列车制动系统杠杆螺栓用17Cr16Ni2不锈钢的应力腐蚀敏感性

张亚军，赵春光，党恒耀，张欣耀，陈庆垒

（1.中国船舶重工集团公司 第七二五研究所，河南 洛阳 471023；2.河南省船舶及海工装备结构材料技术与应用重点实验室，河南 洛阳 471023；3.北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；4.国家新材料生产应用示范平台（先进海工与高技术船舶材料），河南 洛阳 471023）

随着铁路行业的发展，列车运行环境越来越复杂，如在沿海城市运行时，暴露在空气中的列车制动杠杆螺栓等零部件往往会受到海洋环境的腐蚀，加之服役过程中反复受力，发生应力腐蚀开裂的风险较大。关于材料应力腐蚀的研究，可以分为2 个方面：一个是在拉应力和腐蚀介质联合作用下材料的应力腐蚀敏感性，即发生应力腐蚀的倾向性问题；另一个是应力腐蚀发展过程，即应力腐蚀行为问题。因此，研究材料的应力腐蚀敏感性和腐蚀行为具有重要意义［1−4］。

对于部分铝合金、某些不锈钢及汽轮机转子钢等的应力腐蚀敏感性研究，已有学者开展过大量的工作［5−10］。在应力腐蚀行为研究方法方面，考虑到传统试验过程的复杂性，有学者采用简单的圆周带缺口的拉伸试样代替传统的紧凑拉伸试样及双悬臂梁试样、用基准信号来判断应力腐蚀和疲劳裂纹，以及用数学建模预测腐蚀坑处应力腐蚀裂纹演化过程等方法进行过研究［11−14］；另有学者研究了局部变形、疲劳交叉作用、温度偏差及超临界水环境等对应力腐蚀开裂行为的影响［15−18］。然而，材料发生应力腐蚀的前提是其在服役条件和环境下具有应力腐蚀敏感性，且不同材料受载荷模式、服役环境及介质温度等多种外界条件的影响并不相同。

本文结合列车制动系统杠杆螺栓用17Cr16Ni2不锈钢的服役工况条件，采用慢应变速率拉伸试验方法，结合扫描电镜对试样断口进行观察分析，研究不同温度下在3.5%NaCl 水溶液中17Cr16Ni2 不锈钢的应力腐蚀敏感性，为列车制动系统杠杆螺栓的抗应力腐蚀设计和应用提供依据。

1 应力腐蚀敏感性的判定依据

材料的应力腐蚀敏感性判定在多个标准中均有规定，主要依据以下3种方式进行综合评判。

（1）测得慢应变速率拉伸性能数据（包括抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率等）和断裂时间，并按式（1）对各项指标进行比较，计算在不同试验环境中的拉伸性能数据和断裂时间与惰性介质环境（干燥空气）中的比值。当比值为1（100%）时，表示测试材料没有应力腐蚀敏感性；比值朝着小于1 的方向偏离得越远，表示测试材料的应力腐蚀敏感性越高；比值有时会由于试验数据误差等原因而略大于1，此时也初步评定为材料不具有应力腐蚀敏感性。该判定方法为比值法。

（2）将慢应变速率拉伸应力腐蚀试验获得的拉伸性能数据加以综合处理，依据式（2）计算应力腐蚀敏感性指数ISSRT，所得结果较单向拉伸性能数据比值能更好地反映应力腐蚀敏感性，可作为测试材料是否具有应力腐蚀敏感性进一步的评判依据。ISSRT从0 至100%变化，表示材料应力腐蚀敏感性渐增。该判定方法为ISSRT值法。

式中：Rm（环境条件）为环境介质中的抗拉强度，MPa；Rm（干燥空气环境）为惰性介质（干燥空气）中的抗拉强度，MPa；Am（环境条件）为环境介质中的断后伸长率，%；Am（干燥空气环境）为惰性介质（干燥空气）中的断后伸长率，%。

（3）利用扫描电镜观察分析测试试样慢应变拉伸断口形貌，根据拉伸断口形貌特征（通常具有二次裂纹和脆性层）来佐证测试材料是否具有应力腐蚀敏感性。该判定方法为断口分析法。

