高强度钢水介质应力腐蚀研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1979.01.014 高强度钢水介质应力腐蚀研究 断裂力学小组 椿武扬 李世琼背纪美王枨* 摘 要 木文对应力腐蚀试验的W。L型何位移试样作了评述。并用它测量了四种高强度钢 (30 CrMnSiNi2A、30 CrMnSiA、40 CrNiMo、ZG-18铸钢)在水介质中的止裂K Iscc以 及da/dt。对其中的30 CrMnSiNi2A钢研究了热处理T艺对KISco、da/dt的影响，同时 探讨了强度和组织的作用。结果表明，对同·类处理，随强度下降K1sc©提高。在相同强度 时，等温后回火组织的K1scc明显比马氏体组织和不回火贝氏体组织高得多。当强度·。S 130~140公斤/毫米2时，裂纹扩展特征发生了变化，da/dt也大幅度下降。o。<110公斤 (毫米2时在水介质中不再产生应力腐蚀裂纹。 我们用不同曲率(p)的恒位移缺口试样(B=20mm)测量了缺口形成应力腐蚀裂纹 的界限应力强度因子KIscc(P),结果表明 p≤Po KIsco(p)= Av p p>po A是材料常数。对on=160公斤/毫米2的30 CrMn SiNi2A钢，A=426公斤/毫米、a。= 140公斤/毫米的30 CrMnSiA以及40 CrNiMo钢的A值更高。 根据实验数据，运用线弹性断裂力学对30 CrMnSiNi2 A钢(o。=160公斤/毫米2)螺桩 的应力腐蚀断裂进行了定量分析，并提出了提高螺桩安全性的具体办法。 前 吉 关于强度级别、组织结构以及金金成份等对一高强钢在水介质中应力腐蚀性能的影响作 国外已做了很多作〔1,2)，但在国内这方面的系统工作还比较少〔3,4)。另外，过去的.工 作大都是用恒力试样（如悬臂梁试样）测量在：规定时间内不断的界限应力强度因子K1sc, 不大注意开始形成应力腐蚀裂纹的临界值。考虑到很多工程构件处在恒位移受力状态（如紧 固螺桃)，因而用恒位移试样测最应力腐蚀数据更有模拟性，何这方面工作也较少。特别是 很多缺口构件也会在缺口处集中应力作用下形成应力腐蚀裂纹，何到目前为止，对不同曲 的缺口试样形成应力腐蚀裂纹的规律未见有深入的研究。 我们对四个国产高强度、超高强度钢种，用改进的WoL型恒位移试样测量了止：裂 d/d【。研究了热处理工艺、组织结构和强度级别对应力腐蚀性能的影响，另外我]也用不 K1scc和同曲案的缺口试样（包括疲劳予裂纹试样）研究了缺口形成应力腐蚀裂纹的规律。 *林实以及红安公司理化室宁汞照、曲守纯同志参加了本工作。 157

