表面處理對40Cr鋼腐蝕疲勞壽命的影響

張 艷，章 強，謝 凡

（武漢材料保護研究所，武漢430030）

表面處理是影響金屬材料腐蝕疲勞性能的重要因素之一。正確合理的表面處理可以提高金屬材料的腐蝕疲勞強度，而不適合的表面處理則會導致金屬腐蝕疲勞強度下降［1-4］。因此，在金屬構件的設計和加工過程中必需科學地選擇表面處理方法。

金屬在水溶液中的腐蝕是電化學腐蝕，在腐蝕疲勞過程中金屬材料的電化學行為和力學行為之間必然存在某種相互關系。本工作研究了經不同表面處理工藝處理后的40Cr鋼在3%NaCl溶液中的腐蝕疲勞性能，揭示了腐蝕疲勞過程中40Cr鋼的電化學行為。以期為正確選擇表面保護方法和預測金屬構件在腐蝕疲勞工況條件下的壽命提供有關數據。

1 試驗

1.1 試驗材料和表面處理

試驗材料為40Cr鋼，其化學成分和機械性能分別見表1和表2。采用不同工藝對40Cr鋼試樣進行有離子氮化、化學鍍鎳、噴鋁（分封閉和不封閉兩種情況）和電鍍鋅鐵合金等表面處理。

表1 40Cr鋼的化學成分 %

表2 40Cr鋼的機械性能

1.2 試驗方法

腐蝕疲勞測試系統由旋轉彎曲腐蝕疲勞試驗機和電極電位測試裝置兩部分構成。在3%NaCl溶液中，試樣在不同載荷下以3 000r／min的循環次數進行旋轉彎曲腐蝕疲勞試驗［5］，同時用飽和甘汞電極（SCE）連續測試疲勞試樣的電極電位。

2 結果與討論

2.1 腐蝕疲勞試驗結果

表3為40Cr鋼試樣及其經表面處理后的試樣腐蝕疲勞試驗數據；圖1是40Cr鋼經不同表面處理工藝后試樣在空氣中及3%NaCl中的S-N曲線。

表3 40Cr鋼及其表面處理試樣的腐蝕疲勞數據

圖1 40Cr鋼在空氣中及經不同表面處理工藝后的試樣在3%NaCl中應力-循環次數曲線

由表3可見，經過表面處理后40Cr鋼在3%NaCl水溶液中的腐蝕疲勞強度均獲得不同程度的提高。由圖1可知，在空氣中，40Cr鋼的S-N曲線有明顯的水平段，即通常所說的疲勞極限，而在3%NaCl水溶液中無論是否經過不同的表面處理，其S-N曲線均無明顯的水平段，而是隨著時間（循環次數N）的增長向右下方傾斜。

表4是40Cr鋼及表面處理試樣在3%NaCl溶液中的自腐蝕電位。由表4可見，噴鋁層和電鍍鋅鐵合金為陽極性涂層，化學鍍鎳為陰極性涂層。40Cr鋼經離子氮化表面處理后，自腐蝕電位變正。

表4 40Cr鋼及其表面處理試樣在3%NaCl溶液中的腐蝕電位

圖2是40Cr鋼在3%NaCl溶液中受到不同交變應力作用時，其腐蝕電位隨時間的變化曲線（E-t曲線）。由圖3可見，40Cr鋼在腐蝕疲勞過程中，其自腐蝕電位隨時間增加而負移，且外加應力不同，自腐蝕電位隨時間的變化率亦不相同。

圖2 在腐蝕疲勞過程中40Cr鋼自腐蝕（E-t曲線）曲線

2.2 表面處理對40Cr鋼腐蝕疲勞性能的影響

（1）離子氮化 離子氮化處理將40Cr鋼在3%NaCl溶液中的疲勞強度（N＝107）從118MPa提高到154MPa（見表3）。離子氮化主要從兩方面改善40Cr鋼在3%NaCl水溶液中的腐蝕疲勞性能：氮化在40Cr鋼表面產生壓應力，部分抵消了在疲勞載荷下產生的拉應力，從而提高了40Cr鋼的腐蝕疲勞；40Cr鋼經離子氮化處理后，自腐蝕電位正移（見表4），提高了材料表面的耐蝕性。

（2）化學度鎳 化學鍍鎳后40Cr鋼在3%NaCl溶液中的腐蝕疲勞強度（N＝107）提高到162 MPa（見表3）。化學鍍鎳是一種非晶態的Ni-P合金沉積層，孔隙率低，具備優異的耐蝕性［6］。由于化學鍍鎳層使40Cr鋼基體表面不能與NaC1溶液直接接觸，抑制了40Cr鋼基體的腐蝕，因而提高了40Cr鋼的腐蝕疲勞強度。但化學鍍鎳層是一種陰極性涂層，在NaCl溶液中受交變應力作用而破裂，使40Cr鋼基體和NaCl溶液接觸，這時會由于電偶作用加速基體腐蝕。所以，化學鍍鎳改善材料腐蝕疲勞性能時，應注意這一問題。

（3）噴鋁及電鍍鋅鐵合金 由表3及圖1可知，噴鋁層能明顯提高40Cr鋼的腐蝕疲勞性能；同樣，電鍍鋅鐵合金也顯著地提高了40Cr鋼的腐蝕疲勞強度。噴鋁層和電鍍鋅鐵合金層是陽極性涂層（見表4），無論涂層完好，還是涂層部分脫落，均使40Cr鋼基體受到電化學保護，延緩了由于銹蝕而引起的疲勞源的形成，從而提高了40Cr鋼的腐蝕疲勞強度。而電鍍鋅鐵合金層的腐蝕電位較噴鋁層電位負（見表4），能夠對基體金屬提供更充分的陰極保護，所以40Cr鋼電鍍鋅鐵合金后的腐蝕疲勞強度高于噴鋁后的腐蝕疲勞強度。

