·732· 工程科学学报，第39卷，第5期 滑油中含有“极压添加剂”，在工作温度下会释放出活 液，加入过饱和的齿轮箱润滑油充分混合后，提取下层 性硫，氧化齿面而造成点蚀) 清液作为实验溶液的母液，再根据需求配置含0.01~ 在循环重载条件下，疲劳寿命对构件的表面完整 0.05molL的NaCl的混合溶液模拟侵蚀性介质，电 性要求极高，表面应力集中会促进疲劳裂纹在点蚀坑 解池处于恒温箱进行测量，温度控制25±1℃. 周边迅速萌生和发展，导致服役年限大幅缩短.Hou 1.2电化学测试 和Song)对在不同侵蚀环境中拉力钢棒的应力集中 电化学实验包括电化学噪声、动电位极化曲线和 进行了研究，发现钢棒表面已观察到点蚀并被确定为 电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy, 疲劳裂纹萌生的潜在来源.Elshawesh等[a对耐热镍 EIS)的测量.电化学噪声测量采用同材质的20 CrMnTi 铬铁825合金火炬气体线波纹管拉伸单元的腐蚀疲劳 钢工作电极(WE1、WE2)以及一个参比电极（饱和甘 进行了研究，发现拉伸单元的失效是由于疲劳裂纹在 汞电极(saturated calomel electrode,SCE))插入电解池 点蚀处萌生并扩展到波纹管的圆周.Gabb等[)研究 顶端的饱和KCl琼脂盐桥中构成，两工作电极面面相 了热腐蚀坑对ME3超合金疲劳性能的影响，结果表明 对且工作面相距5mm.为了避免外部电磁噪声干扰， 腐蚀坑降低了60%到98%的疲劳寿命.Dolley等[o]研 将整个装置置于Faraday屏蔽箱中.噪声测量采用 究了点蚀对疲劳寿命的影响，结果表明在0.5molL1 CST500电化学噪声监测仪（武汉科斯特仪器）.该仪 NaCl溶液中腐蚀384h的试样与未腐蚀的试样相比， 器内置高阻电压跟随器、零阻电流计(zero resistance 其疲劳寿命降低了一个数量级以上 ammeter,ZRA)和四阶Butterworth低通滤波器，截止频 由于受到润滑油保护，目前关注20 CrMnTi齿轮钢 率()为20Hz,以防止工频干扰造成的伪噪声污染测 腐蚀的相关报导较少，对20 CrMnTi腐蚀行为及其机理 试信号.信号采用双路同步ADS1210高精度24bitA/ 尚不清楚.因此本文以20 CrMnTi为研究对象，通过弱 D进行模数转换，同步记录电位与电流噪声信号.测 碱性的溶液体系钝化20 CrMnTi表面，引入微量的Cl~ 试过程由基于Windows XP的软件控制，数据采样频率 控制表面蚀点萌生速率，利用电化学噪声(electro- 为5Hz,连续采集.动电位极化和电化学阻抗谱测量 chemical noise,EN)-]方法，监测亚稳态蚀点形核，结 均在CS350电化学工作站（武汉科斯特仪器）上进行， 合微观手段，研究了20 CrMnTi表面亚稳态点蚀的萌生 采用三电极测试系统，工作电极为20 CrMnTi钢，参比 与发展规律；同时，利用ANSYS有限元分析软件，探讨 电极为饱和甘汞电极，P:片为辅助电极，实验温度为 了真实点蚀形貌对疲劳裂纹萌生的影响 室温.动电位极化于开路电位(E)下进行，扫描电 1实验 位区间为(Ep-0.6)~(Eoap+0.8)V,扫描速率为 1mV·S;EIS测量也于开路电位下进行，正弦波振幅 1.1实验材料 10mV.对数扫描范围为100000-0.01Hz 工作电极为20 CrMnTi钢棒材，成分如表1所示. 1.3腐蚀形貌分析 将该棒材切割成5mm×8mm的圆柱体，焊接上一 将做完电化学噪声测试后的20 CrMnTi钢电极取 根铜导线，再用聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, 出，去离子水超声清洗后用冷风吹干，再置于真空干燥 PT℉E)镶嵌后以环氧树脂封装，固化后作为工作电 箱中干燥1h,采用金相显微镜和扫描电镜进行形貌分 极，其工作面积为0.2cm2.工作电极WE1和WE2在 析和能谱分析. 预磨机上处理后，依次在W28(01)、W20(02)、 1.4应力与腐蚀交互作用的有限元模拟 W14(03)、W10(04)和W7(05)的金相砂纸上逐级 打磨至表面光亮，用无水乙醇去脂，再用蒸馏水清洗 模拟试样采用线切割上取得的板状试样，形状如 后在金属与聚四氟乙烯之间涂封一圈宽2mm的硅 图1所示，其厚度为1mm,最窄处2mm,对试样进行磨 胶，以防止可能产生的缝隙腐蚀.电极经冷风吹干后 抛，并用硅胶涂满试样表面，只露出中间2mm长的部 19 置于干燥器中待用. 表120 CrMnTi钢主要元素及成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of 20CrMnTi steel Cr Mn Ti C Si Ni Cu Fe 54 1.21.00.080.20.30.030.03余量 图1模拟试样示意图（单位：mm) 本实验预先配置pH值为8.45的硼酸盐缓冲溶 Fig.1 Schematic of simulated specimen (unit:mm)工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 滑油中含有“极压添加剂冶,在工作温度下会释放出活 性硫,氧化齿面而造成点蚀[2] . 