20CrMnTi齒輪鋼的應(yīng)力腐蝕行為

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(1. 貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴陽 550025; 2. 貴州省材料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度重點實驗室,貴陽 550025)

20CrMnTi鋼由于良好的淬透性與高強(qiáng)度常被作為齒輪與軸承用鋼，在閉式齒輪箱中，受潤滑油保護(hù)，齒面不可能發(fā)生大面積的宏觀腐蝕。但由于20CrMnTi鋼屬于中低碳鋼，耐蝕性較差，隨齒輪箱服役時間的延長，容易出現(xiàn)箱體密封失效，引入水蒸氣、鹽霧等侵蝕性介質(zhì)，導(dǎo)致潤滑油劣化、乳化而腐蝕齒面。同時，部分潤滑油含有“極壓添加劑”，在工作溫度會釋放活性硫，氧化齒面而造成點蝕[1-4]。在重載條件下，微裂紋萌生對鋼表面的完整性極為敏感，微量腐蝕損傷亦會導(dǎo)致關(guān)鍵零部件的服役壽命驟減，引發(fā)嚴(yán)重的后續(xù)危害。

近年來，關(guān)于壓力容器用不銹鋼、管線鋼、高溫合金以及航空鋁合金等的應(yīng)力腐蝕已有較多報道，并逐步形成理論體系。BREIMESSR等[5]利用電化學(xué)噪聲方法研究了敏化不銹鋼在恒載荷條件下沿晶應(yīng)力腐蝕開裂的萌生和擴(kuò)展，結(jié)果表明，裂紋的擴(kuò)展是由于沿著晶界附近的基體出現(xiàn)貧Cr區(qū)，導(dǎo)致局部金屬溶解造成的。CALABRESE等[6]對恒載荷條件下17-4PH馬氏體不銹鋼在MgCl2溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在試驗過程中，腐蝕機(jī)制逐步由局部點蝕向應(yīng)力腐蝕開裂演變，直至最終發(fā)生斷裂。KOVAC等[7]結(jié)合電化學(xué)噪聲，聲發(fā)射和伸長率三種研究手段對敏化型AISI 304奧氏體不銹鋼的沿晶應(yīng)力腐蝕開裂進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)噪聲和伸長率與早期的裂紋擴(kuò)展過程有關(guān)，而聲發(fā)射與最后階段的斷裂過程有關(guān)。

由于受到潤滑油保護(hù)，目前有關(guān)20CrMnTi齒輪鋼應(yīng)力腐蝕開裂的報道較少，關(guān)于20CrMnTi齒輪鋼應(yīng)力腐蝕機(jī)理尚不明確，因此本工作以20CrMnTi齒輪鋼為研究對象，結(jié)合前期工作中已得到的研究成果，利用電化學(xué)噪聲(Electrochemical noise,EN)[8-12]技術(shù)并結(jié)合ANSYS有限元和原位拉伸方法，研究了20CrMnTi齒輪鋼的應(yīng)力腐蝕行為。

1 試驗

1.1 試樣與溶液

試驗材料為20CrMnTi鋼棒材，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為1.2% Cr,1% Mn,0.08% Ti,0.2% C,0.3% Si,0.03% Ni,0.03% Cu，余量為Fe。將20CrMnTi鋼加工成如圖1所示的拉伸試樣，采用金相砂紙打磨試樣拉伸段至表面光亮后再用金相拋光機(jī)拋光，用無水乙醇去脂，再用蒸餾水清洗后冷風(fēng)吹干，用硅膠將拉伸試樣涂封成如圖2所示實物，留出5 mm長的一段作為腐蝕表面，其腐蝕面積為1.4 cm2，將涂封好的試樣放進(jìn)干燥器中使硅膠風(fēng)干。

圖1 應(yīng)力腐蝕電解池與拉伸試樣示意圖(單位：mm)Fig. 1 Schematics of stress corrosion cell and tensile specimen (unit: mm)

圖2 拉伸試樣實物圖Fig. 2 Physical map of tensile specimen

預(yù)先配置pH為8.45的硼酸鹽緩沖溶液，加入過飽和齒輪箱潤滑油充分混合后，提取下層清液作為試驗溶液的母液，再根據(jù)前期工作所得結(jié)果，配置含0.03mol·L-1NaCl的混合溶液模擬侵蝕性介質(zhì)。

