金屬橡膠在模擬海洋環(huán)境中的腐蝕行為及阻尼性能

林 臻，李國璋，白鴻柏，路純紅

（軍械工程學院車輛與電氣工程系，石家莊 050003）

0 引 言

阻尼材料對解決振動、沖擊和噪聲等問題有著重要的意義。金屬橡膠是一種新型阻尼材料，因同時具有橡膠的彈性和所選金屬的固有特性而得名。金屬橡膠由細金屬絲經一系列復雜的工藝制備而成，與普通橡膠相比，它具有在真空中不揮發(fā)、耐輻射、耐高低溫、耐腐蝕、疲勞老化壽命長以及可以長期保存等優(yōu)良特性，是一種非常適合于在高真空、高低溫、強輻射、強腐蝕環(huán)境下應用的減振緩沖材料。開展金屬橡膠的耐海洋腐蝕能力及阻尼耗能特性研究，為海洋腐蝕環(huán)境下金屬橡膠的應用提供參考依據，具有非常重要的理論及工程應用價值。目前，國內外尚未對金屬橡膠材料進行海洋腐蝕方面的研究。為此，作者采用304不銹鋼絲自行設計制備了固支圓盤形金屬橡膠，將其置于4種不同的模擬海洋腐蝕環(huán)境中進行腐蝕試驗，研究了它的抗海洋腐蝕能力及阻尼耗能特性。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

選用φ0.3mm的304不銹鋼絲作為制備金屬橡膠的材料，其密度為7.9g·cm－3，彈性模量為1.98×105MPa，線膨脹系數為16.6×10－6℃－1（20～100℃）［1］，規(guī) 定 非 比 例 延 伸 強 度 不 小 于205MPa，抗拉強度不小于520MPa，斷后伸長率不小于40%，斷面收縮率不小于50%，硬度不小于187HBW（90HRB或200HV［2］）。該304不銹鋼絲的主要化學成分如表1所示。

制備的金屬橡膠試樣為圓盤形［3］，如圖1所示，其外徑為66mm，內徑為20mm，成型后的密度為2.05g·cm－3。

表1 304不銹鋼絲的主要化學成分（質量分數）［3］Tab.1 Main chemical composition of 304stainless steel wire（mass） %

圖1 圓盤形金屬橡膠試樣的宏觀形貌Fig.1 Macrograph of disk typed metal rubber sample

1.2 試驗方法

在YWX-250型智能鹽霧試驗箱中進行金屬橡膠的模擬海洋腐蝕試驗，該試驗箱可以進行完全和周期的鹽霧試驗及浸泡試驗，并可以根據試驗要求模擬不同條件下的海洋腐蝕環(huán)境。

阻尼耗能測試采用PLS-20型電液伺服動靜試驗機和DH5936測試系統(tǒng)進行，電液伺服動靜試驗機由液壓伺服系統(tǒng)、主機系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分組成，最大靜載拉壓力為20kN，最大加載行程為±50mm，可實施精確的正弦位移加載，最高振動頻率為40Hz。

設計了阻尼耗能測試用試驗夾具，其結構示意如圖2所示。試驗夾具由碗型托盤、環(huán)形壓盤、中間拉桿及螺栓、螺母、墊圈等組成。圓盤形金屬橡膠試樣套在中間拉桿上，并通過螺母和墊圈壓緊，試樣的外沿通過環(huán)形壓盤及螺栓壓緊在碗型托盤的內端面上。試驗時，中間拉桿及碗型托盤分別通過聯結桿與材料試驗機上、下夾頭相連，下夾頭固定不動，上夾頭帶動中間拉桿上下振動，使金屬橡膠產生剪切變形。

圖2 試驗夾具結構示意Fig.2 Schematic diagram of the test fixture

腐蝕試驗按如下步驟進行：

（1）制備5只圓盤形金屬橡膠試樣，依次編號為1～5。

（2）使用清水和洗滌液對試樣進行沖洗和超聲波清洗，并在烘干箱中烘干，去除試樣上的油污和雜質，用JP-500型電子天平分別稱量試樣的質量。

（3）將試樣依次裝夾在試驗夾具上，并將夾具夾持在試驗機上、下夾頭之間，采用位移控制方式對試樣施加正弦激勵，激勵振幅為3mm，頻率為3Hz，經6 000次振動穩(wěn)定處理后［4］對位移及恢復力數據進行采樣，采樣頻率為1 000Hz。

（4）加載完畢后，重復步驟（2）。

（5）然后將試樣1～4放入YWX-250型智能鹽霧試驗箱中進行鹽霧腐蝕試驗，試樣5作為空白對照樣置于密封袋中；其中，試樣1～4的腐蝕環(huán)境分別為全浸、間浸（每24h浸泡8h）、連續(xù)鹽霧、周期鹽霧（每1h噴霧10min）；腐蝕液為5%NaCl（質量分數）溶液。

