劉曉初，耿 晨※，阮 毅，梁忠偉，馮文康，范立維，吳子軒，吳 俊

（1.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣州大學(xué)廣州市金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點實驗室，廣州 510006；3.廣州大學(xué)廣東省強(qiáng)化研磨高性能微納加工工程技術(shù)研究中心，廣州 510006；4.廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510799）

0 引言

應(yīng)力腐蝕是機(jī)械構(gòu)件在腐蝕環(huán)境、應(yīng)力載荷聯(lián)合作用下發(fā)生的一種低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，也是高強(qiáng)度鋼材料經(jīng)常發(fā)生的一種失效現(xiàn)象，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計[1]，在腐蝕失效導(dǎo)致發(fā)生工程事故的案例中，應(yīng)力腐蝕達(dá)到了37%，是金屬材料最常見的腐蝕損壞形式之一。在新興風(fēng)電行業(yè)、海洋裝備、軌道交通領(lǐng)域中，軸承作為其不可或缺的零件起到重要的作用，其中GCr15軸承鋼是其應(yīng)用最廣泛的制造原料，在服役過程中除需面對復(fù)雜應(yīng)力載荷外往往還需面對不同的腐蝕介質(zhì)，如Cl-離子、潤滑油在高溫下反應(yīng)生成的硫化物、有機(jī)酸等，極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕脆斷現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著機(jī)械零部件的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前國內(nèi)外學(xué)者對材料進(jìn)行強(qiáng)化處理后的應(yīng)力腐蝕性能展開了大量研究。Kermanidis AT等[2]研究發(fā)現(xiàn)滾壓強(qiáng)化加工處理后，材料在應(yīng)力腐蝕實驗中損失的力學(xué)性能顯著減??；Lu等[3]研究發(fā)現(xiàn)激光強(qiáng)化處理后在材料近表層引入了殘余壓應(yīng)力，阻礙了應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展，從而降低材料發(fā)生脆化現(xiàn)象的程度；孟憲偉等[4]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)空化水射流處理后材料發(fā)生晶粒細(xì)化現(xiàn)象，使得應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的路徑變得復(fù)雜，難以形成主裂紋，從而降低了應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險；黃六一等[5]通過慢應(yīng)變速率拉伸實驗研究經(jīng)過高能噴丸后材料的應(yīng)力腐蝕性能，結(jié)果表明，經(jīng)過高能噴丸強(qiáng)化處理后，材料的金相組織更為穩(wěn)定致密，由此提高了其應(yīng)力腐蝕抗性。

強(qiáng)化研磨技術(shù)是廣東省強(qiáng)化研磨高性能微納加工工程技術(shù)研究中心提出的一種針對金屬材料加工的技術(shù)，依據(jù)《軸承套圈（滾道）噴射式強(qiáng)化研磨機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)施行[6]，該技術(shù)可有效提高材料耐摩擦磨損[7]、耐腐蝕性能[8-9]。在強(qiáng)化研磨課題組的前期研究中，已對材料的殘余壓應(yīng)力、疲勞性能、摩擦磨損性能、耐腐蝕性能等單一失效現(xiàn)象進(jìn)行了研究[10-12]，然而目前機(jī)械零件的工作環(huán)境日益復(fù)雜惡劣，傳統(tǒng)且單一的失效理論已不足以解釋復(fù)雜多樣的失效現(xiàn)象，而目前針對強(qiáng)化研磨技術(shù)加工處理后GCr15軸承鋼在應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下的應(yīng)力腐蝕失效行為尚未開展研究。因此，本文以強(qiáng)化研磨噴射壓力為變量，通過慢應(yīng)變速率拉伸實驗，探究GCr15軸承鋼的應(yīng)力腐蝕失效行為，分析強(qiáng)化研磨噴射壓力對材料應(yīng)力腐蝕性能的影響，為軸承材料的可靠運(yùn)行提供依據(jù)和保障。

1 應(yīng)力腐蝕實驗

1.1 實驗材料與制樣

實驗材料為熱處理后的供貨態(tài)GCr15軸承鋼，主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 GCr15軸承鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of GCr15 bearing steel