1.2 電化學(xué)噪聲測試

電化學(xué)噪聲測量采用20CrMnTi鋼試樣作為工作電極(WE)，Ag-AgCl電極作為參比電極插入電解池頂端的飽和KCl瓊脂鹽橋中，同種20CrMnTi鋼為輔助電極(CE)，WE與CE面面相對且相距5 mm。為了避免外部電磁噪聲干擾，采用鋁箔膠帶將電解池腔體外表面密封，這相當(dāng)于將整個裝置置于Faraday屏蔽箱中。采用CST500電化學(xué)噪聲監(jiān)測儀(武漢科斯特儀器)進(jìn)行電化學(xué)噪聲測量，采用萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行加載。由于20CrMnTi鋼的屈服強(qiáng)度為835 MPa，設(shè)置本試驗應(yīng)力為400,600,800 MPa。試驗采用位移控制加載，位移速率為0.2 mm·min-1，待加載完成后，開啟電化學(xué)噪聲測試軟件開始測試。

1.3 點蝕真實形貌的應(yīng)力分布模擬

試樣形狀如圖3所示，厚度為1 mm，最窄處2 mm，對試樣進(jìn)行磨拋，除中間2 mm寬的部分外；其余部分用硅膠涂封。將試樣放入含有0.03 mol·L-1Cl-的硼酸鹽緩沖溶液中浸泡，溫度為25 ℃,至表面出現(xiàn)點蝕后取出，小心去除試樣表面硅膠并清洗吹干后得到預(yù)制點蝕試樣。采用掃描電鏡(SEM)觀察點蝕形貌，將板狀試樣的點蝕形貌導(dǎo)入ANSYS中的LS-DYNA動力學(xué)仿真模塊，模擬拉伸試驗中的應(yīng)力變化過程，施加載荷為1 000 N。

圖3 原位拉伸試樣示意圖(單位：mm)Fig. 3 Schematic of in situ tensile specimen (unit: mm)

1.4 預(yù)制點蝕試樣的原位拉伸試驗

采用SUPRA 40型號的掃描電鏡中真空室內(nèi)附帶的原位拉伸試驗臺對預(yù)制點蝕試樣進(jìn)行原位拉伸試驗，采用SEM觀察試樣裂紋萌生和擴(kuò)展直至試樣斷裂的全過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 恒應(yīng)力下20CrMnTi鋼的電化學(xué)噪聲

由圖4可見:隨著恒載荷的增加，基線電流密度(指未產(chǎn)生電流噪聲峰時的電流密度，即噪聲電流峰幅度量度的基準(zhǔn))逐漸由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎怠Ｓ捎诨€電流密度是工作電極(WE)和輔助電極(CE)腐蝕電流密度的差值，故隨恒應(yīng)力水平的提高，拉伸試樣的腐蝕作用逐漸增強(qiáng)。這可能是因為當(dāng)應(yīng)力水平較低(400 MPa)時，載荷對拉伸試樣表面鈍化膜的破壞作用較小，不足以對其腐蝕產(chǎn)生明顯的促進(jìn)作用，因此，基線電流密度一直為負(fù)值；當(dāng)應(yīng)力上升至600 MPa時，載荷對拉伸試樣表面鈍化膜破的壞作用增強(qiáng)，基線電流密度開始向正值方向轉(zhuǎn)變；當(dāng)應(yīng)力上升至800 MPa(接近20CrMnTi鋼的屈服強(qiáng)度)時，拉伸試樣表面鈍化膜的保護(hù)作用遭到嚴(yán)重破壞，工作電極上的腐蝕作用已占據(jù)主導(dǎo)地位，基線電流密度始終表現(xiàn)為正值。

圖4 不同應(yīng)力條件下20CrMnTi鋼的電流噪聲譜Fig. 4 ECN spectra of 20CrMnTi steel under the condition of different stresses

