張柱柱，陳躍良,*，姚念奎，卞貴學(xué)，張勇，張楊廣

1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，青島 266041

2.沈陽飛機設(shè)計研究所，沈陽 110035

艦載機在航母上服役時，由于其起降方式的不同，在攔阻著艦過程中機體結(jié)構(gòu)將承受巨大的沖擊載荷[1]。同時艦載機在海洋環(huán)境下服役，由于航母的運動、復(fù)雜海況等引起的海水浪花飛濺，使甲板上空始終處于潮濕狀態(tài)，艦載機不僅受到海洋氣氛、海水及持續(xù)的干/濕交替循環(huán)的侵蝕，還會受到艦艇燃燒廢氣、艦載機發(fā)動機廢氣等的腐蝕，特別是這些廢氣與海洋鹽霧組合成pH達(dá)到2.4～4.0的高酸性潮濕液膜，使其受到的環(huán)境腐蝕問題相當(dāng)?shù)貒?yán)峻[2-3]。

目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于載荷與腐蝕對高強鋼的共同作用進(jìn)行了諸多研究。譚曉明等[4]對噴丸超高強度鋼開展了腐蝕+疲勞交替試驗和預(yù)腐蝕疲勞試驗，得到了疲勞壽命變化規(guī)律，揭示了噴丸對疲勞壽命增強的作用機制、腐蝕+疲勞損傷交替作用機制和預(yù)腐蝕疲勞損傷作用機制。孫建波等[5]研究了16MnR鋼在不同彎曲塑性變形狀態(tài)下的電化學(xué)腐蝕性能，結(jié)果表明隨著彎曲應(yīng)變的增大，自然腐蝕電位負(fù)移，線性極化電阻逐漸減小，腐蝕速率增大。鄧平安等[6]研究了多向壓縮對材料組織和抗腐蝕性能的影響，結(jié)果顯示多向壓縮可以顯著細(xì)化合金晶粒，提高合金的抗腐蝕性能。張月[7]對304不銹鋼在人工海水環(huán)境中的摩擦學(xué)性能和電化學(xué)性能及其交互作用下的腐蝕磨損行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明304不銹鋼的腐蝕和磨損過程存在明顯交互作用，表面的電偶腐蝕加強了腐蝕作用，而腐蝕產(chǎn)物使不銹鋼的耐磨性能下降。鄭捷等[8]研究了腐蝕環(huán)境對飛機梁結(jié)構(gòu)連接件疲勞壽命與裂紋擴(kuò)展的影響，結(jié)果表明在裂紋初始階段，腐蝕環(huán)境對疲勞壽命影響不明顯，在裂紋擴(kuò)展階段，腐蝕環(huán)境加速了裂紋擴(kuò)展，并加劇了裂紋擴(kuò)展的分散性。羅開玉等[9]研究了2Cr13不銹鋼激光沖擊強化和不同pH腐蝕溶液對2Cr13不銹鋼抗腐蝕疲勞性能的影響。楊世聰?shù)萚10]采用千斤頂與鹽霧試驗結(jié)合的方式對鋼絞線在不同加載條件下的腐蝕形態(tài)和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。Sheng等[11]研究了腐蝕和載荷對H型鋼梁力學(xué)性能的耦合作用，研究結(jié)果表明隨著腐蝕速率的增加，銹蝕鋼的標(biāo)稱強度降低，載荷會導(dǎo)致腐蝕速率更高，并建立了BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測硫酸鹽與載荷耦合作用下腐蝕梁的極限承載力。Scatigno等[12]研究了在大氣壓下鹽濃度對304鋼中氯化物引起的應(yīng)力腐蝕開裂的影響。Li等[13]建立了確定腐蝕和疲勞對鋼的S-N曲線影響的模型，并提出了一種新的方法預(yù)測同時受腐蝕和疲勞應(yīng)力作用的鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。