高强度钢水介质应力腐蚀研究 断裂 力学小 组 褚武扬 李世琼 肯纪美 王帐 寮 摘 要 木 文对应 力腐蚀 试验的 型 恒位 移 试样 作 了 评述 。 并用它 测 量 了 四 种高 强度 钢 、 、 、 一 铸钢 在水 介质 中的 裂 。 。 以 及 。 对其付，的 钢 研究 了热 处理 工 艺对 。 。 、 的 影响 ， 同时 探 讨 了强度 和组织的 作用 。 结 果表 明 ， 对 同一 类 处理 ， 随 强度 下降 。 。 提高 。 在相 同强度 时 ， 等温后 回火组织的 。 。 明显 比马 氏体组织 和不 回 火 贝 氏体组织 高得 多 。 当强度 三 公 斤 毫米 忍时 ， 裂纹扩展特征 发生 了变 化 ， 也大幅度 下 降 。 、场 。 公斤 扩毫米 时在水介质 中不再产生应力腐蚀裂 纹 。 我们用不同曲率 的恒位 移缺 口试样 测量 了缺 口 形 成应 力腐蚀 裂 纹 的 界限应 力强度 因子 。 。 ， 结果表 明 。 。 · 丈 。 、 三 。 。 是材料 常数 。 对 。 二 公 斤 毫米 的 钢 ， 公斤 毫米 、 。 公 斤 毫 米 名 的 以 及 钢 的 值 更高 。 根 据实验数据 ， 运 用线弹性断裂 力学对 。 钢 、 二 公斤 毫米 “ 螺桩 的应 力腐蚀 断 裂进行 了定量分析 ， 并提 出了提高螺桩 安全 性的具体办法 。 前 关 于强度 级 别 、 组织 结构 以 及 合 金 成份 等对 高强钢 在水 介质 中应 力腐 蚀 性能 的 影 响 在 网外 已做 了很 多工作 〔 ， 〕 ， 但 在 国 内这 方面 的 系统 工 作还 比较少 〔 ， 〕 。 另外 ， 过 去的 工 作大都是 用恒 力试样 如 悬臂梁 试样 测 量 在规定 时 间内不 断 的 界限应 力强度 因子 。 。 ， 不 大注意开 始形 成应 力腐蚀 裂 纹 的 临界值 。 考虑 到很 多工程 构件处 在恒 位 移受 力状态 如 紧 固螺桩 ， 因而用 恒位 移试样测 量应 力腐蚀 数据 更有模 拟性 ， 但 这方面 工作也较 少 。 特 别是 很 多缺 口 构件 也会在 缺 口 处集 中应 力作用 。 下形 成应 力腐蚀 裂 纹 ， 但到 目前 为 、匕 对不 同 曲率 的 缺 口 试 样形 成应 力腐蚀裂 纹 的规律未见有深 入 的研究 。 我 们对四 个 国产高强度 、 超 高 强度 钢 种 ， 用 改 进的 型恒位 移试 样 测 量 了止裂 。 研 究 了热 处理 工艺 、 组织 结构和强度 级 别对应 力腐蚀 性能 的影响 ， 另外我 们也用 不 。 。 和 同曲率 的 缺 口 试样 包括 疲劳予裂 纹试样 研 究了 缺 口 形 成应 力腐蚀 裂 纹的规律 。 介 林实 以及红 安公 司理 化 室宁永 照 、 曲守纯同志参 加 了本工 作 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1979．01．014

一、实验方法 少数数据除了用悬臀梁试样(15×30毫米)：以及WoL型试样(B=20毫米)在恒力条 件下测量K1scc和da/dt之外，大部分工作是用改进的WoL型恒位移试样获得的。对四个 钢种16种不同热处理制度70多个试样的实验裘明，只有3个试样（均为L-C向）裂纹发生宏 观分叉，致使实验失败。和一般概念相反，宏观分叉应力强度因子并无关系（这3个试样 均是在裂纹已扩展相当长距离后才开始分叉)， 只要裂纹不分叉，用一个试样就可获得K1scc 和da/dt数据，且实验简便，故我们认为恒位 移试样是值得大力推广的。 试样如图一，在用螺钉和垫块自加截后、 随裂纹扩展，位移保持恒定，故K不断下降， 直至止裂。K1表达式和销钉加载的WoL型试 样相同。 K:=BVwF(W) (1) 不同W的F值可查表(5)。当刀口处在试样 内表面时，NoVaK(6)用实验方法标定了柔 度曲线，用线性外延法可获得刀口在试样外表 面的柔度值。我们用实验标定方法(B=20毫米 图1WOL型恒位移试样 刀口高h=2毫米)进行了标定，发现结果是一致的。我们所得的柔度值如表1所示。 表1 WoL型试样的柔度BEV/P (B=20毫米h=2毫米) BEV a BEV a BEV BEV W W W P W P 0.30 32.2 0.44 54.5 0.58 98.2 0.72 210.2 0.32 34.5 0.46 59.3 0.60 108.0 0.74 244.4 0.34 36.9 0.48 64.4 0.62 118.5 0.76 286.2 0.36 39.6 0.50 70.0 0.64 130.5 0.78 344.7 0.38 42.8 0.52 76.1 0.66 145.2 0.80 422.8 0.40 46.5 0.54 82.6 0.68 163.1 0.42 50.2 0.56 90.1 0.70 184.0 应当指出，用螺钉加载在拉伸机上标定时，小载荷部分P-V曲线不呈线性（这是螺钉加载本 身造成的)。当a/W较小时，可加予载荷避开这个非线性，但当a/W较大（如a/W≥0,6） 158

