南廣利，張 瑋，鄭三龍，陳冰冰，高增梁

(1.浙江工業(yè)大學(xué)化工機械設(shè)計研究所，浙江杭州 310014;2.浙江工業(yè)大學(xué) 過程裝備及其再制造教育部工程研究中心，浙江杭州 310014)

0 引言

恒應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗方法在20世紀(jì)60年代初源于Newcastle大學(xué)［1］。試樣采用光滑、細(xì)腰拉伸試樣［2］，或帶有預(yù)制疲勞裂紋試樣［3］。試樣在剛性較大的框架結(jié)構(gòu)試驗機上，以一定位移速率(2.78 ×10－6～5.56 ×10－4mm/s)進(jìn)行拉伸，并在腐蝕介質(zhì)的作用下將試樣拉斷。

研究表明，對于應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)，存在一個臨界范圍的應(yīng)變速率［4］，并且SCC實際上是一個由應(yīng)變速率起重要作用的開裂過程［5］。在采用預(yù)制疲勞裂紋試樣時，位移速率太快，而使得金屬保護(hù)膜的破壞速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于修復(fù)速度，金屬保護(hù)膜還未充分形成，試樣就已經(jīng)斷裂。反之位移速率過慢，試樣表面膜破裂后，裸露的金屬發(fā)生再鈍化，使得保護(hù)膜的破壞速度小于修復(fù)速度，應(yīng)力與腐蝕的協(xié)同作用過程不能充分發(fā)生［6］。試驗加載速度過快或過慢，均難測出材料的應(yīng)力腐蝕性能。并且較傳統(tǒng)的SSRT試驗和測量KISCC的恒位移、恒載荷試驗，用預(yù)制裂紋試樣的慢拉伸應(yīng)力腐蝕試驗可對應(yīng)力腐蝕敏感性進(jìn)行研究的同時，還可作為測量KISCC的加速試驗，大大縮短了試驗時間。因此，研究預(yù)制裂紋試樣位移速率對應(yīng)力腐蝕的影響，具有重要意義。用光滑、細(xì)腰試樣的應(yīng)變速率試驗，在國內(nèi)外已經(jīng)有了較多的研究，并已形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［7］。而對于預(yù)制裂紋試樣的相關(guān)研究則比較少。

文中從車用壓縮天然氣氣瓶在濕硫化氫環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕失效背景出發(fā)，以CNG氣瓶常用鋼種34CrMo4高強鋼的圓型緊湊拉伸試樣為研究對象，研究其在200和2000 ppm的H2S水溶液中，不同位移速率對應(yīng)力腐蝕行為的影響。

1 試驗方法

試驗材料34CrMo4鋼，化學(xué)成分見表1，試樣厚度B=3.8 mm，具體尺寸見圖1。

表1 34CrMo4化學(xué)成分%

圖1 圓型緊湊拉伸試樣尺寸

試驗采用加載點的恒位移速率控制，考慮到光滑、細(xì)腰試樣位移速率常用取值范圍(2.78×10－6～5.56 ×10－4mm/s)［1］及前人曾做過的恒COD 位移速率(2 ×10－5～2 ×10－4mm/s)［3］，將本試驗加載點位移速率分為10－3，10－4，5 ×10－5，10－5，5 ×10－6mm/s五種。

試樣取自CNG氣瓶，取樣后采用島津微機控制電液伺服靜動態(tài)材料試驗機(EHF－ED 250 kN－40 L)預(yù)制裂紋，而后用丙酮對試樣進(jìn)行清洗，去除表面油污，用超聲波清洗機清洗去除裂縫內(nèi)雜物。用Na2S、稀硫酸與去離子水配置濃度為200和2000 ppm的H2S水溶液。采用某研究所自主研發(fā)的新型動態(tài)應(yīng)力腐蝕試驗機(可對載荷、位移和時間進(jìn)行實時監(jiān)控)對試樣進(jìn)行拉伸。每組試驗均取3個平行試樣，并與空氣中以5×10－5mm/s位移速率拉伸的試樣進(jìn)行對比。

2 試驗結(jié)果

2.1 斷口形貌

不同位移速率在200 ppm的H2S水溶液及空氣中的斷口形貌見圖2。隨著位移速率的降低，斷口形貌呈由韌性斷口到脆性斷口，再到韌性斷口的趨勢。不同位移速率在2000 ppm的H2S水溶液中的斷口形貌見圖3。隨著位移速率的降低，斷口形貌呈由韌性斷口到脆性斷口的趨勢。

