預腐蝕條件下35CrMo合金鋼疲勞裂紋擴展研究

羅 靜，李 炎，劉德政

(湖北文理學院 純電動汽車動力系統設計與測試湖北省重點實驗室，湖北 襄陽 441053)

35CrMo合金鋼具有較高的抗拉強度、良好的塑性和韌性以及優良的工藝性能，工業上常用來制造受載荷極大的齒輪、后軸、連桿等零件[1].但由于受材料性能和循環載荷的影響，零件長時間工作后會在表面和內部產生疲勞裂紋.當裂紋擴展到一定階段時會導致零件突然斷裂，影響機器正常工作，嚴重時甚至威脅到人員安全.環境中的腐蝕介質附著在材料表面也會使零件表面產生腐蝕坑，加速零件的疲勞過程，使零件壽命大為減少[2].因此，研究35CrMo鋼在腐蝕介質中的疲勞壽命具有重要的工程意義.

大量研究表明，與未腐蝕試件相比，預腐蝕后的材料疲勞壽命有著明顯下降.Medved對預腐蝕過的AA7475-T761鋁合金試樣分別進行恒幅與變幅疲勞試驗，并與未腐蝕前進行對比，發現預腐蝕后試樣的疲勞壽命減少了40%～50%[3]；Genel等通過對預腐蝕的AA7075-T6試樣進行彎曲疲勞試驗，發現試樣在腐蝕后表面產生了腐蝕坑，使疲勞壽命減少了約60%[4].針對于金屬表面腐蝕坑成形機理的研究方面，梁秀兵利用X射線衍射和掃描電鏡技術對鋁基非晶納米復合涂層的顯微組織和微區腐蝕形貌進行觀察，發現涂層表面腐蝕坑和微裂紋的形成主要與Cl-的侵蝕和富集有關[5]；周文等采用浸泡實驗和電化學測試技術研究35CrMo在不同濃度NaCl溶液中的腐蝕行為，實驗結果表明35CrMo鋼在60g/L的Cl-溶液中腐蝕速率最大[6].模型建立方面，Ishihara等對疲勞試件進行分區，并對每塊區域的腐蝕坑深度進行觀察，通過數據統計得到最大腐蝕坑深度和平均腐蝕坑深度的雙指數型函數，并推導了腐蝕疲勞下的裂紋擴展長度與時間及應力的關系式，實現試件的疲勞壽命預測[7]；Mcmurtrey利用線彈性斷裂法進行建模，使用修正后的等效初始缺陷尺寸預測了腐蝕后的AA7075-T6511鋁合金在變幅載荷下的疲勞壽命，并與實驗結果進行對比，發現預測結果與實驗值的誤差在15%以內[8]；穆志韜在對LY12CZ鋁合金疲勞壽命的研究中通過引入損傷參量，將預腐蝕疲勞中的損傷參量分解為初始缺陷損傷、腐蝕損傷、疲勞損傷三部分，推導出三者和加載應力之間的關系并用來預測疲勞壽命[9].相關學者對金屬腐蝕和預腐蝕后的材料疲勞壽命進行了大量研究，然而針對35CrMo合金鋼在腐蝕條件下的疲勞壽命研究還鮮有報道.

本研究首先將35CrMo合金鋼試樣在60g/L的NaCl溶液中腐蝕不同時間(0h、24h、36h、96h)，采用疲勞實驗機對試樣進行疲勞實驗，并利用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌，研究不同腐蝕程度下的35CrMo合金鋼疲勞壽命及腐蝕機理；結合有限元數值模擬技術，采用不同腐蝕程度對應的腐蝕坑尺寸建立裂紋應力強度因子(K)隨裂紋深度(a)以及外加載荷(P)變化的擬合公式；基于Pairs理論對疲勞壽命進行預測并與實驗結果對比，對不同腐蝕程度的試樣剩余疲勞壽命進行評估，提出一種35CrMo合金鋼在腐蝕條件下疲勞壽命預測的方法.

