馬氏體鎳鋼腐蝕疲勞裂紋擴展特性試驗研究

李如俊，朱永梅*，房文靜，楊家豪，王 芳

(1.江蘇科技大學 機械工程學院，鎮(zhèn)江 212100) (2.上海海洋可再生能源工程技術研究中心，上海 201306)

隨著陸地及近海油氣資源的日漸枯竭，深海以及超深海的資源探索已經(jīng)成為國家資源開發(fā)的主要方向.而載人深潛器是深海資源勘查和科學研究的運載工具，因此，深海載人潛水器的研制是未來海洋領域科技創(chuàng)新的重要目標.耐壓殼是深海潛水器關鍵部件和浮力單元，6 000 m的深潛器耐壓殼大多采用鈦合金制造，而萬米深淵潛水器的耐壓殼，如采用鈦合金制造，厚度很大.一些學者提出全海深耐壓殼體采用馬氏體鎳鋼材料制造，其厚度僅為鈦合金的45%，重量約減輕20%[1-4].文獻[5]設計了以馬氏體鎳鋼作為材料的耐壓球殼的極限強度破壞試驗，驗證了馬氏體鎳鋼球殼的適用性.相比鈦合金，馬氏體鎳鋼強度高，加工性能好，但耐腐蝕能力較差[6].盡管耐壓殼體受到外部壓力的作用，但在一些關鍵部位如人孔焊縫焊趾處仍受到較大的局部拉應力作用，裂紋容易在這些部位產(chǎn)生并擴展，隨著腐蝕加劇，腐蝕疲勞比純疲勞更早發(fā)生裂紋失穩(wěn)突變，因此，開展馬氏體鎳鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展研究具有重要的工程應用價值.

近年來，國內(nèi)外專家學者對不同材料腐蝕疲勞特性進行了一系列的研究.文獻[7]對3.5%的鎳鋼進行疲勞斷裂試驗，發(fā)現(xiàn)焊劑芯的疲勞裂紋擴展速率高于焊縫處.文獻[8]通過不同循環(huán)應力和不同濃度的鹽酸溶液的疲勞腐蝕試驗，研究30CrNi2MoV鋼的腐蝕疲勞特性，發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)應力的增加，30CrNi2MoV鋼的壽命明顯下降.文獻[9]討論了腐蝕對X12CrNiMoV12-3高周疲勞的影響，發(fā)現(xiàn)腐蝕疲勞強度約是空氣中的33%.文獻[10]對Ni含量不同的不銹鋼進行腐蝕疲勞裂紋擴展實驗，發(fā)現(xiàn)鎳含量不斷增加，腐蝕介質(zhì)對裂紋擴展作用就越大.文獻[11]研究了奧氏體不銹鋼在空氣和海水中的腐蝕疲勞裂紋擴展行為，發(fā)現(xiàn)不同成分材料對于腐蝕疲勞裂紋擴展的對抗性不同.文獻[12]對比了鎳基合金X-750在不同環(huán)境下的裂紋擴展速率，發(fā)現(xiàn)裂紋在Na2SO4溶液的擴展速率比純水的要慢.文獻[13]建立了海底管線鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展模型，發(fā)現(xiàn)隨著應力比的增大，裂紋擴展速率曲線拐點往左移，裂紋擴展速率變快，疲勞壽命相對減少.文獻[14]針對近海單樁鋼的腐蝕疲勞特性，在不同環(huán)境下進行試驗，發(fā)現(xiàn)近海焊接結構鋼的腐蝕疲勞裂紋主要與環(huán)境以及應力有關，應力比越大，裂紋擴展速率越快.文獻[15]研究了加載頻率對D36鋼腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響，發(fā)現(xiàn)在海水腐蝕條件下，當載荷頻率大于1 Hz時，裂紋擴展速率基本一致.雖然腐蝕疲勞的研究已取得了一些成果，但是由于腐蝕介質(zhì)和材料具有多樣性，很難建立一個通用的模型來計算腐蝕疲勞裂紋的擴展速率，關于馬氏體鎳鋼18Ni (250)的腐蝕疲勞特性的研究就更少.

