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

5。铸钢和键钢应力腐蚀的 断口形貌 实验表明，无论是铸钢还是 锻钢，断口形貌和裂纹扩展时所 10-5 对应的K值有关，随K,下降， 断口逐渐由韧性断口变为脆性断 口。例如对锻钢来说，当开裂时 10-6 K,较小时（如接近Kscc)断 口全部是沿晶（图6a),K中 107 等，则是沿晶和准解理的混合断 口（图6b),如Kr较大，则可 得韧窝断口（图6c),和快速拉 109 断区断口相同。对铸钢来说也有 类似的顷向，但K:较小时以准 解理为主，偶而有少量沿晶， 2 K:中等则是准解理和韧窝的混 polarination onrcent a/om2 caho410◆ ◆nod1a …·合断口，K,较大则是韧窝断口 (图7)。 is.5.Effect of the cathodie and anodie polarlzstion n the 3aturated hydrosen permgation flux Je of tho fo:sins steel 图5在阴极极化和阳极极化下锻钢的饱和渗透通量随极化电 流的变化 (a) (d) (c) 图6锻钢水介质应力腐蚀的断口X1000 (a)KI〧KISUC12MPam,右边是快速断裂区，(b)KI中等（25MPa31),(c)KI较大 (约70MPam1), (a) (b) 图7铸钢水介质应力腐蚀断口 X1000 (a)K山Kscc白18MPam'/,(b)KI较大(60MPam') 93

，刊飞、 。 铸钢和锐钥应力腐蚀的 断 口 形貌 实验表明 ， 无论是铸钢还是 锻钢 ， 断 口 形貌和裂 纹扩展时所 对应 的 值有 关 ， 随 下降 ， 断 口逐渐 由韧性断 口 变 为脆性断 口 。 例如对锻钢来说 ， 当开裂时 较 小 时 如 接 近 断 口 全部是沿 晶 图 ， 中 等 ， 则是沿 晶和准解理 的混合断 口 图 ， 如 较 大 ， 则 可 得韧窝断 口 图 ， 和快速拉 断区断 口 相 同 。 对铸钢来说也有 类似的顷 向 ， 但 较 小时 以准 解理为主 ， 偶而有 少 量 沿 晶 ， 中等则是准解理和韧窝 的 混 · 合断口， 较 大 则是 韧窝断 口 图 。 一 韵 一 ， ’ 一乏石 盯。 七二 曰， 七 之 如 叫卜 叻 三 ， 飞 助 ” ‘ 。 ‘ 。 、 。 抽，‘ 工 下 了 二解 ， 图 在阴极极化和阳极极化下锻钢的饱和渗透通 随极化电 流的变化 图 锻钢水介质应力腐蚀的断口 。 。 扭 山 二 ‘ ‘ ’ ， 右边是快速断裂区 ， 中等 盆 名 约 “ “ ’ 。 较大 图 铸钢水介质应力腐蚀断口 蕊二山 山 孟 ， 较大 一

结果讨论 :图5表明，无论是阴极极化还是阳极极化氢善透通量均随极化电流的升高而增大。当 阳极极化电流大于某一数值后出现点腐蚀，腐蚀坑内部由于缺氧，阴极反应将是析氢反 应，这就可解释为何阳极极化时会有氢原子通过试样，随阳极极化电流增大，点腐蚀更 严重，与此相应，阴极析氢反应也加剧，从而氢的渗透通量也增加，如图5右半支所示。 这就是阳极极化也能使铸钢（或锻钢）da/dt升高（图2）的原因。因此，阳极极化使裂 纹扩展速率增大并不意味着该应力腐蚀体系是由阳极溶解过程所控制的。因为阳极极化促 进阳极溶解的同时也能促使有更多的氢原子进入试样。因而阳极极化使da/dt增大和应力 腐蚀的氢致开裂机理并不矛盾，阴极极化使氢善透通量增加的同时也使da/dt升高，这只能 用氢致开裂机理才能解释。因此，极化对da/dt和氢逡透量影响的一致性（图2和图5）， 就为应力腐蚀的氢脆机构提供了又一个证据。 如果认为高强钢水介质应力腐蚀是一种氢致开裂过程，这时氢原子要进入金属并扩散 到开裂部位才能使裂纹扩展。这需要经历以下几个步骤，①水化氢离子H,·O从溶液中迁 移到裂纹表面，②氢离子在表面放电变成氢原子，吸附在表面，③吸附的氢原子通过去吸 附和溶解成为金属中的原子氢，④氢扩散到开裂部位。上述四步中每一步都有其固有的速 度和激活能，其中速度最慢的那个过程就是裂纹扩展da/dt的控制过程，该过程的激活能 就是da/dt的激活能。但应当指出，如认为da/dt是由氢的扩散过程所控制的，则da/dt的 Q应当和氢的表观扩散激活能Q4相等，而不等于氢在晶格中的扩散激活能(Q:*=1020 -2430ca1/mol8])。由于存在氢陷井，观扩散激活能Q4将远比真实的晶格扩散激活能 Q,要高L7]。 我们实际测出的锻钢中的表观扩散激活能为Q,=6010cal/mol,它和该钢种da/dt的 激活能Q=5540cal/mol基本一致（这由图1也可清楚的看出）。这就表明，超高强钢在 水介质中应力腐蚀裂纹的扩展是由氢的扩散过程所控制的。 实验表明，锻钢的Kscc明显比铸钢要低，这和锻钢的饱和氢渗透通量比俦钢要高有 关。因为不管根据那一种氢致开裂机构，只有当局部氢浓度C=coeGaVH/RT等于临界值Cth 时才能导致裂纹的产生和扩展，由此可得[7[] KIscc =A-BInCo AY哥阳c,B=哥T 2(1+v)VH 其中VH是氢的偏克分子体积，C。是平均氢浓度。可以认为，相同充氢条件下C。应当和]∞成 比例(7)。锻钢的J∞比铸钢高一倍（表3)，故应力腐蚀时进入的氢量也是锻钢比，钢高。 由(3)式可知，锻钢的Kscc也应当比俦钢的低，这就可解释我们的实验结果。这一点也为 断口观察所证实。裂纹扩展到接近止裂时锻钢显示沿晶断口，而铸钢则以准解理为主。 结 论 1。铸钢和锻钢在水介质中应力腐蚀裂纹扩展的澈活能相同，均为Q=5540cal/mol, 94