雖然已有很多學(xué)者對載荷與腐蝕的共同作用進(jìn)行了深入的研究，但研究主要集中在靜載荷[14-15]、疲勞載荷[16-20]和摩擦載荷[21-22]等方面，對材料在沖擊載荷與海洋環(huán)境腐蝕下的共同作用研究還鮮有報道。38CrMoAl鋼具有高耐磨性、高疲勞強度和高強度的優(yōu)點，常用于制造耐磨部件[23-24]，但艦載機上的這些部件同時還頻繁經(jīng)受著沖擊載荷和海洋環(huán)境侵蝕的共同作用。本文采用分離式霍普金森壓桿設(shè)備(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)對材料進(jìn)行沖擊載荷加載，并對沖擊載荷加載前后的38CrMoAl鋼材料進(jìn)行耐腐蝕性能測試，研究滲氮處理后的38CrMoAl鋼在服役期間受到?jīng)_擊載荷作用后其損傷情況和耐海洋環(huán)境腐蝕性能，以期為艦載機結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計與維護(hù)提供一定的參考。

1 試驗材料和方法

1.1 材料熱處理和表面滲氮處理

試驗材料為東北特殊鋼集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的38CrMoAl圓鋼(?32 mm)，其化學(xué)成分見表1，材料經(jīng)940 ℃淬火，640 ℃回火熱處理，技術(shù)條件滿足《GB/T 3077—2015 合金結(jié)構(gòu)鋼》，并對部分38CrMoAl鋼試件進(jìn)行了表面滲氮處理，滲氮層厚度約為0.5 mm。

表1 38CrMoAl化學(xué)成分

1.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗和高應(yīng)變率加載試驗

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗參照《GB/T 7314—2017 金屬材料 室溫壓縮試驗方法》采用WDW-100型電子萬能試驗機進(jìn)行，測試應(yīng)變率為10-3s-1。沖擊加載試驗采用直徑為15 mm的分離式霍普金森壓桿進(jìn)行，試件尺寸為?8 mm×8 mm的圓柱形試件，每組試驗重復(fù)3次，屈服應(yīng)力取平均值。

分離式霍普金森壓桿裝置是測量材料在沖擊載荷作用下動態(tài)力學(xué)性能的試驗裝置，其主要組成部分為入射桿、透射桿、氣炮裝置、動態(tài)分析儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等，如圖1所示。子彈由氣炮裝置發(fā)出撞擊入射桿的一端，并在入射桿中產(chǎn)生入射波，應(yīng)力波沿著入射桿傳播至試件，使試件被加載，一部分應(yīng)力波穿過試件繼續(xù)向透射桿中傳播，即透射波；另一部分則反射回入射桿中，即反射波。同時，通過粘貼在入射桿和透射桿中點位置處的應(yīng)變片采集得到應(yīng)力波信號，并由超動態(tài)分析儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算出材料的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率關(guān)系。由一維應(yīng)力波理論和應(yīng)力均勻性假設(shè)可獲得試件應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率與應(yīng)力波之間的關(guān)系：

圖1 SHPB系統(tǒng)的主要組成

(1)

式中：εi、εr和εt分別為入射波、反射波和透射波信號；A1、E和c分別為壓桿端面面積、彈性模量和應(yīng)力波傳播波速；t為時間變量；A0和l0分別為試件初始端面面積和長度。

1.3 電化學(xué)測試

對滲氮處理前后和沖擊加載前后的試件進(jìn)行動電位極化測試，電化學(xué)測試設(shè)備為PARSTAT 4000電化學(xué)工作站，采用三電極體系，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對電極。測試介質(zhì)為pH 3.5的5% NaCl溶液。極化曲線測量采用動電位掃描法，電位測量范圍-400～400 mV，掃描間隔為1 mV，掃描速率為0.166 mV/s。

1.4 微區(qū)電化學(xué)測試

微區(qū)電化學(xué)測試采用VersaScan掃描開爾文探針設(shè)備，測試在室溫空氣條件下進(jìn)行，采用面掃描方式，掃描范圍為4 000 μm×4 000 μm，掃描步長為200 μm，探針振幅為30 μm，與試件表面距離為50 μm。

