铸钢和锻钢应力腐蚀性能的对比研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1984.02.007 北京钢铁学院学报 1984年第2期 .. 铸钢和锻钢应力腐蚀性能的对比研究 1 金属物理教研室 褚武扬肖纪美李文学 张彦国 -...8、 摘 要 “用肩二护钢的镜件和段件对比研究了在水介质中的应力腐做性能，结果表明，物钢和锻锅应力腐使裂纹扩展的张 活能柏同，均为Q=5540ca1/mol。且和氢渗透测出的表观扩散激活能Q=6010cal/mol相-致。无论是阳极极化还是 阴极圾化均使钟钢和锻钢的a升高，但阴极极化更为阴显，氢渗透测盘表明，无论是阳极极化还是阴极极化，随 电旅增大，饱和氢巡遇通量明显增加，极化对da和氢渗透通量影响是相似的。·， 实验表明，试验温度对K1沁C影响极小，但钱钢的K15Cc明显比锻钢要高。氢渗透测试表明，锻钢的饱和盆渗透通 量约比钱钢要大一倍，这就可解释KsC©的差异，这也和断口观察相一致，尽管断口形貌明显依赖开裂时的KI值，但 在K1sCc附近锻钢全是沿晶断口，而铸钢则以准解理为主。 前 言 以铸代锻具有明显的经济效益，但高强度铸钢的塑性和冲击韧性均比锻钢低，从而限 止了它的广泛使用。我们的工作表明，铸钢的断裂韧性明显比锻钢要高，而da/dN却基本 一致〔1〕，这就为以铸代锻制造飞机受力件提供了依据。本文就进一步对比铸钢和锻钢 应力腐蚀性能的差异并探讨造成这种差异的原因。 我们用金相跟踪方法研究了应力腐蚀裂纹的产生和扩展，结果表明，高强度钢在水介 质中的应力腐蚀是一种氢致滞后开裂过程〔2,3〕。用电化学方法，特别是把它和氢渗透 结合也是一种研究高强钢水介质应力腐蚀机理的有力工具〔4〕。为此我们将同时研究极 化（阴极和阳极极化）对da/dt和氢渗透通量的影响。作为一种氢致开裂过程，应力腐蚀 裂纹扩展速率，应当由氢离子的迁移，放电或氢原子的溶解，扩散等基元过程中速度最慢 的一个过程来控制，如果是由氢的扩散过程所控制的，则裂纹扩展激活能应当和氢的表观 扩散激活能相等。为此，我们也同时测量了这两种微活能。 实验过程 所用ZG-18钢的化学成分如下：C=0.23,Si=0.63,Mn=0.85,Cr=1.30,Mo= 0.53,P=0.015,S=0.005。同一炉钢一半直接精密铸造成厚为20mm的WOL试样，另一 半铸锭后再锻造成同样的试样，所用热处理工艺见表1。 88

