Estudo sobre Corrosão e Propriedades Mecânicas de Aço Novo para Torre de Ferro

(1 Escola de Metalurgia e Engenharia de Energia, Universidade de Ciência e Tecnologia de Chongqing, Chongqing 401331;2 Sino-Cingapura (Chongqing) Instituto de Pesquisa de Materiais de Ultra Alta Resistência Co.. , Ltd. , Chongqing 401326;3 Hangta Comunicação. , Ltd. , AnhuiSuzhou 234000, China)

Resumo: Uma torre de aço Q235B e três Q420B com diferentes elementos de liga foram selecionadas para análise de composição química por espectrômetro de emissão atômica. A solução de NaCl foi selecionada como ambiente líquido para polarização do potencial de ação e teste de impedância eletroquímica das propriedades de corrosão, teste de imersão química para estudar a morfologia e os produtos, propriedades mecânicas foram analisadas por teste de tração. Os resultados mostraram que o desempenho à corrosão dos três aços Q420B foi melhor que o do Q235B., devido ao conteúdo diferente de Si, Cr e outros elementos, a estabilidade dos filmes passivados na superfície dos materiais era diferente, resultando em diferentes propriedades de corrosão, o conteúdo do elemento V foi aumentado para otimizar as propriedades mecânicas, A simulação do software JMatPro provou que o aumento do teor de Mn poderia promover a estabilidade do tecido e melhorar as propriedades mecânicas.

Palavras-chave: aço para torre; desempenho de corrosão; curva de polarização; propriedades mecânicas; curva de resfriamento contínuo

O aço usado nas torres é uma parte importante do sistema de comunicação. A segurança das torres das estações base de comunicação é a premissa básica para garantir o funcionamento normal do sistema de comunicação, e também é uma parte importante do controle de custos do ciclo de vida. Como alternativa ao aço angular Q235, O aço de alta resistência Q420B tem apresentado grande potencial de aplicação em estruturas de engenharia devido ao seu peso leve e alta resistência. Tem vantagens óbvias na segurança estrutural, economia de energia e proteção ambiental, e pode produzir bons benefícios económicos. É amplamente utilizado na indústria de comunicação3-4.
As torres da estação base de comunicação são a base da rede de comunicação. A falha ou colapso de uma torre geralmente leva a um efeito dominó, afetando múltiplas torres adjacentes, que não só causará enormes perdas económicas, mas também faz com que as redes de comunicação regionais sejam paralisadas, e até mesmo caos social5. Apesar das atuais muitas especificações e diretrizes de design, o colapso e os danos das torres ainda podem ser observados em todo o mundo6.
Uma das razões para o colapso e danos das torres é que o ambiente de serviço é complexo e diversificado. A superfície do material da torre produzirá diferentes graus de corrosão devido à acidez e alcalinidade do ambiente, resultando em
consequências graves, como ferrugem e perda de materiais. De acordo com pesquisas relevantes, aço de alta resistência tem alta resistência e capacidade de carga. O uso de cantoneira de aço Q420 pode reduzir o peso do material em 4,9% ~ 7,8%. Se o aço angular de grande porte Q420B substituir o aço angular Q235B, pode efetivamente reduzir o peso total da torre, economize aço, e reduzir custos de transporte e instalação. Assim sendo, é de grande importância desenvolver grandes, high-strength and low-temperature impact-resistant angle steel for towers [8.
In order to explore the differences in corrosion and mechanical properties of Q420B relative to Q235B, three Q420B plates with different alloy element contents and one 235B plate were selected within the national standard range. Ao mesmo tempo, the JMatPro software simulation proved that the alloy element content has an important influence on the corrosion and mechanical properties of the material7.

Experimental materials and methods

The two experimental materials were selected from 200mm×500mm×8mm plates, Q235B steel sampling number 1#, Q420B steel sampling number 2#-4#. The samples were cut according to the specifications of 10mm×10mm×8mm, polished with sandpaper, rinsed and dried, e a composição química das amostras foi determinada por espectrômetro de emissão atômica. Os resultados são mostrados na Tabela 1.
As amostras foram cortadas com as mesmas especificações, polido para 2000 malha com lixa, e a corrosão superficial foi realizada com solução de álcool ácido nítrico após polimento e secagem, e a observação da microestrutura foi realizada por microscópio eletrônico de varredura. O experimento eletroquímico foi realizado à temperatura ambiente usando a estação de trabalho eletroquímica PARSTAT4000, usando um sistema de teste tripolar, o eletrodo de referência (RÉ) usou um eletrodo de calomelano, o eletrodo de comparação (CE) usei um eletrodo de platina, e o eletrodo de trabalho (NÓS) foi 1#~4# amostras. A solução de trabalho foi 3.5% Solução de NaCl. Durante o experimento eletroquímico, o tempo de teste de potencial de circuito aberto foi de 1200s; após o teste de impedância, o potencial de circuito aberto foi testado novamente por 600s. Os resultados do teste do espectro de impedância de perfuração eletroquímica foram expressos usando o espectro de Nyquist.