2 動態(tài)力學(xué)性能分析

采用電子萬能材料試驗機和SHPB裝置分別對未滲氮38CrMoAl鋼試件和滲氮38CrMoAl鋼試件進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮加載和高應(yīng)變速率壓縮沖擊加載，獲得了不同應(yīng)變率條件下材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，加載前后的試件如圖2所示。

圖2 沖擊加載前后的38CrMoAl鋼試件

未滲氮和滲氮38CrMoAl鋼試件在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。可見，未滲氮和滲氮38CrMoAl鋼材料在高應(yīng)變率下均具有較強的正應(yīng)變率敏感性，屈服強度隨著應(yīng)變率的提高而提高，且滲氮件的屈服強度高于未滲氮件。這是由于表面滲氮處理提高了材料表層的強度，在高應(yīng)變率加載下，應(yīng)力波會在極短的時間內(nèi)使試件應(yīng)力分布達(dá)到平衡，由于慣性效應(yīng)的作用材料表層強度的提高帶動了材料整體強度的提升。

圖3 未滲氮和滲氮38CrMoAl鋼高應(yīng)變率加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

但在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，滲氮鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了先升高后下降的現(xiàn)象，且屈服應(yīng)力明顯高于應(yīng)變率為155 s-1和215 s-1時的屈服應(yīng)力。滲氮鋼在達(dá)到屈服點后，應(yīng)力經(jīng)歷了一個顯著的下降階段，同時伴隨著試件表面滲氮層的部分破碎和剝落，如圖4所示。將未滲氮的38CrMoAl鋼試件在準(zhǔn)靜態(tài)加載下的位移-載荷曲線與滲氮試件做對比，如圖5所示?？梢?，相對于未滲氮鋼，滲氮處理提高了試件表面的強度，使試件在準(zhǔn)靜態(tài)加載變形初期的屈服強度提高。當(dāng)加載位移增加到1 mm時，滲氮鋼試件載荷發(fā)生下降，此時的加載位移剛好對應(yīng)于表面滲氮層的厚度。表明隨著變形的增加，較脆的滲氮層發(fā)生了脆性破碎，流變應(yīng)力隨之降低，并最終又回歸到未滲氮試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，即38CrMoAl鋼金屬基體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上。

圖4 滲氮層破碎形貌

圖5 準(zhǔn)靜態(tài)加載載荷-位移曲線

3 損傷機理分析

3.1 金相分析

將滲氮處理的38CrMoAl鋼試件進(jìn)行鑲嵌封裝，并對試件表面進(jìn)行粗磨、精磨和拋光，采用4%硝酸酒精溶液對試件表面進(jìn)行刻蝕，由于刻蝕時間很短，采用棉簽蘸取硝酸酒精溶液的方式涂抹試件表面，使試件金相顯現(xiàn)。在KH-7700體視顯微鏡下觀察刻蝕后的38CrMoAl鋼試件金相，其邊緣滲氮層處的金相如圖6所示。可見，在試件邊緣處形成了一層較薄的白亮層，白亮層增強了鋼材料的耐蝕性，但同時也具有較高的脆性，在沖擊載荷作用下容易發(fā)生表面破碎和脫落。在白亮層后方還呈現(xiàn)了脈狀的白色AlN相析出，這是由于滲氮過程中氮離子進(jìn)入金屬基體內(nèi)部，與鋁形成了氮化物。由于鋁的作用，使38CrMoAl鋼具有了良好的滲氮性能，提高了滲氮層的強度和硬度。但由于AlN的脆性，在提高滲氮層強度和硬度的同時，也使其變得更脆，不能經(jīng)受沖擊載荷的作用。

