羅 靜，李 炎，劉德政

(湖北文理學(xué)院 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽(yáng) 441053)

35CrMo合金鋼具有較高的抗拉強(qiáng)度、良好的塑性和韌性以及優(yōu)良的工藝性能，工業(yè)上常用來(lái)制造受載荷極大的齒輪、后軸、連桿等零件[1].但由于受材料性能和循環(huán)載荷的影響，零件長(zhǎng)時(shí)間工作后會(huì)在表面和內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋.當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定階段時(shí)會(huì)導(dǎo)致零件突然斷裂，影響機(jī)器正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅到人員安全.環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)附著在材料表面也會(huì)使零件表面產(chǎn)生腐蝕坑，加速零件的疲勞過(guò)程，使零件壽命大為減少[2].因此，研究35CrMo鋼在腐蝕介質(zhì)中的疲勞壽命具有重要的工程意義.

大量研究表明，與未腐蝕試件相比，預(yù)腐蝕后的材料疲勞壽命有著明顯下降.Medved對(duì)預(yù)腐蝕過(guò)的AA7475-T761鋁合金試樣分別進(jìn)行恒幅與變幅疲勞試驗(yàn)，并與未腐蝕前進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)預(yù)腐蝕后試樣的疲勞壽命減少了40%～50%[3]；Genel等通過(guò)對(duì)預(yù)腐蝕的AA7075-T6試樣進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣在腐蝕后表面產(chǎn)生了腐蝕坑，使疲勞壽命減少了約60%[4].針對(duì)于金屬表面腐蝕坑成形機(jī)理的研究方面，梁秀兵利用X射線衍射和掃描電鏡技術(shù)對(duì)鋁基非晶納米復(fù)合涂層的顯微組織和微區(qū)腐蝕形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)涂層表面腐蝕坑和微裂紋的形成主要與Cl-的侵蝕和富集有關(guān)[5]；周文等采用浸泡實(shí)驗(yàn)和電化學(xué)測(cè)試技術(shù)研究35CrMo在不同濃度NaCl溶液中的腐蝕行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明35CrMo鋼在60g/L的Cl-溶液中腐蝕速率最大[6].模型建立方面，Ishihara等對(duì)疲勞試件進(jìn)行分區(qū)，并對(duì)每塊區(qū)域的腐蝕坑深度進(jìn)行觀察，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到最大腐蝕坑深度和平均腐蝕坑深度的雙指數(shù)型函數(shù)，并推導(dǎo)了腐蝕疲勞下的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與時(shí)間及應(yīng)力的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)試件的疲勞壽命預(yù)測(cè)[7]；Mcmurtrey利用線彈性斷裂法進(jìn)行建模，使用修正后的等效初始缺陷尺寸預(yù)測(cè)了腐蝕后的AA7075-T6511鋁合金在變幅載荷下的疲勞壽命，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的誤差在15%以內(nèi)[8]；穆志韜在對(duì)LY12CZ鋁合金疲勞壽命的研究中通過(guò)引入損傷參量，將預(yù)腐蝕疲勞中的損傷參量分解為初始缺陷損傷、腐蝕損傷、疲勞損傷三部分，推導(dǎo)出三者和加載應(yīng)力之間的關(guān)系并用來(lái)預(yù)測(cè)疲勞壽命[9].相關(guān)學(xué)者對(duì)金屬腐蝕和預(yù)腐蝕后的材料疲勞壽命進(jìn)行了大量研究，然而針對(duì)35CrMo合金鋼在腐蝕條件下的疲勞壽命研究還鮮有報(bào)道.

本研究首先將35CrMo合金鋼試樣在60g/L的NaCl溶液中腐蝕不同時(shí)間(0h、24h、36h、96h)，采用疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，并利用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌，研究不同腐蝕程度下的35CrMo合金鋼疲勞壽命及腐蝕機(jī)理；結(jié)合有限元數(shù)值模擬技術(shù)，采用不同腐蝕程度對(duì)應(yīng)的腐蝕坑尺寸建立裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子(K)隨裂紋深度(a)以及外加載荷(P)變化的擬合公式；基于Pairs理論對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，對(duì)不同腐蝕程度的試樣剩余疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估，提出一種35CrMo合金鋼在腐蝕條件下疲勞壽命預(yù)測(cè)的方法.

