加载速率对34CrMo4钢CT试样应力腐蚀行为的影响

南广利，张 玮，郑三龙，陈冰冰，高增梁

(1.浙江工业大学化工机械设计研究所，浙江杭州 310014;2.浙江工业大学 过程装备及其再制造教育部工程研究中心，浙江杭州 310014)

0 引言

恒应变速率应力腐蚀试验方法在20世纪60年代初源于Newcastle大学［1］。试样采用光滑、细腰拉伸试样［2］，或带有预制疲劳裂纹试样［3］。试样在刚性较大的框架结构试验机上，以一定位移速率(2.78 ×10－6～5.56 ×10－4mm/s)进行拉伸，并在腐蚀介质的作用下将试样拉断。

研究表明，对于应力腐蚀开裂(SCC)，存在一个临界范围的应变速率［4］，并且SCC实际上是一个由应变速率起重要作用的开裂过程［5］。在采用预制疲劳裂纹试样时，位移速率太快，而使得金属保护膜的破坏速度远远大于修复速度，金属保护膜还未充分形成，试样就已经断裂。反之位移速率过慢，试样表面膜破裂后，裸露的金属发生再钝化，使得保护膜的破坏速度小于修复速度，应力与腐蚀的协同作用过程不能充分发生［6］。试验加载速度过快或过慢，均难测出材料的应力腐蚀性能。并且较传统的SSRT试验和测量KISCC的恒位移、恒载荷试验，用预制裂纹试样的慢拉伸应力腐蚀试验可对应力腐蚀敏感性进行研究的同时，还可作为测量KISCC的加速试验，大大缩短了试验时间。因此，研究预制裂纹试样位移速率对应力腐蚀的影响，具有重要意义。用光滑、细腰试样的应变速率试验，在国内外已经有了较多的研究，并已形成相关标准［7］。而对于预制裂纹试样的相关研究则比较少。

文中从车用压缩天然气气瓶在湿硫化氢环境下的应力腐蚀失效背景出发，以CNG气瓶常用钢种34CrMo4高强钢的圆型紧凑拉伸试样为研究对象，研究其在200和2000 ppm的H2S水溶液中，不同位移速率对应力腐蚀行为的影响。

1 试验方法

试验材料34CrMo4钢，化学成分见表1，试样厚度B=3.8 mm，具体尺寸见图1。

表1 34CrMo4化学成分%

图1 圆型紧凑拉伸试样尺寸

试验采用加载点的恒位移速率控制，考虑到光滑、细腰试样位移速率常用取值范围(2.78×10－6～5.56 ×10－4mm/s)［1］及前人曾做过的恒COD 位移速率(2 ×10－5～2 ×10－4mm/s)［3］，将本试验加载点位移速率分为10－3，10－4，5 ×10－5，10－5，5 ×10－6mm/s五种。

试样取自CNG气瓶，取样后采用岛津微机控制电液伺服静动态材料试验机(EHF－ED 250 kN－40 L)预制裂纹，而后用丙酮对试样进行清洗，去除表面油污，用超声波清洗机清洗去除裂缝内杂物。用Na2S、稀硫酸与去离子水配置浓度为200和2000 ppm的H2S水溶液。采用某研究所自主研发的新型动态应力腐蚀试验机(可对载荷、位移和时间进行实时监控)对试样进行拉伸。每组试验均取3个平行试样，并与空气中以5×10－5mm/s位移速率拉伸的试样进行对比。

2 试验结果

2.1 断口形貌

不同位移速率在200 ppm的H2S水溶液及空气中的断口形貌见图2。随着位移速率的降低，断口形貌呈由韧性断口到脆性断口，再到韧性断口的趋势。不同位移速率在2000 ppm的H2S水溶液中的断口形貌见图3。随着位移速率的降低，断口形貌呈由韧性断口到脆性断口的趋势。