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 丫 』 ’ 下 ‘ · 一 几 、 一 ’ ‘ ， ‘ · 一 ’ 铸钢和锻钢应力腐一 蚀性能的对比研究 、 一 ’ ‘ 金属物理教研室 褚武扬 肖纪美 李文 学 张彦 国 一 几方一 ‘ 一 ‘ …一 ‘ ， 一 ‘ 摘 要 “ 一甭尚二矛钢而 件和兹祥 对比 益击在 水介质中的应力腐蚀性能 ， 结果表明 ， 。 钢和锻钢应力离蚀裂 纹扩展 的 ， 活能相同 ， 扇 。 。 。 一宜和氮渗透测 出的表观扩散激活能 。 。 。 相嗽 无论是阳极极、。还是 阴极极化 均使铸钢和锻钢的 升高 ， 但 阴极极化吏为朋 显 ， 氢渗透测量 表明 ， 声论是阳 极极化典是阴 ‘ 极 极 化 ， 随 电流增 大 ， 饱和氢渗透通 明显增加， 极化 对 和氢渗透通最影响是相似 的 。 、 「 ‘ 实验表明 ， 试验温度对 卜 影响极小 ， 但 铸 网约 明 显 比锻 钢要高 。 氢渗 透 测试表明 ， 锻钢 的饱 和氢 渗 透 通 里约 比铸钢要大 一倍 ， 这就可解释 的差异 ， 这也和 断 口 观 察相一致 ， 尽 管断 口 形貌明显依 赖开 裂 时 的 值 ， 但 在 附近锻钢全 是沿 晶 断 口 ， 而铸钢则 以准解理为主 。 诀与 各 刚 石 以 铸代锻具 有明显 的经济效益 ， 但高强度铸钢 的塑性 和冲击韧性均 比锻钢低 ， 从 而 限 止 了它的广泛使用 。 我们 的工作表 明 ， 铸钢 的断裂韧性明显 比锻钢要 高 ， 而 却基本 一致 〔 〕 ， 这 就为 以 铸代 锻制造 飞机受 力件提供 了依据 。 本文 就进 一步对 比铸钢 和 锻 钢 应力腐蚀性能 的差 异并探讨造成这种差异 的原 因 。 我们 用 金相跟 踪方法研究 了应 力腐蚀裂 纹 的产生和扩展 ， 结果 表明 ， 高强度钢在水介 质 中的应 力腐蚀是 一 种氢致滞后 开裂过程 〔 ， 〕 。 用 电化学方法 ， 特别是把它和氢渗透 结合也是一 种研究 高强钢水 介质应力 腐蚀机理 的有力工具 〔 〕 。 为此我们将 同时研 究 极 化 阴极和 阳极 极化 对 和氢渗透 通量 的影 响 。 作为 一种氢致开裂过程 ， 应力 腐 蚀 裂 纹扩展速率 ， 应 当由氢离子 的迁 移 ， 放 电或氢原子 的溶解 ， 扩散等基元过程 中速度最 慢 的一个过程来控制 ， 如果是 由氢 的扩散过程所控制 的 ， 则裂纹扩展 激活能应 当和 氢 的表观 扩散激活能相等 。 为此 ， 我们 也 同时测量 了这两 种激活能 。 实 验 过 程 所 用 一 钢的化 学成分如下 ， “ ， ， ， ， ， 。 同一炉钢一 半直接精密铸造成 厚为 的 试样 ， 半铸锭后再锻造成 同样的试 样 ， 所用热处理 工艺见表 。 另一 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．02．007

表1.试样的序号及其热处理 试 样 号 Ob 热 处 理 工 艺 铸 钢锻 钢 (MPa) A1-A A10一A13 900°C30'油淬，200°C等温40'，220°C回火120 1500 B4-B7 B14—B17 900°C30水淬，200°C回火120 1600 我们的工作表明，同一批料不同WOL试样测出的da/dt最大可以相差10倍[J。故在 测量邀活能时用一个试样在3一4个温度下测da/dt,在每个温度下虽然初始裂纹长度不同， 但每次都调正到具有相同的初始Kr值。研究极化对da/t的影响时也在同一试样上进行。 测量止裂KsCc随温度的变化也用同一块试样，即在室温止裂后再停留48小时，如裂纹仍 未扩展则放入50°C,等止裂后再放入75°C。 在测定da/dt的试样上切出一些1×25×25的小块，经除氢处理后作氢遂透试样。试样 单面镀钯，充氢端用1NH,S?4溶液，另一端是0.2 VNaOH溶液。由此可获得不同充氢 电流下铸钢和锻钢的饱和氢渗透通量以及表观扩散系数。在不同温度(1°一68°C)下完成 了氢渗透试验，从而可获得氢的表观扩散激活能。另外，也研究了阴极极化和阳极极化对 饱和氢渗透通量的影响。 …试验结果 1,不同温度下铸钢和锻钢的应力腐蚀性能。 在0°C到100°C的范围内测量了铸钢和锻钢在水介质中的da/dt,结果如图1所示。图 上所列da/dt一般均是裂纹扩展第I阶段的数值，但个别试样平台区不明显或很窄，这时 就采用其平均值来计算。由图可看出，dadt和温度的关系满足Arrhenius?方程，即da/dt =A1/RT。对铸钢的A2试样和锻钢的Ai1试样获得Q=5240cal/mol。由图也可看出，铸 钢和锻钢的曲线基本平行，故Q值相同，把全部四个试样的数据进行回归统计分析所得激 活能为Q=5540ca1/mol(相关系数Y=0.98)。n 就图1所列四个试样的数据来看，似乎铸钢的da/dt比锻钢要小。 铸钢和锻钢在水介质中Ksc随温度的变化如图2所示。由此可以看到，无论是，钢还 是锻钢，Kscc基本上不随温度改变，另外，铸钢的KIscc明显比锻钢要高。 2。极化对裂纹扩展速率的影响 铸钢和锻钢在室温的da/dt随相对极化电位的变化见图3。由于每块试样的开路电位 (相对甘汞电极)并不相同，为了便于比较，对每个试样均以极化电位和开路电位的差值 作横坐标来作图。山图3可知，无论是阴极极化还是阳极极化均使铸钢和锻钢的da/dt升 高。但阴极极化则更为明显，随外加阴极电位增加，da/t急剧上升。 3,氢渗透通量及扩散系数 当极化电流i=1.9mA/cm2时铸钢和锻钢的氢渗透曲线如图4所示。由饱和氢渗透电 流（阳极电流）I可获得饱和氢渗透通量 89