2 试验材料和试验方法

2.1 试验材料

杠杆螺栓的制造材料为17Cr16Ni2 不锈钢，其化学成分和力学性能分别见表1和表2，均满足GB/T1220—2007《不锈钢棒》的要求。

表1 材料化学成分（质量分数） %

表2 材料力学性能指标

2.2 试验方法

试验中共加工12 件试样，其中在室温、40 ℃和70 ℃这3个温度下3.5%NaCl水溶液中，以及室温空气中等4 种状态，各有3 件试样。试样形状与尺寸如图1所示。试验时，参照GB/T15970.7—2017《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7 部分：慢应变速率试验》，在MFDL-100 型慢应变速率应力腐蚀试验机上进行，拉伸应变速率为10−6s－1，得到应力-应变曲线、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率及断裂时间等数据；采用Philips Quan⁃ta650 FEG 型扫描电子显微镜进行断口观察分析，得到断口的形貌特征。

图1 慢应变速率应力腐蚀试样图（单位：mm）

3 试验结果

3.1 应力-应变曲线

按照慢应变速率拉伸试验方法，获得试验材料的应力-应变曲线，将不同状态下3 件平行试样的应力-应变曲线置于同一坐标系下进行观察对比，结果如图2所示。

从图2可知：试验材料在室温空气中及室温、40 ℃和70 ℃这3 个温度下3.5%NaCl 水溶液中应力-应变曲线形状相似；在3.5%NaCl 水溶液中，随着温度的升高，3 个平行试样的延伸率差别越来越明显。

图2 不同平行试样慢应变速率应力腐蚀应力-应变曲线

为比较在不同试验条件下试验材料应力-应变曲线的差异，将以上4 种条件下延伸率较低者的应力-应变曲线置于同一坐标系下进行比较，结果如图3所示。

图3 不同环境下试验材料的慢应变速率应力腐蚀应力-应变曲线

由图3可知：与室温空气中相比，在不同温度3.5%NaCl水溶液中所造成的应力腐蚀，对试验材料的强度影响不大；在70 ℃3.5%NaCl 水溶液中对塑性的影响明显，在室温和40 ℃这2 个温度下3.5%NaCl水溶液中对塑性影响不明显。

3.2 拉伸性能数据

试验材料在室温干燥空气及室温、40 ℃和70 ℃这3 个温度下3.5%NaCl水溶液中慢应变速率拉伸试验结果见表3。表中断裂时间比值、抗拉强度比值、断后伸长率比值及断面收缩率比值等的计算，均取相同条件下3件平行试样试验结果的平均值。考虑到试验材料的拉伸性能在室温、40 ℃和70 ℃条件下几乎不会有明显变化，计算以上各比值时，在40 ℃和70 ℃下材料的力学性能均采用室温下的力学性能数据。

一般认为，在不同溶液中材料的断裂时间、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率与在室温干燥空气中的相应值之比均大于95%时，则试验条件下材料没有应力腐蚀敏感性；反之，如果有任何1项比值小于95%，则材料有应力腐蚀敏感性，且比值越小，应力腐蚀敏感性越强；ISSRT值小于5%时，材料没有应力腐蚀敏感性；ISSRT值大于5%时，有应力腐蚀敏感性，且ISSRT值越大，应力腐蚀敏感性越显著。从表3可知：在70 ℃3.5%NaCl水溶液中的断裂时间、抗拉强度和断面收缩率与在干燥空气中相应值之比均大于95%，但断后伸长率与干燥空气中相应值之比小于95%，可以认为该试验条件下材料有应力腐蚀敏感性。这也表明，应力腐蚀对材料力学性能劣化的影响，具有参量的选择性；根据式（2）计算所得的ISSRT值，在室温、40 ℃和70 ℃这3个温度下3.5%NaCl水溶液中的应力腐蚀指数分别为2.67%，2.54%和5.10%，表明在室温和40 ℃条件下试验材料无应力腐蚀敏感性，在70℃条件下有应力腐蚀敏感性，但不显著。

