強化研磨噴射壓力對GCr15軸承鋼應力腐蝕性能的影響*

劉曉初，耿 晨※，阮 毅，梁忠偉，馮文康，范立維，吳子軒，吳 俊

（1.廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 510006；2.廣州大學廣州市金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室，廣州 510006；3.廣州大學廣東省強化研磨高性能微納加工工程技術研究中心，廣州 510006；4.廣東省機械研究所有限公司，廣州 510799）

0 引言

應力腐蝕是機械構件在腐蝕環境、應力載荷聯合作用下發生的一種低應力脆斷現象，也是高強度鋼材料經常發生的一種失效現象，據相關數據統計[1]，在腐蝕失效導致發生工程事故的案例中，應力腐蝕達到了37%，是金屬材料最常見的腐蝕損壞形式之一。在新興風電行業、海洋裝備、軌道交通領域中，軸承作為其不可或缺的零件起到重要的作用，其中GCr15軸承鋼是其應用最廣泛的制造原料，在服役過程中除需面對復雜應力載荷外往往還需面對不同的腐蝕介質，如Cl-離子、潤滑油在高溫下反應生成的硫化物、有機酸等，極易發生應力腐蝕脆斷現象，嚴重威脅著機械零部件的安全穩定運行。

目前國內外學者對材料進行強化處理后的應力腐蝕性能展開了大量研究。Kermanidis AT等[2]研究發現滾壓強化加工處理后，材料在應力腐蝕實驗中損失的力學性能顯著減小；Lu等[3]研究發現激光強化處理后在材料近表層引入了殘余壓應力，阻礙了應力腐蝕裂紋的擴展，從而降低材料發生脆化現象的程度；孟憲偉等[4]研究發現，經空化水射流處理后材料發生晶粒細化現象，使得應力腐蝕裂紋擴展的路徑變得復雜，難以形成主裂紋，從而降低了應力腐蝕開裂風險；黃六一等[5]通過慢應變速率拉伸實驗研究經過高能噴丸后材料的應力腐蝕性能，結果表明，經過高能噴丸強化處理后，材料的金相組織更為穩定致密，由此提高了其應力腐蝕抗性。

強化研磨技術是廣東省強化研磨高性能微納加工工程技術研究中心提出的一種針對金屬材料加工的技術，依據《軸承套圈（滾道）噴射式強化研磨機》標準施行[6]，該技術可有效提高材料耐摩擦磨損[7]、耐腐蝕性能[8-9]。在強化研磨課題組的前期研究中，已對材料的殘余壓應力、疲勞性能、摩擦磨損性能、耐腐蝕性能等單一失效現象進行了研究[10-12]，然而目前機械零件的工作環境日益復雜惡劣，傳統且單一的失效理論已不足以解釋復雜多樣的失效現象，而目前針對強化研磨技術加工處理后GCr15軸承鋼在應力、腐蝕介質聯合作用下的應力腐蝕失效行為尚未開展研究。因此，本文以強化研磨噴射壓力為變量，通過慢應變速率拉伸實驗，探究GCr15軸承鋼的應力腐蝕失效行為，分析強化研磨噴射壓力對材料應力腐蝕性能的影響，為軸承材料的可靠運行提供依據和保障。

1 應力腐蝕實驗

1.1 實驗材料與制樣

實驗材料為熱處理后的供貨態GCr15軸承鋼，主要化學成分如表1所示。

表1 GCr15軸承鋼化學成分Tab.1 Chemical composition of GCr15 bearing steel

應力腐蝕實驗中試樣制備示意圖如圖1所示。

按圖1加工完成后的實物如圖2所示。

圖1 應力腐蝕實驗試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of stress corrosion test specimen

圖2 應力腐蝕實驗試樣實物Fig.2 Material object of stress corrosion test specimen

1.2 實驗設備

使用強化研磨機對試樣進行強化研磨加工處理，該設備如圖3所示。

圖3 強化研磨加工設備Fig.3 Strengthened grinding and processing equipment

對強化研磨加工處理后的試樣進行應力腐蝕實驗，實驗依據為國家標準“GB/T 15970.7-2017金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗”中的第7部分：慢應變速率拉伸實驗[13]，根據標準拉伸速率選擇為1×10-6mm/s，實驗溫度為室溫。慢應變速率拉伸實驗該設備如圖4所示。