1 材料與方法

1.1 合金鋼試樣與試驗設備

圖1 試樣尺寸

以湖北省精密沖壓工程技術研究中心提供的35CrMo合金鋼為試驗對象，進行預腐蝕條件下的疲勞裂紋擴展行為研究.用線切割機將材料加工成符合疲勞測試標準GB/T 3075-2008的試樣，尺寸為300mm×60mm×6mm(如圖1所示)，共加工12件.加工完成后用1000#水砂紙打磨，去離子水沖洗，丙酮超聲波除油，除油完成后再用酒精清洗，吹風機吹干備用.然后，用精度為0.001g的FA2004B電子天平稱量60g純NaCl晶體，倒入1L去離子水中，玻璃棒攪拌均勻；將試樣分成4組，分別在溶液中靜置不同的時間(0h、24h、48h、96h)，模擬試樣在腐蝕液中不同的腐蝕程度.浸泡完成后取出，采用100mL HCl、100mL去離子水和0.7g六次甲基四胺配制的除膜液去除表面的腐蝕產物膜，清洗、吹干以備用.試樣化學元素成分采用FLS980愛丁堡熒光光譜儀測量(表1為材料測量的材料化學成分與標準值對比)，結果符合標準GB/T3077-2015對35CrMo合金鋼化學成分的要求.疲勞試驗在Instron-8803的疲勞試驗機上進行，斷口形貌采用HitachiS-3400掃描電鏡觀察.三維建模和有限元網格劃分采用美國Altair公司開發的Hypermesh軟件(13.0版本)，數值計算與分析采用西門子公司ABAQUS軟件(6.14版本)，數據處理采用OriginLab公司出品OriginPro軟件(8.5.1版本).

表1 35CrMo材料化學成分 單位：%

1.2 疲勞實驗

取出預腐蝕后的試樣，放在型號為Instron-8803的疲勞試驗機上(如圖2所示).試驗機最大加載載荷為500KN，液壓207bar，單相電源，最大功率為800VA.分別加載最大載荷為21.6KN、43.2KN和64.8KN(對應應力分別為100MPa、200MPa和300MPa)，加載方式按正弦曲線，應力比為-1的疲勞載荷進行疲勞破壞試驗，記錄試樣破壞時的循環次數，即疲勞壽命.試驗完成后，采用切割機對斷口試樣進行切割，以便能夠完整地放入HitachiS-4800掃描電鏡(如圖3所示)中進行觀察，切割速率為1mm/min.切割之前將斷口用醫用膠帶進行纏繞保護，避免破壞；用酒精反復沖洗，去除表面污垢并吹干.

1.3 有限元分析模型

為研究不同深度的腐蝕坑對試樣疲勞壽命的影響，根據不同腐蝕程度對應的腐蝕坑尺寸，利用Hypermesh軟件建立相應的有限元分析模型(如圖4所示)，然后導入ABAQUS軟件，分析裂紋應力強度因子K隨裂紋深度a的變化趨勢.有限元模型采用CPS8四邊形網格類型，試樣表面通過assign seam預制不同長度的裂紋(1mm、2mm、3mm、4mm和5mm)，裂紋尖端網格加密，積分區域內網格采用掃略方法生成，網格奇異性由網格重生成技術控制.試樣左端固定，右端施加不同值的應力(100MPa、200MPa和300MPa).35CrMo合金鋼的彈性模量為209635MPa，泊松比0.286，屈服強度895MPa(材料的力學性能如圖5所示，材料特性賦予有限元模型).

2 結果與分析

2.1 金屬表面腐蝕形貌

試樣在NaCl溶液中浸泡時，溶液中的Cl-附著在表面，與其中的Fe2+發生化學反應形成可溶性的絡合物，導致表面的陽極溶解，從而形成腐蝕坑.隨著腐蝕時間的增加，陽極溶解的金屬越多，腐蝕坑的尺寸越大.通過HitachiS-3400掃描電鏡實驗儀對金屬表面形貌進行觀察(圖6為35CrMo在NaCl溶液腐蝕不同時間表面腐蝕坑尺寸的變化).

