强化研磨喷射压力对GCr15轴承钢应力腐蚀性能的影响*

刘晓初，耿 晨※，阮 毅，梁忠伟，冯文康，范立维，吴子轩，吴 俊

（1.广州大学机械与电气工程学院，广州 510006；2.广州大学广州市金属材料强化研磨高性能加工重点实验室，广州 510006；3.广州大学广东省强化研磨高性能微纳加工工程技术研究中心，广州 510006；4.广东省机械研究所有限公司，广州 510799）

0 引言

应力腐蚀是机械构件在腐蚀环境、应力载荷联合作用下发生的一种低应力脆断现象，也是高强度钢材料经常发生的一种失效现象，据相关数据统计[1]，在腐蚀失效导致发生工程事故的案例中，应力腐蚀达到了37%，是金属材料最常见的腐蚀损坏形式之一。在新兴风电行业、海洋装备、轨道交通领域中，轴承作为其不可或缺的零件起到重要的作用，其中GCr15轴承钢是其应用最广泛的制造原料，在服役过程中除需面对复杂应力载荷外往往还需面对不同的腐蚀介质，如Cl-离子、润滑油在高温下反应生成的硫化物、有机酸等，极易发生应力腐蚀脆断现象，严重威胁着机械零部件的安全稳定运行。

目前国内外学者对材料进行强化处理后的应力腐蚀性能展开了大量研究。Kermanidis AT等[2]研究发现滚压强化加工处理后，材料在应力腐蚀实验中损失的力学性能显著减小；Lu等[3]研究发现激光强化处理后在材料近表层引入了残余压应力，阻碍了应力腐蚀裂纹的扩展，从而降低材料发生脆化现象的程度；孟宪伟等[4]研究发现，经空化水射流处理后材料发生晶粒细化现象，使得应力腐蚀裂纹扩展的路径变得复杂，难以形成主裂纹，从而降低了应力腐蚀开裂风险；黄六一等[5]通过慢应变速率拉伸实验研究经过高能喷丸后材料的应力腐蚀性能，结果表明，经过高能喷丸强化处理后，材料的金相组织更为稳定致密，由此提高了其应力腐蚀抗性。

强化研磨技术是广东省强化研磨高性能微纳加工工程技术研究中心提出的一种针对金属材料加工的技术，依据《轴承套圈（滚道）喷射式强化研磨机》标准施行[6]，该技术可有效提高材料耐摩擦磨损[7]、耐腐蚀性能[8-9]。在强化研磨课题组的前期研究中，已对材料的残余压应力、疲劳性能、摩擦磨损性能、耐腐蚀性能等单一失效现象进行了研究[10-12]，然而目前机械零件的工作环境日益复杂恶劣，传统且单一的失效理论已不足以解释复杂多样的失效现象，而目前针对强化研磨技术加工处理后GCr15轴承钢在应力、腐蚀介质联合作用下的应力腐蚀失效行为尚未开展研究。因此，本文以强化研磨喷射压力为变量，通过慢应变速率拉伸实验，探究GCr15轴承钢的应力腐蚀失效行为，分析强化研磨喷射压力对材料应力腐蚀性能的影响，为轴承材料的可靠运行提供依据和保障。

1 应力腐蚀实验

1.1 实验材料与制样

实验材料为热处理后的供货态GCr15轴承钢，主要化学成分如表1所示。

表1 GCr15轴承钢化学成分Tab.1 Chemical composition of GCr15 bearing steel

应力腐蚀实验中试样制备示意图如图1所示。

按图1加工完成后的实物如图2所示。

图1 应力腐蚀实验试样示意图Fig.1 Schematic diagram of stress corrosion test specimen

图2 应力腐蚀实验试样实物Fig.2 Material object of stress corrosion test specimen

1.2 实验设备

使用强化研磨机对试样进行强化研磨加工处理，该设备如图3所示。

图3 强化研磨加工设备Fig.3 Strengthened grinding and processing equipment

对强化研磨加工处理后的试样进行应力腐蚀实验，实验依据为国家标准“GB/T 15970.7-2017金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验”中的第7部分：慢应变速率拉伸实验[13]，根据标准拉伸速率选择为1×10-6mm/s，实验温度为室温。慢应变速率拉伸实验该设备如图4所示。