由圖5和圖6可見:當(dāng)應(yīng)力由0升高到400 MPa，電流噪聲峰的幅值由0.028 μA·cm-2上升到0.231 μA·cm-2，提升了近10倍；同時電流噪聲峰的壽命也從24.6 s升高到100 s，提高了近5倍；另外，電流噪聲峰的形狀也有很大變化，從之前的快速上升快速下降過程轉(zhuǎn)變成在快速上升前有一段較長的積累期，該積累期即為Cl-向裂紋尖端擴(kuò)散以達(dá)到促進(jìn)鈍化膜活性溶解的臨界濃度所需的時間。這顯然不是亞穩(wěn)態(tài)點蝕造成的，可能與應(yīng)力條件下裂紋的萌生和生長過程有關(guān)。筆者提出了兩種模型以解釋在含0.03 mol·L-1Cl-溶液中拉伸試樣在400 MPa應(yīng)力條件下產(chǎn)生的特殊形態(tài)的電流噪聲峰，見圖7。

模型1如下:在應(yīng)力作用下，金屬表面膜產(chǎn)生局部破裂暴露出活潑的新鮮基體，有膜和無膜的金屬及缺陷處形成鈍化-活化微電池，陽極溶解集中在局部區(qū)域，形成蝕坑，由于蝕坑底部應(yīng)力集中顯著，導(dǎo)致裂紋形核。由于Cl-向裂紋尖端的擴(kuò)散受到狹長裂縫的限制，Cl-需要較長時間的擴(kuò)散積累才能達(dá)到臨界濃度來促進(jìn)鈍化膜的溶解[13]，這在電流特征峰上顯示為存在較長積累期。而一旦其累積量超過臨界值，就將引起裂尖鈍化膜的快速溶解，并在應(yīng)力作用下裂紋張開，這在電流特征峰上表現(xiàn)出快速上升的過程。隨后，由于裂紋張開，裂紋尖端體積增大，弱堿性溶液中所含的OH-擴(kuò)散到裂紋尖端，從而使裂尖區(qū)域發(fā)生再鈍化，電流特征峰出現(xiàn)下降過程。

(a) 0 MPa,24 h

(b) 400 MPa,13 h

(c) 600 MPa,25～30 h

(d) 800 MPa,11～16 h

圖6 圖5(a),(b)方框中電流特征峰的局部放大結(jié)果Fig. 6 Enlarged view in the box of Fig. 5(a) and Fig. 5(b)

(a) 模型1

(b) 模型2

模型2如下:電流特征峰出現(xiàn)較長積累期也是由于Cl-需要在蝕坑底部擴(kuò)散積累達(dá)到臨界濃度造成的，不同的是當(dāng)Cl-含量超過臨界值后，在應(yīng)力作用下，蝕坑底部由于應(yīng)力集中顯著，萌生了新的微裂紋，導(dǎo)致新的基體暴露，從而發(fā)生劇烈的活性溶解，造成電流特征峰表現(xiàn)出快速上升過程。隨后，同樣由于腐蝕介質(zhì)為弱堿性，其所含的OH-擴(kuò)散到裂紋尖端，使得裂尖區(qū)域發(fā)生再鈍化，在電流特征峰上顯示出快速下降的過程。如此反復(fù)作用，就形成如了圖5(b)所示的規(guī)律性的電位與電流噪聲峰。

當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)升高到600和800 MPa時，電流噪聲峰的形成速率很低，故各選取了6 h內(nèi)的噪聲信號進(jìn)行分析。與400 MPa條件下的電流噪聲峰相比，應(yīng)力為600，800 MPa時的電流噪聲峰均表現(xiàn)出高幅值、長壽命的特點，且隨應(yīng)力的提高，峰的幅值和壽命也有所上升，同時在電流峰快速上升之前不再出現(xiàn)積累期。這可能是因為隨著應(yīng)力的升高，其對金屬表面膜產(chǎn)生的局部破壞作用增強(qiáng)，點蝕尺寸增大，裂紋寬度增加，Cl-更容易擴(kuò)散到裂尖區(qū)域引起鈍化膜的快速溶解，使得電流噪聲峰無需積累即快速上升。同時，由于應(yīng)力水平接近屈服強(qiáng)度，且裂尖區(qū)域Cl-含量比較充足，因此，裂尖區(qū)域快速溶解加劇，鈍化膜的再鈍化能力也被削弱，從而使得電流噪聲峰幅值和壽命都顯著增加。