圖4 應力腐蝕實驗設備Fig.4 Stress corrosion test equipment

1.3 實驗方案

在強化研磨團隊的前期研究中，已發現在噴射壓力、噴射角度、強化時間等加工參數中，對強化加工效果產生主要影響的加工參數為噴射壓力[14]，因此選取噴射壓力為參數變量，依據《軸承套圈（滾道）噴射式強化研磨機》標準，噴射壓力范圍選取為0.4～0.8 MPa，其余參數設置為前期研究中得到的最佳值；對試樣強化研磨加工后隨后對其進行應力腐蝕實驗，實驗環境為NaCl溶液并設置在空氣介質中進行實驗的空白對照組A0，用于分析GCr15軸承鋼在應力腐蝕實驗中力學性能的變化；另外設置了在NaCl溶液中進行實驗的空白對照組A1，用于分析不同噴射壓力情況下強化研磨加工后試樣應力腐蝕性能的變化。

表2 實驗方案Tab.2 Experimental scheme

2 實驗結果與分析

2.1 慢應變速率拉伸結果分析

A0～A6各組試樣在慢應變速率拉伸實驗后得到的結果如表3所示。由表中實驗結果看出，空白對照實驗組A0在空氣介質中進行慢應變速率拉伸實驗，最大抗拉強度為1 381.5 MPa，延伸率為3.3%；空白對照實驗組A1在NaCl溶液中進行慢應變速率拉伸實驗的結果顯示，最大抗拉強度為1 016.3 MPa，延伸率為1.1%；A0與A1組試樣的實驗結果表明GCr15軸承鋼試樣在應力腐蝕試樣中發生了脆化現象，力學性能降低，具體表現為抗拉強度下降了365.2 MPa，延伸率降低了2.2%。

表3 慢應變速率拉伸實驗結果Tab.3 Slow strain rate tensile test results

分析A2～A6這5組試樣的實驗結果，可以發現相對于空白組A1，強化研磨加工后的各試樣在應力腐蝕實驗中損失力學性能的程度都得到了降低，強化研磨加工后A2～A6組試樣抗拉強度分別降低了313.1 MPa、278.4 MPa、234.3 MPa、194.9 MPa、171.8 MPa，其中，A6組試樣損失的力學性能最少，表現出了良好的抗應力腐蝕性能。

從延伸率變化角度分析得到了相似的規律，相對于A0組試樣，A1～A6各組試樣的延伸率分別下降了2.2%、1.9%、1.4%、0.9%、0.5%、0.8%。其中，A1組試樣延伸率下降幅度最大；結合其抗拉強度變化情況來看，可以發現空白組A1試樣在應力腐蝕實驗中綜合力學性能損失程度最大；A6組試樣損失力學性能、發生脆化程度最小，表明強化研磨后材料的抗應力腐蝕性能得到提高。

2.2 應力腐蝕敏感性分析

慢應變速率拉伸試驗結果表明，在中性氯化物環境中的實驗結果與在空氣中進行實驗的結果存在較大差距，說明GCr15軸承鋼在NaCl溶液中表現出了腐蝕敏感性，可以對其進行應力腐蝕敏感性評價。應力腐蝕敏感性計算公式為[15]：

式中：ISCC代表應力腐蝕敏感性；σC、εC分別表示在腐蝕介質環境中進行慢應變速率拉伸實驗后得到的最大抗拉強度、延伸率；σA、εA分別表示在空氣中進行實驗后得到的最大抗拉強度和延伸率。計算得出應力腐蝕敏感性結果如圖5所示。

圖5 應力腐蝕敏感性計算結果Fig.5 Calculation results of stress corrosion susceptibility

結果顯示，應力腐蝕敏感性數值呈現出隨著強化研磨噴射壓力增大而降低的趨勢。A1組試樣應力腐蝕敏感性數值為0.28；強化研磨加工后的A2～A6各試樣應力腐蝕敏感性分別為0.241、0.212、0.177、0.145、0.131，在數值上均低于A1組試樣，其中，經強化研磨噴射壓力為0.8 MPa加工的A6組試樣應力腐蝕敏感性最小，為0.131，相較于空白組A1降低了53.2%。

結合各試樣在慢應變速率拉伸實驗中力學性能的變化情況及應力腐蝕敏感性分析，可以發現將噴射壓力參數控制在0.7 MPa時材料表現出了較好的應力腐蝕抗性，且具有良好的綜合力學性能，有效抑制了應力腐蝕失效現象的發生。

