余稳等：20 CrMnTi齿轮钢的点蚀敏感性及裂纹萌生风险 ·733· 分作为腐蚀表面.经由电化学测试和腐蚀形貌观察可 0.8C浓度/(mol·L-) 得20 CrMnTi钢在弱碱性溶液中的点蚀分布规律，将模 -0.01 拟试样经腐蚀后所得的真实腐蚀形貌导入ANSYS中 0.4 -0.03 的LS-DYNA动力学仿真模块，仿真拉伸试验中的应 0.05 力变化过程，添加载荷均为1000N. 2结果与讨论 -0.4 2.120 CrMnTi钢的动电位极化曲线和电化学阻抗谱 0.8 20 CrMnTi属于中低碳低合金钢，可预见其耐蚀性 能较差.图2为20 CrMnTi在实验体系中不同Clˉ含量 129 6-5-4-3-2 Igli/A.cm 下的极化曲线，其中横坐标为电流密度i,因其值极小， 故以对数形式表示，纵坐标为相对参比电极SCE的电 图2不同浓度Ccl·溶液中20 CrMnTi钢的电化学极化曲线 Fig.2 Polarization curves of 20CrMnTi steel in solutions with differ 极电位E.可以看出，随C1ˉ浓度增加，自腐蚀电位迅 ent Cl"concentrations 速负移，自腐蚀电流密度也由2.8μA·cm2提高到 24.8μAcm2,提升了近10倍.同时，20 CrMnTi表面 -8000 钝化膜的点蚀击穿电位显著负移，钝化区间变窄，维钝 C浓度mo·L- -7000 a0.01 电流也与CI~浓度正相关.20 CrMnTi在pH值为8.45 -6000 00.03 △0.05 的弱碱性环境下进行预钝化，表面会形成a-FeOOH或 -5000 者g-Fe,0,为主的钝化膜实施保护，但由于含碳量较 -4000 高，同时Cr、Mn、Ti等元素的化合物电极电位均高于基 -3000 体，易形成阴极相而加速周边腐蚀，因此其表面钝化膜 2000 的致密度与完整性较差.根据点缺陷模型(point defect -1000 model,PDM),Clˉ会在钝化膜的氧缺陷位置优先吸 附，阻碍吸附位置的钝化膜生长，引发Scttooky-Pair反 2500 5000 750010000 Z./2·cm 应而导致钝化膜破裂o).所以，20 CrMnTi在该体系下 的钝化膜几乎不具有保护性，微量的侵蚀性介质即可 图3不同浓度CI~溶液中20 CrMnTi钢的Nyquist图 引发表面亚稳态点蚀. Fig.3 Nyquist plot of 20CrMn'Ti steel in solutions with different Cl- 同样条件下，20 CrMnTi在不同Cl~浓度下的交流 concentrations 阻抗谱如图3和4所示，其中，Z代表阻抗，∫代表扫描 表电荷转移电阻，C代表钝化膜电容.可以看出， 频率.采用图5所示的等效电路对Nyquist曲线进行 C1ˉ的侵蚀大幅降低了钝化膜的电荷转移电阻R。,加 拟合，拟合结果见表2.其中R代表溶液电阻，R代 速了电极的均匀腐蚀速率.同时钝化膜电容C从 401@ C浓度mol·L-) 80山 Cl浓度(mol-L- 35 ■0.01 -70 ■0.01 。0.03 。0.03 -60 ▲0.05 3.0 ▲0.05 50 ◆ 2.5 40 ■ 2.0 -30 1.5 -20 -10 1.0 0 1 2 4 lg(f7Hz) Ig(./7Hz) 图4不同浓度CI~溶液中20 CrMnTi钢的Bode图.(a)模值随频率变化的Bode图：(b)相位角随颜率变化的Bode图 Fig.4 Bode plot of 20CrMnTi steel in solutions with different Cl-concentrations:(a)Bode plot of impedance magnitude to frequency;(b)Bode plot of phase angle to frequency余 稳等: 20CrMnTi 齿轮钢的点蚀敏感性及裂纹萌生风险 分作为腐蚀表面. 经由电化学测试和腐蚀形貌观察可 得 20CrMnTi 钢在弱碱性溶液中的点蚀分布规律,将模 拟试样经腐蚀后所得的真实腐蚀形貌导入 ANSYS 中 的 LS鄄鄄DYNA 动力学仿真模块,仿真拉伸试验中的应 力变化过程,添加载荷均为 1000 N. 2 结果与讨论 2郾 1 20CrMnTi 钢的动电位极化曲线和电化学阻抗谱 20CrMnTi 属于中低碳低合金钢,可预见其耐蚀性 能较差. 图 2 为 20CrMnTi 在实验体系中不同 Cl - 含量 下的极化曲线,其中横坐标为电流密度 i,因其值极小, 故以对数形式表示,纵坐标为相对参比电极 SCE 的电 极电位 E. 可以看出,随 Cl - 浓度增加,自腐蚀电位迅 速负移,自腐蚀电流密度也由 2郾 8 滋A·cm - 2 提高到 24郾 8 滋A·cm - 2 ,提升了近 10 倍. 同时,20CrMnTi 表面 钝化膜的点蚀击穿电位显著负移,钝化区间变窄,维钝 电流也与 Cl - 浓度正相关. 20CrMnTi 在 pH 值为 8郾 45 的弱碱性环境下进行预钝化,表面会形成 a鄄FeOOH 或 者 g鄄Fe2O3为主的钝化膜实施保护,但由于含碳量较 高,同时 Cr、Mn、Ti 等元素的化合物电极电位均高于基 体,易形成阴极相而加速周边腐蚀,因此其表面钝化膜 的致密度与完整性较差. 根据点缺陷模型(point defect model, PDM),Cl - 会在钝化膜的氧缺陷位置优先吸 附,阻碍吸附位置的钝化膜生长,引发 Scttooky鄄鄄 Pair 反 应而导致钝化膜破裂[10] . 所以,20CrMnTi 在该体系下 的钝化膜几乎不具有保护性,微量的侵蚀性介质即可 引发表面亚稳态点蚀. 同样条件下,20CrMnTi 在不同 Cl - 浓度下的交流 阻抗谱如图 3 和 4 所示,其中,Z 代表阻抗,f 代表扫描 频率. 采用图 5 所示的等效电路对 Nyquist 曲线进行 拟合,拟合结果见表 2. 其中 Rs代表溶液电阻,Rp代 图 2 不同浓度 Cl - 溶液中 20CrMnTi 钢的电化学极化曲线 Fig. 2 Polarization curves of 20CrMnTi steel in solutions with differ鄄 ent Cl - concentrations 图 3 不同浓度 Cl - 溶液中 20CrMnTi 钢的 Nyquist 图 Fig. 3 Nyquist plot of 20CrMnTi steel in solutions with different Cl - concentrations 表电荷转移电阻,Cdl 代表钝化膜电容. 可以看出, Cl - 的侵蚀大幅降低了钝化膜的电荷转移电阻 Rp ,加 速了电极的均匀腐蚀速率. 同时钝化膜电容 Cdl 从 图 4 不同浓度 Cl - 溶液中 20CrMnTi 钢的 Bode 图. (a) 模值随频率变化的 Bode 图; (b) 相位角随频率变化的 Bode 图 Fig. 4 Bode plot of 20CrMnTi steel in solutions with different Cl - concentrations: (a) Bode plot of impedance magnitude to frequency; ( b) Bode plot of phase angle to frequency ·733·