表3 不同环境中试验材料慢应变速率（10-6 s－1）拉伸性能数据及相应计算结果

3.3 断口形貌

为进一步综合评价试验材料抗应力腐蚀敏感性的能力，采用扫描电子显微镜观察分析慢拉伸应力腐蚀试样断口，随机取试验材料在室温干燥空气及室温、40 ℃和70 ℃这3个温度下3.5%NaCl水溶液环境中断裂试样各1 件，观察分析试样的全断口形貌特征，如图4所示。

从图4可知：在室温干燥空气及室温、40 ℃和70 ℃这3 个温度下3.5%NaCl 水溶液环境中的4 件试样断口形貌比较相似，均体现出以拉伸断口为主的典型特征，即在断口中心位置的纤维区、有多条近似均匀撕裂口的放射区，以及断口周围的剪切唇区，3 个区域清晰可辨，但剪切唇与应力腐蚀可能导致的周边面积减少分界线并不宜观察出；不同的是，在70 ℃时剪切唇所占比例和其他几种情形相比明显较大，而在该温度下的断后伸长率却最小，表明剪切唇部分面积的增加实际包含了应力腐蚀所造成试样表面开裂部分，即应力腐蚀裂纹从试样表面往心部扩展，而由于纯拉伸的力学因素导致的裂纹从试样中心往表面扩展，使得剪切唇所占比例表观上有所增加。

图4 不同环境下试样的全断口形貌

为观察应力腐蚀在断口上留下的痕迹，同时考虑应力腐蚀起始于试样的表面，进一步观察以上4个试样的断口边缘形貌，如图5所示。

从图5可知：在室温干燥空气中的断口边缘存在大量的挤压痕迹；在室温3.5%NaCl水溶液环境中，断口边缘存在不均匀的腐蚀痕迹；而在40 ℃和70 ℃这2个温度下3.5%NaCl水溶液环境中，断口边缘有明显的腐蚀痕迹，但未见有二次裂纹和脆性层，表明应力腐蚀倾向性并不显著，导致70 ℃3.5%NaCl 水溶液中试样剪切唇表观面积的增加，这种现象是腐蚀与应力腐蚀联合作用造成的，且腐蚀占比较大。

图5 不同环境下试样断口边缘形貌

4 分析与讨论

4.1 材料应力腐蚀的发展过程

应力腐蚀的发展过程主要包括处于拉应力作用下的材料在腐蚀介质中具有应力腐蚀敏感性以及应力腐蚀的裂纹萌生和扩展等几个阶段，其示意图如图6所示。

图6 应力腐蚀的发展过程

材料应力腐蚀敏感性，指的是材料在拉应力和腐蚀环境中服役时存在应力腐蚀开裂的倾向性，或者说在力与环境耦合作用下发生应力腐蚀的可能性。与惰性介质（如干燥空气等）相比，发生应力腐蚀时，由于试样的有效承载截面会缩小，其断裂时间通常也会缩短。另外，由于应力腐蚀会降低金属原子间的结合能，削弱位错滑移的路径，使得其抗拉强度及塑性也会降低。为此，采用式（1）的比值法来衡量应力腐蚀的敏感性。HB 7235—1995《慢应变速率应力腐蚀试验方法》中，对于铝合金、钛合金和各种钢铁材料，认为断面收缩率大于95%时材料没有应力腐蚀敏感性。即是说，断面收缩率小于或等于95%时材料有应力腐蚀敏感性。由于断后伸长率和断面收缩率都是反映材料塑性变形能力的指标，只不过前者主要反映材料均匀塑性变形能力，后者主要反映材料局部塑性变形能力。因此，在判断材料的应力腐蚀敏感性方面，断后伸长率和断面收缩率可采用相同的依据。本文中，70 ℃3.5%NaCl 水溶液环境中的断后伸长率比值90.3%<95%，因此，认为这种状态下有应力腐蚀敏感性，但不是很明显。

由于应力腐蚀的选择性，即可能只对强度或塑性的某一指标产生削弱影响，采用比值法可能会造成误判。因此，式（2）综合考虑了应力腐蚀对强度（抗拉强度）和塑性（断后伸长率）的影响，相对更为全面。ISSRT从0 到1 变化过程中，表示材料应力腐蚀敏感性逐渐增加，和比值法正好相反。同理，试验材料在70 ℃3.5%NaCl 水溶液环境中ISSRT=5.10%>5%，也认为具有应力腐蚀敏感性，但不够显著。由此可见，二者的判断是一致的。应力腐蚀敏感性较轻微时，其断口上的二次裂纹和脆性层并不容易被观察到。