1 材料與方法

1.1 合金鋼試樣與試驗(yàn)設(shè)備

圖1 試樣尺寸

以湖北省精密沖壓工程技術(shù)研究中心提供的35CrMo合金鋼為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行預(yù)腐蝕條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究.用線切割機(jī)將材料加工成符合疲勞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3075-2008的試樣，尺寸為300mm×60mm×6mm(如圖1所示)，共加工12件.加工完成后用1000#水砂紙打磨，去離子水沖洗，丙酮超聲波除油，除油完成后再用酒精清洗，吹風(fēng)機(jī)吹干備用.然后，用精度為0.001g的FA2004B電子天平稱量60g純NaCl晶體，倒入1L去離子水中，玻璃棒攪拌均勻；將試樣分成4組，分別在溶液中靜置不同的時(shí)間(0h、24h、48h、96h)，模擬試樣在腐蝕液中不同的腐蝕程度.浸泡完成后取出，采用100mL HCl、100mL去離子水和0.7g六次甲基四胺配制的除膜液去除表面的腐蝕產(chǎn)物膜，清洗、吹干以備用.試樣化學(xué)元素成分采用FLS980愛丁堡熒光光譜儀測(cè)量(表1為材料測(cè)量的材料化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比)，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077-2015對(duì)35CrMo合金鋼化學(xué)成分的要求.疲勞試驗(yàn)在Instron-8803的疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，斷口形貌采用HitachiS-3400掃描電鏡觀察.三維建模和有限元網(wǎng)格劃分采用美國(guó)Altair公司開發(fā)的Hypermesh軟件(13.0版本)，數(shù)值計(jì)算與分析采用西門子公司ABAQUS軟件(6.14版本)，數(shù)據(jù)處理采用OriginLab公司出品OriginPro軟件(8.5.1版本).

表1 35CrMo材料化學(xué)成分 單位：%

1.2 疲勞實(shí)驗(yàn)

取出預(yù)腐蝕后的試樣，放在型號(hào)為Instron-8803的疲勞試驗(yàn)機(jī)上(如圖2所示).試驗(yàn)機(jī)最大加載載荷為500KN，液壓207bar，單相電源，最大功率為800VA.分別加載最大載荷為21.6KN、43.2KN和64.8KN(對(duì)應(yīng)應(yīng)力分別為100MPa、200MPa和300MPa)，加載方式按正弦曲線，應(yīng)力比為-1的疲勞載荷進(jìn)行疲勞破壞試驗(yàn)，記錄試樣破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，即疲勞壽命.試驗(yàn)完成后，采用切割機(jī)對(duì)斷口試樣進(jìn)行切割，以便能夠完整地放入HitachiS-4800掃描電鏡(如圖3所示)中進(jìn)行觀察，切割速率為1mm/min.切割之前將斷口用醫(yī)用膠帶進(jìn)行纏繞保護(hù)，避免破壞；用酒精反復(fù)沖洗，去除表面污垢并吹干.

1.3 有限元分析模型

為研究不同深度的腐蝕坑對(duì)試樣疲勞壽命的影響，根據(jù)不同腐蝕程度對(duì)應(yīng)的腐蝕坑尺寸，利用Hypermesh軟件建立相應(yīng)的有限元分析模型(如圖4所示)，然后導(dǎo)入ABAQUS軟件，分析裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子K隨裂紋深度a的變化趨勢(shì).有限元模型采用CPS8四邊形網(wǎng)格類型，試樣表面通過(guò)assign seam預(yù)制不同長(zhǎng)度的裂紋(1mm、2mm、3mm、4mm和5mm)，裂紋尖端網(wǎng)格加密，積分區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格采用掃略方法生成，網(wǎng)格奇異性由網(wǎng)格重生成技術(shù)控制.試樣左端固定，右端施加不同值的應(yīng)力(100MPa、200MPa和300MPa).35CrMo合金鋼的彈性模量為209635MPa，泊松比0.286，屈服強(qiáng)度895MPa(材料的力學(xué)性能如圖5所示，材料特性賦予有限元模型).

2 結(jié)果與分析

2.1 金屬表面腐蝕形貌

試樣在NaCl溶液中浸泡時(shí)，溶液中的Cl-附著在表面，與其中的Fe2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成可溶性的絡(luò)合物，導(dǎo)致表面的陽(yáng)極溶解，從而形成腐蝕坑.隨著腐蝕時(shí)間的增加，陽(yáng)極溶解的金屬越多，腐蝕坑的尺寸越大.通過(guò)HitachiS-3400掃描電鏡實(shí)驗(yàn)儀對(duì)金屬表面形貌進(jìn)行觀察(圖6為35CrMo在NaCl溶液腐蝕不同時(shí)間表面腐蝕坑尺寸的變化).

