錫黃銅空蝕破壞的失效行為研究

高丹丹，張小彬，廖志康，劉成龍，周青，黃偉九

(重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

錫黃銅空蝕破壞的失效行為研究

高丹丹，張小彬，廖志康，劉成龍，周青，黃偉九

(重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

利用旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕試驗(yàn)儀對(duì)錫黃銅在模擬實(shí)際工況下的空蝕行為進(jìn)行了研究。通過(guò)激光共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡及納米/微米壓痕儀等設(shè)備測(cè)定了空蝕不同時(shí)間后試樣表面形貌、硬度等的變化規(guī)律。結(jié)果表明:錫黃銅的空蝕累積質(zhì)量損失率呈現(xiàn)迅速上升、相對(duì)穩(wěn)定、逐漸降低的特點(diǎn)?？瘴g作用下試樣表面的破壞主要源于縱向裂紋擴(kuò)展或橫向空蝕坑擴(kuò)展，且試樣表面會(huì)出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，距空化源越近的區(qū)域加工硬化程度越高。

錫黃銅;空蝕;加工硬化;空蝕坑

近年來(lái)，船舶逐漸向大型化、高速化方向發(fā)展，推動(dòng)了對(duì)機(jī)動(dòng)性能良好的船舶推進(jìn)方式的研究。新型高效船舶推進(jìn)方式的發(fā)展對(duì)其直接實(shí)施部件——螺旋槳的可靠性和安全性提出了更高的要求。長(zhǎng)期以來(lái)，制造螺旋槳的材料主要有銅合金、鈦合金、鑄鋼等，其中銅合金強(qiáng)度高，耐腐蝕，易于加工，應(yīng)用較廣［1］。

在船舶運(yùn)行過(guò)程中，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳表面會(huì)出現(xiàn)低壓下被氣化的水蒸氣，這些氣泡在離開(kāi)螺旋槳表面后壓力突增，導(dǎo)致氣泡內(nèi)爆，形成的空蝕作用損壞螺旋槳。自19世紀(jì)研究人員發(fā)現(xiàn)螺旋槳的空蝕現(xiàn)象以來(lái)，已引起了材料、力學(xué)、物理、化學(xué)等不同學(xué)科研究人員的廣泛關(guān)注。目前的研究主要是針對(duì)不銹鋼、低合金鋼及高錳鋼等材料［2－6］，而針對(duì)船舶用銅合金空蝕的研究相對(duì)較少。Li等［7］發(fā)現(xiàn)空蝕沖擊錫黃銅表面會(huì)導(dǎo)致快速塑性變形的發(fā)生，最終形成空蝕破壞;張會(huì)臣等［8］認(rèn)為在空蝕過(guò)程中，隨著銅合金表層變形程度的增強(qiáng)，裂紋將沿晶界處萌生并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致晶粒脫落;鄧友等［9］發(fā)現(xiàn)隨著空蝕時(shí)間的增加，銅合金表面首先出現(xiàn)加工硬化，然后出現(xiàn)加工軟化;王吉會(huì)［10］、Al－Hashem A等［11］提出銅合金的空蝕與其表層組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中錫黃銅組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變形及晶粒脫落是因?yàn)殄a黃銅表層硬度不高，存在枝晶等缺陷。上述研究對(duì)錫黃銅空蝕現(xiàn)象和產(chǎn)生原因進(jìn)行了闡述，表明錫黃銅空蝕破壞與其表層組織有緊密關(guān)聯(lián)。但由于空蝕行為非常復(fù)雜，因此有必要對(duì)錫黃銅空蝕微觀過(guò)程與微觀形貌、力學(xué)性能進(jìn)行綜合研究，從而進(jìn)一步闡明其空蝕破壞的機(jī)理，以期為錫黃銅作為船舶用材料提供理論支撐。

