40Cr钢在海水中抗应力腐蚀的快速评价

【简介】

（1．哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2．海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室，山东青岛266071；3．中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳471039）

[摘要]采用慢应变速率拉伸试验(SSRT)，对40Cr钢在海水中的应力腐蚀开裂(SCC)敏感性进行评价，并结合快慢扫描极化及电化学噪声监测对其在海水中的腐蚀行为进行研究。结果表明：40Cr钢回火后含有粒状渗碳体，在海水中SCC敏感性很小，即在海水中具有较强的抗应力腐蚀能力，噪声电阻倒数1/Rn的变化与拉伸试样的不同阶段能够很好地吻合；40Cr钢在海水中宏观上具有纤维区、放射区，微观上主要是韧窝形貌的韧性断裂特征。

[关键词]应力腐蚀；40Cr钢；海水；慢应变速率拉伸；快慢扫描极化；电化学噪声

[中图分类号] TG172.9 [文献标识码]A  [文章编号]1001 - 1560( 2011) 01- 0019- 03

0前  言

应力腐蚀开裂( SCC)是金属构件常见的失效形式，而且是在构件几乎没有宏观塑性变形下发生。这种失效难以预测，危害性很大^[1,2]。慢应变速率拉伸试验( SSRT)是用来快速评价抗应力腐蚀开裂材料-环境体系SCC敏感性的实验室方法^[3]。其最大的优点是可以将实际用材与使用工况直接结合，快速、准确地评估其性能。在高强度碳钢应力腐蚀开裂中，应用电化学噪声测量可监测材料应力腐蚀开裂的发生过程，并且还可反映不同材料的应力腐蚀机理^[4]。

本工作采用SSRT对40Cr高强钢以1.36×10^-6s^-1应变速率于海水中应力腐蚀的敏感性进行快速评价，并利用动电位扫描、电化学噪声(ECN)技术对其在海水中的腐蚀行为进行监测；最后采用扫描电镜( SEM)对拉伸试样的断口进行形貌观察分析，进一步证实了40Cr钢在海水中具有良好的抗SCC性能。

1试验

1.1  基材热处理

试验用基材为40Cr钢，其显微组织见图1。由图1可知，40Cr钢的显微组织是回火索氏体，其中铁素体已完全失去淬火马氏体的形貌特征，而碳化物（主要为渗

碳体）为颗粒状，属于粒状珠光体。由于粒状渗碳体对铁素体基体没有切割作用，铁素体基体在高温回火时可得到充分的回复和再结晶，故此回火索氏体具有优良的综合力学性能和抗应力腐蚀性能。

基材热处理工艺为850℃油淬，580℃回火2h，水冷；其屈服强度和抗拉强度分别为785，980MPa。

1.2  慢应变速率拉伸及应力腐蚀试验

依据GB/T 15970.7- 2000和ASTMG 49 - 2000，对40Cr钢进行慢应变速率拉伸SCC试验，工件见图2。试样工作段用水磨砂纸逐级打磨到1000号，然后用丙酮、酒精清洗后吹干，并用硅橡胶、聚四氟胶带密封非工作段表面待用。施加约120 N预加载荷以消除减速齿轮、夹具等的间隙；SCC试验拉伸应变速率为1.36 x10^-6s^-1，SCC所用介质为甘油和青岛海滨天然海水。

图2试样尺寸

将材料在甘油与海水中的特征参数进行对比，采用公式计算对应于各参数的SCC敏感性指数F(λ)，从而进行材料在海水中的SCC敏感性的评定，公式如下：F(λ)=( λ₀ -λ) /λ₀ x100910

式中λ——腐蚀介质中的力学性能参数，可分别为断裂能A，断面收缩率Ψ，延伸率δ

    λ₀——惰性介质中的力学性能参数

    F(λ)越大，说明材料在腐蚀性介质中SCC敏感性越强，也就是材料在腐蚀性介质与惰性介质中各力学性能指标差距越大。试样断裂后，进行形貌观察分析。

1.3  电化学测试

    在慢拉伸试验过程中，同时进行ECN测量。2个40Cr分别作工作电极（拉伸）和辅助电极（静置），饱和甘汞电极( SCE)作参比电极。采样频率为2 Hz，采样数据作为1个单一文件进行存储；采用EG&G PAR273电化学测试系统。测量40Cr试样的极化阻力和自腐蚀电位，铂片作辅助电极，饱和甘汞电极( SCE)作参比电极，40Cr电极作工作电极。工作电极是Φ10 mm×10 mm的40Cr钢，其柱体侧面和一底面密封，另一底面作为工作面暴露于海水中，面积为0.785 CI112；待自腐蚀电位稳定后，再进行快慢扫描极化曲线测量。

2  结果与讨论

2.1  海水lfl的SCC敏感性

    表1为40Cr钢在甘油和海水中的慢应变速率拉伸结果。由表1可以看到，40Cr钢在甘油和海水中的慢应变速率拉伸试验结果各项参数均十分接近。

表l  40Cr钢征2种介质巾慢鹰变速牢拉伸纳果

    从表1可得出，40Cr钢在海水中的SCC敏感性指数F( A) =20.96%,F（Ψ）=9.38%,F(δ)=24.85%.图3为40Cr钢在甘油和海水中的应力，应变曲线。由图3发现，40Cr钢在这2种介质中的应力-应变曲线非