文中以馬氏體鎳鋼18Ni(250)材料為研究對象，對其在不同加載情況下的腐蝕疲勞特性進行研究.改變加載的應力幅值大小，研究應力比對腐蝕疲勞特性的影響，對比空氣狀態(tài)下的疲勞裂紋擴展速率，研究環(huán)境對該材料疲勞特性的影響.通過對試樣的斷口形貌分析以及能譜分析，研究腐蝕疲勞裂紋擴展機理，為深海潛水器耐壓殼的設計提供參考數(shù)據(jù).

1 腐蝕疲勞裂紋擴展試驗

1.1 試樣材料

腐蝕疲勞裂紋擴展試驗材料采用馬氏體鎳鋼18Ni(250)材料，其化學成分如表1.文獻[16]對比18Ni(250)不同時效溫度下的疲勞性能發(fā)現(xiàn)480 ℃時，材料的疲勞性能達到最佳.所以確定試樣采用熱處理狀態(tài)為：在815 ℃下固溶處理1 h，之后進行空冷處理，在480 ℃下，時效處理3 h，采用空氣冷卻.根據(jù)國家標準GB/T228.1-2010對18Ni(250) 試樣進行室溫拉伸試驗，其力學性能參數(shù)如表2.

表1 18Ni(250)的化學成分

表2 18Ni(250)材料性能

根據(jù)《GB/T 6389-2017金屬材料疲勞試驗疲勞裂紋擴展方法》標準，試樣采用單邊缺口SEB三點彎曲試樣，其尺寸如圖1.

圖1 SEB三點彎曲試樣(單位：mm)

1.2 試驗方法

腐蝕疲勞試驗在MTS809電液閉環(huán)伺服試驗機上進行，預制2 mm裂紋，采用正弦波加載，疲勞加載頻率為5 Hz.參照《GB/T6389-2017金屬材料疲勞試驗疲勞裂紋擴展方法》附錄C，采用質(zhì)量分數(shù)為3.5% 的NaCl溶液作為腐蝕溶液.實驗過程中利用柔度法測量裂紋擴展長度，即采用引伸計測量試樣的COD(裂紋張開位移)，從而測量裂紋擴展長度ai.

為了研究應力比對腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響，選取應力比分別為0.1、0.3，試驗方案如表3.為了保證試驗結果的準確性，每組試驗做兩次，4個試樣分別定義為1-1#、1-2#、2-1#、2-2#.

表3 腐蝕疲勞裂紋擴展試驗方案

為了保證腐蝕液成分一致性，實驗中的腐蝕液由循環(huán)系統(tǒng)裝置供應.循環(huán)系統(tǒng)主要包括由有機玻璃制成的介質(zhì)盒、溶液循環(huán)泵、溶液箱和橡膠軟管組成, 見圖2.腐蝕溶液箱中的循環(huán)水泵的流速量為1 500 L/h，保證介質(zhì)箱腐蝕溶液每分鐘至少更換一次.

圖2 腐蝕疲勞裂紋擴展測試系統(tǒng)

實驗結束后，將試樣取出風干，用相機記錄試樣宏觀腐蝕形貌.用線切割、拋光機制備金相試樣，利用JSM-6480掃描電子顯微鏡對斷口形貌進行表征，并用JSM-6480配備的能譜儀進行斷口腐蝕產(chǎn)物分析.

2 結果和討論

2.1 應力比的影響

試樣在3.5%NaCl溶液中不同應力比下的a-N曲線如圖3、4.圖3中(R=0.1)兩個試樣擴展至19.7 mm時的循環(huán)次數(shù)分別為10 161次和10 956次，取循環(huán)次數(shù)平均值為10 558次.圖4中(R=0.3)兩個試樣擴展至19.05 mm時的循環(huán)次數(shù)分別為14 934次和12 832次，取循環(huán)次數(shù)平均值為13 883次.由試驗結果可知，應力比R=0.3時疲勞壽命大于R=0.1時的疲勞壽命，這是因為R=0.3時，初始應力強度因子均值(21.84 MPa·m0.5)小于應力比R=0.1時對應的初始應力強度因子均值(27.24 MPa·m0.5).初始應力強度因子ΔK越小，裂紋尖端的變形幅度就越小，從而裂紋尖端的氧化膜就不易被破壞，阻止了裂紋擴展，使得對應的裂紋擴展壽命反而增大.

圖3 R=0.1時腐蝕疲勞裂紋擴展a-N曲線

圖4 R=0.3時腐蝕疲勞裂紋擴展a-N曲線

對于所得的試驗數(shù)據(jù)，利用七點遞增法處理后，可以得到da/dN-ΔK曲線圖，如圖5.