本文以錫黃銅為研究對(duì)象，在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)盤(pán)室壓力作用下，借助空蝕孔產(chǎn)生空蝕作用于試樣表面，通過(guò)研究距空蝕孔不同距離處空蝕破壞情況、宏觀與微觀形貌特征，重點(diǎn)對(duì)空蝕嚴(yán)重區(qū)域的微觀形貌和力學(xué)性能進(jìn)行分析，進(jìn)而闡釋錫黃銅材料空蝕破壞的微觀過(guò)程。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用重慶輝進(jìn)金屬材料公司生產(chǎn)的錫黃銅板材?？瘴g試驗(yàn)在自制的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，圖1為空蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖［12］，循環(huán)水系統(tǒng)與地下水聯(lián)通。轉(zhuǎn)盤(pán)直徑為360 mm，分正背面，分別鑲嵌6塊試樣。試樣規(guī)格為60 mm× 56 mm×6 mm，每個(gè)試樣加工直徑為15 mm的通孔作為空化源，空化源位于分度盤(pán)直徑為300 mm的圓周上，如圖2所示。空蝕轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為2 500 r/ min，轉(zhuǎn)盤(pán)室壓力為0.1 MPa。試驗(yàn)介質(zhì)為自來(lái)水，試驗(yàn)過(guò)程中介質(zhì)溫度控制在50℃以下。

圖1 空蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2 空蝕試樣宏觀形貌

試驗(yàn)前將試樣依次經(jīng)過(guò)200～1200﹟砂紙打磨并拋光，乙醇和丙酮(1∶3)超聲清洗、烘干，隨后用精度為0.1 mg的AB304－S電子稱稱重。試驗(yàn)過(guò)程中，每隔1 h取樣一次，并稱重，空蝕累計(jì)時(shí)間為8 h，計(jì)算累積質(zhì)量損失和累積質(zhì)量損失率。利用分辨率達(dá)到0.1～0.2 μm的LSM 700蔡司激光共聚焦掃描顯微鏡和日本JSM6460LV掃描電鏡對(duì)試樣空蝕表面分別進(jìn)行三維形貌和微觀形貌觀察，并分析試樣表面空蝕剝落屑、空蝕坑形成特點(diǎn)及發(fā)展特征。利用英國(guó)MML－600納米/微米壓痕儀，測(cè)定不同空蝕時(shí)間段試樣橫截面上距表層不同深度處的顯微硬度值變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 累積質(zhì)量損失及累積質(zhì)量損失率

圖3為錫黃銅在自來(lái)水中的第t h累積質(zhì)量損失Δmt和累積質(zhì)量損失率Δmt'隨空蝕時(shí)間的變化曲線，其中Δmt=mt+mt－1，Δmt'=(mt+mt－1)/t。由圖3(a)可見(jiàn):試樣的空蝕累積失重量隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加，試驗(yàn)8 h后總的累積質(zhì)量損失達(dá)到94 mg。從圖3(b)可見(jiàn):試樣的空蝕累積質(zhì)量損失率隨時(shí)間的變化可分為3個(gè)階段:0～1 h為第1階段，材料的累積質(zhì)量損失率隨著試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)迅速增大;1～5 h為第2階段，材料的累積質(zhì)量損失率出現(xiàn)小范圍內(nèi)波動(dòng)，但總趨勢(shì)較為穩(wěn)定;繼續(xù)延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間，材料的累積質(zhì)量損失率緩慢下降，進(jìn)入第3階段。金屬材料的空蝕一般分為孕育期、上升期、穩(wěn)定期和衰減期4個(gè)階段［13］。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看:錫黃銅在自來(lái)水中的空蝕孕育期不明顯，很快進(jìn)入上升期。