圖6 38CrMoAl鋼滲氮層金相

3.2 微觀形貌

采用掃描電鏡和體視顯微鏡對500 s-1應(yīng)變率沖擊加載前后的試件進(jìn)行觀察，其表面形貌如圖7所示。圖7(a)、圖7(b)展示了滲氮處理前后的38CrMoAl鋼材料表面形貌，滲氮后的材料表面覆蓋了一層致密的氮化物層。在沖擊載荷加載下，滲氮試件端面表面滲氮層出現(xiàn)裂紋(圖7(c))，并在試件端面邊緣處伴隨著滲氮層的部分剝落(圖7(d))，滲氮層剝落位置呈現(xiàn)解理斷面特征(圖7(e))。試件側(cè)面也出現(xiàn)了裂紋和滲氮層的部分剝落。而未滲氮的38CrMoAl鋼試件在沖擊載荷加載下始終處于塑性變形階段，試件端面邊緣隨著側(cè)面被壓入端面而形成了亮銀色的光環(huán)(圖7(f))，表明未滲氮的38CrMoAl鋼具有良好的塑性特征。

圖7 38CrMoAl鋼沖擊加載前后的表面形貌

采用線切割的方式將沖擊加載后的試件沿縱向切開，對試件截面進(jìn)行封裝、粗磨和精磨，采用體視顯微鏡觀察試件的截面形貌，如圖8所示，可以看到裂紋沿著與端面垂直方向向試件內(nèi)部延伸。測量各條裂紋長度，發(fā)現(xiàn)沖擊載荷導(dǎo)致的裂紋長度均在500～700 μm之間，與滲氮層深度一致，表明沖擊載荷的加載導(dǎo)致滲氮層出現(xiàn)裂紋，但裂紋只在滲氮層中擴(kuò)展，并沒有繼續(xù)延伸至非滲氮層的金屬基體內(nèi)部。

圖8 沖擊加載后滲氮試件表面裂紋深度

3.3 顯微硬度梯度

采用維氏硬度計對滲氮處理前后的38CrMoAl鋼材料進(jìn)行了表面硬度測試。未滲氮38CrMoAl鋼表面硬度為318 HV，而38CrMoAl鋼在經(jīng)滲氮處理后，表面硬度隨著深度變化，圖9展示了滲氮處理后38CrMoAl鋼表面硬度隨深度的變化情況?？梢?，滲氮后的38CrMoAl鋼材料表面硬度相對于未滲氮時得到了顯著的提升，高硬度使材料擁有了較好的耐磨性能。然而隨著硬度的提高，材料的韌性下降，在對滲氮38CrMoAl鋼進(jìn)行沖擊加載的試驗過程中發(fā)現(xiàn)，材料在沖擊過程中表面滲氮層出現(xiàn)了脆性斷裂，試件邊緣處的滲氮層出現(xiàn)了大量的脆性剝離。在對滲氮處理后的38CrMoAl鋼進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗的過程中，材料滲氮層也出現(xiàn)了脆性的剝離，當(dāng)壓縮應(yīng)變達(dá)到一定程度時，滲氮層出現(xiàn)了完全的剝離現(xiàn)象。而未滲氮的38CrMoAl鋼材料則表現(xiàn)出了很好的韌性特性，在準(zhǔn)靜態(tài)加載和沖擊加載實驗過程中，材料始終處于韌性變形階段，表面無明顯可見損傷。因此，滲氮處理雖然提高了材料的表面硬度，增強了材料的耐磨性，但同時也削弱了材料的韌性，使材料不能經(jīng)受沖擊載荷的加載。

