喷丸压力对42CrMo钢在含氯环境中的应力腐蚀行为的影响

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Effect of shot peening pressure on stress corrosion behavior of 42CrMo steel in chloride-containing environment

42CrMo钢表面喷丸处理显著提升抗应力腐蚀开裂性能，研究通过不同压力（0.2、0.5、0.8 MPa）的微观结构表征和力学测试发现，变形层形成有效细化晶粒（最小晶粒尺寸减半）、增加位错密度及高角度晶界数量，并引入残余压应力，有效抑制裂纹形核与扩展。其中0.5 MPa压力下性能趋于饱和。

　　

贾一帆|谢飞|王丹|刘志勇|李忠|杜翠薇|马宏驰

中国辽宁省抚顺市辽宁石化大学石油工程学院油气储运技术重点实验室，邮编113001

摘要

42CrMo钢常用于工程结构中的关键承重部件。然而，在腐蚀介质和应力的共同作用下，这种钢材容易发生应力腐蚀开裂（SCC），而在实际应用中缺乏有效的表面防护措施。为了解决这一问题，本研究系统地探讨了不同喷丸压力（0.2 MPa、0.5 MPa、0.8 MPa）对42CrMo钢表面微观结构和抗应力腐蚀性能的影响。研究方法包括表面性能表征、电化学测试、四点弯曲浸渍试验以及慢应变率拉伸（SSRT）试验。结果表明，喷丸处理在材料表面形成一层变形层，使晶粒细化，位错密度增加，高角度晶界（HAGB）数量增多，并引入残余压应力。这些变化不仅显著提高了表面抗腐蚀性和机械强度，还抑制了点蚀的形成和裂纹扩展速率。值得注意的是，喷丸处理有效降低了42CrMo钢的应力腐蚀敏感性。在0.8 MPa的压力下，其敏感性指数从原始状态的12.42%降低到8.97%。当喷丸压力达到0.5 MPa时，改善效果趋于饱和，性能与0.8 MPa压力下的效果相当。

引言

42CrMo钢作为一种典型的高强度合金结构钢，因其出色的强度、韧性和可硬化性，广泛应用于石化、电力设施和铁路工程领域。它被用于制造螺栓、输电塔的承重部件以及桥梁轴承等关键部件[1]、[2]、[3]。这些关键部件在服役过程中不仅要承受高静态或循环拉伸应力，还必须长期抵抗含有Cl?等腐蚀性元素的介质的腐蚀[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。在应力和腐蚀的共同作用下，应力腐蚀开裂（SCC）极易发生，对极端工程结构的安全性和耐久性构成严重威胁[12]、[13]、[14]、[15]。裂纹的萌生和扩展主要发生在金属表面。因此，改善材料表面性能是提高其抗应力腐蚀能力的有效方法之一[5]、[16]、[17]、[18]。喷丸处理通过喷嘴高速喷射弹丸，在金属表面诱导严重的塑性变形，从而引入残余压应力，细化表面晶粒结构，并引起加工硬化[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]，使其成为提升材料表面性能的有效技术之一。

残余压应力可以有效抵消施加的拉应力，延缓裂纹萌生；而表面层的晶粒细化可以阻碍裂纹扩展。然而，如果喷丸压力过高或覆盖率过大，可能会导致表面粗糙度显著增加，甚至引发微裂纹的产生。这种过度的加工损伤会负面影响材料的疲劳性能和抗应力腐蚀能力[27]、[28]。喷丸处理细化了金属表面的晶粒结构，积累了大量位错，并在表面产生了向内的压应力，这些因素共同降低了金属的应力腐蚀敏感性。

国内外学者对喷丸处理后金属的腐蚀行为和应力腐蚀敏感性进行了大量研究[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。研究表明，喷丸处理会显著增加金属的应力腐蚀敏感性。Wang等人的研究发现，喷丸处理细化了铁素体-珠光体双相钢的晶粒结构，增加了表面位错数量，有效阻止了氢向金属内部的扩散，从而降低了其氢脆性和应力腐蚀敏感性。Ebrahimzade等人的研究发现，高能喷丸处理将316L钢的表面晶粒细化到纳米级别，增加了晶界和位错的数量，为铬向表面钝化膜的扩散提供了更多途径。然而，如果没有热处理，铬向钝化膜的扩散速率太慢，导致钝化膜中的铬含量没有显著增加。结合退火处理后，可以促进铬在钝化膜中的富集。高能喷丸处理还会使316L钢表面发生奥氏体向马氏体的相变，略微降低其耐腐蚀性。尽管喷丸处理对双相不锈钢和奥氏体不锈钢等材料的腐蚀和应力腐蚀行为影响已有大量研究，但对低合金钢的研究仍相对不足。本研究结合电化学测试、四点弯曲浸渍试验和慢应变率拉伸试验，揭示了喷丸处理在含氯环境中增强42CrMo钢抗应力腐蚀性能的机制，阐明了晶粒细化和抗腐蚀性之间的协同效应。

本研究探讨了在不同参数下喷丸处理对42CrMo钢微观结构和表面粗糙度的影响。通过结合应力腐蚀测试，揭示了喷丸处理在提高钢材抗应力腐蚀性能的同时降低其延展性的耦合效应。这项研究为42CrMo钢在苛刻服役环境中的工程应用提供了理论基础和技术支持。

材料与加工方法

喷丸处理使用的材料是经过淬火和回火的42CrMo钢，其化学成分通过直读光谱分析确定（见表1）。样品在850°C下淬火，在560°C下回火，保持时间为1小时。样品表面使用400–2000目的金刚石砂纸抛光，并用无水乙醇清洗。随后使用直径为0.2 mm的铸钢弹丸对样品表面进行喷丸处理，喷丸压力分别为0.2 MPa、

表面性能表征

图1显示了不同压力下喷丸处理后的三维形貌。喷丸处理后，介质在金属表面留下了明显的凹坑痕迹，这些凹坑显著影响了金属的表面粗糙度。喷丸处理后的表面粗糙度见表2，其中Ra表示平均粗糙度；Rp表示最大峰高；Rv表示最大谷深；Rt表示峰谷之间的最大差值。

讨论

42CrMo钢在受到拉应力和腐蚀介质的共同作用时，主要发生阳极溶解型和氢诱导型应力腐蚀。在Cl?环境中，金属表面容易形成点蚀，成为裂纹的萌生点。同时，阴极产生的氢气扩散到材料内部，在晶界或缺陷处积聚，引发氢脆裂纹。引入残余压应力是

结论

• (1)
  喷丸处理显著压实了42CrMo钢的表面微观结构，变形层的深度随喷丸压力的增加而增加。在0.2–0.5 MPa范围内表面粗糙度逐渐增大，但在0.8 MPa时由于冲击过大而略有减小。
• (2)
  喷丸处理显著细化了材料的晶粒尺寸，最小晶粒尺寸减小到原始值的一半。它还在表面产生了大量位错，使位错密度增加了三倍。

作者贡献声明

贾一帆：撰写——初稿编写、可视化处理、数据整理。谢飞：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。王丹：资金获取。刘志勇：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、资金获取。李忠：监督。杜翠薇：实验方法设计。马宏驰：实验方法设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家科学技术资源调查计划（项目编号2021FY100602）、国家自然科学基金（项目编号52402428和52574085）以及辽宁省教育厅基础科学研究项目（项目编号LJ212510148030和LJ212410148024）的支持。