圖3 錫黃銅在自來(lái)水中的空蝕累積質(zhì)量損失與空蝕累積質(zhì)量損失率

2.2 空蝕表面宏觀形貌

空蝕后試樣的表面宏觀形貌如圖2所示。從圖2可以清晰地觀察到:空蝕發(fā)生區(qū)域分布在空化源附近，其形態(tài)沿水流方向呈近似拋物面分布，且距空化源越近，空蝕現(xiàn)象越嚴(yán)重。這是由于空泡在流場(chǎng)中潰滅的位置不同，潰滅時(shí)造成空蝕破壞的形式和原因不同，產(chǎn)生的沖擊波或微射流對(duì)試樣表面的空蝕破壞結(jié)果不同［14－16］?？张萆?、長(zhǎng)大到潰滅的過(guò)程極其短暫，在距空化源位置不遠(yuǎn)處潰滅概率較大，空泡潰滅時(shí)材料表面微射流速度可達(dá)100～500 m/s，沖擊壓力高達(dá)170 MPa，表面受到微射流沖擊次數(shù)約為100～1 000次/(s·cm2)［17］。如此高的脈沖應(yīng)力反復(fù)作用在材料表面將直接破壞材料表面?？张蓦S著高速水流一起運(yùn)動(dòng)，空泡潰滅產(chǎn)生的高壓脈沖或微射流能量衰減很快，對(duì)材料表面的影響也逐漸減弱，所以空泡潰滅在空化源位置附近的不同區(qū)域，導(dǎo)致材料表面不同區(qū)域的空蝕程度不同。因此，按空蝕作用對(duì)試樣表面的破壞強(qiáng)度可將空蝕區(qū)域分為4部分，其中空化孔位置附近空蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)锳區(qū)，B區(qū)破壞程度次之，C區(qū)破壞程度較輕，D區(qū)幾乎沒(méi)有發(fā)生空蝕。

2.3 空蝕表面微觀形貌

圖4為錫黃銅空蝕1，5，8 h后A區(qū)的SEM圖和三維形貌圖。測(cè)得的材料表面平均粗糙度及空蝕坑深度變化如表1所示。

圖4 空蝕不同時(shí)間后的試樣表面微觀形貌

試驗(yàn)進(jìn)行1 h后，錫黃銅試樣表面局部出現(xiàn)少量淺而小的蝕坑和細(xì)微的裂紋，這緣于空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊作用。試樣表面平均粗糙度由空蝕前的0.119 μm增大到0.504 μm，蝕坑平均深度為0.96 μm，如圖4(a1)所示。延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間到5 h，試樣表面的空蝕坑明顯變得更大、更深，試樣表面凸凹不平，蝕坑平均深度達(dá)2.84 μm，為空蝕1 h時(shí)的3倍。試樣表面平均粗糙度達(dá)到0.618 μm，比空蝕前約增大了6倍，其中最深空蝕坑為6.19 μm，如圖4(b1)所示。此階段的空蝕試樣表面遭到嚴(yán)重破壞，材料累積失重率達(dá)到最大，約為14.9 mg/h。繼續(xù)空蝕試驗(yàn)至8 h，試樣表面空蝕坑明顯變大，呈現(xiàn)出海綿狀形貌，表面平均粗糙度達(dá)到0.733 μm，空蝕坑平均深度為0.91 μm，比較之前的空蝕坑平均深度變淺，如圖4(c1)所示。

