列車制動系統杠桿螺栓用17Cr16Ni2不銹鋼的應力腐蝕敏感性

張亞軍，趙春光，黨恒耀，張欣耀，陳慶壘

（1.中國船舶重工集團公司 第七二五研究所，河南 洛陽 471023；2.河南省船舶及海工裝備結構材料技術與應用重點實驗室，河南 洛陽 471023；3.北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；4.國家新材料生產應用示范平臺（先進海工與高技術船舶材料），河南 洛陽 471023）

隨著鐵路行業的發展，列車運行環境越來越復雜，如在沿海城市運行時，暴露在空氣中的列車制動杠桿螺栓等零部件往往會受到海洋環境的腐蝕，加之服役過程中反復受力，發生應力腐蝕開裂的風險較大。關于材料應力腐蝕的研究，可以分為2 個方面：一個是在拉應力和腐蝕介質聯合作用下材料的應力腐蝕敏感性，即發生應力腐蝕的傾向性問題；另一個是應力腐蝕發展過程，即應力腐蝕行為問題。因此，研究材料的應力腐蝕敏感性和腐蝕行為具有重要意義［1?4］。

對于部分鋁合金、某些不銹鋼及汽輪機轉子鋼等的應力腐蝕敏感性研究，已有學者開展過大量的工作［5?10］。在應力腐蝕行為研究方法方面，考慮到傳統試驗過程的復雜性，有學者采用簡單的圓周帶缺口的拉伸試樣代替傳統的緊湊拉伸試樣及雙懸臂梁試樣、用基準信號來判斷應力腐蝕和疲勞裂紋，以及用數學建模預測腐蝕坑處應力腐蝕裂紋演化過程等方法進行過研究［11?14］；另有學者研究了局部變形、疲勞交叉作用、溫度偏差及超臨界水環境等對應力腐蝕開裂行為的影響［15?18］。然而，材料發生應力腐蝕的前提是其在服役條件和環境下具有應力腐蝕敏感性，且不同材料受載荷模式、服役環境及介質溫度等多種外界條件的影響并不相同。

本文結合列車制動系統杠桿螺栓用17Cr16Ni2不銹鋼的服役工況條件，采用慢應變速率拉伸試驗方法，結合掃描電鏡對試樣斷口進行觀察分析，研究不同溫度下在3.5%NaCl 水溶液中17Cr16Ni2 不銹鋼的應力腐蝕敏感性，為列車制動系統杠桿螺栓的抗應力腐蝕設計和應用提供依據。

1 應力腐蝕敏感性的判定依據

材料的應力腐蝕敏感性判定在多個標準中均有規定，主要依據以下3種方式進行綜合評判。

（1）測得慢應變速率拉伸性能數據（包括抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率等）和斷裂時間，并按式（1）對各項指標進行比較，計算在不同試驗環境中的拉伸性能數據和斷裂時間與惰性介質環境（干燥空氣）中的比值。當比值為1（100%）時，表示測試材料沒有應力腐蝕敏感性；比值朝著小于1 的方向偏離得越遠，表示測試材料的應力腐蝕敏感性越高；比值有時會由于試驗數據誤差等原因而略大于1，此時也初步評定為材料不具有應力腐蝕敏感性。該判定方法為比值法。

（2）將慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗獲得的拉伸性能數據加以綜合處理，依據式（2）計算應力腐蝕敏感性指數ISSRT，所得結果較單向拉伸性能數據比值能更好地反映應力腐蝕敏感性，可作為測試材料是否具有應力腐蝕敏感性進一步的評判依據。ISSRT從0 至100%變化，表示材料應力腐蝕敏感性漸增。該判定方法為ISSRT值法。

式中：Rm（環境條件）為環境介質中的抗拉強度，MPa；Rm（干燥空氣環境）為惰性介質（干燥空氣）中的抗拉強度，MPa；Am（環境條件）為環境介質中的斷后伸長率，%；Am（干燥空氣環境）為惰性介質（干燥空氣）中的斷后伸長率，%。

（3）利用掃描電鏡觀察分析測試試樣慢應變拉伸斷口形貌，根據拉伸斷口形貌特征（通常具有二次裂紋和脆性層）來佐證測試材料是否具有應力腐蝕敏感性。該判定方法為斷口分析法。