全浸腐蝕試驗按 GB/T 10124－1988《金屬材料實驗室均勻全浸腐蝕試驗方法》進行，間浸試驗按GB/T 19746－2005《金屬與合金的腐蝕鹽溶液周浸試驗》進行，鹽霧試驗按照 GB/T 10125－1997《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》進行。試樣按要求放置于試驗箱中，試驗箱溫度設置為（35±1）℃。

（6）腐蝕1 152h后，取出并清洗試樣，重復步驟（2），并觀察試樣表面。

（7）采用化學法去除試樣的腐蝕產物并稱量。取相對密度為1.42的硝酸100mL稀釋至1 000mL，在60℃環(huán)境下對試樣1～4進行處理［5］，隨后清洗試樣并用電子天平分別稱量各試樣的質量。

（8）重復步驟（3）和（2）。

另取與上述金屬橡膠同質量的4組304不銹鋼絲，在上述4種腐蝕環(huán)境下進行腐蝕試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 腐蝕速率

各試樣經1 152h腐蝕后質量均減少，質量變化如表2所示。

表2 不同試樣腐蝕前后的質量Tab.2 Mass of different samples before and after corrosion g

根據腐蝕試驗的質量評定法，通過質量損失計算年腐蝕深度來表示腐蝕速率［5］。

式中：vp為腐蝕速率，mm·a－1；Δm 為腐蝕前后的質量差，mg；A為試樣的表面積，cm2；T為腐蝕時間，h；ρ為不銹鋼絲的密度，g·cm－3。

計算腐蝕速率時，通過試樣質量計算不銹鋼絲的總表面積，作為試樣的表面積A。

式中：m0為試樣的質量，g；d為不銹鋼絲的直徑，cm。

根據式（2）計算可得試樣1～4的腐蝕速率分別為0.033 8，0.036 0，0.025 8，0.030 8mm·a－1；各試樣的腐蝕速率從大到小依次為試樣2、試樣1、試樣4、試樣3。

不銹鋼在海洋環(huán)境中的腐蝕一般為點蝕和縫隙腐蝕［6］。根據文獻［2］可知，不銹鋼絲表面具有固有的表面起伏，在拉拔成形過程中會產生裂紋等表面微觀缺陷，這些區(qū)域形成了閉塞區(qū)，在腐蝕環(huán)境中形成閉塞電池。在海洋腐蝕環(huán)境中，裂紋尖端區(qū)的pH約為4，易導致高強度鋼發(fā)生氫脆腐蝕斷裂［7］。

進行間浸腐蝕的試樣處于濕潤和干燥交替的環(huán)境下，當試樣從干燥環(huán)境進入浸泡環(huán)境時，由于金屬橡膠材料特有的孔隙結構中留存有一定的空氣，不銹鋼絲的供氧更充足（與全浸泡的金屬橡膠試樣相比）；當從浸泡環(huán)境進入干燥環(huán)境中時，金屬橡膠的孔隙結構能儲存一部分鹽水溶液。因此，間浸環(huán)境較其它腐蝕環(huán)境能更好地形成腐蝕原電池，因此腐蝕速率最大，腐蝕程度也最大［8－9］。

處于連續(xù)鹽霧環(huán)境中的金屬橡膠試樣，由于含鹽粒子沉降在其表面，沒有深入至試樣內部的孔隙中，這使得試樣和腐蝕環(huán)境的接觸面積不如全浸和間浸環(huán)境的接觸面積大。因此鹽霧環(huán)境下試樣的腐蝕速率小于浸泡環(huán)境下的。

與處于間浸環(huán)境類似，處于周期鹽霧環(huán)境下的試樣同樣處于鹽霧與干燥交替的環(huán)境中，從而導致周期鹽霧環(huán)境下試樣的腐蝕速率大于連續(xù)鹽霧環(huán)境下的。

同樣質量的304不銹鋼絲在全浸、間浸、連續(xù)鹽霧和周期鹽霧4種腐蝕環(huán)境下的腐蝕速率分別為0.004 6，0.004 9，0.001 2，0.001 4mm·a－1，遠小于同質量不銹鋼絲制成的金屬橡膠試樣的腐蝕速率，這是由金屬橡膠的制備工藝造成的。在制備金屬橡膠時，不銹鋼絲首先要纏繞成為螺旋卷，然后對螺旋卷進行定螺距拉伸，纏繞成毛坯，最后沖壓成型。經過這一系列的制備過程，不銹鋼絲內部必然會產生一定的內應力，促進了腐蝕行為。

2.2 腐蝕產物

由圖3可見，各試樣腐蝕1 152h后，表面均有不均勻的腐蝕產物斑痕分布，且內圈的銹斑較外圈的少；腐蝕產物顏色以鐵紅色為主，單根不銹鋼絲上的腐蝕產物表面存在呈點狀分布的黑色腐蝕產物，鐵紅色和黑色腐蝕產物的分布不均勻，以點蝕所產生的斑狀腐蝕為主；試樣2表面的腐蝕產物較多，完整的銹斑面積較大。