圖5 不同應力比下腐蝕疲勞裂紋擴展速率

當應力強度因子幅值ΔK在30～50 MPa·m0.5時，裂紋擴展速率的上升趨勢較為平緩，說明在這個應力強度因子幅值范圍內(nèi)，應力比對于試樣的裂紋擴展速率影響不大.當應力強度因子幅值ΔK在50～70 MPa·m0.5時，應力比對于裂紋擴展速率的影響明顯增加.而且R=0.3的裂紋擴展速率要高于應力比R=0.1的裂紋擴展速率，這是因為應力比R越大，所對應的Kmin越大，而Kmax不變，則作用在試樣上的平均應力越大，因此裂紋擴展速率增大.圖5中，1-2#試件的裂紋擴展速率曲線有中斷是因為去掉了幾個波動大的噪聲點.

2.2 工作環(huán)境的影響

空氣和3.5%NaCl溶液環(huán)境下馬氏體鎳鋼18Ni(250)的疲勞裂紋擴展速率如圖6、7.由圖6可以發(fā)現(xiàn)在應力強度因子幅值小于30 MPa·m0.5時，由于腐蝕反應產(chǎn)生的氧化物堆積在金屬表面，導致發(fā)生裂紋閉合反應，使得腐蝕環(huán)境下的裂紋擴展速率位于空氣環(huán)境裂紋擴展速率的下方.當應力強度因子幅值大于30 MPa·m0.5時，腐蝕環(huán)境下的裂紋擴展速率位于空氣環(huán)境下的裂紋擴展速率的上方，隨著循環(huán)載荷不斷施加，氧化物開始破裂，新的金屬表面暴露在腐蝕液中.腐蝕溶液中的氫、氧離子與新的金屬表面金屬鐵離子不斷發(fā)生溶解反應，加劇了裂紋擴展，腐蝕液加速了裂紋的擴展.

圖6 不同環(huán)境下疲勞裂紋擴展速率 (R=0.1)

圖7 不同環(huán)境下疲勞裂紋擴展速率 (R=0.3)

由圖7可以看出，在裂紋擴展過程中，應力比大的情況下，試樣受到的平均應力較大，金屬表面氧化物形成較慢，使得腐蝕液與金屬接觸較充分，導致腐蝕環(huán)境下的裂紋擴展速率大于空氣環(huán)境下的裂紋擴展速率.

基于疲勞壽命預報統(tǒng)一方法中常幅載荷下的裂紋擴展速率預報改進模型[17]，考慮到門檻值和應力比的影響，對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到參數(shù)如表4.

(1)

(2)

表4 18Ni(250)不同環(huán)境下疲勞裂紋擴展參數(shù)

2.3 腐蝕疲勞機理研究

圖8在不同測試環(huán)境(空氣或3.5% NaCl溶液)和不同加載條件下(R=0.1和R=0.3)試樣的斷口形貌.圖8(a～c)分別為室溫空氣中f=10 Hz，R=0.3，室溫3.5%NaCl溶液中f=5 Hz,R=0.1和R=0.3下裂紋源附近的微觀形貌.從圖8(a～c)中可以看出，在空氣中測試的試樣的疲勞斷口上分布著韌窩(圖8(a))，疲勞條紋在缺陷處開始呈波狀傳播.而在3.5%NaCl溶液中，韌窩明顯減少，且在圖8(b)、(c)中的韌窩數(shù)量、大小和深淺各不相同.在應力比R=0.1時，韌窩數(shù)量較少，說明在平均應力較小的載荷下，試樣的塑性變形較小，形成的微型空穴較少.

圖8(d～f)分別為室溫空氣中f=10 Hz，R=0.3，室溫3.5%NaCl溶液中f=5 Hz,R=0.1和R=0.3下疲勞斷口的放大圖.從圖8(d)中可以看出，組成這流水狀疲勞輝紋的是一條條彎曲的撕裂脊，且越是靠近疲勞源，撕裂脊的密度也越大，這說明空氣中的疲勞裂紋在裂紋萌生處以準解理的方式擴展.在圖8(e),(f)斷口形貌上還存在大小不同的河流花紋以及滑移裂紋.在外加交變循環(huán)載荷下，滑移臺階面不斷擴展，形成呈一定區(qū)域分布的支裂紋，說明裂紋擴展模式中存在準解理擴展模式.應力比不同導致裂紋面擴展時受到阻力不同，導致在裂紋尖端周圍產(chǎn)生應力集中，且應力集中沒有隨著塑性變形釋放，從而產(chǎn)生了支裂紋.應力比R=0.1時的支裂紋數(shù)量比R=0.3時多，這是由于應力幅值大小不同造成的.在應力比R=0.1時，循環(huán)載荷下的平均載荷越小，裂紋擴展受到的阻力越大，支裂紋數(shù)量越多，主裂紋擴展速率就越慢.