2.2 時間—載荷與位移—載荷曲線

200 ppm的H2S水溶液中的試樣在不同位移速率拉伸下的時間—載荷曲線見圖4，位移—載荷曲線見圖5，各參數(shù)對比見表2?？諝庵欣斓脑嚇幼畲筝d荷19.95 kN，達(dá)到最大載荷時間10.16 h，降到最小載荷的時間 65.53 h。隨位移速率的降低，試驗所達(dá)到的最大載荷值呈現(xiàn)由大到小、再到大的趨勢。10－4，5 × 10－5，10－5mm/s這3種位移速率的位移—載荷曲線下的面積都要遠(yuǎn)小于10－3，5×10－6mm/s位移速率的位移—載荷曲線下的面積。這3種位移速率下，腐蝕在斷裂中的主導(dǎo)作用更加明顯。

圖2 不同位移速率在200 ppm的H2S水溶液及空氣中的斷口形貌

圖3 不同位移速率在2000 ppm的H2S水溶液環(huán)境下的斷口形貌

圖4 200 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的時間—載荷曲線

圖5 200 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的位移—載荷曲線

表2 200 ppm的H2S水溶液中同位移速率下的參數(shù)對比

2000 ppm的H2S水溶液中的試樣在不同位移速率拉伸下的時間—載荷曲線見圖6，位移—載荷曲線見圖7，各參數(shù)對比見表3。隨位移速率的降低，試驗所達(dá)到的最大載荷值呈現(xiàn)由大到小、再到大的趨勢。10－4，5 × 10－5，10－5和 5 × 10－6mm/s這4種位移速率的位移—載荷曲線下的面積都要遠(yuǎn)小于10－3mm/s位移速率的位移—載荷曲線下的面積。這4種位移速率下，腐蝕在斷裂中的主導(dǎo)作用更加明顯。

2.3 da/dt與 KⅠ關(guān)系曲線

傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)與大多數(shù)實驗都認(rèn)為da/dt與KⅠ的關(guān)系分為3個階段，如圖8所示。在不同的試驗條件下，不同材料和介質(zhì)的裂紋擴展規(guī)律不同，可能只有Ⅰ，Ⅱ或Ⅱ，Ⅲ兩個階段。第Ⅰ階段與第Ⅲ階段，da/dt隨KⅠ增加而增大，且時間較短;第Ⅱ階段的da/dt近似一個常數(shù)，與KⅠ基本無關(guān)，稱為“平臺da/dt”，且時間較長，是用來對剩余壽命進(jìn)行評估的重要指標(biāo)［8］。并且在Ⅱ階段，裂紋擴展速率da/dt受材料和介質(zhì)的影響最大［9］。所以可以用平臺da/dt值來作為應(yīng)力腐蝕敏感性對比的一個標(biāo)量。

圖6 2000 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的時間—載荷曲線

圖7 2000 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的位移—載荷曲線

表3 2000 ppm的H2S水溶液中不同位移速率下的參數(shù)對比

10－4，5 ×10－5和 10－5mm/s這 3 種位移速率下的da/dt與KⅠ關(guān)系曲線見圖9。不同濃度和位移速率下的參數(shù)對比見表4。其中KⅠ由公式(1)計算。平臺da/dt值為Ⅱ階段da/dt的平均值，KISCC為觀察到裂紋起裂時所對應(yīng)的KⅠ值。

圖8 典型的da/dt與KISCC曲線示意

其中:

式中 P——加載的載荷值

圖9 10－4，5 ×10－5和10－5mm/s這3 種位移速率下的da/dt與KⅠ關(guān)系曲線

3 結(jié)果分析

對于200 ppm濕H2S環(huán)境下的試驗結(jié)果，由圖2 中10－4，5 ×10－5，10－5mm/s這 3 種位移速率下的微觀斷口形貌中存在撕裂棱、解理臺階、二次裂紋可知，斷口為準(zhǔn)解理斷口，是典型的應(yīng)力腐蝕斷口。而當(dāng)位移速率為10－3和5×10－6mm/s時，斷口呈現(xiàn)大量的塑性滑移，塑性滑移帶中有些許韌窩的存在，而空氣中拉伸試樣的微觀斷口形貌中，塑性滑移占少數(shù)，韌窩占主導(dǎo)地位。

表4 200和2000 ppm的H2S水溶液下不同位移速率的KISCC與平臺da/dt值參數(shù)對比

由圖4和表2可以看出，試樣在10－4，5×10－5和10－5mm/s這3種位移速率下，當(dāng)載荷達(dá)到最大值后會在很短的時間內(nèi)突然下降到最小值，此時試樣的a值為42.7 mm，裂紋已得到了充分的擴展，試樣幾近完全斷裂，分成兩半，并且達(dá)到的最大載荷值都在3 kN左右，再結(jié)合斷口形貌，應(yīng)屬于脆性斷裂。對于10－3和5×10－6mm/s的位移速率，明顯不同于其他3種速率，位移—載荷比較平緩，無突然下降的跡象，最大載荷分別為7.91和7.79 kN，是其他速率下的2倍多，說明腐蝕和應(yīng)力的協(xié)同作用比較小，再結(jié)合斷口可知應(yīng)屬于韌性斷裂。而在空氣中，拉伸試樣的最大載荷19.95 kN，是 10－4，5 ×10－5和 10－5mm/s這 3種位移速率下最大載荷值的7倍左右;斷裂時間67.12 h，是濕H2S介質(zhì)環(huán)境下相同位移速率斷裂時間的 7 倍以上。說明對于 10－4，5 ×10－5和10－5mm/s這3種位移速率，34CrMo4鋼在200 ppm濕H2S環(huán)境下具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性［9］。

