點(diǎn)狀腐蝕對(duì)鋁殼船船體板材力學(xué)性能影響研究

亓云飛，董彩常，李超

（青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司，山東 青島 266071）

鋁合金本身具有耐蝕性好、比強(qiáng)度高、密度低等優(yōu)勢(shì)，且近年來鋁合金的焊接技術(shù)有了較大的發(fā)展，因此鋁合金在海洋環(huán)境中的應(yīng)用在不斷拓展[1-3]。鋁殼船具有高速、節(jié)能的特點(diǎn)，在海洋中的應(yīng)用越來越多，鋁殼船數(shù)量的增多，使得鋁合金已經(jīng)發(fā)展成為船體建造的主要材料之一[4]。通過對(duì)鋁殼船的調(diào)研、檢查和跟蹤發(fā)現(xiàn)，鋁合金船體主要發(fā)生較為嚴(yán)重的呈彌散分布的點(diǎn)狀腐蝕。點(diǎn)狀腐蝕損傷將直接導(dǎo)致船體板材有效厚度的減薄，從而使船體板材承受載荷的能力下降[5-6]。因此，對(duì)于服役一定年限的鋁殼船，為了確保其船體結(jié)構(gòu)的安全，需研究點(diǎn)狀腐蝕對(duì)鋁質(zhì)船體板材力學(xué)特性的影響，以期為鋁殼船的維修維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為5083鋁合金板（船體板），如圖1所示。拉伸試樣形狀為啞鈴狀，尺寸為 200 mm×30 mm×3.5 mm，如圖2所示。力學(xué)性能試驗(yàn)參照GB/T 228.1—2010，試驗(yàn)參數(shù)包括：抗拉強(qiáng)度、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、斷后伸長率、彈性模量。針對(duì)船體用鋁合金板材，開展不同腐蝕情況的鋁合金板材的力學(xué)性能研究，重點(diǎn)研究鋁殼船服役10年無明顯腐蝕區(qū)鋁板、穿孔點(diǎn)蝕周圍區(qū)鋁板（包括穿孔點(diǎn)蝕周圍無點(diǎn)蝕區(qū)和穿孔周圍有點(diǎn)蝕區(qū)）、多點(diǎn)蝕區(qū)鋁板的力學(xué)性能損失，區(qū)域劃分如圖3所示。

圖1 鋁合金船體板（帶點(diǎn)狀腐蝕）

圖2 試樣規(guī)格及尺寸

圖3 鋁殼船船體板按腐蝕情況劃分

試樣加工要點(diǎn)如下：優(yōu)先使點(diǎn)蝕集中區(qū)位于拉伸試樣的平行長度區(qū)域，見圖2虛線框內(nèi)；根據(jù)點(diǎn)蝕程度的不同對(duì)拉伸試樣進(jìn)行分組；條件允許的情況下，盡量保證同點(diǎn)蝕等級(jí)的試樣有兩個(gè)試樣；將未發(fā)生點(diǎn)蝕的區(qū)域制作成相同規(guī)格的拉伸試樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣點(diǎn)蝕區(qū)原始形貌數(shù)據(jù)

在役鋁殼船船體板在海洋環(huán)境中發(fā)生的腐蝕多為點(diǎn)狀腐蝕，且為較深的孔狀，甚至出現(xiàn)穿孔。按試驗(yàn)要求，選取服役10年發(fā)生點(diǎn)狀腐蝕嚴(yán)重的鋁船體板（該鋁板散布著點(diǎn)狀腐蝕及穿孔），得到的點(diǎn)蝕區(qū)域及穿孔周圍有點(diǎn)蝕的區(qū)域如圖4所示。服役10年的鋁合金船體板，呈現(xiàn)部分區(qū)域點(diǎn)蝕嚴(yán)重現(xiàn)象，點(diǎn)蝕形貌呈凹坑狀、潰瘍狀等[7-9]。點(diǎn)蝕相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)見表1，點(diǎn)蝕相關(guān)參數(shù)測(cè)量參照GB/T 18590—2001《金屬和合金的腐蝕 點(diǎn)蝕評(píng)定方法》。由表1數(shù)據(jù)可知，所取船體板材腐蝕情況較嚴(yán)重，船體板材厚度為3.5 mm，最大點(diǎn)蝕深度可達(dá)3 mm。

