表面處理對(duì)40Cr鋼腐蝕疲勞壽命的影響

張 艷，章 強(qiáng)，謝 凡

（武漢材料保護(hù)研究所，武漢430030）

表面處理是影響金屬材料腐蝕疲勞性能的重要因素之一。正確合理的表面處理可以提高金屬材料的腐蝕疲勞強(qiáng)度，而不適合的表面處理則會(huì)導(dǎo)致金屬腐蝕疲勞強(qiáng)度下降［1-4］。因此，在金屬構(gòu)件的設(shè)計(jì)和加工過程中必需科學(xué)地選擇表面處理方法。

金屬在水溶液中的腐蝕是電化學(xué)腐蝕，在腐蝕疲勞過程中金屬材料的電化學(xué)行為和力學(xué)行為之間必然存在某種相互關(guān)系。本工作研究了經(jīng)不同表面處理工藝處理后的40Cr鋼在3%NaCl溶液中的腐蝕疲勞性能，揭示了腐蝕疲勞過程中40Cr鋼的電化學(xué)行為。以期為正確選擇表面保護(hù)方法和預(yù)測(cè)金屬構(gòu)件在腐蝕疲勞工況條件下的壽命提供有關(guān)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和表面處理

試驗(yàn)材料為40Cr鋼，其化學(xué)成分和機(jī)械性能分別見表1和表2。采用不同工藝對(duì)40Cr鋼試樣進(jìn)行有離子氮化、化學(xué)鍍鎳、噴鋁（分封閉和不封閉兩種情況）和電鍍鋅鐵合金等表面處理。

表1 40Cr鋼的化學(xué)成分 %

表2 40Cr鋼的機(jī)械性能

1.2 試驗(yàn)方法

腐蝕疲勞測(cè)試系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)彎曲腐蝕疲勞試驗(yàn)機(jī)和電極電位測(cè)試裝置兩部分構(gòu)成。在3%NaCl溶液中，試樣在不同載荷下以3 000r／min的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲腐蝕疲勞試驗(yàn)［5］，同時(shí)用飽和甘汞電極（SCE）連續(xù)測(cè)試疲勞試樣的電極電位。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表3為40Cr鋼試樣及其經(jīng)表面處理后的試樣腐蝕疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)；圖1是40Cr鋼經(jīng)不同表面處理工藝后試樣在空氣中及3%NaCl中的S-N曲線。

表3 40Cr鋼及其表面處理試樣的腐蝕疲勞數(shù)據(jù)

圖1 40Cr鋼在空氣中及經(jīng)不同表面處理工藝后的試樣在3%NaCl中應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線

由表3可見，經(jīng)過表面處理后40Cr鋼在3%NaCl水溶液中的腐蝕疲勞強(qiáng)度均獲得不同程度的提高。由圖1可知，在空氣中，40Cr鋼的S-N曲線有明顯的水平段，即通常所說的疲勞極限，而在3%NaCl水溶液中無論是否經(jīng)過不同的表面處理，其S-N曲線均無明顯的水平段，而是隨著時(shí)間（循環(huán)次數(shù)N）的增長(zhǎng)向右下方傾斜。

表4是40Cr鋼及表面處理試樣在3%NaCl溶液中的自腐蝕電位。由表4可見，噴鋁層和電鍍鋅鐵合金為陽(yáng)極性涂層，化學(xué)鍍鎳為陰極性涂層。40Cr鋼經(jīng)離子氮化表面處理后，自腐蝕電位變正。

表4 40Cr鋼及其表面處理試樣在3%NaCl溶液中的腐蝕電位

圖2是40Cr鋼在3%NaCl溶液中受到不同交變應(yīng)力作用時(shí)，其腐蝕電位隨時(shí)間的變化曲線（E-t曲線）。由圖3可見，40Cr鋼在腐蝕疲勞過程中，其自腐蝕電位隨時(shí)間增加而負(fù)移，且外加應(yīng)力不同，自腐蝕電位隨時(shí)間的變化率亦不相同。