一 、 实 验 方法 均 是在裂 纹 已扩 展 相 当长距 离后才开 始 分 叉 ， 只 要裂 纹不 分 叉 ， 用 一 个试 样就 可 获得 。 。 和 数 据 ， 且实验 简便 ， 故 我 们认 为恒 位 移试样是值得 大 力推 广的 。 ’ 试样如 图一 ， 在用 螺钉 和 垫 块 自加截 后 、 随裂 纹扩展 ， 位 移保 持恒 定 ， 故 不断下 降 ， 直至止 裂 。 表达式 和销 钉 加 载的 型 试 样相 同 。 二 二 易 不 同 一 之 的 值可 查 表 〔 〕 。 ‘ ’ 一 ‘ ’ 一 ‘ ’ 当刀 口 处 在试 样 一 ‘ 一 ‘ 一 、 一 一 ’ 一 ’ ’ 一 ” ’ 内表面 时 ， · 〔 〕 用 实验 方 法 标定 了柔 度 曲线 ， 用 线 性外延 法 可 获得刀 口 在试样 檐 外表 祥 面 的柔度 值 。 我们用实验标定 方法 毫 米 刀 口 高 毫 米 进行 了标定 ， 发现结 果是一 致的 。 图 型 恒位 移试 样 我 们所得的 柔度 值如 表 所示 。 表 型试样 的柔 度 毫米 毫米 兰 一 …， ‘ 口任劝上八 ﹁ 七 月，，﹃ 应 当 指出 ， 用 螺钉加 载在 拉伸 机 上标定 时 ， 小 载荷 部分 一 曲线不 皇线 性 这 是 螺钉 加 载木 身造 成的 。 当 较 小时 ， 可加予 载荷避开 这 个非线 性 ， 但 当 较大 如 之。

时。非线性区间相对变大，应改用销孔加载的WoI.型试样进行标定。 值得指出的是很多作者（如〔6）)都认为，对恒位移试样，当裂纹扩展后其卸载位移仍 等于初始加载位移，这个看法是错误的。事实上.由于应力腐蚀裂纹内表而很粗糙，高低不 平，当卸载时已扩展的裂纹不能密 ,故试样内部残留有一部分应沙， V. 致使卸载位移比初始位移要小。其差 值随裂纹扩展最的增大而增大。我」 用实验证实了这-·点。1图二所示。 图}.07,08号试样在裂纹扩展过程巾 多次卸载（每次再加线的位移等于刚 试样 标記 卸载的位移)。理论计算表明，由于 604 ◆ 螺钉和垫块不是刚体，裂纹扩展，螺 07 09 ● 钉力松弛，将使卸载位移增大。如螺 09 们弹性模量和试样相同，则其差值最 4 大不超过10%〔6)，因此对图二的实 03 验现象只能用裂纹不密合，试样内部 09 05 0.6 0708a9a 残疗有位移（应变）来解释。我在 试样侧边贴电阻片，随裂纹扩圹展，卸载 图2 应变均比初始应变要小，其差值随扩 相对卸荒位移V,时裂纹长度0的变化 展量增大而增大，从而也证实了上述见解。 由此可知，如用上裂后卸载位移所对应的载荷计算K1scc,则数值偏低，裂纹扩展量愈 大，误差也愈大，正确计算1scc的方法是测出止裂a/W,由表1查出柔度 CCW )-P V (1) 代入(1)式就得 K1scG= (3) C() 在应力腐蚀过程中，随时用读数显微镜测量试样两表面的裂纹长度，刖平均值可作： a~t曲线，对某-~a值，从曲线上可求得da/dt,同时把该a值代入(1)式可得K1值，从而 f作出Kr~da/dt曲线。 所用试验钢的强度1成份如表2所示 表2 试验钢的成份和强度 成 份 性 能 钢种 C Si Mn I'S Cr Ni Mo U 0.2 公斤/毫米2 e0 CrMnSiNi2A0.291.111.150.0280.0051.071.57 110180100~150 30CrMn SiA 0.301.180.950.0190.0060.91 130~145120~130 40CrNiMo A 0.380.220.640.0120.0070.691.590.19120~145110~130 7G-18铸钢 0.240.650.870.0180.0051.27 0.54 160 140 159

