加載速率對(duì)34CrMo4鋼CT試樣應(yīng)力腐蝕行為的影響

南廣利，張 瑋，鄭三龍，陳冰冰，高增梁

(1.浙江工業(yè)大學(xué)化工機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，浙江杭州 310014;2.浙江工業(yè)大學(xué) 過(guò)程裝備及其再制造教育部工程研究中心，浙江杭州 310014)

0 引言

恒應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法在20世紀(jì)60年代初源于Newcastle大學(xué)［1］。試樣采用光滑、細(xì)腰拉伸試樣［2］，或帶有預(yù)制疲勞裂紋試樣［3］。試樣在剛性較大的框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)上，以一定位移速率(2.78 ×10－6～5.56 ×10－4mm/s)進(jìn)行拉伸，并在腐蝕介質(zhì)的作用下將試樣拉斷。

研究表明，對(duì)于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)，存在一個(gè)臨界范圍的應(yīng)變速率［4］，并且SCC實(shí)際上是一個(gè)由應(yīng)變速率起重要作用的開(kāi)裂過(guò)程［5］。在采用預(yù)制疲勞裂紋試樣時(shí)，位移速率太快，而使得金屬保護(hù)膜的破壞速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于修復(fù)速度，金屬保護(hù)膜還未充分形成，試樣就已經(jīng)斷裂。反之位移速率過(guò)慢，試樣表面膜破裂后，裸露的金屬發(fā)生再鈍化，使得保護(hù)膜的破壞速度小于修復(fù)速度，應(yīng)力與腐蝕的協(xié)同作用過(guò)程不能充分發(fā)生［6］。試驗(yàn)加載速度過(guò)快或過(guò)慢，均難測(cè)出材料的應(yīng)力腐蝕性能。并且較傳統(tǒng)的SSRT試驗(yàn)和測(cè)量KISCC的恒位移、恒載荷試驗(yàn)，用預(yù)制裂紋試樣的慢拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)可對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性進(jìn)行研究的同時(shí)，還可作為測(cè)量KISCC的加速試驗(yàn)，大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間。因此，研究預(yù)制裂紋試樣位移速率對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響，具有重要意義。用光滑、細(xì)腰試樣的應(yīng)變速率試驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了較多的研究，并已形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［7］。而對(duì)于預(yù)制裂紋試樣的相關(guān)研究則比較少。

文中從車用壓縮天然氣氣瓶在濕硫化氫環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕失效背景出發(fā)，以CNG氣瓶常用鋼種34CrMo4高強(qiáng)鋼的圓型緊湊拉伸試樣為研究對(duì)象，研究其在200和2000 ppm的H2S水溶液中，不同位移速率對(duì)應(yīng)力腐蝕行為的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料34CrMo4鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表1，試樣厚度B=3.8 mm，具體尺寸見(jiàn)圖1。

表1 34CrMo4化學(xué)成分%

圖1 圓型緊湊拉伸試樣尺寸

試驗(yàn)采用加載點(diǎn)的恒位移速率控制，考慮到光滑、細(xì)腰試樣位移速率常用取值范圍(2.78×10－6～5.56 ×10－4mm/s)［1］及前人曾做過(guò)的恒COD 位移速率(2 ×10－5～2 ×10－4mm/s)［3］，將本試驗(yàn)加載點(diǎn)位移速率分為10－3，10－4，5 ×10－5，10－5，5 ×10－6mm/s五種。

試樣取自CNG氣瓶，取樣后采用島津微機(jī)控制電液伺服靜動(dòng)態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)(EHF－ED 250 kN－40 L)預(yù)制裂紋，而后用丙酮對(duì)試樣進(jìn)行清洗，去除表面油污，用超聲波清洗機(jī)清洗去除裂縫內(nèi)雜物。用Na2S、稀硫酸與去離子水配置濃度為200和2000 ppm的H2S水溶液。采用某研究所自主研發(fā)的新型動(dòng)態(tài)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)(可對(duì)載荷、位移和時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸。每組試驗(yàn)均取3個(gè)平行試樣，并與空氣中以5×10－5mm/s位移速率拉伸的試樣進(jìn)行對(duì)比。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 斷口形貌