在循环重载条件下,疲劳寿命对构件的表面完整 性要求极高,表面应力集中会促进疲劳裂纹在点蚀坑 周边迅速萌生和发展,导致服役年限大幅缩短. Hou 和 Song [3]对在不同侵蚀环境中拉力钢棒的应力集中 进行了研究,发现钢棒表面已观察到点蚀并被确定为 疲劳裂纹萌生的潜在来源. Elshawesh 等[4] 对耐热镍 铬铁 825 合金火炬气体线波纹管拉伸单元的腐蚀疲劳 进行了研究,发现拉伸单元的失效是由于疲劳裂纹在 点蚀处萌生并扩展到波纹管的圆周. Gabb 等[5] 研究 了热腐蚀坑对 ME3 超合金疲劳性能的影响,结果表明 腐蚀坑降低了 60% 到 98% 的疲劳寿命. Dolley 等[6]研 究了点蚀对疲劳寿命的影响,结果表明在 0郾 5 mol·L - 1 NaCl 溶液中腐蚀 384 h 的试样与未腐蚀的试样相比, 其疲劳寿命降低了一个数量级以上. 由于受到润滑油保护,目前关注 20CrMnTi 齿轮钢 腐蚀的相关报导较少,对 20CrMnTi 腐蚀行为及其机理 尚不清楚. 因此本文以 20CrMnTi 为研究对象,通过弱 碱性的溶液体系钝化 20CrMnTi 表面,引入微量的 Cl - 控制表面蚀点萌生速率,利用电化学噪声 ( electro鄄 chemical noise, EN) [7鄄鄄9]方法,监测亚稳态蚀点形核,结 合微观手段,研究了 20CrMnTi 表面亚稳态点蚀的萌生 与发展规律;同时,利用 ANSYS 有限元分析软件,探讨 了真实点蚀形貌对疲劳裂纹萌生的影响. 1 实验 1郾 1 实验材料 工作电极为 20CrMnTi 钢棒材,成分如表 1 所示. 将该棒材切割成 准5 mm 伊 8 mm 的圆柱体,焊接上一 根铜导线,再用聚四氟乙烯 ( polytetrafluoroethylene, PTFE)镶嵌后以环氧树脂封装,固化后作为工作电 极,其工作面积为 0郾 2 cm 2 . 工作电极 WE1 和 WE2 在 预磨 机 上 处 理 后, 依 次 在 W28 ( 01 ) 、 W20 ( 02 ) 、 W14(03) 、W10 (04) 和 W7 (05) 的金相砂纸上逐级 打磨至表面光亮,用无水乙醇去脂,再用蒸馏水清洗 后在金属与聚四氟乙烯之间涂封一圈宽 2 mm 的硅 胶,以防止可能产生的缝隙腐蚀. 电极经冷风吹干后 置于干燥器中待用. 表 1 20CrMnTi 钢主要元素及成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of 20CrMnTi steel % Cr Mn Ti C Si Ni Cu Fe 1郾 2 1郾 0 0郾 08 0郾 2 0郾 3 0郾 03 0郾 03 余量 本实验预先配置 pH 值为 8郾 45 的硼酸盐缓冲溶 液,加入过饱和的齿轮箱润滑油充分混合后,提取下层 清液作为实验溶液的母液,再根据需求配置含 0郾 01 ~ 0郾 05 mol·L - 1的 NaCl 的混合溶液模拟侵蚀性介质,电 解池处于恒温箱进行测量,温度控制 25 依 1 益 . 1郾 2 电化学测试 电化学实验包括电化学噪声、动电位极化曲线和 电化学阻抗谱( electrochemical impedance spectroscopy, EIS)的测量. 电化学噪声测量采用同材质的 20CrMnTi 钢工作电极(WE1、WE2) 以及一个参比电极(饱和甘 汞电极(saturated calomel electrode, SCE))插入电解池 顶端的饱和 KCl 琼脂盐桥中构成,两工作电极面面相 对且工作面相距 5 mm. 为了避免外部电磁噪声干扰, 将整个装置置于 Faraday 屏蔽箱中. 噪声测量采用 CST500 电化学噪声监测仪(武汉科斯特仪器). 该仪 器内置高阻电压跟随器、零阻电流计( zero resistance ammeter, ZRA)和四阶 Butterworth 低通滤波器,截止频 率(f c)为 20 Hz,以防止工频干扰造成的伪噪声污染测 试信号. 信号采用双路同步 ADS1210 高精度 24bit A/ D 进行模数转换,同步记录电位与电流噪声信号. 测 试过程由基于 Windows XP 的软件控制,数据采样频率 为 5 Hz,连续采集. 动电位极化和电化学阻抗谱测量 均在 CS350 电化学工作站(武汉科斯特仪器)上进行, 采用三电极测试系统,工作电极为 20CrMnTi 钢,参比 电极为饱和甘汞电极,Pt 片为辅助电极,实验温度为 室温. 动电位极化于开路电位(EOCP )下进行,扫描电 位区间为(EOCP - 0郾 6) ~ (EOCP + 0郾 8) V,扫描速率为 1 mV·S - 1 ;EIS 测量也于开路电位下进行,正弦波振幅 10 mV,对数扫描范围为 100000 ~ 0郾 01 Hz. 1郾 3 腐蚀形貌分析 将做完电化学噪声测试后的 20CrMnTi 钢电极取 出,去离子水超声清洗后用冷风吹干,再置于真空干燥 箱中干燥 1 h,采用金相显微镜和扫描电镜进行形貌分 析和能谱分析. 图 1 模拟试样示意图(单位:mm) Fig. 1 Schematic of simulated specimen (unit: mm) 1郾 4 应力与腐蚀交互作用的有限元模拟 模拟试样采用线切割上取得的板状试样,形状如 图 1 所示,其厚度为 1 mm,最窄处 2 mm,对试样进行磨 抛,并用硅胶涂满试样表面,只露出中间 2 mm 长的部 ·732·