O teste de imersão foi realizado à temperatura ambiente. As amostras foram selecionadas como 1# amostra e 4# amostra de aço Q420B (a composição química dos dois experimentos foi a maior). Três condições experimentais foram definidas, ou seja, diluir HCl (pH=3), NaOH (pH=11) e 5% Solução de NaCl. O tempo de imersão foi 168h. Depois que a imersão foi concluída, as amostras foram retiradas, enxaguado com etanol anidro e seco. A morfologia da corrosão foi observada por microscopia eletrônica de varredura, e o tipo de produtos de corrosão foi explorado por varredura de superfície. As propriedades mecânicas do material foram determinadas por ensaio de tração. De acordo com as disposições do “Room Temperature Tensile Test Method for Metallic Materials”, a standard specimen was taken from each of the 1#~4# samples. The specific size and shape of the standard specimen are shown in Figure 1, where the width b=30mm and the length b=30mm; the hardness test was carried out by Vickers hardness tester, e 10 measurement points were selected. The results were averaged after removing the extreme values. In this study, the static CCT curve was obtained by simulating different gradient Mn contents through JMatPro software, and the changes in material structure and performance were further analyzed.

2 Experimental results

The SEM microstructure of the 1#~4# samples in the original state is shown in Figure 2(uma). o 1# sample has irregular structure and unclear structure characteristics. The 2#~4# samples are pearlite. In addition to the clear rolling direction of the microstructure, a estrutura da matriz perlita é em camadas.
Figura 2 (porque) mostra as curvas de polarização e espectros de Nyquist das amostras 1#~4# obtidas pela estação de trabalho eletroquímica sob as condições de 3.5% Solução neutra de NaCl. O potencial de corrosão (E) e densidade de corrente de corrosão (J) calculados a partir das curvas de polarização são mostrados na Tabela 2. No ambiente de solução neutra, o potencial de corrosão (E_corr) do 1# amostra é -0.863V, e os potenciais de corrosão das amostras 2#~4# são -0.871V, -0.737V e -0.710V, respectivamente, que tendem a ser positivos em geral. Durante o experimento eletroquímico, as regiões anódicas das quatro amostras mostraram vários graus de passivação, resultando em vários graus de flutuação nas curvas de polarização, como mostrado na figura 2(b). Figura 2(c) mostra os espectros de impedância eletroquímica das amostras 1#~4#, onde o raio de impedância da amostra 1# está incompleto, enquanto a impedância da amostra 4# é o mais completo. Em solução neutra, a resistência à corrosão das duas amostras é bastante diferente. Pelo contrário, o raio de impedância das amostras 2#~3# é relativamente pequeno, e sua resistência à corrosão é semelhante em um ambiente de solução neutra.

Depois do 1# amostra foi imersa em três soluções diferentes de HCl diluído, NaOH e 5% NaCl, sua imagem SEM é mostrada na Figura 3. Como pode ser visto na Figura 3a, sob condições ácidas, ocorre corrosão por pite, e existem poços de corrosão de vários graus e números na superfície da amostra. A composição química da área de corrosão é mostrada na Figura 4a, e a área de corrosão mostra principalmente o enriquecimento de O. Depois que a amostra foi imersa em uma solução alcalina, regional, denso, e partículas peroladas de formatos diferentes apareceram na superfície da amostra, conforme mostrado na Figura 3b; a composição química das partículas é mostrada na Figura 4b, e apenas o sinal do elemento O é o mais forte. Assim sendo, em um ambiente alcalino, oxidação grave ocorre na superfície da amostra. A corrosão em ambiente alcalino reduz principalmente a vida útil do material através da oxidação. Depois de estar imerso em um 5% Solução de NaCl, a estrutura superficial da amostra não sofreu corrosão óbvia, e o desempenho de corrosão do material foi relativamente estável em um ambiente líquido neutro.