图4 应力腐蚀实验设备Fig.4 Stress corrosion test equipment

1.3 实验方案

在强化研磨团队的前期研究中，已发现在喷射压力、喷射角度、强化时间等加工参数中，对强化加工效果产生主要影响的加工参数为喷射压力[14]，因此选取喷射压力为参数变量，依据《轴承套圈（滚道）喷射式强化研磨机》标准，喷射压力范围选取为0.4～0.8 MPa，其余参数设置为前期研究中得到的最佳值；对试样强化研磨加工后随后对其进行应力腐蚀实验，实验环境为NaCl溶液并设置在空气介质中进行实验的空白对照组A0，用于分析GCr15轴承钢在应力腐蚀实验中力学性能的变化；另外设置了在NaCl溶液中进行实验的空白对照组A1，用于分析不同喷射压力情况下强化研磨加工后试样应力腐蚀性能的变化。

表2 实验方案Tab.2 Experimental scheme

2 实验结果与分析

2.1 慢应变速率拉伸结果分析

A0～A6各组试样在慢应变速率拉伸实验后得到的结果如表3所示。由表中实验结果看出，空白对照实验组A0在空气介质中进行慢应变速率拉伸实验，最大抗拉强度为1 381.5 MPa，延伸率为3.3%；空白对照实验组A1在NaCl溶液中进行慢应变速率拉伸实验的结果显示，最大抗拉强度为1 016.3 MPa，延伸率为1.1%；A0与A1组试样的实验结果表明GCr15轴承钢试样在应力腐蚀试样中发生了脆化现象，力学性能降低，具体表现为抗拉强度下降了365.2 MPa，延伸率降低了2.2%。

表3 慢应变速率拉伸实验结果Tab.3 Slow strain rate tensile test results

分析A2～A6这5组试样的实验结果，可以发现相对于空白组A1，强化研磨加工后的各试样在应力腐蚀实验中损失力学性能的程度都得到了降低，强化研磨加工后A2～A6组试样抗拉强度分别降低了313.1 MPa、278.4 MPa、234.3 MPa、194.9 MPa、171.8 MPa，其中，A6组试样损失的力学性能最少，表现出了良好的抗应力腐蚀性能。

从延伸率变化角度分析得到了相似的规律，相对于A0组试样，A1～A6各组试样的延伸率分别下降了2.2%、1.9%、1.4%、0.9%、0.5%、0.8%。其中，A1组试样延伸率下降幅度最大；结合其抗拉强度变化情况来看，可以发现空白组A1试样在应力腐蚀实验中综合力学性能损失程度最大；A6组试样损失力学性能、发生脆化程度最小，表明强化研磨后材料的抗应力腐蚀性能得到提高。

2.2 应力腐蚀敏感性分析

慢应变速率拉伸试验结果表明，在中性氯化物环境中的实验结果与在空气中进行实验的结果存在较大差距，说明GCr15轴承钢在NaCl溶液中表现出了腐蚀敏感性，可以对其进行应力腐蚀敏感性评价。应力腐蚀敏感性计算公式为[15]：

式中：ISCC代表应力腐蚀敏感性；σC、εC分别表示在腐蚀介质环境中进行慢应变速率拉伸实验后得到的最大抗拉强度、延伸率；σA、εA分别表示在空气中进行实验后得到的最大抗拉强度和延伸率。计算得出应力腐蚀敏感性结果如图5所示。

图5 应力腐蚀敏感性计算结果Fig.5 Calculation results of stress corrosion susceptibility

结果显示，应力腐蚀敏感性数值呈现出随着强化研磨喷射压力增大而降低的趋势。A1组试样应力腐蚀敏感性数值为0.28；强化研磨加工后的A2～A6各试样应力腐蚀敏感性分别为0.241、0.212、0.177、0.145、0.131，在数值上均低于A1组试样，其中，经强化研磨喷射压力为0.8 MPa加工的A6组试样应力腐蚀敏感性最小，为0.131，相较于空白组A1降低了53.2%。

结合各试样在慢应变速率拉伸实验中力学性能的变化情况及应力腐蚀敏感性分析，可以发现将喷射压力参数控制在0.7 MPa时材料表现出了较好的应力腐蚀抗性，且具有良好的综合力学性能，有效抑制了应力腐蚀失效现象的发生。