2.2 时间—载荷与位移—载荷曲线

200 ppm的H2S水溶液中的试样在不同位移速率拉伸下的时间—载荷曲线见图4，位移—载荷曲线见图5，各参数对比见表2。空气中拉伸的试样最大载荷19.95 kN，达到最大载荷时间10.16 h，降到最小载荷的时间 65.53 h。随位移速率的降低，试验所达到的最大载荷值呈现由大到小、再到大的趋势。10－4，5 × 10－5，10－5mm/s这3种位移速率的位移—载荷曲线下的面积都要远小于10－3，5×10－6mm/s位移速率的位移—载荷曲线下的面积。这3种位移速率下，腐蚀在断裂中的主导作用更加明显。

图2 不同位移速率在200 ppm的H2S水溶液及空气中的断口形貌

图3 不同位移速率在2000 ppm的H2S水溶液环境下的断口形貌

图4 200 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的时间—载荷曲线

图5 200 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的位移—载荷曲线

表2 200 ppm的H2S水溶液中同位移速率下的参数对比

2000 ppm的H2S水溶液中的试样在不同位移速率拉伸下的时间—载荷曲线见图6，位移—载荷曲线见图7，各参数对比见表3。随位移速率的降低，试验所达到的最大载荷值呈现由大到小、再到大的趋势。10－4，5 × 10－5，10－5和 5 × 10－6mm/s这4种位移速率的位移—载荷曲线下的面积都要远小于10－3mm/s位移速率的位移—载荷曲线下的面积。这4种位移速率下，腐蚀在断裂中的主导作用更加明显。

2.3 da/dt与 KⅠ关系曲线

传统的断裂力学与大多数实验都认为da/dt与KⅠ的关系分为3个阶段，如图8所示。在不同的试验条件下，不同材料和介质的裂纹扩展规律不同，可能只有Ⅰ，Ⅱ或Ⅱ，Ⅲ两个阶段。第Ⅰ阶段与第Ⅲ阶段，da/dt随KⅠ增加而增大，且时间较短;第Ⅱ阶段的da/dt近似一个常数，与KⅠ基本无关，称为“平台da/dt”，且时间较长，是用来对剩余寿命进行评估的重要指标［8］。并且在Ⅱ阶段，裂纹扩展速率da/dt受材料和介质的影响最大［9］。所以可以用平台da/dt值来作为应力腐蚀敏感性对比的一个标量。

图6 2000 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的时间—载荷曲线

图7 2000 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的位移—载荷曲线

表3 2000 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的参数对比

10－4，5 ×10－5和 10－5mm/s这 3 种位移速率下的da/dt与KⅠ关系曲线见图9。不同浓度和位移速率下的参数对比见表4。其中KⅠ由公式(1)计算。平台da/dt值为Ⅱ阶段da/dt的平均值，KISCC为观察到裂纹起裂时所对应的KⅠ值。

图8 典型的da/dt与KISCC曲线示意

其中:

式中 P——加载的载荷值

图9 10－4，5 ×10－5和10－5mm/s这3 种位移速率下的da/dt与KⅠ关系曲线

3 结果分析

对于200 ppm湿H2S环境下的试验结果，由图2 中10－4，5 ×10－5，10－5mm/s这 3 种位移速率下的微观断口形貌中存在撕裂棱、解理台阶、二次裂纹可知，断口为准解理断口，是典型的应力腐蚀断口。而当位移速率为10－3和5×10－6mm/s时，断口呈现大量的塑性滑移，塑性滑移带中有些许韧窝的存在，而空气中拉伸试样的微观断口形貌中，塑性滑移占少数，韧窝占主导地位。

表4 200和2000 ppm的H2S水溶液下不同位移速率的KISCC与平台da/dt值参数对比

由图4和表2可以看出，试样在10－4，5×10－5和10－5mm/s这3种位移速率下，当载荷达到最大值后会在很短的时间内突然下降到最小值，此时试样的a值为42.7 mm，裂纹已得到了充分的扩展，试样几近完全断裂，分成两半，并且达到的最大载荷值都在3 kN左右，再结合断口形貌，应属于脆性断裂。对于10－3和5×10－6mm/s的位移速率，明显不同于其他3种速率，位移—载荷比较平缓，无突然下降的迹象，最大载荷分别为7.91和7.79 kN，是其他速率下的2倍多，说明腐蚀和应力的协同作用比较小，再结合断口可知应属于韧性断裂。而在空气中，拉伸试样的最大载荷19.95 kN，是 10－4，5 ×10－5和 10－5mm/s这 3种位移速率下最大载荷值的7倍左右;断裂时间67.12 h，是湿H2S介质环境下相同位移速率断裂时间的 7 倍以上。说明对于 10－4，5 ×10－5和10－5mm/s这3种位移速率，34CrMo4钢在200 ppm湿H2S环境下具有较高的应力腐蚀敏感性［9］。

