列車制動系統(tǒng)杠桿螺栓用17Cr16Ni2不銹鋼的應(yīng)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(tuán)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(jié)構(gòu)材料技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室，河南 洛陽 471023；3.北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；4.國家新材料生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺（先進(jìn)海工與高技術(shù)船舶材料），河南 洛陽 471023）

隨著鐵路行業(yè)的發(fā)展，列車運(yùn)行環(huán)境越來越復(fù)雜，如在沿海城市運(yùn)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(huán)境的腐蝕，加之服役過程中反復(fù)受力，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險較大。關(guān)于材料應(yīng)力腐蝕的研究，可以分為2 個方面：一個是在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下材料的應(yīng)力腐蝕敏感性，即發(fā)生應(yīng)力腐蝕的傾向性問題；另一個是應(yīng)力腐蝕發(fā)展過程，即應(yīng)力腐蝕行為問題。因此，研究材料的應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)子鋼等的應(yīng)力腐蝕敏感性研究，已有學(xué)者開展過大量的工作［5?10］。在應(yīng)力腐蝕行為研究方法方面，考慮到傳統(tǒng)試驗過程的復(fù)雜性，有學(xué)者采用簡單的圓周帶缺口的拉伸試樣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的緊湊拉伸試樣及雙懸臂梁試樣、用基準(zhǔn)信號來判斷應(yīng)力腐蝕和疲勞裂紋，以及用數(shù)學(xué)建模預(yù)測腐蝕坑處應(yīng)力腐蝕裂紋演化過程等方法進(jìn)行過研究［11?14］；另有學(xué)者研究了局部變形、疲勞交叉作用、溫度偏差及超臨界水環(huán)境等對應(yīng)力腐蝕開裂行為的影響［15?18］。然而，材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的前提是其在服役條件和環(huán)境下具有應(yīng)力腐蝕敏感性，且不同材料受載荷模式、服役環(huán)境及介質(zhì)溫度等多種外界條件的影響并不相同。

本文結(jié)合列車制動系統(tǒng)杠桿螺栓用17Cr16Ni2不銹鋼的服役工況條件，采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗方法，結(jié)合掃描電鏡對試樣斷口進(jìn)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(yīng)力腐蝕敏感性，為列車制動系統(tǒng)杠桿螺栓的抗應(yīng)力腐蝕設(shè)計和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 應(yīng)力腐蝕敏感性的判定依據(jù)

材料的應(yīng)力腐蝕敏感性判定在多個標(biāo)準(zhǔn)中均有規(guī)定，主要依據(jù)以下3種方式進(jìn)行綜合評判。

（1）測得慢應(yīng)變速率拉伸性能數(shù)據(jù)（包括抗拉強(qiáng)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(biāo)進(jìn)行比較，計算在不同試驗環(huán)境中的拉伸性能數(shù)據(jù)和斷裂時間與惰性介質(zhì)環(huán)境（干燥空氣）中的比值。當(dāng)比值為1（100%）時，表示測試材料沒有應(yīng)力腐蝕敏感性；比值朝著小于1 的方向偏離得越遠(yuǎn)，表示測試材料的應(yīng)力腐蝕敏感性越高；比值有時會由于試驗數(shù)據(jù)誤差等原因而略大于1，此時也初步評定為材料不具有應(yīng)力腐蝕敏感性。該判定方法為比值法。

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

式中：Rm（環(huán)境條件）為環(huán)境介質(zhì)中的抗拉強(qiáng)度，MPa；Rm（干燥空氣環(huán)境）為惰性介質(zhì)（干燥空氣）中的抗拉強(qiáng)度，MPa；Am（環(huán)境條件）為環(huán)境介質(zhì)中的斷后伸長率，%；Am（干燥空氣環(huán)境）為惰性介質(zhì)（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(yīng)變拉伸斷口形貌，根據(jù)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(yīng)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(xué)成分和力學(xué)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(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 材料力學(xué)性能指標(biāo)

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(tài)，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(yīng)力腐蝕試驗第7 部分：慢應(yīng)變速率試驗》，在MFDL-100 型慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗機(jī)上進(jìn)行，拉伸應(yīng)變速率為10?6s－1，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率及斷裂時間等數(shù)據(jù)；采用Philips Quan?ta650 FEG 型掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口觀察分析，得到斷口的形貌特征。