2.3 斷口形貌觀測分析

對慢應變速率拉伸實驗后的試樣斷口進行觀察分析，以研究GCr15軸承鋼發生斷裂的類型及性質。

圖6所示為空白組A0試樣在空氣中拉伸斷裂后的斷口形貌，從圖中可以看出，A0試樣斷口平整，且與慢應變速率拉伸試驗機施加的應力方向相垂直，聯合GCr15軸承鋼的高強度碳鋼性質，可判斷其發生斷裂的形式為脆性斷裂[16]；此外，其斷口形貌中存在著典型的沿晶斷裂特征：冰糖狀花紋，表明應力腐蝕裂紋萌生后是沿著晶界為路徑向材料基體內部擴展并最終導致了斷裂。

圖6 A0組試樣斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of samples in A0 group

空白組試樣A1的斷口形貌如圖7（a）所示，其斷口中不存在韌窩，且發現大量河流狀花紋，準解理平面數量較多，對比各組斷口形貌發現A1組試樣材料發生脆化的程度最高；在圖7（b）～（f）中可以發現，相對于A1，經過強化研磨加工后的A2～A6各試樣斷口中韌窩數量增多，準解理平面減少，對比A1與A6體現的最為明顯；說明強化研磨加工后的試樣材料在應力腐蝕實驗中發生脆化的程度降低，這也體現了強化研磨技術對GCr15軸承鋼抗應力腐蝕性能的提升效果。

圖7 A0～A6組試樣斷口形貌Fig.7 Fracture morphologies of samples in groups A0～A6

為了直觀對比強化研磨加工前后的應力腐蝕行為，選取A1與A6組試樣并對二者斷口邊緣處的應力腐蝕裂紋進行對比分析，如圖8所示。在圖中可以看到，A1組試樣斷口邊緣存在大量腐蝕產物，裂紋萌生于表層脆性腐蝕產物中并向材料內部拓展，在拓展過程中出現分叉現象并產生二次裂紋，裂紋呈“樹枝狀”分布，呈現出典型的應力腐蝕裂紋特征；應力腐蝕裂紋逐漸生長形成主裂紋最終導致了斷裂；相較于A1組，A6組試樣斷口邊緣處的腐蝕產物較少，且不存在明顯的應力腐蝕裂紋特征且數量少，因此難以形成主裂紋導致斷裂。

圖8 應力腐蝕裂紋觀測結果Fig.8 Observation results of stress corrosion cracking

結合強化研磨加工效果分析可知，試樣材料近表層在經過強化研磨加工發生彈塑性變形，發生位錯密度增大、晶粒細化現象，導致晶界數量增多，使得腐蝕介質難以侵入材料基體與之發生腐蝕反應[17]；由斷口形貌觀測結果可知GCr15軸承鋼材料的應力腐蝕裂紋是以晶界為擴展路徑，晶界數量的增多也使得應力腐蝕裂紋的擴展路徑變得復雜，難以形成主裂紋發生斷裂；位錯密度的提高也使得生成腐蝕產物的速率降低[18]，從而抑制了脆化現象的發生。此外，強化研磨加工后在試樣材料近表層植入了殘余壓應力，減少了應力集中現象的發生，根據應力腐蝕裂紋觀測結果可知，應力腐蝕裂紋萌生于材料基體表面并以此向內部拓展，殘余壓應力的存在則抑制了這一過程。因此GCr15軸承鋼材料的抗應力腐蝕性能在機械應力強化和微觀組織強化的共同作用下得到了綜合提升。

3 結束語

（1）在應力腐蝕實驗過程中，GCr15軸承鋼材料發生脆化現象，力學性能降低，其中，抗拉強度降低了26.4%，延伸率降低了66.7%。

（2）強化研磨后GCr15軸承鋼抗應力腐蝕性能得到提高，應力腐蝕敏感性隨著強化研磨噴射壓力的增大呈現出降低的趨勢。其中，噴射壓力為0.8 MPa加工后的試樣材料在應力腐蝕實驗中表現出了最好的應力腐蝕抗性，相較于未加工試樣，其應力腐蝕敏感性降低了53.2%。

（3）GCr15軸承鋼材料在中性氯化物溶液中發生應力腐蝕斷裂的形式為沿晶斷裂，強化研磨加工在材料近表層引入殘余壓應力，使之發生晶粒細化、位錯增殖現象，使得腐蝕介質擴散路徑變得復雜，難以與材料基體發生腐蝕反應；此外，殘余壓應力抑制了應力腐蝕裂紋的萌生、擴展。GCr15軸承鋼材料的抗應力腐蝕性能在機械應力強化和微觀組織強化的共同作用下得到了綜合提升。