结 果 讨 论 、 图 表明 ， 无论是 阴极极化还是 阳极极化氢渗透通量 均随极化 电流的升高而 增 大 。 当 阳极极化电流大于某一数值后 出现点腐蚀 ， 腐蚀坑内部 由于缺氧 ， 阴极反应将 是 析 氢 反 应 ， 这就可解释为何 阳极极化时会有氢原子 通过试样 ， 随 阳极极 化 电流增 大 ， 点 腐 蚀 更 严重 ， 与此 相应 ， 阴极析氢反应也加 剧 ， 从而氢 的渗透通量也增加 ， 如图 右半支 所 示 。 这就是 阳极极化也能使铸钢 或锻钢 升高 图 的原 因 。 因此 ， 阳极 极 化 使 裂 纹扩展速率增大并不 意味着该应力腐蚀体系是 由阳极溶解过程所控制 的 。 因为 阳极极化促 进 阳极溶解的同时也能促使 有更多 的氢原子进入试样 。 因而 阳极极化使 增大和应 力 腐蚀的氢致开裂机理并不矛盾 ， 阴极极化使氢渗透通量增加的同时也使 升 高 ， 这只 能 用 级致开裂机理才能解释 。 因此 ， 极化对 和氢渗透量影 响的一 致性 图 和图 ， 就为应力腐蚀的氢脆机构提供了又一 个证据 。 如果认为 高强钢水介质应 力腐蚀是一种氢致开裂过程 ， 这 时氢原 子要 进入金属并扩散 到开裂部位才能使裂纹扩展 。 这需要 经历 以 下儿个步骤 ， ①水化氢离子 ‘ 从溶液 中 迁 移到裂纹表面 ， ②氢离子在表面放 电变成氢原子 ， 吸 附在表面 ， ③吸 附的氢原子 通过去吸 附和溶解成为金属中 的原子 氢 ， ④氢扩散到开裂部位 。 上述 四步 中每一 步都有其固有的速 度 和激活能 ， 其中速度最慢的那个过程就是 裂纹扩展 的控制过程 ， 该过程 的橄 活 能 就是 的激活能 。 但应 当指 出 ， 如认为 是 由氢的扩散过程所控制 的 ， 则 的 应 当和氢 的表观扩散激活能 。 相等 ， 而不等于 氢在晶格 中的扩 散 激 活 能 一 〔 〕 。 由于存在氢陷井 ， 观扩散激活能 ‘ 将远 比真实的晶格扩散激 活 能 一要 高 〕 。 我们实际测 出的锻钢中的表观扩散激活能为 ， 它和该钢 种 的 激活能 基本一致 这 由图 也可清楚的看 出 。 这就表明 ， 超 高 强 钢 在 水介质中应力腐蚀裂纹 的扩展是 由氢的扩散过程所控制 的 。 实验表明 ， 锻钢 的 。 明显 比铸钢要低 ， 这和锻钢 的饱和 氢渗透通量 比铸 钢 要 高有 关 。 因为不管根据那一种氢致开裂机构 ，只有当局部氢浓 度 “ 等于临界值 时才能导致裂纹的产生 和扩展 ， 由此 可得 〔 〔 ， 一 、 召乞万 。 ‘ 蕊 。 亿牙石 一 － 、 户 “ 一 、 竺，二一一 一 ” ‘ ” 其中 是氢的偏克分子体积 ， 。 是平均氢浓度 。 可 以认 为 ， 相 同充氢条件下 。 应 当和 成 比例 。 镶钢的 比铸钢高一倍 表 ， 故应 力腐蚀时进入的氢量也是锻钢比铸钢高 。 由 式可 知 ， 锻钢 的 也应 当 比铸钢 的低 ， 这就可解释 我们 的实验结果 。 这一 点也为 断 口 观察所证实 。 裂纹扩展到接近止裂时锻钢显示 沿 晶断 口 ， 而铸钢则 以准解理为主 。 结 论 铸钢和锻钢 在水介质 中应力腐蚀裂纹扩展的激活能相 同 ， 均为 二