圖9 硬度梯度曲線

4 腐蝕性能測試結(jié)果與分析

4.1 電化學(xué)測試結(jié)果與分析

通過對滲氮前后和500 s-1應(yīng)變率沖擊載荷加載前后的38CrMoAl鋼材料耐蝕性能進(jìn)行表征,對比沖擊載荷對滲氮層腐蝕性能的影響。圖10為未滲氮、滲氮以及沖擊加載后的未滲氮和滲氮38CrMoAl鋼材料的極化曲線。可見，未滲氮件和沖擊加載后的未滲氮件極化曲線形貌基本一致，滲氮件和沖擊加載后的滲氮件極化曲線形貌也基本一致，但相對于未滲氮件，滲氮件在陽極區(qū)出現(xiàn)了明顯的鈍化現(xiàn)象[25]。沖擊加載后，未滲氮件和滲氮件的自腐蝕電位均發(fā)生了變化。采用C-View軟件對極化曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲得了各條曲線下的自腐蝕電位和自腐蝕電流，擬合結(jié)果見表2。滲氮處理后的38CrMoAl鋼試件相對于未滲氮試件，其自腐蝕電位由-726.24 mV正移至-174.42 mV，表明滲氮處理顯著提高了材料的耐腐蝕性能。對于未滲氮件，沖擊加載后，其自腐蝕電位由-726.24 mV正移至-689.12 mV，自腐蝕電流有所上升，表明沖擊加載使材料表面硬化，改善了其耐蝕性能，但沖擊載荷使試件表面產(chǎn)生了損傷面，從而增加了試件與腐蝕溶液的接觸面積。沖擊加載后的滲氮試件自腐蝕電位由-174.42 mV 陡降至-716.16 mV，這是由于沖擊使試件端面滲氮層中起到耐蝕作用的白亮層發(fā)生了損傷，使試件在破損處出現(xiàn)點蝕。沖擊還導(dǎo)致試件邊緣滲氮層脆性剝落，使部分金屬基體露出(圖7(e))，并與未發(fā)生破壞的表面形成電勢差，從而在破損部位發(fā)生更為強烈的電偶腐蝕。在對極化后的電化學(xué)件進(jìn)行觀察時，也發(fā)現(xiàn)沖擊加載后的滲氮件表面出現(xiàn)點蝕，且邊緣破損部位腐蝕情況更為嚴(yán)重。

圖10 極化曲線

表2 極化曲線擬合數(shù)據(jù)

4.2 微區(qū)電化學(xué)測試結(jié)果與分析

對滲氮處理前后以及沖擊加載前后的38CrMoAl鋼試件進(jìn)行掃描開爾文測試，獲得了試件表面掃描開爾文探針(SKP)電位分布二維和三維圖，如圖11所示。可見未滲氮38CrMoAl鋼試件表面伏打電位分布范圍在-126～-276 mV之間，表面電位差為150 mV，平均電位為-212 mV，標(biāo)準(zhǔn)差為33 mV，未滲氮處理的試件表面相對平滑，電位起伏不大；而滲氮處理后材料表面電位分布范圍在-47～410 mV之間，表面電位差為457 mV，平均電位為128 mV，標(biāo)準(zhǔn)差為97 mV。相對于未滲氮件，滲氮件表面陰陽極電位差及電位分散程度增大，表明滲氮處理后的材料表面平滑度有所下降，這可能與滲氮處理時表面處理不一致有關(guān)，在觀察滲氮件表面時也發(fā)現(xiàn)滲氮層有零星的夾雜物凸起。電位分散程度增大，也將使材料表面形成更明顯的陰陽極區(qū)。沖擊加載后的未滲氮件表面電位分布范圍為-119～753 mV，陰極區(qū)與陽極區(qū)電位差為872 mV，平均值269 mV，標(biāo)準(zhǔn)差為190 mV，表面電位差和分布集中程度相對于原始的未滲氮件明顯增加。沖擊加載后的滲氮件表面電位分布范圍在-327～336 mV之間，陰極區(qū)與陽極區(qū)電位差達(dá)到了663 mV，平均值-73 mV，標(biāo)準(zhǔn)差上升到139 mV，相對于未受沖擊加載的滲氮件，其陰陽極電位差增加了206 mV，標(biāo)準(zhǔn)差也隨之升高，表明沖擊加載改變了滲氮層的表面狀態(tài)，沖擊加載后的材料表面腐蝕將更加不均勻[26-27]。

圖11 38CrMoAl鋼表面SKP電位分布

4.3 鹽霧腐蝕試驗驗證

將滲氮處理前后和沖擊加載前后的38CrMoAl鋼試件放入鹽霧箱中進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗。鹽霧試驗采用DCTC-1200P鹽霧試驗箱進(jìn)行，為模擬海洋大氣環(huán)境，鹽霧腐蝕溶液配置為pH 3.5的5% NaCl溶液，試驗周期為48 h，分別在鹽霧試驗12 h和48 h時將試件取出觀察拍照，48 h時其腐蝕形貌如圖12所示。