圖1 慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試樣圖（單位：mm）

3 試驗結(jié)果

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

按照慢應(yīng)變速率拉伸試驗方法，獲得試驗材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將不同狀態(tài)下3 件平行試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線置于同一坐標(biāo)系下進(jìn)行觀察對比，結(jié)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(yīng)力-應(yīng)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(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為比較在不同試驗條件下試驗材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的差異，將以上4 種條件下延伸率較低者的應(yīng)力-應(yīng)變曲線置于同一坐標(biāo)系下進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同環(huán)境下試驗材料的慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力腐蝕，對試驗材料的強(qiáng)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(shù)據(jù)

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(yīng)變速率拉伸試驗結(jié)果見表3。表中斷裂時間比值、抗拉強(qiáng)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(jié)果的平均值?？紤]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(xué)性能均采用室溫下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

一般認(rèn)為，在不同溶液中材料的斷裂時間、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率與在室溫干燥空氣中的相應(yīng)值之比均大于95%時，則試驗條件下材料沒有應(yīng)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(yīng)力腐蝕敏感性，且比值越小，應(yīng)力腐蝕敏感性越強(qiáng)；ISSRT值小于5%時，材料沒有應(yīng)力腐蝕敏感性；ISSRT值大于5%時，有應(yīng)力腐蝕敏感性，且ISSRT值越大，應(yīng)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(qiáng)度和斷面收縮率與在干燥空氣中相應(yīng)值之比均大于95%，但斷后伸長率與干燥空氣中相應(yīng)值之比小于95%，可以認(rèn)為該試驗條件下材料有應(yīng)力腐蝕敏感性。這也表明，應(yīng)力腐蝕對材料力學(xué)性能劣化的影響，具有參量的選擇性；根據(jù)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(yīng)力腐蝕指數(shù)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(yīng)力腐蝕敏感性，在70℃條件下有應(yīng)力腐蝕敏感性，但不顯著。

表3 不同環(huán)境中試驗材料慢應(yīng)變速率（10-6 s－1）拉伸性能數(shù)據(jù)及相應(yīng)計算結(jié)果

3.3 斷口形貌

為進(jìn)一步綜合評價試驗材料抗應(yīng)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(yīng)力腐蝕試樣斷口，隨機(jī)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(huán)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(huán)境中的4 件試樣斷口形貌比較相似，均體現(xiàn)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(qū)、有多條近似均勻撕裂口的放射區(qū)，以及斷口周圍的剪切唇區(qū)，3 個區(qū)域清晰可辨，但剪切唇與應(yīng)力腐蝕可能導(dǎo)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(yīng)力腐蝕所造成試樣表面開裂部分，即應(yīng)力腐蝕裂紋從試樣表面往心部擴(kuò)展，而由于純拉伸的力學(xué)因素導(dǎo)致的裂紋從試樣中心往表面擴(kuò)展，使得剪切唇所占比例表觀上有所增加。

圖4 不同環(huán)境下試樣的全斷口形貌

為觀察應(yīng)力腐蝕在斷口上留下的痕跡，同時考慮應(yīng)力腐蝕起始于試樣的表面，進(jìn)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(huán)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(huán)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(yīng)力腐蝕傾向性并不顯著，導(dǎo)致70 ℃3.5%NaCl 水溶液中試樣剪切唇表觀面積的增加，這種現(xiàn)象是腐蝕與應(yīng)力腐蝕聯(lián)合作用造成的，且腐蝕占比較大。