對(duì)穿孔周圍有點(diǎn)蝕區(qū)域平行樣的點(diǎn)蝕形貌進(jìn)行比較，點(diǎn)蝕最嚴(yán)重的為 4-4，點(diǎn)蝕覆蓋面積、最大點(diǎn)蝕深度、最大點(diǎn)蝕體積均最大；點(diǎn)蝕最輕微的為4-1，四個(gè)點(diǎn)蝕參數(shù)均最小。對(duì)多點(diǎn)蝕區(qū)域平行樣間點(diǎn)蝕形貌相互比較，點(diǎn)蝕較嚴(yán)重的為 5-1、5-4、5-6，其中5-4點(diǎn)蝕覆蓋面積最大，但5-1、5-6點(diǎn)蝕深度較大。5-6點(diǎn)蝕覆蓋面積較5-1大，但點(diǎn)蝕深度較?。ㄏ嗖畈淮螅?。5-2、5-3、5-5三個(gè)平行樣，點(diǎn)蝕覆蓋面積相同，但點(diǎn)蝕深度從小到大為5-2、5-5、5-3。

2.2 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

拉伸試驗(yàn)參照GB/T 228.1—2010，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，服役10年無明顯點(diǎn)蝕區(qū)鋁板的拉伸強(qiáng)度較未服役鋁板強(qiáng)度損失了 34 MPa，損失率為9.3%。服役10年無明顯點(diǎn)蝕區(qū)與穿孔周圍無點(diǎn)蝕區(qū)拉伸強(qiáng)度相差不大，穿孔周圍有點(diǎn)蝕區(qū)及多點(diǎn)蝕區(qū)試樣拉伸強(qiáng)度損失較大，平均值在200 MPa以下。

圖4 服役鋁板點(diǎn)蝕區(qū)域點(diǎn)蝕形貌圖片

表1 服役鋁板點(diǎn)蝕區(qū)域點(diǎn)蝕形貌統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表2.2 服役鋁板各區(qū)試樣拉伸性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 分析

未服役鋁板抗拉強(qiáng)度為360 MPa，服役后無點(diǎn)蝕區(qū)域的鋁板拉伸性能為330 MPa，而帶點(diǎn)蝕區(qū)域鋁板的拉伸性能平均值在200 MPa左右。此次試樣中帶點(diǎn)蝕的鋁板拉伸性能損失率在 12%~56%之間，可見點(diǎn)蝕對(duì)鋁板力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。帶點(diǎn)蝕的樣板在拉伸時(shí)，點(diǎn)蝕處形成應(yīng)力集中，增加了裂紋源，使得拉伸性能急劇下降[10-12]。

鋁殼船板材點(diǎn)蝕樣板分為兩類，一類為穿孔周圍有點(diǎn)蝕區(qū)試樣，一類為多點(diǎn)蝕區(qū)域試樣。由穿孔周圍有點(diǎn)蝕區(qū)鋁板性能結(jié)合點(diǎn)蝕形貌與拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知：對(duì)穿孔周圍有點(diǎn)蝕區(qū)域平行樣，點(diǎn)蝕最嚴(yán)重的為4-4，點(diǎn)蝕覆蓋面積、最大點(diǎn)蝕深度均最大；點(diǎn)蝕最輕微的為4-1，四個(gè)點(diǎn)蝕參數(shù)均最小。4-4的抗拉強(qiáng)度、塑性延伸強(qiáng)度為平行樣中最小的，抗拉強(qiáng)度僅為145 MPa。4-1的抗拉強(qiáng)度、塑性延伸強(qiáng)度最大，抗拉強(qiáng)度為291 MPa。4-2、4-3、4-5、4-6的拉伸強(qiáng)度由大到小排序?yàn)椋?-6、4-3、4-2/4-5。由點(diǎn)蝕數(shù)據(jù)可知，最大點(diǎn)蝕深度由大到小排序?yàn)椋?-2、4-5、4-3、4-6。點(diǎn)蝕試樣拉伸強(qiáng)度損失規(guī)律基本符合最大點(diǎn)蝕深度變化規(guī)律，因此點(diǎn)蝕的腐蝕深度更能決定材料的拉伸性能變化，腐蝕深度越深，拉伸強(qiáng)度越小，材料越容易斷裂失效。

