余稳等：20 CrMnTi齿轮钢的点蚀敏感性及裂纹萌生风险 ·737· 浓度条件下的点蚀形貌，随后导入有限元模拟仿真 基准应力取值不同，得到的应力集中系数也不同，这 模块中，得到图10(b)、(d)和()所示的应力分布 里取远离蚀点处截面上的名义应力作为基准应力. 图：同时对其进行线扫描能谱分析，如图10(c),主 三组模拟所用试样尺寸相同，在同样施加1000N载 要元素分布规律如图11所示，另外两组实验结果与 荷的条件下，名义应力也相同，最终得到的最大应力 此类似 值分别为361.6、425.34和729.01MPa.根据应力集 中系数的定义可知，随CIˉ浓度的增加，应力集中系 h4 数迅速上升，提高了两倍.图10(d)和()还表明，多 0 468101214161820 个点蚀同时存在时，在平行拉伸方向上的点蚀几乎 40 0 Mn 不产生应力集中，只在垂直拉伸方向或与拉伸方向 20 呈一较大角度的点蚀才会产生应力集中.这些距离 10H 468101214161820 较近的点蚀周围的应力场发生交互作用（图10(d) 100 Ti L 和()中箭头所示区域)，微裂纹很可能在其周围萌 生并沿着这一交互应力场进行扩展，形成裂纹扩展 68101214161820 通道，增大裂纹萌生风险 Fe 3结论 300 200 100 0 8101214161820 (1)20 CrMnTi点蚀敏感性较高，亚稳态蚀点集中 长度/m 在杂质相边缘形核，随C1ˉ浓度的升高，点蚀孕育期明 图11点蚀的能谱分析 显缩短，点蚀敏感性增大. Fig.11 Energy dispersive analysis of the pit (2)20 CrMnTi在不同Cl~浓度下引起的形核速率 上升，会缩短蚀点间距，表面微裂纹易连接蚀点而发生 蚀点处线扫描谱线表明，Tⅱ元素含量变化曲线在 扩展，增大裂纹萌生风险 6~14um处出现一波峰，而Fe元素含量变化曲线在 此出现一波谷，该波动正好对应蚀点处，这进一步说明 参考文献 点蚀的产生正是由于合金元素的偏聚，所形成的夹杂 [1]Lan Y J.Discussing the failure and reason of gear box.Non-State 物电极电位比基体高，易形成阴极相加速周边腐蚀，最 Running Sci Technol Ent,2015(1):4 终得到FeC2,由于FeCl,溶于水，导致蚀点处Fe含量 (兰彦军.浅谈齿轮箱的失效和原因.民营科技，2015(1)： 与基体相比明显减少 4) ANSYS软件模拟点蚀坑附近的应力分布结果如 [2]Yang W,Gu J X,Li Q S,et al.Localized Corrosion of Metals. 图10(b)、(d)和(f)所示，图中所用的点蚀形态即为 Beijing:Chemical Industry Press,1995 (杨武，顾濬祥，黎樵桑，等.金属的局部腐蚀.北京：化学工 图10(a)、(c)和(e)中点蚀的扫面电镜形貌.图10表 业出版社.1995) 明实际点蚀形貌与一般纯模拟点蚀形状不同，纯模拟 [3]Hou J,Song L.Numerical investigation on stress concentration of 所绘点蚀大多为圆形或多边形且至多研究双点蚀问 tension steel bars with one or two corrosion pits.Adr Mater Sci 题，而实际形状更为复杂，在一局部区域内出现的点蚀 Eng,2015,2015:1 数量也更多.本文模拟所用点蚀形状基于已得点蚀形 [4]Elshawesh F,Elhoud A,Zeglam W,et al.Corrosion fatigue of 貌绘制而成，更具真实性.通过有限元模拟软件分析， Incoloy 825 flare gas line bellows of expansion joints.J Failure A- 可以看出带点蚀板的应力集中只出现在蚀点边附近， nal Prevention,2015,15(1):7 [5]Gabb T P,Telesman J,Hazel B,et al.The effects of hot corro- 蚀点边明显出现了应力集中现象，距离蚀点较远的地 sion pits on the fatigue resistance of a disk superalloy.J Mater 方，应力迅速衰减.当施加水平方向的拉应力时，蚀点 Eng Performance,2010,19(1):77 的上下边缘处会出现最大的拉应力，且尤其在蚀点形 [6]Dolley E J,Lee B.Wei R P.The effect of pitting corrosion on fa- 状比较尖锐的部位拉应力越高.这表明蚀点处的应力 tigue life.Fatigue Fract Eng Mater Struct,2000,23(7):555 峰值不仅与蚀点直径有关，而且跟蚀点的形状有关，蚀 [7]Bertocci U,Ye Y X.An examination of current fluctuations dur- 点的形状越是规则圆滑，应力集中现象越小，反之，则 ing pit initiation in Fe-Cr alloys.J Electrochem Soc,1984,131 越大 (5):1011 [8]Qiao G F,Ou J P.Corrosion monitoring of reinforeing steel in ce 应力集中系数是指应力集中处最大应力值om ment mortar by EIS and ENA.Electrochim Acta,2007,52(28): 与基准应力σ的比值，即应力集中系数a。=0/0。 