日 ‘ 。 非线性区问相 对变大 ， 应改 用销孔 加 载的 型 试样进行标定 。 值得 指 出的 是很 多作者 如 〔 都认 为 ， 对恒 位 移试样 ， 当裂 纹扩 展 后 其 卸载 位 移仍 等于初始 加 载位 移 ， 这个看 法是错误 的 。 事实 上 由于应 力 腐蚀裂 纹 内表而 很 粗 糙 ， 高低不 平 ， 当卸 载 时 已 扩展 的裂 纹不 能 密 介 ， 故试样内部残 留有一 部分应 变 ， 致 使卸裁位 移 比 初始位 移 要小 。 其差 值随裂 纹扩展 量 的 增大而 增大 。 我 们 用实验证 实 了这 一 点 。 如 图二所示 。 图 刀 ， 号试 样 在裂纹扩展 过 程 中 多次卸载 每 次再加 载的位 移 等于 刚 卸载的位 移 。 理 论计 算表 明 ， 由于 螺钉 和垫 块不是 刚体 ， 裂 纹扩 展 ， 螺 宁’力松 弛 ， 将 使 卸载位移 增大 。 如 螺 们 ’ 弹 性模 量 和试 样相 同 ， 则其 差 值 最 大不 超过 〔 〕 ， 因此 对图二 的 实 验 现 象只 能 用裂 纹不 密合 ， 试 样 内部 残 存有 位移 应 变 来解 释 。 我 们在 试样侧边 贴 电阻片 ， 随裂 纹扩展 ， 卸 载 应 变均 比初始应 变要 小 ， 其差 值随 扩 兰 今 门 长 卜廓除阮 肠妈 时 卜一 一 一 仍一一一有一节 石 。 习 ， 二 。 二 、 。 、 、 ， 、 ‘ ， 二 、 二 、 户 团 ‘ 州 门 习 软 仅 移 、 一 随 裂 纹 大 度 、 二 二 的 贾 化 展 量 增大而增大 ， 从而也证实 了上述 见解 。 由此可知 ， 如 用 卜裂 后 卸 载位移所 对应 的 载荷 计算 。 。 ， 则数 值偏低 ， 裂 纹扩 展 量 愈 大 ， 误 差 也愈 大 ， 正 确计算 ， 。 的方 法是 测 出止裂 。 ， 由表 查 出柔度 代入 式 就得 一 ， 下、 工 。 。 二 黑含 丫 一 竺 分 在应 力腐蚀 过 程 中 ， 随 时 用读数显微镜 测 量试样 两 表 面的裂 纹 一 长度 ， 用 平 均 值 可作 出 曲线 ， 对某一 值 ， 从曲线 卜可求得 ， 同时 把该 值 代入 式 可得 值 ， 从而 一 叮竹屯出 一 曲线 。 所 用试验钢 的强度 和 成份 如表 所示 表 试验 钢 的成份和 强度 成 份 性 能 钢 种 人 工 ， 。 ︻了 卜 一 铸钢 仃 。 公斤 毫 米 “ 甘任月 ，土一 ， 八八」曰︶︺ ， 口 一 口钾 勺 口侧 卜 尸 ，， ，两 ，门 日

二、不同钢种不同热处理条件下的KISCC、da/dt 对30 CrMnSiNi2∧钢，用B=20毫米的试样测量了12种热处理工艺的K1scc和da/dt, 纷果如表3。 表3 不同热处理工艺的K:scc和da/dt 油济(910℃) 1200℃285℃360℃ 310℃等温 ,油淬 热处理T艺9××兰2兰200℃ 等温 等温 D⊙XPPP 晨回需三号宜含回回火 不回火不回火 回回回邮 回8回回 试样号 123 41 5 6 7 8 9 1011112 131415 Oh 1801791701331177 166 138 161159*147+133*i126 111100+92* 00.2 147147146121144 123 123 114100 K1scc :3851.760.5121 64.5 57.4 74.5 6075.5102 178260 da/dt* 28212601.0 7.7 2.9 6.8 1.6 0.7 0.40.14 da/dt*◆」20 42 1.710 3.8 10 3.1 0.8 强度由硬度值换算获得 *.平均值（×10~3毫米/分)， *◆平台值(×10-3毫米/分)。 除1、10号外都是两个以上试样的平均值，其中4号、9号都是两个试样，数值差别很 大，表上列的是平均值。 表4列出了40 CrNiMo A,30 CrMnSiA以及ZG-18铸钢在水介质中的应力腐蚀数 据。 表4 不同钢种的应力腐蚀数据 da/dt da/dt 钢 种 热处理工艺 编号 00.2 平坎×10-8平台×10-3 毫米/分 毫米/分 900℃ 440℃回火 16 145 131 123 0.83 1.8 30CrMn SiA 900℃ 495℃回火 17 130.5 121 288 4 850℃ 470℃回火 18 143 133 147 0.79 0.9 40CrNiMo A 850℃ 550℃回火 19 121 112 ≥330 910℃加热 ZG-18铸钢 200℃等温 60 160 140 169 4.7 220℃回火 160