表 试样的序号及其热处理 试 样 号 一 ‘ 一 热 处 理 工 艺 口 铸 钢 一 锻 钢 一 一 “ 尹 油 淬 ， “ 等温 尹 ， 回火 产 一 ’ 一 一， “ 产 水淬 ， 回火 夕 我们 的工作 表明 ， 同一 批 料不 同 试样测 出的 最大可以相差 倍 〔 」。 故 在 测量 激活能 时用一 个试样在 一 个温度 下测 ， 在每个温度下虽然初始裂纹长度不 同 ， 但每次都调 正到具 有相 同的初始 值 。 研究极化对 的影 响时也在同一试样上 进 行 。 测量止裂 随温度 的变化 也用 同一 块试样 ， 即在室温止裂后再停留 小 时 ， 如 裂 纹仍 未扩展则放入 “ ， 等止裂后再放入 。 在测 定 的试样上切 出一 些 的小块 ， 经除氢处理后作级渗透试样 。 试样 单面镀把 ， 充 氢端用 溶液 ， 另 一端是 溶液 。 由此可获得 不 同 充 组 电流下铸钢和锻钢的饱 和氢渗透通量 以及表观扩散系数 。 在不 同温度 。 一 下 完成 了级渗透试验 ， 从而可 获得氢的表观扩散激活能 。 另外 ， 也研究了阴极极化和 阳极极 化 对 饱和组渗透通量 的影响 二 试 验 结 果 不同温度下铸钥和锻钢 的应力扁蚀性能 。 在 到 的范 围内测 量 了铸钢 和锻钢在水介质 中的 ， 结果 如图 所 示 。 图 上所列 ‘一般 均是裂纹扩展第 阶段 收数值 ， 但个别试样 平台区 不 明显或很 窄 ， 这 时 就采用其平均值来计算 。 由图可看 出 ， 。 加〔和温度 的关系满足 方程 ， 即 一 。 对铸钢 的 试样和锻钢 的儿夏试样获得 。 由图也可 看 出 ， 铸 钢和锻钢 的曲线基本平行 ， 故 值相 同 ， 把全部 四个试样的数据进行回归统计分析所 得 激 活能为 相关系数 。 。 就 图 所 列 四个试样的数据来看 ， 似乎铸钢的 比锻钢要小 。 铸钢和锻钢在水介质 中 随温度 的变化如图 所示 。 由此 可 以看到 ， 无论是 铸钢 还 是银钢 ， 基本上不随温度改变 ， 另外 ， 铸钢 的 明显 比锻钢要 高 。 。 极化对裂纹扩展速率的影响 铸钢和锻钢在室温的 大随相对极化 电位 的变化见 图 。 由于每块试样 的 开路 电位 相对甘汞 电极 并不相同 ， 为了便于 比 较 ， 对每个试样均 以极 化 电位和开路 电位的差值 作 横坐标来作 图 。 由 图 可 知 ， 无论是 阴极极化还是 阳极极 化均使铸钢和锻钢 的 升 高 。 但 阴极极化则更为明显 ， 随 外加 阴极 电位增加 ， 急 剧上升 。 氮渗透通 及 扩散系数 当极化 电流 二 粤兰时铸钢 和锻铆的氢渗透曲线如 图 所 示 。 由饱和氢渗透 电 体 阳极 电流 可 获得饱荆氢渗透 通量