表1 空蝕不同時(shí)間后的試樣表面平均粗糙度及空蝕坑深度

結(jié)合錫黃銅空蝕累積質(zhì)量損失率與其表面形貌的變化，可推斷錫黃銅在旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)空蝕試驗(yàn)中的破壞過(guò)程如下:經(jīng)過(guò)1 h空化作用，試樣表面粗糙度大大增加，此時(shí)試樣累積質(zhì)量損失率隨空蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速增加，達(dá)到12.8 mg/h左右，此階段對(duì)應(yīng)空蝕周期中的孕育期與上升期。在這個(gè)階段，空泡潰滅沖擊材料表面，使試樣表面產(chǎn)生變形，粗糙度大大增加，出現(xiàn)少量空蝕坑和疲勞微裂紋，如圖4(a2)。繼續(xù)延長(zhǎng)空蝕時(shí)間到5 h，在1～5 h之間，試樣累積質(zhì)量損失率隨空蝕時(shí)間延長(zhǎng)緩慢增加，從12.8 mg/h變化到14.9 mg/h，此階段對(duì)應(yīng)空蝕周期中的穩(wěn)定期。在該空蝕階段，空蝕上升期形成的微裂紋不斷向材料表層深處延伸擴(kuò)展，同時(shí)試樣表面的空蝕坑將成為新的空蝕源，造成局部水流的紊亂，導(dǎo)致空蝕坑數(shù)量的增加與面積的增大。不斷擴(kuò)展的空蝕坑將相互連接，從而使整個(gè)試樣表面失去原有形貌，粗糙度增大，如圖4(b2)所示。此后，空蝕時(shí)間在5～8 h期間內(nèi)試樣累積質(zhì)量損失率逐漸降低，從14.9 mg/h變化到11.8 mg/h，此階段對(duì)應(yīng)空蝕周期中的衰減期。該階段雖然試樣的累積質(zhì)量損失率緩慢下降，空蝕坑繼續(xù)增大，但最大空蝕坑深度幾乎不加深，空蝕坑的平均深度明顯減小，從5 h時(shí)的2.84 μm變化到8 h時(shí)的0.91 μm。這是因?yàn)樵囼?yàn)中所用錫黃銅的α相為fcc結(jié)構(gòu)，層錯(cuò)能較低，在空化過(guò)程中，沖擊波或微射流所引起的脈沖應(yīng)力的范圍在幾百到幾千兆帕之間，足以使試樣表面發(fā)生塑性變形。變形會(huì)導(dǎo)致α相產(chǎn)生擴(kuò)展位錯(cuò)，進(jìn)而產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，位錯(cuò)塞積的結(jié)果是導(dǎo)致位錯(cuò)密度的增加，這就阻礙了裂紋向深度方向繼續(xù)擴(kuò)展［9－10］。同時(shí)，置于高速水流中的試樣表面受到水流的沖刷作用及空泡潰滅所產(chǎn)生的巨大沖擊波或微射流的作用時(shí)，裂紋發(fā)生橫向擴(kuò)展，在底部交錯(cuò)連接，貫通分布，進(jìn)而使試樣表面發(fā)生層層脫落，空蝕坑面積增大。

綜上所述，錫黃銅表面的空蝕破壞主要分成以下幾個(gè)階段:在空蝕上升期主要表現(xiàn)為縱向裂紋擴(kuò)展;在空蝕穩(wěn)定期主要表現(xiàn)為縱向裂紋擴(kuò)展與空蝕坑的橫向擴(kuò)展共存;在空蝕衰減期則主要表現(xiàn)為空蝕坑的橫向擴(kuò)展，形成塊狀脫落。

2.4 空蝕誘發(fā)的表層加工硬化

錫黃銅試樣空蝕8 h后，圖2中的A、B、C和D區(qū)近表層平均硬度的變化如圖5所示。從圖5可見(jiàn):空蝕區(qū)的硬度顯著增加，A～D區(qū)硬度依次為2.36、2.01、1.69、1.60 GPa;硬度值變化最大的是A區(qū)，是基體材料硬度值(1.50 GPa)的1.57倍，其次是B區(qū)，C區(qū)較小，D區(qū)略大于基體材料，僅增加了6.7%?？梢?jiàn)，空蝕作用會(huì)誘導(dǎo)錫黃銅表層形成加工硬化。圖6為空蝕8 h后試樣A區(qū)表層硬度隨截面深度的變化規(guī)律。試樣硬度值隨深度的增加而先增大后逐漸減小，在0～1 100 nm范圍內(nèi)迅速增大，約在1 100 nm處達(dá)到最大值3.25 GPa。這是因?yàn)樵诳瘴g過(guò)程中，錫黃銅在空蝕沖擊應(yīng)力的作用下表層材料產(chǎn)生加工硬化，并逐漸達(dá)到最大值;隨著空蝕的進(jìn)行近表層材料硬度緩慢下降，表層材料開(kāi)始脫落;隨著截面深度的不斷增加硬度逐漸下降，直到基體位置;A區(qū)的加工硬化層深度超過(guò)6 μm。