鹽水環(huán)境是一個典型的鐵－氯－水系環(huán)境，根據其電位－pH圖［10］可見，304不銹鋼處于鈍化腐蝕區(qū)。常溫下鋼鐵在鹽水環(huán)境下的腐蝕過程先是鐵失去電子被氧化為 Fe2＋而溶解，隨后與 OH—形成Fe（OH）2，然后進一步被氧化成黑色的Fe3O4，或被氧化為含三價鐵的Fe2O3或Fe（OH）3，顏色為紅褐色［11］。因此腐蝕產物內銹層多為黑色的Fe3O4，外銹層多為黃色或紅棕色的α-FeOOH、β-FeOOH和γ-FeOOH［12］。

2.3 阻尼耗能特性

用Matlab對記錄下的位移－恢復力數據進行處理，繪制試樣的遲滯回線。從圖4中可看出，與腐蝕前相比，腐蝕1 152h的試樣在相同變形下的恢復力更大，遲滯回線沿圖中縱坐標方向上下擴張，遲滯回線包圍的面積增大。

圖3 不同試樣腐蝕1 152h后的宏觀形貌Fig.3 Appearance of different samples after corrosion for 1 152h：（a）sample 1；（b）sample 2；（c）sample 3and（d）sample 4

圖4 不同試樣腐蝕1 152h前后的遲滯回線Fig.4 Hysteresis curves of different samples before and after corrosion for 1 152h：（a）sample 1；（b）sample 2；（c）sample 3and（d）sample 4

阻尼損耗因子η是衡量金屬橡膠材料阻尼耗能特性的指標。

式中：ΔW為遲滯回線包圍的面積，即金屬橡膠材料每個振動周期耗散的能量；W為金屬橡膠材料儲存的最大彈性勢能。

動態(tài)平均剛度K可以使用材料儲存的最大彈性能來計算：

式中：x0為施加正弦激勵的振幅。

由表3，4可以看出，腐蝕1 152h后，試樣1～4的阻尼損耗因子有增有減，但都變化不大（變化幅值不會超過0.1，變化率不超過50%），基本保持穩(wěn)定；動態(tài)平均剛度和耗能均明顯增大，未經腐蝕的試樣5的動態(tài)平均剛度和耗能的變化率均未超50%，而經腐蝕的試樣1～4的動態(tài)平均剛度和耗能的變化率均超過了50%。試樣動態(tài)平均剛度和耗能的增大幅度從大到小依次為試樣2、試樣1、試樣4、試樣3、試樣5。這一結果與腐蝕速率的結果一致。

表3 不同試樣腐蝕前后的阻尼損耗因子、動態(tài)平均剛度和耗能Tab.3 Loss factor，dynamic average rigidity and dissipated energy of different samples before and after corrosion

表4 試樣5第二次加載前后的阻尼損耗因子、動態(tài)平均剛度和耗能Tab.4 Loss factor，dynamic average rigidity and dissipated energy of sample 5before and after secondary loading

不論在何種腐蝕環(huán)境下，腐蝕后金屬橡膠試樣的動態(tài)平均剛度都大幅提高。這是由于金屬橡膠材料在沖壓成型后沒有經過穩(wěn)定化處理，內部組織不穩(wěn)定，振動后，內部勾連和接觸方式的變化會導致動態(tài)平均剛度增加［13］。

在各種條件下腐蝕后，金屬橡膠試樣的耗能也有大幅提高。這主要是由兩方面原因造成的。其一，試樣內部組織不穩(wěn)定，振動穩(wěn)定過程中內部勾連方式發(fā)生變化，在尚未磨合穩(wěn)定前，不銹鋼絲摩擦點數量增多導致耗能大幅提高；其二，腐蝕后，金屬橡膠內部相互接觸的不銹鋼絲的接觸表面發(fā)生了變化，這些變化既與腐蝕產物有關，也與經過稀硝酸處理后所帶來的接觸表面變化有關。

腐蝕前后各試樣的阻尼損耗因子變化不大，主要是由于阻尼損耗因子與試樣振動一個周期的耗能量成正比，與動態(tài)平均剛度成反比，根據試樣動態(tài)平均剛度和耗能的變化趨勢即可判斷出阻尼損耗因子基本保持穩(wěn)定。由此可以得出重要結論：金屬橡膠材料的阻尼損耗因子對海洋腐蝕環(huán)境不敏感。

3 結 論

（1）金屬橡膠試樣在全浸、間浸、連續(xù)鹽霧、周期鹽霧環(huán)境下腐蝕1 152h后，其腐蝕速率依次為0.033 8，0.036 0，0.025 8，0.030 8mm·a－1，動態(tài)平均剛度和耗能均有所增加，增幅大小與不同腐蝕環(huán)境中的腐蝕速率有關，腐蝕速率越大，動態(tài)平均剛度和耗能增幅越明顯。

（2）金屬橡膠試樣的腐蝕以點蝕為主，腐蝕產物呈斑狀分布，且不均勻。

（3）金屬橡膠在模擬海洋腐蝕環(huán)境下的阻尼損耗因子相對比較穩(wěn)定，具有一定的抗海洋腐蝕能力。

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