2.2 應(yīng)力與腐蝕的交互作用

2.2.1 模擬分析結(jié)果

由圖8可見：點蝕試樣的蝕點邊緣明顯出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，距離蝕點較遠(yuǎn)的區(qū)域，應(yīng)力迅速衰減。當(dāng)施加水平方向的拉應(yīng)力時，蝕點的上下邊緣處會出現(xiàn)最大的拉應(yīng)力，尤其在蝕點形狀比較尖銳的部位,拉應(yīng)力更高。這表明蝕點處的應(yīng)力峰值不僅與蝕點直徑有關(guān)，而且與蝕點的形狀有關(guān)，蝕點的形狀越是規(guī)則圓滑，應(yīng)力集中現(xiàn)象越小，反之，則越大。

圖8 在含0.03 mol·L-1 Cl-溶液中水平拉應(yīng)力作用下真實點蝕坑附近的應(yīng)力分布Fig. 8 Stress distributions near real pits under horizontal tensile stress in the solution containing 0.03 mol·L-1 Cl-

2.2.2 拉伸試驗結(jié)果

由圖9可見:拉伸試樣經(jīng)水平方向加載后，局部組織發(fā)生不均勻塑性變形，產(chǎn)生了如圖9(a)所示的白亮色變形帶，這些區(qū)域的應(yīng)力集中顯著，會相繼成為裂紋源和潛在的裂紋擴(kuò)展路徑。如圖9(b)所示，塑性變形的不均勻性導(dǎo)致應(yīng)力集中，于是沿著白亮色的變形帶，產(chǎn)生了一些微裂紋。除此之外，白亮色變形帶的微裂紋，也會選擇性地成為主裂紋的擴(kuò)展通道之一。按照材料斷裂力學(xué)里的應(yīng)力與強(qiáng)度原則，主裂紋會優(yōu)先選擇應(yīng)力較高或者強(qiáng)度較低的區(qū)域，這些區(qū)域可以是晶界，因為各個晶粒之間的取向有差異，晶界處的原子結(jié)合力較低，易發(fā)生斷裂；也可能是組織中的缺陷處，如夾雜物和點蝕坑，這是因為這些區(qū)域由于破壞了組織結(jié)構(gòu)的完整性，容易在接觸的界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(a) 白亮色變形帶(b) 微裂紋(c) 宏觀點蝕坑

(d) 點蝕裂紋穿過(e) 微裂紋連接張開(f) 宏觀裂紋

因此，當(dāng)組織表面由于腐蝕作用，產(chǎn)生了一個宏觀點蝕坑以后，如圖9(c)所示，此時，點蝕坑恰好位于裂紋可能要穿過的區(qū)域。如圖9(d)所示，點蝕坑的上下部位在主裂紋穿過之前，就已經(jīng)發(fā)生了較為劇烈的塑性變形，變形程度也不均勻，產(chǎn)生了大量的白亮色變形帶。尤其是點蝕坑的尖銳區(qū)域，這些區(qū)域的曲率半徑較小，應(yīng)力集中更顯著。但是，對比點蝕水平位置的組織，并未出現(xiàn)白亮色的變形帶。繼續(xù)加載，靠近點蝕坑附近的微裂紋相互連接，并且發(fā)生了明顯的張開，如圖9(e)所示，最后變成了一條宏觀的裂紋，并與前方的主裂紋相連接，貫穿了整個點蝕坑，如圖9(f)所示。

3 結(jié)論

(1) 提高應(yīng)力會促進(jìn)20CrMnTi鋼的腐蝕。與無應(yīng)力條件下的相比，恒應(yīng)力下20CrMnTi鋼的電流噪聲峰的幅值和壽命均有大幅提高，這可能與應(yīng)力條件下裂紋的萌生和生長過程有關(guān)。低應(yīng)力條件下，電流噪聲峰的上升有一段較長的積累期，這可能主要與裂紋的寬度和Cl-擴(kuò)散到裂尖區(qū)域的速率有關(guān)。

(2) 蝕點周邊的應(yīng)力分布模擬結(jié)果與預(yù)制點蝕試樣的原位拉伸試驗均表明，由于點蝕的存在，垂直于拉伸方向的區(qū)域出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且距離蝕點較遠(yuǎn)的區(qū)域，應(yīng)力集中迅速衰減。