二 、 不 同钢种不 同热处理 条 件 下 的 、 对 钢 ， 用 二 毫 米的试样测 量 了 种热 处理 工艺 的 又 ， 。 和 ， 纤果如表 。 表 不 同 热处 理 工艺 的 。 。 和 油 卒 ℃ … 油 伴 等温 等温 ℃ 等温 ℃ 回 火 不 回火 不回 火 聋貂霜貂霜貂绸貂 兮 哪 哪 帅 旧 】 卜 执一 处 爪工 艺 尸 拭回 尸卜 拭回 尸的 拭回 尸的 拭回 上 五目 ﹄ ﹄ 十 口 自 一 ‘ 比注 ，一 一 一 一 试样 号 ’ 一 一 仃 。 ， 又 。 ， 辛辛 一 ， ﹄一 勺尸 … 乞万 尸了 ﹁ 自︺，日 十 强 度 由硬 度值 换 算获得 平均值 一 “ 毫米 厂分 辛 平 台值 一 毫米 分 。 除 、 号外都是 两个 以 上试 样的 平均值 ， 其 中 号 、 号都是 两个试 样 ， 数值 差 另 良 大 ， 表 上列 的是 平均值 。 表 列 出了 ， 以 及 一 铸钢 在水 介 质 中的应 力腐蚀 数 据 。 表 不 同钥种 的 应 力腐蚀教据 奋 缸 一 一 闷 钢 种 热 处理 工 艺 一 编 号 。 平妙 一 “ 平 台 一 “ 毫 米 分 毫 米 分 ℃ ℃ 回 火 ℃ ℃ 回 火 ℃ ℃ 回 火 ℃ ℃ 回 火 一 铸钢 ℃加 热 ℃ 等温 ℃ 回 火 七

典型的a~t曲线分为两类，一是光滑的曲线或直线，见图三(a),反映裂纹的宏观扩 展量是连续的，与此相应的da/dt~Kr曲线见图三(b)。在很大一段△Kr范围内da/dt和 K无关〔图三BC段)，这时的da/dt称为平台值。裂纹止裂段往往变化很陡，裂纹开始扩展 的AB段，其da/dt一般比平台值低，也有比平台值高的。另一类a~t曲线呈台阶形（见图 四、六)，反映宏观扩展量是不连续的。相应的da/dt~K!曲线是由多个平台构成的（图 六)。 n da 4 0X10m今 2 9 u 100 120 140 160 1(时) (a) (b) 图330 CrMn SiNi2A钢(310℃等温450℃回火)的a~t曲线(a)和 日~K,质线(b) Q周前 30 30 X6=1 47-2 06-3 xI-1 20 10 大小材 (a)台阶型 (b)速镇型 图4.30 CrMn SiNi2A钢的a~t曲线 应当指出，我们用金相跟踪方法，对应力腐蚀裂纹形核和扩展过程的研究表明〔7)，由 ~t曲线的连续（或不连续）性并不能确定裂纹的微观机构。例如对σ。≤140公斤/毫米2的 30 CrMnSiA以及40 CrNiMo A,裂纹沿弹塑区边界连续扩展，但a~t曲线则有连续的（图 五)，也有台阶状的（图六）。对ob≥160公斤/毫米2的30 CrMnSiNi2A钢，加载后随塑 161

典型 的 曲线分为两类 ， 一是光 滑的 曲 线 或直线 ， 见 图三 ， 反 映 裂纹 的宏观扩 展量是连续的 ， 与此相 应 的 曲线见 图三 。 在很大一段△ 范围内 和 无关 〔图三 段〕 ， 这 时的 称 为平 台值 。 裂 纹止 裂段 往往 变化很 陡 ， 裂 纹开始扩展 的 段 ， 其 一般比平 台值低 ， 也有比 平 台值高的 。 另一类一 曲线 呈 台阶形 见 图 四 、 六 ， 反映宏 观扩展 量是不连续 的 。 相 应 的 一 曲线 是 由多个平 台 构 成 的 图 六 。 起壬一 栩 吟 牛 生 卜 礴〕 图 钢 二份一 曲线 一 二 、 一 ， ℃ 等温 回 火 的 一 曲线 和 二 二 其 ‘ 一 了 〔 一 即 么 心时 户 之 附 台阶型 逆故型 图 钢的 曲线 应 当指 出 ， 我们用 金相跟踪方法 ， 对应力腐蚀裂 纹形核和扩展过程 的研 究 表明 〔 〕 ， 由 ‘ 一 曲线的连续 或不连续 性并不能确 定裂纹的微观机构 。 例如对 。 公斤 毫米 “ 的 以及 ， 裂纹沿弹塑区边 界连续扩展 ， 但雄 曲线则有连续的 图 五 ， 也有台阶状的 图六 。 对 。 全 公斤 毫米 的 钢 ， 加 载后随 塑