8008余 稳等: 20CrMnTi 齿轮钢的点蚀敏感性及裂纹萌生风险 浓度条件下的点蚀形貌,随后导入有限元模拟仿真 模块中,得到图 10 ( b) 、( d) 和( f) 所示的应力分布 图;同时对其进行线扫描能谱分析,如图 10 ( c) ,主 要元素分布规律如图 11 所示,另外两组实验结果与 此类似. 图 11 点蚀的能谱分析 Fig. 11 Energy dispersive analysis of the pit 蚀点处线扫描谱线表明,Ti 元素含量变化曲线在 6 ~ 14 滋m 处出现一波峰,而 Fe 元素含量变化曲线在 此出现一波谷,该波动正好对应蚀点处,这进一步说明 点蚀的产生正是由于合金元素的偏聚,所形成的夹杂 物电极电位比基体高,易形成阴极相加速周边腐蚀,最 终得到 FeCl 2 ,由于 FeCl 2 溶于水,导致蚀点处 Fe 含量 与基体相比明显减少. ANSYS 软件模拟点蚀坑附近的应力分布结果如 图 10(b)、(d)和( f) 所示,图中所用的点蚀形态即为 图 10(a)、(c)和(e)中点蚀的扫面电镜形貌. 图 10 表 明实际点蚀形貌与一般纯模拟点蚀形状不同,纯模拟 所绘点蚀大多为圆形或多边形且至多研究双点蚀问 题,而实际形状更为复杂,在一局部区域内出现的点蚀 数量也更多. 本文模拟所用点蚀形状基于已得点蚀形 貌绘制而成,更具真实性. 通过有限元模拟软件分析, 可以看出带点蚀板的应力集中只出现在蚀点边附近, 蚀点边明显出现了应力集中现象,距离蚀点较远的地 方,应力迅速衰减. 当施加水平方向的拉应力时,蚀点 的上下边缘处会出现最大的拉应力,且尤其在蚀点形 状比较尖锐的部位拉应力越高. 这表明蚀点处的应力 峰值不仅与蚀点直径有关,而且跟蚀点的形状有关,蚀 点的形状越是规则圆滑,应力集中现象越小,反之,则 越大[15] . 应力集中系数是指应力集中处最大应力值 滓max 与基准应力 滓n的比值,即应力集中系数 琢滓 = 滓max / 滓n . 基准应力取值不同,得到的应力集中系数也不同,这 里取远离蚀点处截面上的名义应力作为基准应力. 三组模拟所用试样尺寸相同,在同样施加 1000 N 载 荷的条件下,名义应力也相同,最终得到的最大应力 值分别为 361郾 6、425郾 34 和 729郾 01 MPa. 根据应力集 中系数的定义可知,随 Cl - 浓度的增加,应力集中系 数迅速上升,提高了两倍. 图 10( d)和( f)还表明,多 个点蚀同时存在时,在平行拉伸方向上的点蚀几乎 不产生应力集中,只在垂直拉伸方向或与拉伸方向 呈一较大角度的点蚀才会产生应力集中. 这些距离 较近的点蚀周围的应力场发生交互作用( 图 10 ( d) 和( f)中箭头所示区域) ,微裂纹很可能在其周围萌 生并沿着这一交互应力场进行扩展,形成裂纹扩展 通道,增大裂纹萌生风险. 3 结论 (1)20CrMnTi 点蚀敏感性较高,亚稳态蚀点集中 在杂质相边缘形核,随 Cl - 浓度的升高,点蚀孕育期明 显缩短,点蚀敏感性增大. (2)20CrMnTi 在不同 Cl - 浓度下引起的形核速率 上升,会缩短蚀点间距,表面微裂纹易连接蚀点而发生 扩展,增大裂纹萌生风险. 参 考 文 献 [1] Lan Y J. Discussing the failure and reason of gear box. Non鄄鄄State Running Sci Technol Ent, 2015(1): 4 (兰彦军. 浅谈齿轮箱的失效和原因. 民营科技, 2015 (1): 4) [2] Yang W, Gu J X, Li Q S, et al. Localized Corrosion of Metals. Beijing: Chemical Industry Press, 1995 (杨武, 顾濬祥, 黎樵燊, 等. 金属的局部腐蚀. 北京: 化学工 业出版社, 1995) [3] Hou J, Song L. Numerical investigation on stress concentration of tension steel bars with one or two corrosion pits. Adv Mater Sci Eng, 2015, 2015: 1 [4] Elshawesh F, Elhoud A, Zeglam W, et al. Corrosion fatigue of Incoloy 825 flare gas line bellows of expansion joints. J Failure A鄄 nal Prevention, 2015, 15(1): 7 [5] Gabb T P, Telesman J, Hazel B, et al. The effects of hot corro鄄 sion pits on the fatigue resistance of a disk superalloy. J Mater Eng Performance, 2010, 19(1): 77 [6] Dolley E J, Lee B, Wei R P. The effect of pitting corrosion on fa鄄 tigue life. Fatigue Fract Eng Mater Struct, 2000, 23(7): 555 [7] Bertocci U, Ye Y X. An examination of current fluctuations dur鄄 ing pit initiation in Fe鄄鄄 Cr alloys. J Electrochem Soc, 1984, 131 (5): 1011 [8] Qiao G F, Ou J P. Corrosion monitoring of reinforcing steel in ce鄄 ment mortar by EIS and ENA. Electrochim Acta, 2007, 52(28): 8008 ·737·