應(yīng)力腐蝕實驗中試樣制備示意圖如圖1所示。

按圖1加工完成后的實物如圖2所示。

圖1 應(yīng)力腐蝕實驗試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of stress corrosion test specimen

圖2 應(yīng)力腐蝕實驗試樣實物Fig.2 Material object of stress corrosion test specimen

1.2 實驗設(shè)備

使用強(qiáng)化研磨機(jī)對試樣進(jìn)行強(qiáng)化研磨加工處理，該設(shè)備如圖3所示。

圖3 強(qiáng)化研磨加工設(shè)備Fig.3 Strengthened grinding and processing equipment

對強(qiáng)化研磨加工處理后的試樣進(jìn)行應(yīng)力腐蝕實驗，實驗依據(jù)為國家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 15970.7-2017金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗”中的第7部分：慢應(yīng)變速率拉伸實驗[13]，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率選擇為1×10-6mm/s，實驗溫度為室溫。慢應(yīng)變速率拉伸實驗該設(shè)備如圖4所示。

圖4 應(yīng)力腐蝕實驗設(shè)備Fig.4 Stress corrosion test equipment

1.3 實驗方案

在強(qiáng)化研磨團(tuán)隊的前期研究中，已發(fā)現(xiàn)在噴射壓力、噴射角度、強(qiáng)化時間等加工參數(shù)中，對強(qiáng)化加工效果產(chǎn)生主要影響的加工參數(shù)為噴射壓力[14]，因此選取噴射壓力為參數(shù)變量，依據(jù)《軸承套圈（滾道）噴射式強(qiáng)化研磨機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)，噴射壓力范圍選取為0.4～0.8 MPa，其余參數(shù)設(shè)置為前期研究中得到的最佳值；對試樣強(qiáng)化研磨加工后隨后對其進(jìn)行應(yīng)力腐蝕實驗，實驗環(huán)境為NaCl溶液并設(shè)置在空氣介質(zhì)中進(jìn)行實驗的空白對照組A0，用于分析GCr15軸承鋼在應(yīng)力腐蝕實驗中力學(xué)性能的變化；另外設(shè)置了在NaCl溶液中進(jìn)行實驗的空白對照組A1，用于分析不同噴射壓力情況下強(qiáng)化研磨加工后試樣應(yīng)力腐蝕性能的變化。

表2 實驗方案Tab.2 Experimental scheme

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 慢應(yīng)變速率拉伸結(jié)果分析

A0～A6各組試樣在慢應(yīng)變速率拉伸實驗后得到的結(jié)果如表3所示。由表中實驗結(jié)果看出，空白對照實驗組A0在空氣介質(zhì)中進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸實驗，最大抗拉強(qiáng)度為1 381.5 MPa，延伸率為3.3%；空白對照實驗組A1在NaCl溶液中進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸實驗的結(jié)果顯示，最大抗拉強(qiáng)度為1 016.3 MPa，延伸率為1.1%；A0與A1組試樣的實驗結(jié)果表明GCr15軸承鋼試樣在應(yīng)力腐蝕試樣中發(fā)生了脆化現(xiàn)象，力學(xué)性能降低，具體表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度下降了365.2 MPa，延伸率降低了2.2%。

表3 慢應(yīng)變速率拉伸實驗結(jié)果Tab.3 Slow strain rate tensile test results

分析A2～A6這5組試樣的實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)相對于空白組A1，強(qiáng)化研磨加工后的各試樣在應(yīng)力腐蝕實驗中損失力學(xué)性能的程度都得到了降低，強(qiáng)化研磨加工后A2～A6組試樣抗拉強(qiáng)度分別降低了313.1 MPa、278.4 MPa、234.3 MPa、194.9 MPa、171.8 MPa，其中，A6組試樣損失的力學(xué)性能最少，表現(xiàn)出了良好的抗應(yīng)力腐蝕性能。

從延伸率變化角度分析得到了相似的規(guī)律，相對于A0組試樣，A1～A6各組試樣的延伸率分別下降了2.2%、1.9%、1.4%、0.9%、0.5%、0.8%。其中，A1組試樣延伸率下降幅度最大；結(jié)合其抗拉強(qiáng)度變化情況來看，可以發(fā)現(xiàn)空白組A1試樣在應(yīng)力腐蝕實驗中綜合力學(xué)性能損失程度最大；A6組試樣損失力學(xué)性能、發(fā)生脆化程度最小，表明強(qiáng)化研磨后材料的抗應(yīng)力腐蝕性能得到提高。

