruben und eine große Anzahl von Korrosionsprodukten in der Mikromorphologie des Probenbruchs. Dies zeigt, dass die Fähigkeit der Proben, der Verformung durch äußere Kräfte zu widerstehen, in der sauren Umgebung deutlich abnimmt und der Grad der Spannungskorrosionstendenz des Materials deutlich zunimmt.

Die ursprünglich simulierte Korrosionslösung hat nur geringe Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der hochfesten Schraubenproben, aber wenn die Konzentration der simulierten Korrosionslösung auf das 20-fache der ursprünglichen Konzentration der simulierten Korrosionslösung ansteigt, werden die mechanischen Eigenschaften der Proben offensichtlich beschädigt , und es gibt erhebliche Korrosionsgruben, Sekundärrisse und eine große Anzahl von Korrosionsprodukten in der Bruchmikromorphologie. Wenn die Konzentration der simulierten Korrosionslösung vom 20- bis 200-fachen der Konzentration der ursprünglichen simulierten Korrosionslösung ansteigt, wird die Wirkung der Konzentration der Korrosionslösung auf die mechanischen Eigenschaften des Materials abgeschwächt.

Die Streckgrenze und Zugfestigkeit von hochfesten 20MnTiB-Schraubenproben veränderten sich im Vergleich zu nicht korrodierten Proben kaum, wenn die simulierte Korrosionstemperatur 25 °C betrug. Während unter der simulierten Korrosionsumgebungstemperatur von 50 °C die Zugfestigkeit und Dehnung der Probe deutlich abnahmen, lag die Querschnittsschrumpfung nahe am Standardwert, die Scherlippe des Bruchs war am größten, die Vertiefung im zentralen Faserbereich nahm deutlich zu, die Grübchentiefe nahm zu und die Korrosionsprodukte und Korrosionsgruben nahmen zu. Dies deutete darauf hin, dass die temperatursynergistische Korrosionsumgebung einen großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften hochfester Schrauben hatte, was bei Raumtemperatur nicht offensichtlich ist, aber umso bedeutender, wenn die Temperatur 50 °C erreicht.

Nach dem beschleunigten Korrosionstest in Innenräumen, der die atmosphärische Umgebung von Chongqing simulierte, wurden die Zugfestigkeit, die Streckgrenze, die Dehnung und andere Parameter der hochfesten 20MnTiB-Schraube verringert, und es traten offensichtliche Spannungsschäden auf. Da sich das Material im Spannungszustand befindet, kommt es zu einer deutlichen lokalen Korrosionsbeschleunigung. Und aufgrund der umfassenden Wirkung von Spannungskonzentration und Korrosionsgrube kann es leicht zu offensichtlichen plastischen Schäden an hochfesten Schrauben kommen, die Fähigkeit, Verformungen durch äußere Kräfte zu widerstehen, verringert und die Tendenz zur Spannungskorrosion erhöht werden.

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Die Autoren sind dankbar für die Unterstützung von Chongqing Cheng Tou Road and Bridge Administration Co.Ltd und Chongqing Key Laboratory of Energy and Environment Engineering.

Yibin University, Yibin, 644000, Volksrepublik China

Lin Chen und Juan Wen

Chongqing Cheng Tou Road and Bridge Administration Co. Ltd, Chongqing, 400060, Volksrepublik China

Juan Wen, Luyu Zhang, Zheng Li und Chengwu Ming

School of New Energy and Materials, Southwest Petroleum University, Chengdu, 610500, Volksrepublik China

Guangwen Li

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LC, JW, LZ und GL haben den Hauptmanuskripttext geschrieben. LC und JW haben den Manuskripttext geändert. ZL und CM lieferten einige Ideen und Methoden. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Juan Wen, Luyu Zhang oder Guangwen Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Chen, L., Wen, J., Zhang, L. et al. Spannungsrisskorrosionsverhalten von hochfesten 20MnTiB-Schrauben in der Simulation eines feuchten Klimas in Chongqing. Sci Rep 11, 23894 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-03302-y

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Eingegangen: 01. Juni 2021

Angenommen: 23. November 2021

Veröffentlicht: 13. Dezember 2021

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-03302-y

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