2 試驗材料和試驗方法

2.1 試驗材料

杠桿螺栓的制造材料為17Cr16Ni2 不銹鋼，其化學成分和力學性能分別見表1和表2，均滿足GB/T1220—2007《不銹鋼棒》的要求。

表1 材料化學成分（質量分數） %

表2 材料力學性能指標

2.2 試驗方法

試驗中共加工12 件試樣，其中在室溫、40 ℃和70 ℃這3個溫度下3.5%NaCl水溶液中，以及室溫空氣中等4 種狀態，各有3 件試樣。試樣形狀與尺寸如圖1所示。試驗時，參照GB/T15970.7—2017《金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第7 部分：慢應變速率試驗》，在MFDL-100 型慢應變速率應力腐蝕試驗機上進行，拉伸應變速率為10?6s－1，得到應力-應變曲線、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率及斷裂時間等數據；采用Philips Quan?ta650 FEG 型掃描電子顯微鏡進行斷口觀察分析，得到斷口的形貌特征。

圖1 慢應變速率應力腐蝕試樣圖（單位：mm）

3 試驗結果

3.1 應力-應變曲線

按照慢應變速率拉伸試驗方法，獲得試驗材料的應力-應變曲線，將不同狀態下3 件平行試樣的應力-應變曲線置于同一坐標系下進行觀察對比，結果如圖2所示。

從圖2可知：試驗材料在室溫空氣中及室溫、40 ℃和70 ℃這3 個溫度下3.5%NaCl 水溶液中應力-應變曲線形狀相似；在3.5%NaCl 水溶液中，隨著溫度的升高，3 個平行試樣的延伸率差別越來越明顯。

圖2 不同平行試樣慢應變速率應力腐蝕應力-應變曲線

為比較在不同試驗條件下試驗材料應力-應變曲線的差異，將以上4 種條件下延伸率較低者的應力-應變曲線置于同一坐標系下進行比較，結果如圖3所示。

圖3 不同環境下試驗材料的慢應變速率應力腐蝕應力-應變曲線

由圖3可知：與室溫空氣中相比，在不同溫度3.5%NaCl水溶液中所造成的應力腐蝕，對試驗材料的強度影響不大；在70 ℃3.5%NaCl 水溶液中對塑性的影響明顯，在室溫和40 ℃這2 個溫度下3.5%NaCl水溶液中對塑性影響不明顯。

3.2 拉伸性能數據

試驗材料在室溫干燥空氣及室溫、40 ℃和70 ℃這3 個溫度下3.5%NaCl水溶液中慢應變速率拉伸試驗結果見表3。表中斷裂時間比值、抗拉強度比值、斷后伸長率比值及斷面收縮率比值等的計算，均取相同條件下3件平行試樣試驗結果的平均值。考慮到試驗材料的拉伸性能在室溫、40 ℃和70 ℃條件下幾乎不會有明顯變化，計算以上各比值時，在40 ℃和70 ℃下材料的力學性能均采用室溫下的力學性能數據。

一般認為，在不同溶液中材料的斷裂時間、抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率與在室溫干燥空氣中的相應值之比均大于95%時，則試驗條件下材料沒有應力腐蝕敏感性；反之，如果有任何1項比值小于95%，則材料有應力腐蝕敏感性，且比值越小，應力腐蝕敏感性越強；ISSRT值小于5%時，材料沒有應力腐蝕敏感性；ISSRT值大于5%時，有應力腐蝕敏感性，且ISSRT值越大，應力腐蝕敏感性越顯著。從表3可知：在70 ℃3.5%NaCl水溶液中的斷裂時間、抗拉強度和斷面收縮率與在干燥空氣中相應值之比均大于95%，但斷后伸長率與干燥空氣中相應值之比小于95%，可以認為該試驗條件下材料有應力腐蝕敏感性。這也表明，應力腐蝕對材料力學性能劣化的影響，具有參量的選擇性；根據式（2）計算所得的ISSRT值，在室溫、40 ℃和70 ℃這3個溫度下3.5%NaCl水溶液中的應力腐蝕指數分別為2.67%，2.54%和5.10%，表明在室溫和40 ℃條件下試驗材料無應力腐蝕敏感性，在70℃條件下有應力腐蝕敏感性，但不顯著。

表3 不同環境中試驗材料慢應變速率（10-6 s－1）拉伸性能數據及相應計算結果

3.3 斷口形貌

為進一步綜合評價試驗材料抗應力腐蝕敏感性的能力，采用掃描電子顯微鏡觀察分析慢拉伸應力腐蝕試樣斷口，隨機取試驗材料在室溫干燥空氣及室溫、40 ℃和70 ℃這3個溫度下3.5%NaCl水溶液環境中斷裂試樣各1 件，觀察分析試樣的全斷口形貌特征，如圖4所示。