不同位移速率在200 ppm的H2S水溶液及空氣中的斷口形貌見(jiàn)圖2。隨著位移速率的降低，斷口形貌呈由韌性斷口到脆性斷口，再到韌性斷口的趨勢(shì)。不同位移速率在2000 ppm的H2S水溶液中的斷口形貌見(jiàn)圖3。隨著位移速率的降低，斷口形貌呈由韌性斷口到脆性斷口的趨勢(shì)。

2.2 時(shí)間—載荷與位移—載荷曲線

200 ppm的H2S水溶液中的試樣在不同位移速率拉伸下的時(shí)間—載荷曲線見(jiàn)圖4，位移—載荷曲線見(jiàn)圖5，各參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2?？諝庵欣斓脑嚇幼畲筝d荷19.95 kN，達(dá)到最大載荷時(shí)間10.16 h，降到最小載荷的時(shí)間 65.53 h。隨位移速率的降低，試驗(yàn)所達(dá)到的最大載荷值呈現(xiàn)由大到小、再到大的趨勢(shì)。10－4，5 × 10－5，10－5mm/s這3種位移速率的位移—載荷曲線下的面積都要遠(yuǎn)小于10－3，5×10－6mm/s位移速率的位移—載荷曲線下的面積。這3種位移速率下，腐蝕在斷裂中的主導(dǎo)作用更加明顯。

圖2 不同位移速率在200 ppm的H2S水溶液及空氣中的斷口形貌

圖3 不同位移速率在2000 ppm的H2S水溶液環(huán)境下的斷口形貌

圖4 200 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的時(shí)間—載荷曲線

圖5 200 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的位移—載荷曲線

表2 200 ppm的H2S水溶液中同位移速率下的參數(shù)對(duì)比

2000 ppm的H2S水溶液中的試樣在不同位移速率拉伸下的時(shí)間—載荷曲線見(jiàn)圖6，位移—載荷曲線見(jiàn)圖7，各參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。隨位移速率的降低，試驗(yàn)所達(dá)到的最大載荷值呈現(xiàn)由大到小、再到大的趨勢(shì)。10－4，5 × 10－5，10－5和 5 × 10－6mm/s這4種位移速率的位移—載荷曲線下的面積都要遠(yuǎn)小于10－3mm/s位移速率的位移—載荷曲線下的面積。這4種位移速率下，腐蝕在斷裂中的主導(dǎo)作用更加明顯。

2.3 da/dt與 KⅠ關(guān)系曲線

傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)與大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都認(rèn)為da/dt與KⅠ的關(guān)系分為3個(gè)階段，如圖8所示。在不同的試驗(yàn)條件下，不同材料和介質(zhì)的裂紋擴(kuò)展規(guī)律不同，可能只有Ⅰ，Ⅱ或Ⅱ，Ⅲ兩個(gè)階段。第Ⅰ階段與第Ⅲ階段，da/dt隨KⅠ增加而增大，且時(shí)間較短;第Ⅱ階段的da/dt近似一個(gè)常數(shù)，與KⅠ基本無(wú)關(guān)，稱為“平臺(tái)da/dt”，且時(shí)間較長(zhǎng)，是用來(lái)對(duì)剩余壽命進(jìn)行評(píng)估的重要指標(biāo)［8］。并且在Ⅱ階段，裂紋擴(kuò)展速率da/dt受材料和介質(zhì)的影響最大［9］。所以可以用平臺(tái)da/dt值來(lái)作為應(yīng)力腐蝕敏感性對(duì)比的一個(gè)標(biāo)量。

圖6 2000 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的時(shí)間—載荷曲線

圖7 2000 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的位移—載荷曲線

表3 2000 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的參數(shù)對(duì)比

10－4，5 ×10－5和 10－5mm/s這 3 種位移速率下的da/dt與KⅠ關(guān)系曲線見(jiàn)圖9。不同濃度和位移速率下的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4。其中KⅠ由公式(1)計(jì)算。平臺(tái)da/dt值為Ⅱ階段da/dt的平均值，KISCC為觀察到裂紋起裂時(shí)所對(duì)應(yīng)的KⅠ值。

圖8 典型的da/dt與KISCC曲線示意

其中:

式中 P——加載的載荷值

圖9 10－4，5 ×10－5和10－5mm/s這3 種位移速率下的da/dt與KⅠ關(guān)系曲線

3 結(jié)果分析

對(duì)于200 ppm濕H2S環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果，由圖2 中10－4，5 ×10－5，10－5mm/s這 3 種位移速率下的微觀斷口形貌中存在撕裂棱、解理臺(tái)階、二次裂紋可知，斷口為準(zhǔn)解理斷口，是典型的應(yīng)力腐蝕斷口。而當(dāng)位移速率為10－3和5×10－6mm/s時(shí)，斷口呈現(xiàn)大量的塑性滑移，塑性滑移帶中有些許韌窩的存在，而空氣中拉伸試樣的微觀斷口形貌中，塑性滑移占少數(shù)，韌窩占主導(dǎo)地位。

表4 200和2000 ppm的H2S水溶液下不同位移速率的KISCC與平臺(tái)da/dt值參數(shù)對(duì)比

由圖4和表2可以看出，試樣在10－4，5×10－5和10－5mm/s這3種位移速率下，當(dāng)載荷達(dá)到最大值后會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)突然下降到最小值，此時(shí)試樣的a值為42.7 mm，裂紋已得到了充分的擴(kuò)展，試樣幾近完全斷裂，分成兩半，并且達(dá)到的最大載荷值都在3 kN左右，再結(jié)合斷口形貌，應(yīng)屬于脆性斷裂。對(duì)于10－3和5×10－6mm/s的位移速率，明顯不同于其他3種速率，位移—載荷比較平緩，無(wú)突然下降的跡象，最大載荷分別為7.91和7.79 kN，是其他速率下的2倍多，說(shuō)明腐蝕和應(yīng)力的協(xié)同作用比較小，再結(jié)合斷口可知應(yīng)屬于韌性斷裂。而在空氣中，拉伸試樣的最大載荷19.95 kN，是 10－4，5 ×10－5和 10－5mm/s這 3種位移速率下最大載荷值的7倍左右;斷裂時(shí)間67.12 h，是濕H2S介質(zhì)環(huán)境下相同位移速率斷裂時(shí)間的 7 倍以上。說(shuō)明對(duì)于 10－4，5 ×10－5和10－5mm/s這3種位移速率，34CrMo4鋼在200 ppm濕H2S環(huán)境下具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性［9］。

對(duì)于2000 ppm濕H2S環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果，由圖3可知，10－3mm/s位移速率下的斷口中存在大量的塑性滑移和少量的韌窩，斷口呈韌性斷口。而對(duì)10－4，5 ×10－5，10－5和5 ×10－6mm/s這4 種位移速率則呈準(zhǔn)解理斷口，應(yīng)力腐蝕特征較明顯?？諝庵欣煸嚇拥淖畲筝d荷是這4種位移速率下最大載荷值的5倍以上;斷裂時(shí)間是濕H2S介質(zhì)環(huán)境下相同位移速率斷裂時(shí)間的28倍以上。說(shuō)明對(duì)10－4，5 ×10－5，10－5和5 ×10－6mm/s這4 種位移速率，34CrMo4鋼在2000 ppm濕H2S環(huán)境下也具有較高應(yīng)力腐蝕敏感性。

綜上，試樣在 10－4，5 ×10－5和 10－5mm/s這3種位移速率中，34CrMo4鋼在200與2000 ppm濕H2S環(huán)境下均具有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性;而在10－3和5 ×10－6mm/s位移速率下，則不能完全得到有效的應(yīng)力腐蝕特征。

由表4可知，在同種濕H2S濃度下所測(cè)量KISCC相差不大，可認(rèn)為在應(yīng)力腐蝕敏感性較高的位移速率范圍內(nèi)，不同的位移速率對(duì)KISCC測(cè)量值的影響不大，而對(duì)平臺(tái) da/dt值的影響較大。KISCC是材料和介質(zhì)應(yīng)力腐蝕特征的參數(shù)，而和加載方式無(wú)關(guān)。在同種濕H2S濃度下所測(cè)量KISCC相差不大，也說(shuō)明了試驗(yàn)測(cè)KISCC的有效性。

由于本試驗(yàn)屬于應(yīng)力腐蝕加速試驗(yàn)，在縮短試驗(yàn)時(shí)間的同時(shí)，也加大了裂紋擴(kuò)展速率的值。所以對(duì)于恒位移速率下的da/dt值，較傳統(tǒng)的恒位移試驗(yàn)方法的da/dt值要偏大，相應(yīng)的評(píng)估也較保守。不同的位移速率下的應(yīng)力腐蝕敏感性也不同，材料對(duì)介質(zhì)敏感性越高，da/dt的值也就越大。由于平臺(tái)da/dt值最能反映材料和介質(zhì)的屬性，而5×10－5mm/s位移速率下的平臺(tái)da/dt值最大，說(shuō)明在此位移速率下的應(yīng)力和腐蝕的協(xié)同作用最強(qiáng)。