需要说明的是，以上所述均为应力腐蚀的敏感性判据，并非一定会或不会发生应力腐蚀。应力腐蚀的敏感性是发生应力腐蚀之前的安全性判定问题，而发生应力腐蚀是裂纹的萌生问题及萌生后基于断裂力学基础的裂纹扩展问题，二者是有区别的，从图6中可以看出应力腐蚀的发展过程。

4.2 应力腐蚀敏感性的试样断口特征

在拉伸试验过程中，裂纹一般先从内部萌生，再逐步向外部扩展。而处于拉伸应力作用下光滑试样的应力腐蚀试验，由于腐蚀环境和拉伸应力对试样表面的联合作用，裂纹常从试样表面萌生并向试样内部逐渐扩展。慢应变速率拉伸应力腐蚀开裂敏感性试验过程，实际上就是拉伸应力起主导作用的试样内部裂纹萌生和向外部扩展及拉伸应力和腐蚀环境共同作用的试样表面裂纹萌生和向内部扩展的过程，当2 种机制的裂纹扩展至相遇时，试样便断为2 个部分。因此，慢应变速率拉伸应力腐蚀开裂敏感性试验试样的断口，一般包括拉伸的断口特征和应力腐蚀的断口特征2个部分。

拉伸试样的断口通常包含纤维区、放射区和剪切唇3 个部分。当圆形横截面试样受拉伸力作用，在试验力达到最高点时，便在试样的某个局部区域产生颈缩，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力最大。在中心三向拉伸应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚合，就会形成纤维区（中心裂纹）。当纤维区裂纹达到临界尺寸后，就会快速扩展形成放射区。放射区是裂纹做快速低能量撕裂形成的，该区有放射花样特征。试样拉伸断裂的最后阶段形成杯状或锥状的剪切唇。应力腐蚀裂纹在力与环境的耦合作用下向内扩展至拉伸断裂最后阶段的某一区域内，与拉伸导致最后阶段裂纹相汇合而使试样最终断裂。因此，断口呈现出拉伸与应力腐蚀的综合断口特征，只是占比存在差异。

试验所用材料应力腐蚀不敏感或者略有敏感性，使得断口多数以拉伸断口特征为主。在70 ℃3.5%NaCl水溶液环境中的侧边断口，未见有二次裂纹和脆性层，表明其应力腐蚀敏感性并不显著。

5 结 论

（1） 试验材料在室温和40 ℃这2 个温度下3.5%NaCl 水溶液中的断裂时间比值分别为101.1%和102.1%，抗拉强度比值分别为97.7%和97.8%，断后伸长率比值均为97.6%，断面收缩率比值分别为99.6%和101.0%，均大于95%，ISSRT值分别为2.67%和2.54%，均小于5%，说明试验材料在以上条件下无应力腐蚀敏感性。

（2）在70 ℃3.5%NaCl 水溶液中，断裂时间比值为95.7%，抗拉强度比值为96.2%，断面收缩率比值为95.5%，均大于95%，但断后伸长率比值为90.3%，小于95%，且ISSRT值为5.1%，大于5%，说明试验材料在该条件下有应力腐蚀敏感性，且应力腐蚀导致材料力学性能的劣化具有参量选择性。

（3）试样宏观断口主要以典型的纤维区、放射区及剪切唇等拉伸断口特征为主，试验材料在室温和40 ℃这2个温度下3.5%NaCl水溶液中的试样断口特征和与室温空气中无明显差异，但在70 ℃3.5%NaCl水溶液中，试样表面剪切唇部分明显比室温空气中的大，表明在室温和40 ℃这2个温度下3.5%NaCl 水溶液中试验材料无应力腐蚀敏感性，而在70 ℃3.5%NaCl 水溶液中存在应力腐蚀敏感性，与以上比值法和ISSRT值法的判定结果相一致；但70 ℃3.5%NaCl 水溶液中试样的微观断口边沿并未发现明显的二次裂纹和脆性层，表明该条件下试验材料应力腐蚀敏感性并不显著。