從圖4可知：在室溫干燥空氣及室溫、40 ℃和70 ℃這3 個溫度下3.5%NaCl 水溶液環境中的4 件試樣斷口形貌比較相似，均體現出以拉伸斷口為主的典型特征，即在斷口中心位置的纖維區、有多條近似均勻撕裂口的放射區，以及斷口周圍的剪切唇區，3 個區域清晰可辨，但剪切唇與應力腐蝕可能導致的周邊面積減少分界線并不宜觀察出；不同的是，在70 ℃時剪切唇所占比例和其他幾種情形相比明顯較大，而在該溫度下的斷后伸長率卻最小，表明剪切唇部分面積的增加實際包含了應力腐蝕所造成試樣表面開裂部分，即應力腐蝕裂紋從試樣表面往心部擴展，而由于純拉伸的力學因素導致的裂紋從試樣中心往表面擴展，使得剪切唇所占比例表觀上有所增加。

圖4 不同環境下試樣的全斷口形貌

為觀察應力腐蝕在斷口上留下的痕跡，同時考慮應力腐蝕起始于試樣的表面，進一步觀察以上4個試樣的斷口邊緣形貌，如圖5所示。

從圖5可知：在室溫干燥空氣中的斷口邊緣存在大量的擠壓痕跡；在室溫3.5%NaCl水溶液環境中，斷口邊緣存在不均勻的腐蝕痕跡；而在40 ℃和70 ℃這2個溫度下3.5%NaCl水溶液環境中，斷口邊緣有明顯的腐蝕痕跡，但未見有二次裂紋和脆性層，表明應力腐蝕傾向性并不顯著，導致70 ℃3.5%NaCl 水溶液中試樣剪切唇表觀面積的增加，這種現象是腐蝕與應力腐蝕聯合作用造成的，且腐蝕占比較大。

圖5 不同環境下試樣斷口邊緣形貌

4 分析與討論

4.1 材料應力腐蝕的發展過程

應力腐蝕的發展過程主要包括處于拉應力作用下的材料在腐蝕介質中具有應力腐蝕敏感性以及應力腐蝕的裂紋萌生和擴展等幾個階段，其示意圖如圖6所示。

圖6 應力腐蝕的發展過程

材料應力腐蝕敏感性，指的是材料在拉應力和腐蝕環境中服役時存在應力腐蝕開裂的傾向性，或者說在力與環境耦合作用下發生應力腐蝕的可能性。與惰性介質（如干燥空氣等）相比，發生應力腐蝕時，由于試樣的有效承載截面會縮小，其斷裂時間通常也會縮短。另外，由于應力腐蝕會降低金屬原子間的結合能，削弱位錯滑移的路徑，使得其抗拉強度及塑性也會降低。為此，采用式（1）的比值法來衡量應力腐蝕的敏感性。HB 7235—1995《慢應變速率應力腐蝕試驗方法》中，對于鋁合金、鈦合金和各種鋼鐵材料，認為斷面收縮率大于95%時材料沒有應力腐蝕敏感性。即是說，斷面收縮率小于或等于95%時材料有應力腐蝕敏感性。由于斷后伸長率和斷面收縮率都是反映材料塑性變形能力的指標，只不過前者主要反映材料均勻塑性變形能力，后者主要反映材料局部塑性變形能力。因此，在判斷材料的應力腐蝕敏感性方面，斷后伸長率和斷面收縮率可采用相同的依據。本文中，70 ℃3.5%NaCl 水溶液環境中的斷后伸長率比值90.3%<95%，因此，認為這種狀態下有應力腐蝕敏感性，但不是很明顯。

由于應力腐蝕的選擇性，即可能只對強度或塑性的某一指標產生削弱影響，采用比值法可能會造成誤判。因此，式（2）綜合考慮了應力腐蝕對強度（抗拉強度）和塑性（斷后伸長率）的影響，相對更為全面。ISSRT從0 到1 變化過程中，表示材料應力腐蝕敏感性逐漸增加，和比值法正好相反。同理，試驗材料在70 ℃3.5%NaCl 水溶液環境中ISSRT=5.10%>5%，也認為具有應力腐蝕敏感性，但不夠顯著。由此可見，二者的判斷是一致的。應力腐蝕敏感性較輕微時，其斷口上的二次裂紋和脆性層并不容易被觀察到。