由圖9可以看出，在裂紋剛起裂時(shí)KⅠ值所對(duì)應(yīng)的da/dt值，按位移速率由小到大而逐漸增加。而隨著KⅠ值的增加，5×10－5mm/s位移速率下的da/dt值增加的速度最快，在到平臺(tái)da/dt值時(shí)，此位移速率下的da/dt值已是其他兩種速率下的兩倍以上。說(shuō)明在裂紋起裂時(shí)的da/dt在一定程度上主要受加載的位移速率的影響。而在裂紋擴(kuò)展后的da/dt的增加速度及平臺(tái)da/dt值的大小，則主要受此位移速率下的應(yīng)力腐蝕敏感性的高低的影響。

為了便于此種試驗(yàn)方法的推廣，考慮到本試樣在試驗(yàn)中的幾何關(guān)系，建議試樣幾何參數(shù)在0.62≤a/U≤1.05，0.395≤a/W≤0.67之間時(shí)選用該位移速率范圍(10－5～10－4mm/s)。當(dāng)幾何尺寸在該范圍內(nèi)時(shí)，34CrMo4高強(qiáng)鋼CT試樣的應(yīng)力腐蝕位移速率有效范圍在10－5～10－4mm/s之間，在此范圍內(nèi)可對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性、da/dt和KISCC進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

(1)34CrMo4高強(qiáng)鋼圓型緊湊拉伸試樣在濕H2S環(huán)境下應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究，當(dāng)試樣幾何尺寸在0.62≤a/U≤1.05，0.395≤a/W≤0.67之間時(shí)，有效位移速率在10－5～10－4mm/s之間，在此范圍內(nèi)可對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性、da/dt和KISCC進(jìn)行研究;

(2)位移速率為10－3或5 ×10－6mm/s時(shí)，加載速率過(guò)快或過(guò)慢，不適用于應(yīng)力腐蝕試驗(yàn);

(3)在應(yīng)力腐蝕敏感性較高的加載方式下，不同的位移速率對(duì)KISCC測(cè)量值的影響不大，而對(duì)da/dt的影響較大;在裂紋起裂時(shí)的da/dt在一定程度上主要受加載的位移速率的影響。而在裂紋擴(kuò)展后的da/dt的增加速度及平臺(tái)da/dt值的大小，則主要受此位移速率下的應(yīng)力腐蝕敏感性的高低的影響。

［1］桂立豐.機(jī)械工程材料測(cè)試手冊(cè)(腐蝕與摩擦學(xué)卷)［M］.遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［2］Maoqiu Wang，Eiji Akiyama，Kaneaki Tsuzaki.Effect of Hydrogen on the Fracture Behavior of High Strength Steel during Slow Strain Rate Test［J］.Corrosion Science，2007，49(11):4081－4097.

［3］Kalnaus S，Zhang JX，Jiang YY.Stress－Corrosion Cracking of AISI 4340 Steel in Aqueous Environments［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2011，42(2):434－447.

［4］牛林，張長(zhǎng)橋，林海潮.應(yīng)變速率和電位對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的影響［J］.物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2003，19(7):616－620.

［5］方丙炎，韓恩厚，王儉秋，等.應(yīng)變速率對(duì)管線鋼近中性pH值環(huán)境敏感開(kāi)裂的影響［J］.金屬學(xué)報(bào)，2005，41(11):1174－1182.

［6］孫齊磊，曹備，吳蔭順.應(yīng)變速率對(duì)X70管線鋼應(yīng)力腐蝕行為的影響［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2009，21(9):51－55.

［7］GB/T 15970.7—2000，金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第7部分慢應(yīng)變速率試驗(yàn)［S］.

［8］陳學(xué)東，蔣家羚，楊鐵成，等.濕H2S環(huán)境下典型壓力容器用鋼應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率的估算與試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.壓力容器，2004，21(4):4－9.

［9］程斳，趙樹山.斷裂力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［10］Rokuro Nishimura，Achmad Sulaiman，Yasuaki Maeda.Stress Corrosion Cracking Susceptibility of Sensitized Type 316 Stainless Steel in Sulphuric Acid Solution［J］.Corrosion Science，2003，45(2):465－484.