2.2 應(yīng)力腐蝕敏感性分析

慢應(yīng)變速率拉伸試驗結(jié)果表明，在中性氯化物環(huán)境中的實驗結(jié)果與在空氣中進(jìn)行實驗的結(jié)果存在較大差距，說明GCr15軸承鋼在NaCl溶液中表現(xiàn)出了腐蝕敏感性，可以對其進(jìn)行應(yīng)力腐蝕敏感性評價。應(yīng)力腐蝕敏感性計算公式為[15]：

式中：ISCC代表應(yīng)力腐蝕敏感性；σC、εC分別表示在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸實驗后得到的最大抗拉強(qiáng)度、延伸率；σA、εA分別表示在空氣中進(jìn)行實驗后得到的最大抗拉強(qiáng)度和延伸率。計算得出應(yīng)力腐蝕敏感性結(jié)果如圖5所示。

圖5 應(yīng)力腐蝕敏感性計算結(jié)果Fig.5 Calculation results of stress corrosion susceptibility

結(jié)果顯示，應(yīng)力腐蝕敏感性數(shù)值呈現(xiàn)出隨著強(qiáng)化研磨噴射壓力增大而降低的趨勢。A1組試樣應(yīng)力腐蝕敏感性數(shù)值為0.28；強(qiáng)化研磨加工后的A2～A6各試樣應(yīng)力腐蝕敏感性分別為0.241、0.212、0.177、0.145、0.131，在數(shù)值上均低于A1組試樣，其中，經(jīng)強(qiáng)化研磨噴射壓力為0.8 MPa加工的A6組試樣應(yīng)力腐蝕敏感性最小，為0.131，相較于空白組A1降低了53.2%。

結(jié)合各試樣在慢應(yīng)變速率拉伸實驗中力學(xué)性能的變化情況及應(yīng)力腐蝕敏感性分析，可以發(fā)現(xiàn)將噴射壓力參數(shù)控制在0.7 MPa時材料表現(xiàn)出了較好的應(yīng)力腐蝕抗性，且具有良好的綜合力學(xué)性能，有效抑制了應(yīng)力腐蝕失效現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 斷口形貌觀測分析

對慢應(yīng)變速率拉伸實驗后的試樣斷口進(jìn)行觀察分析，以研究GCr15軸承鋼發(fā)生斷裂的類型及性質(zhì)。

圖6所示為空白組A0試樣在空氣中拉伸斷裂后的斷口形貌，從圖中可以看出，A0試樣斷口平整，且與慢應(yīng)變速率拉伸試驗機(jī)施加的應(yīng)力方向相垂直，聯(lián)合GCr15軸承鋼的高強(qiáng)度碳鋼性質(zhì)，可判斷其發(fā)生斷裂的形式為脆性斷裂[16]；此外，其斷口形貌中存在著典型的沿晶斷裂特征：冰糖狀花紋，表明應(yīng)力腐蝕裂紋萌生后是沿著晶界為路徑向材料基體內(nèi)部擴(kuò)展并最終導(dǎo)致了斷裂。

圖6 A0組試樣斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of samples in A0 group

空白組試樣A1的斷口形貌如圖7（a）所示，其斷口中不存在韌窩，且發(fā)現(xiàn)大量河流狀花紋，準(zhǔn)解理平面數(shù)量較多，對比各組斷口形貌發(fā)現(xiàn)A1組試樣材料發(fā)生脆化的程度最高；在圖7（b）～（f）中可以發(fā)現(xiàn)，相對于A1，經(jīng)過強(qiáng)化研磨加工后的A2～A6各試樣斷口中韌窩數(shù)量增多，準(zhǔn)解理平面減少，對比A1與A6體現(xiàn)的最為明顯；說明強(qiáng)化研磨加工后的試樣材料在應(yīng)力腐蝕實驗中發(fā)生脆化的程度降低，這也體現(xiàn)了強(qiáng)化研磨技術(shù)對GCr15軸承鋼抗應(yīng)力腐蝕性能的提升效果。