(a)腐蝕0h (b)腐蝕24h (c)腐蝕48h (d)腐蝕96h圖6 不同腐蝕時(shí)間下的試樣表面形貌

由圖6可知，腐蝕0h，試樣表面光滑沒有腐蝕坑的形成；腐蝕24h，表面有局部微小點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕坑分布較密集；腐蝕48h，相距較小的微小點(diǎn)蝕坑相互連接，形成較大腐蝕坑；腐蝕96h，腐蝕坑進(jìn)一步變大，微小點(diǎn)蝕坑進(jìn)一步合并，形成分散但尺寸較大的腐蝕坑.主要原因是由于試樣浸泡在NaCl溶液中會(huì)發(fā)生一系列電化學(xué)腐蝕過(guò)程，Cl-能誘發(fā)和促進(jìn)其表面發(fā)生局部點(diǎn)蝕.主要原理是：一方面，溶液中的氧原子使材料表面發(fā)生氧化，F(xiàn)e不斷溶解同時(shí)產(chǎn)生Fe2+，導(dǎo)致試樣表面的Fe2+濃度不斷提高，并與溶液中的OH-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成難于溶解的Fe(OH)2腐蝕物，結(jié)成腐蝕物膜，阻止了氧原子進(jìn)入點(diǎn)蝕孔內(nèi)，致使孔內(nèi)外形成氧濃差微電池，促進(jìn)了點(diǎn)蝕的進(jìn)一步發(fā)展；另一方面，Cl-由于體積小、活性高，能夠優(yōu)先與試樣中的Fe2+結(jié)合生成可溶性的FeCl2，氯化亞鐵水解的同時(shí)產(chǎn)生大量H+，從而使點(diǎn)蝕孔內(nèi)溶液酸性提高，在這種強(qiáng)酸溶液的侵蝕下，孔內(nèi)金屬保持活性溶解狀態(tài)，小孔得以繼續(xù)發(fā)展.隨著腐蝕時(shí)間的增加，試樣在以上兩個(gè)方面的共同作用下，微小蝕孔不斷增長(zhǎng)與相鄰點(diǎn)蝕孔相連從而形成更大的腐蝕坑.

2.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

試樣在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下，材料損傷逐漸累積，直至突然斷裂之前經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)為試樣的疲勞壽命，尤其表面存在腐蝕坑等缺陷，加載時(shí)會(huì)在腐蝕坑附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速疲勞損傷進(jìn)程，大大減少疲勞壽命(圖7是不同載荷下試樣疲勞試驗(yàn)的結(jié)果).

由圖7可知，1)相同載荷條件下，疲勞壽命隨腐蝕時(shí)間的增加呈指數(shù)下降，腐蝕時(shí)間增加一倍，疲勞壽命下降12.3%以上；2)相同腐蝕時(shí)間下，疲勞載荷的峰值增加一倍，疲勞壽命下降幅度在11.2%以上.說(shuō)明腐蝕比載荷對(duì)試樣疲勞壽命的影響更大.

圖7 不同載荷下疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 疲勞試樣斷裂形貌

用掃描電鏡實(shí)驗(yàn)儀對(duì)試樣斷口形貌進(jìn)行觀察(如圖8所示).

(a)腐蝕0h (b)腐蝕24h (c)腐蝕48h (d)腐蝕96h圖8 不同腐蝕時(shí)間下的試樣斷裂形貌

由圖8(a)可知，試樣沒有腐蝕坑，裂紋沿著晶界延伸；圖8(b)、8(c)和8(d)試樣表面有腐蝕坑，形狀近似橢圓形，裂紋產(chǎn)生于腐蝕坑尖端并沿著晶界擴(kuò)展.通常情況下，腐蝕坑的存在會(huì)大大減少結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命.D.L.DuQuesnay通過(guò)EXCO腐蝕液對(duì)7075-T6511鋁合金進(jìn)行預(yù)腐蝕來(lái)研究鋁合金在疲勞載荷作用下的壽命，發(fā)現(xiàn)腐蝕坑深度對(duì)疲勞壽命的影響最為顯著[10].由于腐蝕缺陷的存在，試樣在交變載荷的作用下會(huì)在腐蝕坑底部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，從而優(yōu)先在腐蝕坑底部產(chǎn)生裂紋.通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)試樣疲勞破壞后的斷口進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋均是從腐蝕坑底部進(jìn)行擴(kuò)展，裂尖附近應(yīng)力強(qiáng)度因子是裂紋擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿?根據(jù)斷裂力學(xué)理論，對(duì)于有限寬板單邊直Ⅰ型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子[11]的計(jì)算公式為

(1)

式中，a是裂紋長(zhǎng)度，b是板寬，σ是平面應(yīng)力狀態(tài)下板遠(yuǎn)端施加的外部應(yīng)力.

2.4 有限元分析結(jié)果與驗(yàn)證

不同腐蝕時(shí)間的試樣的裂紋尖端應(yīng)力分布如圖9所示.圖中灰色部分為屈服區(qū)域在裂尖附近對(duì)稱分布.橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，相同腐蝕時(shí)間，載荷越大裂尖附近屈服區(qū)域越大；縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，在相同載荷作用下，腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)的試樣腐蝕坑尺寸越大，裂紋尖端附近屈服區(qū)域越大.