(a)腐蝕0h (b)腐蝕24h (c)腐蝕48h (d)腐蝕96h圖6 不同腐蝕時間下的試樣表面形貌

由圖6可知，腐蝕0h，試樣表面光滑沒有腐蝕坑的形成；腐蝕24h，表面有局部微小點蝕，點蝕坑分布較密集；腐蝕48h，相距較小的微小點蝕坑相互連接，形成較大腐蝕坑；腐蝕96h，腐蝕坑進一步變大，微小點蝕坑進一步合并，形成分散但尺寸較大的腐蝕坑.主要原因是由于試樣浸泡在NaCl溶液中會發生一系列電化學腐蝕過程，Cl-能誘發和促進其表面發生局部點蝕.主要原理是：一方面，溶液中的氧原子使材料表面發生氧化，Fe不斷溶解同時產生Fe2+，導致試樣表面的Fe2+濃度不斷提高，并與溶液中的OH-發生化學反應形成難于溶解的Fe(OH)2腐蝕物，結成腐蝕物膜，阻止了氧原子進入點蝕孔內，致使孔內外形成氧濃差微電池，促進了點蝕的進一步發展；另一方面，Cl-由于體積小、活性高，能夠優先與試樣中的Fe2+結合生成可溶性的FeCl2，氯化亞鐵水解的同時產生大量H+，從而使點蝕孔內溶液酸性提高，在這種強酸溶液的侵蝕下，孔內金屬保持活性溶解狀態，小孔得以繼續發展.隨著腐蝕時間的增加，試樣在以上兩個方面的共同作用下，微小蝕孔不斷增長與相鄰點蝕孔相連從而形成更大的腐蝕坑.

2.2 疲勞試驗結果

試樣在循環載荷的反復作用下，材料損傷逐漸累積，直至突然斷裂之前經歷的循環次數為試樣的疲勞壽命，尤其表面存在腐蝕坑等缺陷，加載時會在腐蝕坑附近產生應力集中，加速疲勞損傷進程，大大減少疲勞壽命(圖7是不同載荷下試樣疲勞試驗的結果).

由圖7可知，1)相同載荷條件下，疲勞壽命隨腐蝕時間的增加呈指數下降，腐蝕時間增加一倍，疲勞壽命下降12.3%以上；2)相同腐蝕時間下，疲勞載荷的峰值增加一倍，疲勞壽命下降幅度在11.2%以上.說明腐蝕比載荷對試樣疲勞壽命的影響更大.

圖7 不同載荷下疲勞實驗結果

2.3 疲勞試樣斷裂形貌

用掃描電鏡實驗儀對試樣斷口形貌進行觀察(如圖8所示).

(a)腐蝕0h (b)腐蝕24h (c)腐蝕48h (d)腐蝕96h圖8 不同腐蝕時間下的試樣斷裂形貌

由圖8(a)可知，試樣沒有腐蝕坑，裂紋沿著晶界延伸；圖8(b)、8(c)和8(d)試樣表面有腐蝕坑，形狀近似橢圓形，裂紋產生于腐蝕坑尖端并沿著晶界擴展.通常情況下，腐蝕坑的存在會大大減少結構件的疲勞壽命.D.L.DuQuesnay通過EXCO腐蝕液對7075-T6511鋁合金進行預腐蝕來研究鋁合金在疲勞載荷作用下的壽命，發現腐蝕坑深度對疲勞壽命的影響最為顯著[10].由于腐蝕缺陷的存在，試樣在交變載荷的作用下會在腐蝕坑底部產生較大的應力集中，從而優先在腐蝕坑底部產生裂紋.通過掃描電子顯微鏡對試樣疲勞破壞后的斷口進行觀察發現，裂紋均是從腐蝕坑底部進行擴展，裂尖附近應力強度因子是裂紋擴展的主要動力.根據斷裂力學理論，對于有限寬板單邊直Ⅰ型裂紋應力強度因子[11]的計算公式為

(1)

式中，a是裂紋長度，b是板寬，σ是平面應力狀態下板遠端施加的外部應力.

2.4 有限元分析結果與驗證

不同腐蝕時間的試樣的裂紋尖端應力分布如圖9所示.圖中灰色部分為屈服區域在裂尖附近對稱分布.橫向對比發現，相同腐蝕時間，載荷越大裂尖附近屈服區域越大；縱向對比發現，在相同載荷作用下，腐蝕時間越長的試樣腐蝕坑尺寸越大，裂紋尖端附近屈服區域越大.