圖2 在腐蝕疲勞過程中40Cr鋼自腐蝕（E-t曲線）曲線

2.2 表面處理對(duì)40Cr鋼腐蝕疲勞性能的影響

（1）離子氮化 離子氮化處理將40Cr鋼在3%NaCl溶液中的疲勞強(qiáng)度（N＝107）從118MPa提高到154MPa（見表3）。離子氮化主要從兩方面改善40Cr鋼在3%NaCl水溶液中的腐蝕疲勞性能：氮化在40Cr鋼表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，部分抵消了在疲勞載荷下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而提高了40Cr鋼的腐蝕疲勞；40Cr鋼經(jīng)離子氮化處理后，自腐蝕電位正移（見表4），提高了材料表面的耐蝕性。

（2）化學(xué)度鎳 化學(xué)鍍鎳后40Cr鋼在3%NaCl溶液中的腐蝕疲勞強(qiáng)度（N＝107）提高到162 MPa（見表3）?；瘜W(xué)鍍鎳是一種非晶態(tài)的Ni-P合金沉積層，孔隙率低，具備優(yōu)異的耐蝕性［6］。由于化學(xué)鍍鎳層使40Cr鋼基體表面不能與NaC1溶液直接接觸，抑制了40Cr鋼基體的腐蝕，因而提高了40Cr鋼的腐蝕疲勞強(qiáng)度。但化學(xué)鍍鎳層是一種陰極性涂層，在NaCl溶液中受交變應(yīng)力作用而破裂，使40Cr鋼基體和NaCl溶液接觸，這時(shí)會(huì)由于電偶作用加速基體腐蝕。所以，化學(xué)鍍鎳改善材料腐蝕疲勞性能時(shí)，應(yīng)注意這一問題。

（3）噴鋁及電鍍鋅鐵合金 由表3及圖1可知，噴鋁層能明顯提高40Cr鋼的腐蝕疲勞性能；同樣，電鍍鋅鐵合金也顯著地提高了40Cr鋼的腐蝕疲勞強(qiáng)度。噴鋁層和電鍍鋅鐵合金層是陽(yáng)極性涂層（見表4），無論涂層完好，還是涂層部分脫落，均使40Cr鋼基體受到電化學(xué)保護(hù)，延緩了由于銹蝕而引起的疲勞源的形成，從而提高了40Cr鋼的腐蝕疲勞強(qiáng)度。而電鍍鋅鐵合金層的腐蝕電位較噴鋁層電位負(fù)（見表4），能夠?qū)w金屬提供更充分的陰極保護(hù)，所以40Cr鋼電鍍鋅鐵合金后的腐蝕疲勞強(qiáng)度高于噴鋁后的腐蝕疲勞強(qiáng)度。

40Cr鋼噴鋁層未封閉，腐蝕疲勞強(qiáng)度為299MPa；噴鋁并封閉，腐蝕疲勞強(qiáng)度為302MPa，二者無明顯差別。封閉的主要作用是改善涂層孔隙，提高涂層對(duì)基體的保護(hù)能力。由于受到交變應(yīng)力的作用，噴鋁層產(chǎn)生微小裂紋，使封閉處理喪失其功能，造成經(jīng)封閉處理的噴鋁層和未經(jīng)封閉處理的噴鋁層在改善40Cr鋼的腐蝕疲勞性能上無明顯差異。

上述分析表明，選擇合適的表面處理能夠有效地改善40Cr鋼的耐蝕性，從而提高40Cr鋼的腐蝕疲勞強(qiáng)度（或腐蝕疲勞壽命）。

2.3 斷口特征觀察

40Cr鋼疲勞斷口的掃描電鏡圖像見圖3～圖8。由圖3可見，在空氣中只有一個(gè)疲勞源產(chǎn)生于表面缺陷處。在NaCl溶液中疲勞源多源于金屬表面上的腐蝕坑或表面缺陷（如圖4～圖8），因此均為多源疲勞腐蝕與交變應(yīng)力的共同作用，使得疲勞斷口的出現(xiàn)較多的二次裂紋、腐蝕坑和腐蝕產(chǎn)物，以及疲勞紋在NaCl溶液的作用下發(fā)生腐蝕溶解，呈現(xiàn)出比較模糊和不連續(xù)的疲勞紋，斷口的主要方式是穿晶開裂或穿晶與沿晶開裂混合。