需要說明的是，以上所述均為應力腐蝕的敏感性判據，并非一定會或不會發生應力腐蝕。應力腐蝕的敏感性是發生應力腐蝕之前的安全性判定問題，而發生應力腐蝕是裂紋的萌生問題及萌生后基于斷裂力學基礎的裂紋擴展問題，二者是有區別的，從圖6中可以看出應力腐蝕的發展過程。

4.2 應力腐蝕敏感性的試樣斷口特征

在拉伸試驗過程中，裂紋一般先從內部萌生，再逐步向外部擴展。而處于拉伸應力作用下光滑試樣的應力腐蝕試驗，由于腐蝕環境和拉伸應力對試樣表面的聯合作用，裂紋常從試樣表面萌生并向試樣內部逐漸擴展。慢應變速率拉伸應力腐蝕開裂敏感性試驗過程，實際上就是拉伸應力起主導作用的試樣內部裂紋萌生和向外部擴展及拉伸應力和腐蝕環境共同作用的試樣表面裂紋萌生和向內部擴展的過程，當2 種機制的裂紋擴展至相遇時，試樣便斷為2 個部分。因此，慢應變速率拉伸應力腐蝕開裂敏感性試驗試樣的斷口，一般包括拉伸的斷口特征和應力腐蝕的斷口特征2個部分。

拉伸試樣的斷口通常包含纖維區、放射區和剪切唇3 個部分。當圓形橫截面試樣受拉伸力作用，在試驗力達到最高點時，便在試樣的某個局部區域產生頸縮，同時試樣的應力狀態也由單向變為三向，且中心軸向應力最大。在中心三向拉伸應力作用下，塑性變形難于進行，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質點本身碎裂，或使夾雜物質點與基體界面脫離而形成微孔。微孔不斷長大和聚合，就會形成纖維區（中心裂紋）。當纖維區裂紋達到臨界尺寸后，就會快速擴展形成放射區。放射區是裂紋做快速低能量撕裂形成的，該區有放射花樣特征。試樣拉伸斷裂的最后階段形成杯狀或錐狀的剪切唇。應力腐蝕裂紋在力與環境的耦合作用下向內擴展至拉伸斷裂最后階段的某一區域內，與拉伸導致最后階段裂紋相匯合而使試樣最終斷裂。因此，斷口呈現出拉伸與應力腐蝕的綜合斷口特征，只是占比存在差異。

試驗所用材料應力腐蝕不敏感或者略有敏感性，使得斷口多數以拉伸斷口特征為主。在70 ℃3.5%NaCl水溶液環境中的側邊斷口，未見有二次裂紋和脆性層，表明其應力腐蝕敏感性并不顯著。

5 結 論

（1） 試驗材料在室溫和40 ℃這2 個溫度下3.5%NaCl 水溶液中的斷裂時間比值分別為101.1%和102.1%，抗拉強度比值分別為97.7%和97.8%，斷后伸長率比值均為97.6%，斷面收縮率比值分別為99.6%和101.0%，均大于95%，ISSRT值分別為2.67%和2.54%，均小于5%，說明試驗材料在以上條件下無應力腐蝕敏感性。

（2）在70 ℃3.5%NaCl 水溶液中，斷裂時間比值為95.7%，抗拉強度比值為96.2%，斷面收縮率比值為95.5%，均大于95%，但斷后伸長率比值為90.3%，小于95%，且ISSRT值為5.1%，大于5%，說明試驗材料在該條件下有應力腐蝕敏感性，且應力腐蝕導致材料力學性能的劣化具有參量選擇性。

（3）試樣宏觀斷口主要以典型的纖維區、放射區及剪切唇等拉伸斷口特征為主，試驗材料在室溫和40 ℃這2個溫度下3.5%NaCl水溶液中的試樣斷口特征和與室溫空氣中無明顯差異，但在70 ℃3.5%NaCl水溶液中，試樣表面剪切唇部分明顯比室溫空氣中的大，表明在室溫和40 ℃這2個溫度下3.5%NaCl 水溶液中試驗材料無應力腐蝕敏感性，而在70 ℃3.5%NaCl 水溶液中存在應力腐蝕敏感性，與以上比值法和ISSRT值法的判定結果相一致；但70 ℃3.5%NaCl 水溶液中試樣的微觀斷口邊沿并未發現明顯的二次裂紋和脆性層，表明該條件下試驗材料應力腐蝕敏感性并不顯著。