圖9 不同腐蝕時(shí)間下的試樣裂尖應(yīng)力云圖

根據(jù)式(1)計(jì)算無(wú)預(yù)腐蝕條件下，試樣裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂尖附近應(yīng)力強(qiáng)度因子，并與Abaqus計(jì)算的裂尖附近應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行對(duì)比(結(jié)果如圖10所示).

由圖10可知，試樣裂尖附近應(yīng)力強(qiáng)度因子在不同外加應(yīng)力下的理論值與模擬值匹配較好，最大誤差為4.7%，說(shuō)明預(yù)測(cè)精度良好.運(yùn)用相同方法，建立腐蝕坑模型，對(duì)裂紋尖端附近區(qū)域積分，求解帶腐蝕坑試樣裂尖附近應(yīng)力強(qiáng)度因子，進(jìn)而建立裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子與腐蝕坑尺寸的關(guān)系(如圖11所示).

通過(guò)數(shù)值擬合建立腐蝕試樣應(yīng)力強(qiáng)度因子與腐蝕坑尺寸和沒有腐蝕試樣應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系式，即

(2)

式中，KIS是腐蝕后試樣裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子，KI0是未腐蝕試樣裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子，ψ是腐蝕坑尺寸.根據(jù)Pairs疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式可對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命進(jìn)行估算[12]，即

(3)

式中，C和m是材料特有參數(shù)，Madox通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出合金鋼參數(shù)m=3.07，C=4.349×10-12[13].對(duì)式(3)積分可得到等幅循環(huán)載荷下材料的疲勞壽命，即

(4)

將式(2)和(4)合并，可得出腐蝕試樣與未腐蝕試樣疲勞壽命的關(guān)系如下

NC=(0.273e3.378φ+0.731)-3.07N0

(5)

式中，NC是腐蝕試樣的疲勞壽命，N0是未腐蝕試樣的疲勞壽命.對(duì)腐蝕試樣進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比(結(jié)果如表2所示).

表2 不同腐蝕形貌下疲勞壽命的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果

由表2可知，試樣疲勞壽命的模擬預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值誤差均在10%以內(nèi)，預(yù)測(cè)精度較好.其中，在低腐蝕程度和低應(yīng)力情況下，預(yù)測(cè)精度誤差均在5%以內(nèi)；隨著腐蝕程度加深和應(yīng)力增加，裂尖附近屈服區(qū)域與真實(shí)情況的誤差增加，預(yù)測(cè)精度誤差也增加到最高接近10%.預(yù)測(cè)值均比實(shí)驗(yàn)值稍高，主要是因?yàn)榱鸭鈶?yīng)力強(qiáng)度因子是以線彈性模型為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，采用有限元模型模擬的腐蝕坑形貌是在試樣中間部位預(yù)置缺陷，而真實(shí)腐蝕坑在試樣上具有分布和大小不均的特點(diǎn).

3 討論

本研究采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)35CrMo合金鋼在預(yù)腐蝕下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究.首先將試樣用線切割方法加工成疲勞標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別浸泡在用去離子水和純NaCl配制成的60g/L的腐蝕液中0h、24h、48h和96h，浸泡完成后取出用灑精處理腐蝕產(chǎn)物，去離子水洗滌后吹干；在疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行最大應(yīng)力分別為300MPa、200MPa和100MPa，應(yīng)力比為-1的疲勞試驗(yàn)，直至破壞，記錄試件斷裂時(shí)經(jīng)歷的疲勞循環(huán)次數(shù).然后進(jìn)行切割，使用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，研究35CrMo合金鋼在腐蝕液中的腐蝕機(jī)理.最后，針對(duì)不同腐蝕程度對(duì)應(yīng)的腐蝕坑尺寸，建立相應(yīng)的有限元模型，推導(dǎo)裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子(K)隨裂紋深度(a)以及外加載荷(P)變化的擬合公式；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Pairs疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式建立疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行預(yù)測(cè)并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比.結(jié)果表明：在低腐蝕程度和低應(yīng)力情況下，預(yù)測(cè)精度誤差在5%以內(nèi)；隨著腐蝕程度加深和應(yīng)力增加，裂尖附近屈服區(qū)域與真實(shí)情況的誤差增加，預(yù)測(cè)精度誤差也增加到最高接近10%.也就是說(shuō)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值誤差均在10%以內(nèi)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本一致.可見，本研究基于預(yù)置腐蝕坑和依據(jù)Pairs疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式建議的有限元仿真模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的預(yù)測(cè).