圖3 40Cr鋼在空氣中SEM圖

比較這4種經(jīng)表面處理后試樣的SEM圖可以看出，試樣電鍍鋅鐵合金后，其疲勞斷口表現(xiàn)出疲勞源區(qū)較寬，斷面腐蝕較輕，具有明顯的疲勞特征（圖5）；噴鋁試樣的斷口表現(xiàn)出裂紋擴(kuò)展區(qū)較大，疲勞紋較細(xì)的特征（圖6）；化學(xué)鍍鎳試樣的斷口特征是表面鍍層不均勻處（破裂、脫落）腐蝕較嚴(yán)重，擴(kuò)展區(qū)較大，但有明顯的腐蝕坑，疲勞紋較粗，且不連續(xù)（圖7）；離子氮化試樣的斷口表現(xiàn)出表層（氮化層）和擴(kuò)展區(qū)嚴(yán)重腐蝕，二次裂紋比其它3種表面處理的疲勞斷口深而長(zhǎng)（圖8），但比未氮化的試樣斷口略好（圖4）。由此可見，腐蝕疲勞斷口所體現(xiàn)的腐蝕疲勞性能的規(guī)律與測(cè)試數(shù)據(jù)所體現(xiàn)的規(guī)律相吻合。

2.4 金屬腐蝕疲勞過程中的電化學(xué)現(xiàn)象

在3%NaCl水溶液，40Cr鋼在不同應(yīng)力水平下的E-t曲線（見圖2）具有同圖9所示曲線相類似的形狀。根據(jù)電位隨時(shí)間的變化率，將該曲線分成若干區(qū)域，顯然，這些區(qū)域與腐蝕疲勞的各個(gè)階段是相聯(lián)系。

圖9 在腐蝕疲勞過程中典型的E-t曲線

圖9 中區(qū)域I內(nèi)腐蝕電位的快速負(fù)移是由于金屬受到交變應(yīng)力的作用發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生熱力學(xué)穩(wěn)定性低的新的裸露表面所致。在區(qū)域Ⅱ，電位隨時(shí)間的變化率降低，這是因?yàn)樾碌穆懵侗砻姹谎趸纬杀〉母g產(chǎn)物膜，減緩了電位的變化。在這個(gè)區(qū)域，在腐蝕環(huán)境和交變應(yīng)力的共同作用下，金屬材料開始出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的畸變，并且這種畸變進(jìn)一步發(fā)展。在區(qū)域Ⅲ中，金屬表面滑移臺(tái)階處出現(xiàn)大量的微裂紋的生成和發(fā)展，腐蝕電位的變化率升高。在區(qū)域Ⅳ，腐蝕電位的變化率降低，在該區(qū)域內(nèi)，主要是一條或者幾條裂紋繼續(xù)發(fā)展，成為主裂紋。這是由于裂紋發(fā)展而出現(xiàn)的新的裸露表面不再明顯地影響電極電位。在區(qū)域Ⅴ中，主裂紋迅速發(fā)展，金屬發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。在該區(qū)域，大面積的新的裸露面瞬間暴露在腐蝕環(huán)境中，出現(xiàn)了電極電位不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

綜上所述，區(qū)域I是裂紋的萌生期，區(qū)域Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ是裂紋的擴(kuò)展期。由圖9可見，裂紋的萌生期在整個(gè)腐蝕疲勞壽命中占很少一部分，而裂紋的擴(kuò)展期所占比例較大，這證明了腐蝕疲勞壽命主要取決于裂紋的擴(kuò)展壽命。

3 結(jié)論

（1）4種表面處理（離子氮化、化學(xué)鍍鎳、噴鋁、電鍍鋅鐵合金）的保護(hù)層均能改善40Cr在3%NaCl溶液中腐蝕疲勞性能，改善的程度順序排列為電鍍鋅鐵合金＞噴鋁＞化學(xué)鍍鎳＞離子氮化。

（2）受腐蝕疲勞作用的金屬的電化學(xué)數(shù)據(jù)，在某種程度上表示了金屬的腐蝕疲勞斷裂過程的重要階段，這些數(shù)據(jù)可用于選擇電化學(xué)參數(shù)和保護(hù)措施，更好地預(yù)測(cè)金屬在服役條件下的性能。

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