图3 40Cr钢在甘油和海水中的应力．应变曲线

常接近，即其在海水介质中的各项力学性能与无腐蚀过程相比变化不大。由此得出：40Cr钢在海水中几乎没有SCC敏感性，不易发生应力腐蚀开裂。

2.2  电化学性能

2.2.1  快慢扫描极化曲线

    根据Parkins提出的电位快慢扫描曲线法：选择相当快的扫描速度（约1000 mV/min）向阳极方向扫描，显示出强阳极极化区的情况，其目的是使成膜的机会变得很小，观察无膜状态下的电流密度；在其他条件不变时，改用较慢扫描速度（约20 mV/min），显示一段活化性不强的区域，目的是提供足够的时间来生成膜。快慢扫描所得极化曲线的阳极电流密度差别越大，说明发生应力腐蚀开裂的倾向性越大。因为应力腐蚀开裂发生在活化一钝化之间的临界平衡区域，既不是全面活化，也不是全面钝化。

    40Cr钢在海水中的快慢扫描极化结果见图4。由图4可见，在阳极区快扫和慢扫，阳极电流密度相差很小，说明40Cr钢在海水中的应力腐蚀开裂倾向性很小，具有良好的抗应力腐蚀开裂性能。通过对慢扫描极化曲线进行拟合，在自腐蚀电位附近士20 mV内，求得40Cr钢在海水中的极化电阻为2415.220，说明40Cr钢在海水中抗均匀腐蚀能力也较强。

图4 40Cr钢在海水中快慢扫描极化曲线

2.2.2  电化学噪声

    40Cr钢在海水SSRT过程中电位、电流密度随时间的变化见图5。由图5可见，40Cr钢在海水中电位、电流密度随时间的波动很小，尤其是电位趋于稳定后，瞬时变化甚微，几乎没有噪声峰。

图5 40Cr钢在海水SSRT过程中电位、电流密度随时间的变化

    在活化体系中，噪声电阻尺。的物理意义与腐蚀的极化电阻R。相同，即腐蚀速度和噪声电阻尺。的倒数成正比^[5]。通过监测腐蚀过程中的电位、电流噪声，可得噪声电阻R。=Sv/S_I，其中Sv和S_I分别为电位噪声和电流噪声的标准偏差^[6]。根据图5数据，由上式可计算噪声电阻的倒数1/R_n随时间的变化，进而即时反映腐蚀速度的瞬时变化趋势，结果见图6，图中还显示SSRT过程中负荷随时间变化的情况。从图6可见：腐蚀速度的变化和负荷随时间的变化有很好的相关性；40Cr钢在慢拉伸的整个过程，大致分为2个阶段：I为材料拉伸的弹性阶段，II为材料进入屈服阶段到最终的断裂过程。其中，在I阶段，腐蚀速度随时间的延长呈递增趋势，表明随负荷的增大，裂纹有从开始萌生到新裂纹不断产生、裂纹数目显著增加的渐变过程，力学和腐蚀介质对材料进行交互的作用；在Ⅱ阶段(约16000一18000 s)，腐蚀速度明显增大，并基本维持在这一水平，不再随负荷的变化而明显改变。这主要是由于新的裂纹已经很少产生，腐蚀处于一个相对稳态状态，裂纹尖端由于力学因素始终处于活化状态，而材料在腐蚀介质中发生应力腐蚀的首要条件是所产生的裂纹尖端始终处于活化、钝化交替出现的状态，所以在此阶段裂纹的扩展主要是由于力学因素的作用而非腐蚀介质——海水，并最终导致材料的断裂。综上所述，40Cr钢拉伸试样在海水介质中腐蚀所起的作用很小，材料没有发生应力腐蚀。

图6 40Cr钢在海水SSRT过程中噪声电阻倒数、负荷随时间的变化

2.3 扫描电镜(SEM)断口形貌

    图7是40Cr钢在海水和甘油中慢拉伸断口的宏观和微观形貌。由图7a可见，40Cr钢在海水中拉伸断口宏观上表现出纤维区、放射区等明显的韧性断裂特征，而在圆周的边缘剪切唇区域则为试样的最后断裂区，这些特征与图7c十分相近。图7b表明，40Cr钢在海水中微观上主要显示韧窝形貌，没有SCC脆断区及沿晶、解离等微观典型形貌，类似的韧窝形貌在图7d中也很明显。由此可见，40Cr钢拉伸试样在海水中呈韧

性断裂，从宏观、微观断口分析，均未发现SCC形貌特征。

图7 40Cr钢在海水和甘油中的SEM宏观和微观断口形貌

3  结论

    (1) 40Cr钢在海水中SCC敏感性很小，没有发生应力腐蚀开裂，且材料还具有较好的抗均匀腐蚀能力。(2)可用电化学噪声技术对40Cr钢在海水中慢拉伸全过程的腐蚀情况进行监测。噪声电阻倒数1/R。的变化反映材料在不同拉伸阶段腐蚀速度的即时变化。(3)40Cr钢断口形貌在海水中，宏观上表现出纤维区、放射区等明显的韧性断裂特征；微观上主要显示韧窝形貌，这些与其在惰性介质甘油中所得的结果十分相似，说明40Cr钢在海水中发生以力学为主要破坏因素的韧性断裂。

 [参考文献]

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