圖12 鹽霧試驗48 h后試件腐蝕形貌

鹽霧腐蝕12 h后，未滲氮件表面覆蓋完整銹層，銹層較?。粷B氮件表面開始出現(xiàn)少許點蝕，滲氮件腐蝕情況較未滲氮件輕；沖擊加載后的滲氮件表面覆蓋完整銹層，腐蝕進(jìn)度較原始滲氮件明顯加快，腐蝕程度幾乎與受沖擊的未滲氮件一致。鹽霧腐蝕48 h后，未滲氮件端面銹層厚度進(jìn)一步增加，形成一層較厚且蓬松的銹層；滲氮件表面銹層也進(jìn)一步增加，銹層覆蓋到表面近一半的面積，但銹層較薄，腐蝕程度仍然明顯輕于未滲氮件；沖擊加載后的滲氮件端面邊緣銹層增加，應(yīng)為該處受沖擊損傷使內(nèi)部金屬基體露出所致，且損傷處覆蓋銹層多于未滲氮件；沖擊加載后的未滲氮件表面覆蓋完整銹層，但在沖擊加載后的滲氮件損傷相同部位銹層較少。

去除試件表面腐蝕產(chǎn)物后，觀察發(fā)現(xiàn)未滲氮件表面有明顯蝕坑，蝕坑較深，腐蝕嚴(yán)重；滲氮件表面無明顯蝕坑，表面顏色較腐蝕前變暗；沖擊加載后的未滲氮件表面有輕微蝕坑；沖擊加載后的滲氮件表面邊緣處有輕微蝕坑。

鹽霧試驗結(jié)果表明滲氮處理后的38CrMoAl鋼耐腐蝕性能得到了顯著的提高，但在沖擊載荷作用下，表面滲氮層易發(fā)生脆性破裂，使金屬基體露出，從而在破損位置處發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。因此，如何控制滲氮層在沖擊載荷作用下的脆性破碎，平衡滲氮38CrMoAl鋼材料的耐磨、耐蝕以及抵抗沖擊損傷的能力，將是一個值得研究的問題。在日常維護(hù)保養(yǎng)中，也應(yīng)關(guān)注受沖擊部位滲氮層的裂紋檢查，及時發(fā)現(xiàn)和控制裂紋，并做好防腐處理。

5 結(jié) 論

1)滲氮處理的38CrMoAl鋼具有較強的正應(yīng)變率敏感性，屈服強度隨著應(yīng)變率的提高而提高。在沖擊載荷加載下，滲氮試件端面滲氮層出現(xiàn)裂紋，并伴隨著滲氮層的部分脆性剝落。滲氮處理提高了材料表面硬度和強度，但同時降低了材料的韌性。沖擊載荷導(dǎo)致的表面滲氮層裂紋長度與滲氮層深度一致，裂紋只在滲氮層中擴(kuò)展，并未向金屬基體內(nèi)部發(fā)展。

2)滲氮處理使38CrMoAl鋼自腐蝕電位由-726.24 mV正移至-174.42 mV，并在陽極區(qū)出現(xiàn)了鈍化現(xiàn)象，顯著提高了材料的耐腐蝕性能。但沖擊加載后的滲氮試件由于沖擊導(dǎo)致表面滲氮層破損，部分金屬基體漏出并與未發(fā)生破壞的部分形成電勢差，使其在破損部位發(fā)生更為強烈的電偶腐蝕。

3)滲氮件表面陰陽極電位差及電位分散程度相對于未滲氮件增大，更易發(fā)生局部腐蝕。沖擊加載改變了滲氮層的表面狀態(tài)，表面陰陽極電位差增大，使材料表面腐蝕變得更加不均勻。對試件進(jìn)行了鹽霧試驗驗證，鹽霧試驗結(jié)果與電化學(xué)測試分析結(jié)果相一致。