空蝕后，試樣表層硬度的顯著變化表明:錫黃銅在空蝕沖擊應(yīng)力的作用下具有良好的加工硬化能力。這是因?yàn)殄a黃銅中的fcc結(jié)構(gòu)α相在空蝕沖擊應(yīng)力作用下容易發(fā)生擴(kuò)展位錯(cuò)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，從而導(dǎo)致位錯(cuò)密度的增加;通常位錯(cuò)密度的提高與硬度的增加具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，表面變形時(shí)位錯(cuò)產(chǎn)生增值且運(yùn)動(dòng)受阻會(huì)導(dǎo)致高密度位錯(cuò)，從而強(qiáng)化α相，使錫黃銅表現(xiàn)出良好的抗空蝕能力［18］。

圖5 錫黃銅試樣空蝕8 h后表面不同區(qū)域的硬度變化

圖6 錫黃銅試樣空蝕8 h后表層硬度隨截面深度的變化曲線

3 結(jié)論

1)錫黃銅空蝕周期表現(xiàn)為上升期、穩(wěn)定期和衰減期;空蝕孕育期不明顯。

2)錫黃銅表面的空蝕破壞，在空蝕上升期主要表現(xiàn)為縱向裂紋擴(kuò)展;在空蝕穩(wěn)定期主要表現(xiàn)為縱向裂紋擴(kuò)展與空蝕坑的橫向擴(kuò)展共存;在空蝕衰減期則主要表現(xiàn)為空蝕坑的橫向擴(kuò)展，形成塊狀脫落。

3)空蝕導(dǎo)致錫黃銅試樣表層發(fā)生了明顯的加工硬化，硬度隨深度的變化趨勢(shì)為先增大后減小。

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Failure Behavior of Tin Brass Caused by Cavitation

GAO Dan－dan，ZHANG Xiao－bin，LIAO Zhi－kang，LIU Cheng－long，ZHOU Qing，HUANG Wei－jiu
(School of Materials Science and Engineering，
Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

The failure behavior of tin brass，caused by cavitation in water，has been investigated through rotating disk cavitation erosion instrument.The surface morphology，hardness，and mass loss were measured through laser scanning confocal microscope，scanning electron microscopy and nanoindentor.The results show that it presents rapid increase，relatively stable changes and gradual decrease for the variation of the cumulative mass loss rate with increasing cavitation time.The cavitaion damage on the sample surface is attributed to the longitudinal crack propagation or horizontal expansion of cavitation pits.Besides，the obvious work hardening phenomenon shows on the sample surface.The distance from the cavitation source is closer，and the degree of work hardening is higher.

tin brass;cavitation erosion;work hardening;cavitation pit

TG115.5

A

1674－8425(2014)04－0042－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.04.009

2013－11－27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51171216)

高丹丹(1986—)，女，河南人，碩士研究生，主要從事材料強(qiáng)化失效及保護(hù)研究;通訊作者黃偉九(1969—)，男，博士后，教授，主要從事材料表面工程、摩擦學(xué)、功能材料等研究。

高丹丹，張小彬，廖志康，等.錫黃銅空蝕破壞的失效行為研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014 (4):42－46.

format:GAO Dan－dan，ZHANG Xiao－bin，LIAO Zhi－kang，et al.Failure Behavior of Tin Brass Caused by Cavitation［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(4):42－46.