40Cr鋼噴鋁層未封閉，腐蝕疲勞強度為299MPa；噴鋁并封閉，腐蝕疲勞強度為302MPa，二者無明顯差別。封閉的主要作用是改善涂層孔隙，提高涂層對基體的保護能力。由于受到交變應力的作用，噴鋁層產生微小裂紋，使封閉處理喪失其功能，造成經封閉處理的噴鋁層和未經封閉處理的噴鋁層在改善40Cr鋼的腐蝕疲勞性能上無明顯差異。

上述分析表明，選擇合適的表面處理能夠有效地改善40Cr鋼的耐蝕性，從而提高40Cr鋼的腐蝕疲勞強度（或腐蝕疲勞壽命）。

2.3 斷口特征觀察

40Cr鋼疲勞斷口的掃描電鏡圖像見圖3～圖8。由圖3可見，在空氣中只有一個疲勞源產生于表面缺陷處。在NaCl溶液中疲勞源多源于金屬表面上的腐蝕坑或表面缺陷（如圖4～圖8），因此均為多源疲勞腐蝕與交變應力的共同作用，使得疲勞斷口的出現較多的二次裂紋、腐蝕坑和腐蝕產物，以及疲勞紋在NaCl溶液的作用下發生腐蝕溶解，呈現出比較模糊和不連續的疲勞紋，斷口的主要方式是穿晶開裂或穿晶與沿晶開裂混合。

圖3 40Cr鋼在空氣中SEM圖

比較這4種經表面處理后試樣的SEM圖可以看出，試樣電鍍鋅鐵合金后，其疲勞斷口表現出疲勞源區較寬，斷面腐蝕較輕，具有明顯的疲勞特征（圖5）；噴鋁試樣的斷口表現出裂紋擴展區較大，疲勞紋較細的特征（圖6）；化學鍍鎳試樣的斷口特征是表面鍍層不均勻處（破裂、脫落）腐蝕較嚴重，擴展區較大，但有明顯的腐蝕坑，疲勞紋較粗，且不連續（圖7）；離子氮化試樣的斷口表現出表層（氮化層）和擴展區嚴重腐蝕，二次裂紋比其它3種表面處理的疲勞斷口深而長（圖8），但比未氮化的試樣斷口略好（圖4）。由此可見，腐蝕疲勞斷口所體現的腐蝕疲勞性能的規律與測試數據所體現的規律相吻合。

2.4 金屬腐蝕疲勞過程中的電化學現象

在3%NaCl水溶液，40Cr鋼在不同應力水平下的E-t曲線（見圖2）具有同圖9所示曲線相類似的形狀。根據電位隨時間的變化率，將該曲線分成若干區域，顯然，這些區域與腐蝕疲勞的各個階段是相聯系。

圖9 在腐蝕疲勞過程中典型的E-t曲線

圖9 中區域I內腐蝕電位的快速負移是由于金屬受到交變應力的作用發生塑性變形，產生熱力學穩定性低的新的裸露表面所致。在區域Ⅱ，電位隨時間的變化率降低，這是因為新的裸露表面被氧化，形成薄的腐蝕產物膜，減緩了電位的變化。在這個區域，在腐蝕環境和交變應力的共同作用下，金屬材料開始出現結構上的畸變，并且這種畸變進一步發展。在區域Ⅲ中，金屬表面滑移臺階處出現大量的微裂紋的生成和發展，腐蝕電位的變化率升高。在區域Ⅳ，腐蝕電位的變化率降低，在該區域內，主要是一條或者幾條裂紋繼續發展，成為主裂紋。這是由于裂紋發展而出現的新的裸露表面不再明顯地影響電極電位。在區域Ⅴ中，主裂紋迅速發展，金屬發生腐蝕疲勞斷裂。在該區域，大面積的新的裸露面瞬間暴露在腐蝕環境中，出現了電極電位不穩定的現象。

綜上所述，區域I是裂紋的萌生期，區域Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ是裂紋的擴展期。由圖9可見，裂紋的萌生期在整個腐蝕疲勞壽命中占很少一部分，而裂紋的擴展期所占比例較大，這證明了腐蝕疲勞壽命主要取決于裂紋的擴展壽命。

3 結論

（1）4種表面處理（離子氮化、化學鍍鎳、噴鋁、電鍍鋅鐵合金）的保護層均能改善40Cr在3%NaCl溶液中腐蝕疲勞性能，改善的程度順序排列為電鍍鋅鐵合金＞噴鋁＞化學鍍鎳＞離子氮化。

（2）受腐蝕疲勞作用的金屬的電化學數據，在某種程度上表示了金屬的腐蝕疲勞斷裂過程的重要階段，這些數據可用于選擇電化學參數和保護措施，更好地預測金屬在服役條件下的性能。

［1］王榮.金屬材料的腐蝕疲勞［M］.西安：西安工業大學出版社，2001.

［2］袁金才，于維成，劉鼎發，等.表面處理對低合金高強度鋼腐蝕疲勞的影響［J］.腐蝕科學與防護技術，1991，3（3）：11-15.

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［5］GB／T 20120-2006 金屬和合金的腐蝕 腐蝕疲勞試驗［S］.

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