Depois do 4# amostra foi imersa em três soluções diferentes, nomeadamente, diluir HCl, NaOH e 5% Solução de NaCl, sua imagem SEM é mostrada na Figura 5. Na Figura 5a, pode-se observar que não há poços de corrosão e partículas de corrosão na área de corrosão da superfície da amostra, e a área de corrosão é pequena com poucos pontos de corrosão. A composição química da área de corrosão é mostrada na Figura 6a. Há um fenômeno óbvio de enriquecimento de O dentro da área de corrosão, mas não há enriquecimento de elementos como C, e, Cl e Na. Depois que a amostra foi imersa em uma solução alcalina, partículas peroladas foram anexadas (Figura 5b); a composição química do produto de corrosão é determinada conforme mostrado na Figura 6b. O é enriquecido na área de corrosão na superfície da amostra, e o fenômeno de oxidação do material é grave em condições de solução alcalina.

Figo. 7 Curva tensão-deformação e curva de resfriamento contínuo

Figo. 7(uma) é a curva tensão-deformação do aço ao longo da direção de laminação. O eixo horizontal é a deformação nominal da amostra dentro do comprimento de medição do extensômetro de 50 mm; o eixo vertical é a tensão média da seção transversal intermediária da amostra. A curva tensão-deformação inclui estágio elástico, estágio de rendimento, estágio de fortalecimento e estágio de falha. A tensão elástica do estágio 1# amostra é significativamente menor do que a das outras três amostras. Sua resistência à tração e resistência ao escoamento são 458,9 MPa e 328 MPa, respectivamente, e o alongamento é apenas 27.5%. A resistência à tração e a resistência ao escoamento das amostras 2#~4# estão aumentando, com os valores máximos atingindo 555MPa e 379,3MPa respectivamente. A faixa de distribuição de alongamento é de 25,8% ~ 31,0%, e o alongamento médio é 28.4%, que é maior que o alongamento do 1# espécime. Considerando de forma abrangente as três propriedades mecânicas, a 1# amostra tem as piores propriedades mecânicas, e o 4# amostra tem as melhores propriedades mecânicas.
Os resultados da simulação da curva CCT correspondente a diferentes teores de Mn são mostrados na Fig.. 7(b). Entre eles, F representa ferrita, P representa perlita, e M representa a temperatura de transformação da martensita; A_c representa a temperatura inicial da transformação do processo de aquecimento em austenita; A_c3 representa a temperatura final da mudança estrutural do aço na etapa do processo de aquecimento para transformação completa em austenita. As figuras a e b são o resfriamento contínuo (TCC) curvas de amostras 1# e 4#, respectivamente. Durante o processo de resfriamento contínuo em diferentes taxas de resfriamento, a austenita super-resfriada sofrerá diferentes transformações de fase, e a estrutura e morfologia formadas mudarão de acordo.
De acordo com a medição, a temperatura inicial de transformação da austenita no ponto A_c1 durante o aquecimento da amostra original é 722,3 ℃, e o ponto A_c3 da temperatura final da transformação é 849,5 ℃. Com o aumento da taxa de resfriamento, o ponto de partida da transformação de fase mostra uma tendência descendente, e a microestrutura transita gradualmente de ferrita e perlita para bainita. Quando a taxa de resfriamento é inferior a 1℃/s, a precipitação de perlita aumenta gradualmente, e bainita aparecerão se o resfriamento continuar. Quando a taxa de resfriamento atinge 1~10^∘ C/s, a precipitação da perlita atinge seu máximo. Com o aumento da taxa de resfriamento, quando excede 10℃/s, a fase de precipitação é principalmente bainita. Se o resfriamento continuar, a austenita super-resfriada eventualmente se transformará em martensita. Quando o teor de Mn aumenta, a temperatura de transformação da austenita durante o aquecimento torna-se 705,9 ℃, e a temperatura final da transformação torna-se 822,4 ℃. A taxa mínima de precipitação máxima de perlita é superior a 1℃/s, e o ponto de transformação da martensita M diminui.