它和氢在该钢种中的表观扩散激能Q=6010cal/mol相一致。 2。铸钢的KsCc比锻钢要高，这和相同极化电流下锻钢的饱和氢渗透通量比铸钢大相 一致。 3.无论是阴极极化还是阳极极化均使铸钢和锻钢的da/dt增大，但阴极极化则更为明 显。 4。无论是阴极极化还是阳极极化，随极化电流增加饱和氢渗透通量也明显增大。 5。无论是铸钢还是锻钢，应力腐蚀断口和开裂时所对应的K1有关，随K,下降，断口 由韧变脆（解理或沿晶）。 621研究所谢文楷同志提供了试样，特此表示感谢。 参考文献 〔1)褚武扬，肖纪美，屠欢，金属热处理.1979，N0.3.P18. 〔2〕 W.Y.Chu(褚武扬).T.W.Lu(刘天化).C.M.Hsiao(肖纪美)S。Q。Li (李世琼).Corrosion,37(1981).P320. 〔3)W.Y.chu(褚武扬).C.M.Hsiao(肖纪美).S.Q.Li(李世琼)等Corrosion., 36(1780),P475,37(1981).P514,38(1982).P446. [4]C.F.Barth,et al.Corrosion,25 (1969).P353,28 (1972),P.259 〔5)褚武扬，李世琼，肖纪美，王枨，金属学报。 16(1980)P179. [6]J.P.Hirth;Trans.Met,12A(1981).P861. 〔7)褚武扬编著：氢损伤和氢致开裂，治金出版社，待出版。 〔8) W.W.Gerberich;Hydrogen in Metal,eds.I.M Bernstein and A.W, Thompson,AIME,OH,1974 P115. Investigation of stress Corrosion Gracking of the Cast and Forging Steel in Water Chu Wuyang,Xiao Jimei,Li Wenque and Zhang Yanguo Abstract stress corrosion behavior of the cast and forging steel with the same he- at has been investigated,Results showed that the activation energy of crack growth of the cast steel was identical with that of the forging steel and was in agreement with the apparent diffusion activation energy of hydrogen in the steel.Both cathodic and anodic polarization increased the da/dt of the cast and forging steel but the influence of the cathodic polarization was much s- tronger.Correspondingly,the steady-stat hydrogen permeation flux increased steeply with increasing the polarization current,whether cathodic or anodic 95

它和氢在该钢种 中的表观扩散激能 二 。 。 相一 致 。 铸钢 的 、 比锻钢要 高 ， 这和相 同极化 电流 下锻钢的饱 和氮渗透通量 比铸钢 大相 一致 。 无论是 阴极极 化还是 阳极极 化均使铸钢 和锻钢 的 增大 ，但 阴极极化则更 为 明 显 。 无论是 阴极极 化还是 阳极极 化 ， 随极化 电流增加饱和 氢渗透 通量也 明显 增大 。 。 无论是铸钢还是锻钢 ， 应力腐蚀断 口 和开裂时所对应 的 有关 ， 随 下 降 ， 断 口 由韧变脆 解理 或沿晶 。 研究所谢文 楷 同志提供了试 样 ， 特此 表示感谢 。 卜 尸 参 考 文 献 〔 〕 褚 武扬 ， 肖纪美 ， 屠 欢 ， 金 属热 处理 ， 〔 〕 褚武扬 刘天化 。 肖纪美 。 。 李 世 琼 ， 〔 〕 。 褚武 扬 。 。 肖纪美 。 。 。 李世琼 等 ， ， ， 。 。 〔 〕 ， 。 ， 。 。 ， 。 〔 〕 褚武扬 ， 李世琼 ， 肖纪美 ， 王帐 ， 金属 学报 。 〔 〕 。 。 ， ， 。 〕 褚武扬编著 氢损伤和氢致开裂 ， 冶金 出版社 ， 待 出版 〔 〕 ， 只 。 。 。 。 ， ， 。 卜 件 ， ， 尸 。 ， 一 ， ︸喊

polarization. The Kiscc of the cast steel was larger than that of the forging steel. It may be due to the fact that the steady-stat hydrogen permeation flux of the forging steel was twice as larger as that of the cast steel.The fracture mod- es of both cast and forging steel were clearly dependent upon Kr at the cra- ck tip and a transition from dimple to quasi-cleavage or intergranular was observed on the fracture surfaces with decreasing Ki. 96

。 一 。 一 一 一 侧 洲 州 、