对于2000 ppm湿H2S环境下的试验结果，由图3可知，10－3mm/s位移速率下的断口中存在大量的塑性滑移和少量的韧窝，断口呈韧性断口。而对10－4，5 ×10－5，10－5和5 ×10－6mm/s这4 种位移速率则呈准解理断口，应力腐蚀特征较明显。空气中拉伸试样的最大载荷是这4种位移速率下最大载荷值的5倍以上;断裂时间是湿H2S介质环境下相同位移速率断裂时间的28倍以上。说明对10－4，5 ×10－5，10－5和5 ×10－6mm/s这4 种位移速率，34CrMo4钢在2000 ppm湿H2S环境下也具有较高应力腐蚀敏感性。

综上，试样在 10－4，5 ×10－5和 10－5mm/s这3种位移速率中，34CrMo4钢在200与2000 ppm湿H2S环境下均具有明显的应力腐蚀敏感性;而在10－3和5 ×10－6mm/s位移速率下，则不能完全得到有效的应力腐蚀特征。

由表4可知，在同种湿H2S浓度下所测量KISCC相差不大，可认为在应力腐蚀敏感性较高的位移速率范围内，不同的位移速率对KISCC测量值的影响不大，而对平台 da/dt值的影响较大。KISCC是材料和介质应力腐蚀特征的参数，而和加载方式无关。在同种湿H2S浓度下所测量KISCC相差不大，也说明了试验测KISCC的有效性。

由于本试验属于应力腐蚀加速试验，在缩短试验时间的同时，也加大了裂纹扩展速率的值。所以对于恒位移速率下的da/dt值，较传统的恒位移试验方法的da/dt值要偏大，相应的评估也较保守。不同的位移速率下的应力腐蚀敏感性也不同，材料对介质敏感性越高，da/dt的值也就越大。由于平台da/dt值最能反映材料和介质的属性，而5×10－5mm/s位移速率下的平台da/dt值最大，说明在此位移速率下的应力和腐蚀的协同作用最强。

由图9可以看出，在裂纹刚起裂时KⅠ值所对应的da/dt值，按位移速率由小到大而逐渐增加。而随着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，在到平台da/dt值时，此位移速率下的da/dt值已是其他两种速率下的两倍以上。说明在裂纹起裂时的da/dt在一定程度上主要受加载的位移速率的影响。而在裂纹扩展后的da/dt的增加速度及平台da/dt值的大小，则主要受此位移速率下的应力腐蚀敏感性的高低的影响。

为了便于此种试验方法的推广，考虑到本试样在试验中的几何关系，建议试样几何参数在0.62≤a/U≤1.05，0.395≤a/W≤0.67之间时选用该位移速率范围(10－5～10－4mm/s)。当几何尺寸在该范围内时，34CrMo4高强钢CT试样的应力腐蚀位移速率有效范围在10－5～10－4mm/s之间，在此范围内可对应力腐蚀敏感性、da/dt和KISCC进行研究。

4 结论

(1)34CrMo4高强钢圆型紧凑拉伸试样在湿H2S环境下应力腐蚀试验研究，当试样几何尺寸在0.62≤a/U≤1.05，0.395≤a/W≤0.67之间时，有效位移速率在10－5～10－4mm/s之间，在此范围内可对应力腐蚀敏感性、da/dt和KISCC进行研究;

(2)位移速率为10－3或5 ×10－6mm/s时，加载速率过快或过慢，不适用于应力腐蚀试验;

(3)在应力腐蚀敏感性较高的加载方式下，不同的位移速率对KISCC测量值的影响不大，而对da/dt的影响较大;在裂纹起裂时的da/dt在一定程度上主要受加载的位移速率的影响。而在裂纹扩展后的da/dt的增加速度及平台da/dt值的大小，则主要受此位移速率下的应力腐蚀敏感性的高低的影响。

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