對于2000 ppm濕H2S環(huán)境下的試驗結(jié)果，由圖3可知，10－3mm/s位移速率下的斷口中存在大量的塑性滑移和少量的韌窩，斷口呈韌性斷口。而對10－4，5 ×10－5，10－5和5 ×10－6mm/s這4 種位移速率則呈準(zhǔn)解理斷口，應(yīng)力腐蝕特征較明顯?？諝庵欣煸嚇拥淖畲筝d荷是這4種位移速率下最大載荷值的5倍以上;斷裂時間是濕H2S介質(zhì)環(huán)境下相同位移速率斷裂時間的28倍以上。說明對10－4，5 ×10－5，10－5和5 ×10－6mm/s這4 種位移速率，34CrMo4鋼在2000 ppm濕H2S環(huán)境下也具有較高應(yīng)力腐蝕敏感性。

綜上，試樣在 10－4，5 ×10－5和 10－5mm/s這3種位移速率中，34CrMo4鋼在200與2000 ppm濕H2S環(huán)境下均具有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性;而在10－3和5 ×10－6mm/s位移速率下，則不能完全得到有效的應(yīng)力腐蝕特征。

由表4可知，在同種濕H2S濃度下所測量KISCC相差不大，可認(rèn)為在應(yīng)力腐蝕敏感性較高的位移速率范圍內(nèi)，不同的位移速率對KISCC測量值的影響不大，而對平臺 da/dt值的影響較大。KISCC是材料和介質(zhì)應(yīng)力腐蝕特征的參數(shù)，而和加載方式無關(guān)。在同種濕H2S濃度下所測量KISCC相差不大，也說明了試驗測KISCC的有效性。

由于本試驗屬于應(yīng)力腐蝕加速試驗，在縮短試驗時間的同時，也加大了裂紋擴展速率的值。所以對于恒位移速率下的da/dt值，較傳統(tǒng)的恒位移試驗方法的da/dt值要偏大，相應(yīng)的評估也較保守。不同的位移速率下的應(yīng)力腐蝕敏感性也不同，材料對介質(zhì)敏感性越高，da/dt的值也就越大。由于平臺da/dt值最能反映材料和介質(zhì)的屬性，而5×10－5mm/s位移速率下的平臺da/dt值最大，說明在此位移速率下的應(yīng)力和腐蝕的協(xié)同作用最強。

由圖9可以看出，在裂紋剛起裂時KⅠ值所對應(yīng)的da/dt值，按位移速率由小到大而逐漸增加。而隨著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，在到平臺da/dt值時，此位移速率下的da/dt值已是其他兩種速率下的兩倍以上。說明在裂紋起裂時的da/dt在一定程度上主要受加載的位移速率的影響。而在裂紋擴展后的da/dt的增加速度及平臺da/dt值的大小，則主要受此位移速率下的應(yīng)力腐蝕敏感性的高低的影響。

為了便于此種試驗方法的推廣，考慮到本試樣在試驗中的幾何關(guān)系，建議試樣幾何參數(shù)在0.62≤a/U≤1.05，0.395≤a/W≤0.67之間時選用該位移速率范圍(10－5～10－4mm/s)。當(dāng)幾何尺寸在該范圍內(nèi)時，34CrMo4高強鋼CT試樣的應(yīng)力腐蝕位移速率有效范圍在10－5～10－4mm/s之間，在此范圍內(nèi)可對應(yīng)力腐蝕敏感性、da/dt和KISCC進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

(1)34CrMo4高強鋼圓型緊湊拉伸試樣在濕H2S環(huán)境下應(yīng)力腐蝕試驗研究，當(dāng)試樣幾何尺寸在0.62≤a/U≤1.05，0.395≤a/W≤0.67之間時，有效位移速率在10－5～10－4mm/s之間，在此范圍內(nèi)可對應(yīng)力腐蝕敏感性、da/dt和KISCC進(jìn)行研究;

(2)位移速率為10－3或5 ×10－6mm/s時，加載速率過快或過慢，不適用于應(yīng)力腐蝕試驗;

(3)在應(yīng)力腐蝕敏感性較高的加載方式下，不同的位移速率對KISCC測量值的影響不大，而對da/dt的影響較大;在裂紋起裂時的da/dt在一定程度上主要受加載的位移速率的影響。而在裂紋擴展后的da/dt的增加速度及平臺da/dt值的大小，則主要受此位移速率下的應(yīng)力腐蝕敏感性的高低的影響。

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