2.3 断口形貌观测分析

对慢应变速率拉伸实验后的试样断口进行观察分析，以研究GCr15轴承钢发生断裂的类型及性质。

图6所示为空白组A0试样在空气中拉伸断裂后的断口形貌，从图中可以看出，A0试样断口平整，且与慢应变速率拉伸试验机施加的应力方向相垂直，联合GCr15轴承钢的高强度碳钢性质，可判断其发生断裂的形式为脆性断裂[16]；此外，其断口形貌中存在着典型的沿晶断裂特征：冰糖状花纹，表明应力腐蚀裂纹萌生后是沿着晶界为路径向材料基体内部扩展并最终导致了断裂。

图6 A0组试样断口形貌Fig.6 Fracture morphology of samples in A0 group

空白组试样A1的断口形貌如图7（a）所示，其断口中不存在韧窝，且发现大量河流状花纹，准解理平面数量较多，对比各组断口形貌发现A1组试样材料发生脆化的程度最高；在图7（b）～（f）中可以发现，相对于A1，经过强化研磨加工后的A2～A6各试样断口中韧窝数量增多，准解理平面减少，对比A1与A6体现的最为明显；说明强化研磨加工后的试样材料在应力腐蚀实验中发生脆化的程度降低，这也体现了强化研磨技术对GCr15轴承钢抗应力腐蚀性能的提升效果。

图7 A0～A6组试样断口形貌Fig.7 Fracture morphologies of samples in groups A0～A6

为了直观对比强化研磨加工前后的应力腐蚀行为，选取A1与A6组试样并对二者断口边缘处的应力腐蚀裂纹进行对比分析，如图8所示。在图中可以看到，A1组试样断口边缘存在大量腐蚀产物，裂纹萌生于表层脆性腐蚀产物中并向材料内部拓展，在拓展过程中出现分叉现象并产生二次裂纹，裂纹呈“树枝状”分布，呈现出典型的应力腐蚀裂纹特征；应力腐蚀裂纹逐渐生长形成主裂纹最终导致了断裂；相较于A1组，A6组试样断口边缘处的腐蚀产物较少，且不存在明显的应力腐蚀裂纹特征且数量少，因此难以形成主裂纹导致断裂。

图8 应力腐蚀裂纹观测结果Fig.8 Observation results of stress corrosion cracking

结合强化研磨加工效果分析可知，试样材料近表层在经过强化研磨加工发生弹塑性变形，发生位错密度增大、晶粒细化现象，导致晶界数量增多，使得腐蚀介质难以侵入材料基体与之发生腐蚀反应[17]；由断口形貌观测结果可知GCr15轴承钢材料的应力腐蚀裂纹是以晶界为扩展路径，晶界数量的增多也使得应力腐蚀裂纹的扩展路径变得复杂，难以形成主裂纹发生断裂；位错密度的提高也使得生成腐蚀产物的速率降低[18]，从而抑制了脆化现象的发生。此外，强化研磨加工后在试样材料近表层植入了残余压应力，减少了应力集中现象的发生，根据应力腐蚀裂纹观测结果可知，应力腐蚀裂纹萌生于材料基体表面并以此向内部拓展，残余压应力的存在则抑制了这一过程。因此GCr15轴承钢材料的抗应力腐蚀性能在机械应力强化和微观组织强化的共同作用下得到了综合提升。

3 结束语

（1）在应力腐蚀实验过程中，GCr15轴承钢材料发生脆化现象，力学性能降低，其中，抗拉强度降低了26.4%，延伸率降低了66.7%。

（2）强化研磨后GCr15轴承钢抗应力腐蚀性能得到提高，应力腐蚀敏感性随着强化研磨喷射压力的增大呈现出降低的趋势。其中，喷射压力为0.8 MPa加工后的试样材料在应力腐蚀实验中表现出了最好的应力腐蚀抗性，相较于未加工试样，其应力腐蚀敏感性降低了53.2%。

（3）GCr15轴承钢材料在中性氯化物溶液中发生应力腐蚀断裂的形式为沿晶断裂，强化研磨加工在材料近表层引入残余压应力，使之发生晶粒细化、位错增殖现象，使得腐蚀介质扩散路径变得复杂，难以与材料基体发生腐蚀反应；此外，残余压应力抑制了应力腐蚀裂纹的萌生、扩展。GCr15轴承钢材料的抗应力腐蚀性能在机械应力强化和微观组织强化的共同作用下得到了综合提升。