0410 1 0 0 10 105 10 106 07 2.4 2.8 5.2 4.0 12,r1 1 Pig.1.da/dt Ys 1/t for the oast and forging steel and apparent diffusien coeffieient of hydrogen in the forging ateel D 31/. 图1铸钢和锻钢的da/dt以及氢在锻钢中的扩散系数 0 ●6 casting 25 B4ctt1ng 20 群 15 10 ◆ Fig.2.Variation of the of the cast and forging steel with 图2铸锻钢的Kscc随试验温度的变化 90

今 ，’ ， 一 ， 下 、奋困叫月 ，产 巴公 阵 砂 一 ， ， 盆 含 ， 一 盆 ， 月越 ， 玄 ， ， 一 ， ‘ 一 一 叮 ，气，八 加 七 心 昭 ，的 。 全全 一 七洲 召，” 加 协 月炸 心 切 钧 ，八 。 图 铸钢和锻钢的 以及级在锻钢中的扩散系数 念， 劝山咚 助 毛加‘ ，‘ 七匀峨 飞 ， 少“ 二 卜 一 卜一 一 碱卜一 ， 、 · · 盯 倾 。 卜 气翔 比 侧 昭 ‘ ， 切 口 七理 。 图 铸锻钢的为 随试验沮度的变化

●410 ●A5 6大1n5 6.4 -0.2 0 △SgCs V Pig-3.Effeot of the cathodie and anodic polarization on the da/dt of the cast and forging steel. 图3阴极极化和阳极极化电位对铸锻钢da/d的影响 20 ● casting o forging 200 0 400 00 ain Pig.4.Hydrogen permeation ourrent I vs t for the camt and forging 图4铸钢锻钢的氢渗透电流随时间的变化 91

监 杜二， 介内昭 扫‘ 、、 、 、、 ， 工甲、、 户飞，，亩 、 、 之 名 七“ 、 一 才少 ‘ 即 ， 梦绍 一 名 七 她 。 如仪 公 助 ‘ 切‘ ， · 图 阴极极化和阳极极化电位对铸锻钢 的影响 劫 司砚 加 加召 珑山昭 ‘ 气 七， 区 ，绍二 。 抑 哟创 日 。 七、 一 。 现 昭 图 铸钢锻钢的氢渗透 电流随时间的变化