圖9 不同腐蝕時間下的試樣裂尖應力云圖

根據式(1)計算無預腐蝕條件下，試樣裂紋擴展過程中裂尖附近應力強度因子，并與Abaqus計算的裂尖附近應力強度因子進行對比(結果如圖10所示).

由圖10可知，試樣裂尖附近應力強度因子在不同外加應力下的理論值與模擬值匹配較好，最大誤差為4.7%，說明預測精度良好.運用相同方法，建立腐蝕坑模型，對裂紋尖端附近區域積分，求解帶腐蝕坑試樣裂尖附近應力強度因子，進而建立裂尖應力強度因子與腐蝕坑尺寸的關系(如圖11所示).

通過數值擬合建立腐蝕試樣應力強度因子與腐蝕坑尺寸和沒有腐蝕試樣應力強度因子的關系式，即

(2)

式中，KIS是腐蝕后試樣裂尖應力強度因子，KI0是未腐蝕試樣裂尖應力強度因子，ψ是腐蝕坑尺寸.根據Pairs疲勞裂紋擴展速率公式可對疲勞裂紋擴展壽命進行估算[12]，即

(3)

式中，C和m是材料特有參數，Madox通過大量實驗得出合金鋼參數m=3.07，C=4.349×10-12[13].對式(3)積分可得到等幅循環載荷下材料的疲勞壽命，即

(4)

將式(2)和(4)合并，可得出腐蝕試樣與未腐蝕試樣疲勞壽命的關系如下

NC=(0.273e3.378φ+0.731)-3.07N0

(5)

式中，NC是腐蝕試樣的疲勞壽命，N0是未腐蝕試樣的疲勞壽命.對腐蝕試樣進行疲勞壽命計算，并與實驗值進行對比(結果如表2所示).

表2 不同腐蝕形貌下疲勞壽命的數值模擬與實驗值對比結果

由表2可知，試樣疲勞壽命的模擬預測值與實驗值誤差均在10%以內，預測精度較好.其中，在低腐蝕程度和低應力情況下，預測精度誤差均在5%以內；隨著腐蝕程度加深和應力增加，裂尖附近屈服區域與真實情況的誤差增加，預測精度誤差也增加到最高接近10%.預測值均比實驗值稍高，主要是因為裂尖應力強度因子是以線彈性模型為基礎進行計算，采用有限元模型模擬的腐蝕坑形貌是在試樣中間部位預置缺陷，而真實腐蝕坑在試樣上具有分布和大小不均的特點.

3 討論

本研究采用實驗和數值模擬方法對35CrMo合金鋼在預腐蝕下的疲勞裂紋擴展行為進行了研究.首先將試樣用線切割方法加工成疲勞標準試樣，分別浸泡在用去離子水和純NaCl配制成的60g/L的腐蝕液中0h、24h、48h和96h，浸泡完成后取出用灑精處理腐蝕產物，去離子水洗滌后吹干；在疲勞實驗機上進行最大應力分別為300MPa、200MPa和100MPa，應力比為-1的疲勞試驗，直至破壞，記錄試件斷裂時經歷的疲勞循環次數.然后進行切割，使用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，研究35CrMo合金鋼在腐蝕液中的腐蝕機理.最后，針對不同腐蝕程度對應的腐蝕坑尺寸，建立相應的有限元模型，推導裂紋應力強度因子(K)隨裂紋深度(a)以及外加載荷(P)變化的擬合公式；在此基礎上，根據Pairs疲勞裂紋擴展速率公式建立疲勞裂紋擴展壽命預測模型，進行預測并與實驗對比.結果表明：在低腐蝕程度和低應力情況下，預測精度誤差在5%以內；隨著腐蝕程度加深和應力增加，裂尖附近屈服區域與真實情況的誤差增加，預測精度誤差也增加到最高接近10%.也就是說模型預測值與實驗值誤差均在10%以內，模擬結果與實驗基本一致.可見，本研究基于預置腐蝕坑和依據Pairs疲勞裂紋擴展速率公式建議的有限元仿真模型可實現對腐蝕疲勞裂紋擴展的預測.