圖8(g～i)為圖8(d～f)中的A、B、C的局部放大圖，在圖8(h),(i)中可以看到明顯的球狀腐蝕產(chǎn)物堆積.球狀腐蝕產(chǎn)物主要是陽極溶解腐蝕機理下形成的腐蝕產(chǎn)物，說明在腐蝕疲勞裂紋擴展主要以陽極溶解為主.

圖8 不同環(huán)境下試樣的斷口形貌

對圖8 (e)、(f)圖中的B、C區(qū)域進行能譜分析，得到腐蝕產(chǎn)物的元素種類和含量分析，和空氣環(huán)境下疲勞斷裂的能譜分析進行對比，如表5.

表5 疲勞斷口能譜分析對比

由表5可以看出，空氣環(huán)境與腐蝕溶液中各元素占比的變化，F(xiàn)e元素與Ni元素的比值無明顯差別，均在4∶1左右，而Fe元素與O元素比例有明顯差別，空氣環(huán)境中Fe與O的比例在1∶0.5左右，而在腐蝕溶液中Fe與O的比例分別為1∶1.048，1∶1.032，其平均值為1∶1.04，且試驗過后的試樣斷口存在黃褐色的附著物，可以推斷18Ni(250)與3.5%NaCl溶液發(fā)生電化學腐蝕的主要氧化產(chǎn)物可能為Fe2+、Fe3+的氧化物，其反應過程如下所示：

陽極反應:

Fe→Fe2++2e-

陰極反應:

O2+2H2O+4e-→4OH-

總反應:

2Fe+O2+2H2O→2Fe2++4OH-

Fe2+的水解反應:

Fe2++2H2O→Fe(OH)2+2H+

2Fe(OH)2→2FeOOH+2H++2e-

2Fe(OH)2→Fe2O3+H2O+2H++2e-

Fe(OH)2在水溶液中很不穩(wěn)定，其在生成后不久就生成FeOOH, Fe2O3，且Fe2O3最終沉淀并附著在試樣斷口上.

在能譜分析中未見Cl元素的存在，可見NaCl并非電化學腐蝕的反應成分，但是Cl-對于腐蝕的過程存在催化作用.

3 結論

(1) 相同環(huán)境下，應力比為0.1時的疲勞壽命要小于應力比為0.3時的疲勞壽命.3.5%NaCl腐蝕溶液環(huán)境下的裂紋擴展速率明顯比空氣環(huán)境下要大，在裂紋擴展初始階段，腐蝕溶液下的擴展速率約為空氣中的1.5倍.

(2) 當應力強度因子在30～50 MPa·m0.5時，應力比對于試樣的裂紋擴展速率影響不大；當應力強度因子在50～70 MPa·m0.5時，應力比對于裂紋擴展速率影響較大.應力比為0.3的裂紋擴展速率曲線的斜率略高于應力比為0.1的曲線斜率.

(3) 斷口形貌放大100～300倍時，發(fā)現(xiàn)斷口存在韌窩，說明裂紋擴展模式中存在微孔集聚型斷裂.在空氣環(huán)境下的韌窩多于3.5%NaCl溶液中.放大1 000倍時，發(fā)現(xiàn)斷口存在典型的準解理形貌.在空氣和3.5%NaCl環(huán)境下，都發(fā)現(xiàn)了支裂紋，且支裂紋數(shù)量越多，主裂紋擴展速率就越慢.

(4) 通過能譜分析發(fā)現(xiàn)，不同應力比下腐蝕溶液中各元素占比相似，但是和空氣環(huán)境下占比相差很大，在3.5% NaCl溶液中氧占比明顯增加，說明發(fā)生了氧腐蝕，腐蝕疲勞斷口存在的黃褐色附著物即為氧腐蝕的最終沉淀物.