Joo=Ico/AF (1) 其中A是试样面积，F=96x合ec=99:X0c8.62×10μAsec/em3 克原子〔H) 是法拉台常数，由曲线可获得和0.63I∞相对应的滞后时间tL,由此可得表观扩散系数。 D=L: 6tL 其中L=1mm是试样厚度，实验所得结果如表2所示(A=3.14cm2)。 表2铸钢和银钢的J和D(室温) 极化电流 饱和电流 饱和氢渗透通量 表观扩散系数 密度 钢 种 (mA/cm2) (μA) (cm3 cm-2 sec-1) D (cm sec-) , 钢 28.5 1.05×10-8 3.05×10-1 1.9 锻 钢 57.5, 2.13×10-6 1.93×10-T 铸 钢 140 5.18×10-6 3.23×10-7 19.0 锻 钢 250 9.24×10-6 5.56×10-7 由此可以看到，在相同极化电流密度下锻钢的饱和氢渗透通量约比铸钢大一倍。由表 2的数据可以看出，平均来看，氢在铸钢和锻钢中的表观扩散系数是相近的。 进一步用锻钢试样在不同温度下测量了氢渗透曲线（极化电流密度为19mA/cm2), 所得结果如表3所示。 表3木同祖度下锻钢的表观扩散系数 试验温度 14 30 46 68 滞后时间min 110 50 27.5 20 11.5 表观D,cmsec-1 2.53×10-7 5.56×10-7 1.01×10-6 1.38×10-6 2.42×10-0 由回归分析算出的表观扩散激活能为Q=6010cal/mol(相关系数Y=0.988),其值和应 力腐蚀裂纹扩展第I阶段的激活能(Q=5540ca1/mo1)基本一致。为了比较，表观扩散 系数随温度的变化也已画在图1。 4。极化对氢渗透通量的影响 在开路条件(1NH,SO4)下阳极电流的变化并不明显（即氢诊透通量低于仪器灵敏 度)。但如阴极极化，则随电流密度增加饱和阳极电流（从而饱和氢渗透通量）急剧上 升，如图5所示。如阳极极化，当极化电流较小时（如i=1.9mA/cm2),就测不出氢渗 透电流。但当阳极极化电流i≥6mA/cm2,则能测出饱和氢渗透电流且随阳极极化电流的 增大而急剧增加。如i=+19mA/cm2,则饱和氢渗透通量(2.14×10~5)比阴极极化时 在相同电流密度下测出的值(0,924×10-5)还要大，如图5所示。 92

其中 是试样面积 ， 勺 愕群舞黔 尹协 。 协 ” 是法拉台常数 ， 由曲线可获得和 相对应 的滞后时 间 ， 由此可得表观扩散系数 。 。 其中 是试样厚度 ， 实验所得结果如－表 所 示 二 。 衰 铸钥和银铜的 ， 和 室温 极化 电流 钢 种 饱和 电流 饱和氢渗透通量 表观扩散系数 密 度 卜 一 ， ‘ 一 ’ 。 铸 钢 。 。 又 一 。 一 了 锻 钢 。 。 一 。 一 了 。 铸 钢 。 一 。 一 了 锻 钢 。 一 ‘ 。 一 由此可 以看到 ， 在相 同极化 电流密度下锻钢 的饱和氢渗透通量约 比铸钢大一倍 。 由表 的数据可 以看出 ， 平 均来看 ， ‘ 氢在铸钢和锻钢 中的表观扩散系数是相近 的 。 进一步用锻钢试样在不 同温度下测量了氢渗透曲线 极化 电流密度为 “ ， 所得结果如表 所 示 。 表 木同温度下锻铜 的表观扩散系数 试 验 温 度 滞后 时间 。 。 表观 ， 一 ’ 。 一 ， 一 一 ， 。 一 。 一 。 一 由回归分析算出的表观扩散激活能为 。 。 相关系数 ” ， 其 值 和应 力腐蚀裂纹扩展第 互阶段的激活能 基本一致 。 为 了比较 ， 表 观 扩 散 系数随温度的变化也 已画在图 。 极化对红港透通且的影响 在开路条件 。 下 阳极 电流 的变化并不 明显 即氢渗透通量低于仪器灵 敏 度 。 但如阴极极化 ， 则随 电流密度增加饱和 阳极 电流 从而饱和氢 渗 透 通 量 急 剧 上 升 ， 如图 所示 。 如 阳极极化 ， 当极化 电流较小时 如 。 之 ， 就测不 出 氢 渗 透 电流 。 但 当阳极极化 电流 》 ， 则能测 出饱和氢渗透 电流且随阳极极化 电流 的 增大而 急剧增加 。 如 二 “ ， 则饱和氢渗透通量 “ 比阴极 极 化 时 在相 同 电流 密度下测 出的值 一 还要 大 ， 如 图 所示