對(duì)多點(diǎn)蝕區(qū)域平行試樣間點(diǎn)蝕形貌進(jìn)行比較，點(diǎn)蝕較嚴(yán)重的為5-1、5-4、5-6，其中5-4點(diǎn)蝕覆蓋面積最大，但5-1、5-6點(diǎn)蝕深度較大， 5-4的抗拉強(qiáng)度、彈性模量較5-1、5-6大。5-6點(diǎn)蝕覆蓋面積較5-1大，但點(diǎn)蝕深度較?。ㄏ嗖畈淮螅囼?yàn)結(jié)果顯示，5-6的抗拉強(qiáng)度及彈性模量較5-1大。5-2、5-3、5-5三個(gè)平行樣，點(diǎn)蝕覆蓋面積相同，但點(diǎn)蝕深度從小到大均為 5-2、5-5、5-3，拉伸強(qiáng)度從大到小為 5-2、5-3、5-5，其中5-3、5-5點(diǎn)蝕深度相差不大，拉伸強(qiáng)度也相差不大。由此可知，影響拉伸強(qiáng)度的腐蝕因素中，腐蝕深度比點(diǎn)蝕覆蓋面積的影響大，腐蝕深度越深，拉伸強(qiáng)度越小，材料越容易失效[10-11]。

比較穿孔周圍有點(diǎn)蝕區(qū)試樣與多點(diǎn)蝕區(qū)域試樣拉伸性能，發(fā)現(xiàn)兩類試樣拉伸性能相差不大，均為200 MPa左右。由此可知，穿孔對(duì)帶點(diǎn)蝕試樣性能的影響不大，因?yàn)榇┛撞课粚?duì)周邊性能影響范圍較小。

3 結(jié)論

1）鋁板無點(diǎn)蝕區(qū)試樣包括無明顯腐蝕區(qū)試樣、穿孔周圍無點(diǎn)蝕區(qū)試樣，拉伸強(qiáng)度均在 330 MPa左右，抗拉強(qiáng)度損失率為 9.6%，在小損失量范圍。因此鋁板表面若無損傷，力學(xué)性能損失量較小。

2）服役鋁板有點(diǎn)蝕區(qū)試樣包括：穿孔周圍有點(diǎn)蝕區(qū)試樣、多點(diǎn)蝕區(qū)試樣拉伸強(qiáng)度會(huì)降低到300 MPa以下，點(diǎn)蝕嚴(yán)重區(qū)在145 MPa左右，如4-4，最大點(diǎn)蝕深度達(dá)87.7%，抗拉強(qiáng)度損失率達(dá)56%。因此服役鋁板有點(diǎn)蝕區(qū)相較于服役鋁板無點(diǎn)蝕區(qū)力學(xué)性能損失較明顯。

3）根據(jù)服役鋁板有點(diǎn)蝕區(qū)包括穿孔周圍有點(diǎn)蝕區(qū)、多點(diǎn)蝕區(qū)試樣力學(xué)性能損失數(shù)據(jù)及服役鋁板點(diǎn)蝕形貌統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知：點(diǎn)蝕深度越大，力學(xué)性能損失越大；相同點(diǎn)蝕覆蓋面積試樣，點(diǎn)蝕深度較大的，力學(xué)性能損失較大；穿孔對(duì)周圍區(qū)域性能影響不大。因此，影響鋁合金力學(xué)性能的點(diǎn)蝕因素中，點(diǎn)蝕深度影響較大。