3 Análise e discussão

A essência da perlita é uma mistura de fases de ferrita e cementita. Amostra 1# Q235B é um material com ferrita como componente principal. Na área rica em C, devido ao tratamento de deformação, como forjamento, alongamento ou extrusão, a microárea rica em C é ampliada, a concentração do conteúdo C é reduzida, e a cementita contínua é difícil de precipitar em equilíbrio. É distribuído apenas na superfície da matriz de forma pontilhada, mostrando uma estrutura perlita irregular.
O potencial de corrosão da amostra 1# em solução de NaCl é -0.863V, e a densidade da corrente de corrosão (J_corr) é -5,109A·cm^(-2). O potencial de corrosão da amostra 4# em solução de NaCl é -0.710V, e a densidade da corrente de corrosão é -4,869A·cm^(-2). Em geral, quanto menor for a densidade da corrente de corrosão, mais positivo o potencial de corrosão, quanto maior o raio da impedância, e melhor será o desempenho anticorrosivo do material12. Sua densidade de corrente de corrosão é geralmente usada para avaliar a taxa de corrosão. Pode-se observar que filmes de óxido como Cr_2 O_3 efetivamente diminuem a taxa de corrosão. Como o ambiente líquido é rico em CI, o material sofre principalmente corrosão por absorção de oxigênio, e o Fe na matriz é oxidado em óxidos de Fe, entre os quais B-FeOOH é facilmente formado. Sua estrutura de túnel na célula unitária permite que o CI na solução se difunda ainda mais, resultando na destruição da estabilidade do filme passivo na superfície do material. Uma vez que é muito fácil aderir à superfície da matriz do material, tem um efeito inibitório na formação do filme passivo. Em Q235B, o conteúdo de elementos de liga importantes, como Si, Mn, e Cr é relativamente baixo, e o filme de óxido não é fácil de existir, resultando em baixo desempenho de corrosão do material. Depois da imersão, a morfologia da corrosão dos dois materiais em soluções diferentes é significativamente diferente. Não há alteração macroscópica na superfície dos dois materiais em 5% Solução de NaCl, mas após imersão em soluções ácidas e alcalinas, o grau de corrosão da superfície de 1# material é significativamente maior que o 4# Materiais Q420B. Devido à alta concentração de íons CI e baixo teor de Cr, a estabilidade do filme passivo é ruim. Sob condições ácidas, poços de corrosão aparecem na superfície do substrato do material 1#, e o grau de corrosão é maior do que o do material 4#, mostrando um fenômeno de corrosão por pite; sob condições alcalinas, diferentes números de partículas aparecem na superfície dos dois materiais. Após a digitalização da superfície, pode ser determinado que as partículas são principalmente enriquecidas com óxidos, e a corrosão por oxidação reduz o desempenho de corrosão do material. O grau de adesão das partículas de óxido na amostra 1# é muito maior que o da amostra 4#, e a resistência à corrosão é fraca.
Em materiais de aço, o papel de V é semelhante ao de Cr. Combina-se com elementos de carbono para formar carbonetos, que tem o efeito de dificultar a grafitização. O aumento no conteúdo de V pode efetivamente melhorar a dureza e as propriedades de tração do material. À medida que o conteúdo de elementos de liga como o Mn no material aumenta gradualmente, gradualmente exibe excelentes propriedades mecânicas, como alongamento e resistência ao escoamento durante o processo de tração .. O elemento Mn será distribuído da ferrita para a austenita, tornando a austenita local gradualmente rica em Mn. Estas austenitas ricas em Mn impedirão a migração dos limites dos grãos de ferrita, inibir ainda mais o crescimento e o engrossamento dos grãos, e melhorar a estabilidade da austenita rica em Mn; durante o processo de aquecimento, o aumento no teor de Mn aumenta a posição de nucleação da ferrita, refina a estrutura, aumenta a estabilidade da ferrita, e reduz efetivamente a temperatura de transformação de ferrita em austenita7; o elemento de liga Mn produz Al_6 após o recozimento em solução. As partículas de Mn são dispersas na matriz, melhorando a dureza do material. Quando seu conteúdo aumenta, o ponto M que promove a transformação martensítica é reduzido, a organização é melhorada, e as propriedades mecânicas do material são melhoradas. 18

4 Conclusão

(1) O desempenho de corrosão eletroquímica do aço Q235B é inferior ao do aço Q420B. Sob condições ácidas, corrosão por pite ocorre na superfície do aço Q235B, e o grau de corrosão é maior que o do aço Q420B. Sob condições alcalinas, o grau de oxidação é profundo, e as partículas de óxido do aço Q235B estão ligadas à matriz. Sob 5% Condições de NaCl, nenhuma corrosão macroscópica ocorre nos dois materiais. Devido à presença de Si, Cr, etc. em aço Q420B, a taxa de corrosão é relativamente alta. O alto teor de elementos de liga melhora a estabilidade do filme passivo na superfície do material, reduz a adesão e intrusão de CI e a taxa de oxidação do material, e exibe excelente resistência à corrosão no ambiente de aplicação simulado;
(2) As propriedades mecânicas do aço Q420B são melhores que as do aço Q235B. O aumento do elemento de liga V inibe efetivamente a grafitização e melhora a dureza e as propriedades de tração do material;
(3) Após o aumento do teor de Mn do elemento de liga simulado, os grãos de ferrite são refinados e a estabilidade organizacional é melhorada; suas partículas dispersas fortalecem a matriz, reduzir a temperatura de transformação da fase martensítica, melhorar a organização, e melhorar as propriedades mecânicas.