圖5 不同環(huán)境下試樣斷口邊緣形貌

4 分析與討論

4.1 材料應(yīng)力腐蝕的發(fā)展過程

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

圖6 應(yīng)力腐蝕的發(fā)展過程

材料應(yīng)力腐蝕敏感性，指的是材料在拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境中服役時存在應(yīng)力腐蝕開裂的傾向性，或者說在力與環(huán)境耦合作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性。與惰性介質(zhì)（如干燥空氣等）相比，發(fā)生應(yīng)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(yīng)力腐蝕會降低金屬原子間的結(jié)合能，削弱位錯滑移的路徑，使得其抗拉強(qiáng)度及塑性也會降低。為此，采用式（1）的比值法來衡量應(yīng)力腐蝕的敏感性。HB 7235—1995《慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗方法》中，對于鋁合金、鈦合金和各種鋼鐵材料，認(rèn)為斷面收縮率大于95%時材料沒有應(yīng)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(yīng)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(biāo)，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(yīng)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(jù)。本文中，70 ℃3.5%NaCl 水溶液環(huán)境中的斷后伸長率比值90.3%<95%，因此，認(rèn)為這種狀態(tài)下有應(yīng)力腐蝕敏感性，但不是很明顯。

由于應(yīng)力腐蝕的選擇性，即可能只對強(qiáng)度或塑性的某一指標(biāo)產(chǎn)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(yīng)力腐蝕對強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)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(yīng)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(huán)境中ISSRT=5.10%>5%，也認(rèn)為具有應(yīng)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(yīng)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(yīng)力腐蝕的敏感性判據(jù)，并非一定會或不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕的敏感性是發(fā)生應(yīng)力腐蝕之前的安全性判定問題，而發(fā)生應(yīng)力腐蝕是裂紋的萌生問題及萌生后基于斷裂力學(xué)基礎(chǔ)的裂紋擴(kuò)展問題，二者是有區(qū)別的，從圖6中可以看出應(yīng)力腐蝕的發(fā)展過程。

4.2 應(yīng)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(nèi)部萌生，再逐步向外部擴(kuò)展。而處于拉伸應(yīng)力作用下光滑試樣的應(yīng)力腐蝕試驗，由于腐蝕環(huán)境和拉伸應(yīng)力對試樣表面的聯(lián)合作用，裂紋常從試樣表面萌生并向試樣內(nèi)部逐漸擴(kuò)展。慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕開裂敏感性試驗過程，實際上就是拉伸應(yīng)力起主導(dǎo)作用的試樣內(nèi)部裂紋萌生和向外部擴(kuò)展及拉伸應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用的試樣表面裂紋萌生和向內(nèi)部擴(kuò)展的過程，當(dāng)2 種機(jī)制的裂紋擴(kuò)展至相遇時，試樣便斷為2 個部分。因此，慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)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(yīng)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(qū)、放射區(qū)和剪切唇3 個部分。當(dāng)圓形橫截面試樣受拉伸力作用，在試驗力達(dá)到最高點時，便在試樣的某個局部區(qū)域產(chǎn)生頸縮，同時試樣的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿?，且中心軸向應(yīng)力最大。在中心三向拉伸應(yīng)力作用下，塑性變形難于進(jìn)行，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質(zhì)點本身碎裂，或使夾雜物質(zhì)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(qū)（中心裂紋）。當(dāng)纖維區(qū)裂紋達(dá)到臨界尺寸后，就會快速擴(kuò)展形成放射區(qū)。放射區(qū)是裂紋做快速低能量撕裂形成的，該區(qū)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(yīng)力腐蝕裂紋在力與環(huán)境的耦合作用下向內(nèi)擴(kuò)展至拉伸斷裂最后階段的某一區(qū)域內(nèi)，與拉伸導(dǎo)致最后階段裂紋相匯合而使試樣最終斷裂。因此，斷口呈現(xiàn)出拉伸與應(yīng)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(yīng)力腐蝕不敏感或者略有敏感性，使得斷口多數(shù)以拉伸斷口特征為主。在70 ℃3.5%NaCl水溶液環(huán)境中的側(cè)邊斷口，未見有二次裂紋和脆性層，表明其應(yīng)力腐蝕敏感性并不顯著。

5 結(jié) 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(qiáng)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(yīng)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(qiáng)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(yīng)力腐蝕敏感性，且應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致材料力學(xué)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(qū)、放射區(qū)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(yīng)力腐蝕敏感性，而在70 ℃3.5%NaCl 水溶液中存在應(yīng)力腐蝕敏感性，與以上比值法和ISSRT值法的判定結(jié)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(fā)現(xiàn)明顯的二次裂紋和脆性層，表明該條件下試驗材料應(yīng)力腐蝕敏感性并不顯著。