圖7 A0～A6組試樣斷口形貌Fig.7 Fracture morphologies of samples in groups A0～A6

為了直觀對比強(qiáng)化研磨加工前后的應(yīng)力腐蝕行為，選取A1與A6組試樣并對二者斷口邊緣處的應(yīng)力腐蝕裂紋進(jìn)行對比分析，如圖8所示。在圖中可以看到，A1組試樣斷口邊緣存在大量腐蝕產(chǎn)物，裂紋萌生于表層脆性腐蝕產(chǎn)物中并向材料內(nèi)部拓展，在拓展過程中出現(xiàn)分叉現(xiàn)象并產(chǎn)生二次裂紋，裂紋呈“樹枝狀”分布，呈現(xiàn)出典型的應(yīng)力腐蝕裂紋特征；應(yīng)力腐蝕裂紋逐漸生長形成主裂紋最終導(dǎo)致了斷裂；相較于A1組，A6組試樣斷口邊緣處的腐蝕產(chǎn)物較少，且不存在明顯的應(yīng)力腐蝕裂紋特征且數(shù)量少，因此難以形成主裂紋導(dǎo)致斷裂。

圖8 應(yīng)力腐蝕裂紋觀測結(jié)果Fig.8 Observation results of stress corrosion cracking

結(jié)合強(qiáng)化研磨加工效果分析可知，試樣材料近表層在經(jīng)過強(qiáng)化研磨加工發(fā)生彈塑性變形，發(fā)生位錯密度增大、晶粒細(xì)化現(xiàn)象，導(dǎo)致晶界數(shù)量增多，使得腐蝕介質(zhì)難以侵入材料基體與之發(fā)生腐蝕反應(yīng)[17]；由斷口形貌觀測結(jié)果可知GCr15軸承鋼材料的應(yīng)力腐蝕裂紋是以晶界為擴(kuò)展路徑，晶界數(shù)量的增多也使得應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展路徑變得復(fù)雜，難以形成主裂紋發(fā)生斷裂；位錯密度的提高也使得生成腐蝕產(chǎn)物的速率降低[18]，從而抑制了脆化現(xiàn)象的發(fā)生。此外，強(qiáng)化研磨加工后在試樣材料近表層植入了殘余壓應(yīng)力，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，根據(jù)應(yīng)力腐蝕裂紋觀測結(jié)果可知，應(yīng)力腐蝕裂紋萌生于材料基體表面并以此向內(nèi)部拓展，殘余壓應(yīng)力的存在則抑制了這一過程。因此GCr15軸承鋼材料的抗應(yīng)力腐蝕性能在機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)化和微觀組織強(qiáng)化的共同作用下得到了綜合提升。

3 結(jié)束語

（1）在應(yīng)力腐蝕實驗過程中，GCr15軸承鋼材料發(fā)生脆化現(xiàn)象，力學(xué)性能降低，其中，抗拉強(qiáng)度降低了26.4%，延伸率降低了66.7%。

（2）強(qiáng)化研磨后GCr15軸承鋼抗應(yīng)力腐蝕性能得到提高，應(yīng)力腐蝕敏感性隨著強(qiáng)化研磨噴射壓力的增大呈現(xiàn)出降低的趨勢。其中，噴射壓力為0.8 MPa加工后的試樣材料在應(yīng)力腐蝕實驗中表現(xiàn)出了最好的應(yīng)力腐蝕抗性，相較于未加工試樣，其應(yīng)力腐蝕敏感性降低了53.2%。

（3）GCr15軸承鋼材料在中性氯化物溶液中發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的形式為沿晶斷裂，強(qiáng)化研磨加工在材料近表層引入殘余壓應(yīng)力，使之發(fā)生晶粒細(xì)化、位錯增殖現(xiàn)象，使得腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散路徑變得復(fù)雜，難以與材料基體發(fā)生腐蝕反應(yīng)；此外，殘余壓應(yīng)力抑制了應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生、擴(kuò)展。GCr15軸承鋼材料的抗應(yīng)力腐蝕性能在機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)化和微觀組織強(qiáng)化的共同作用下得到了綜合提升。