超高強(qiáng)極地船舶用鋼低溫海冰介質(zhì)磨損性能

王超逸　常雪婷　嚴(yán)玲　安濤　劉文月

關(guān)鍵詞：極地船舶用鋼；低溫；海冰；磨損；失重率

0 引言

由于極地具有豐富的油、氣資源，近年來世界各國越來越重視對南、北極地區(qū)的開發(fā)。隨著東北極地航線經(jīng)濟(jì)性和便利性的增加，市場對極地船舶的需求大大提高，這也增加了極地船舶用鋼的用量。在極地科考方面，2019年中國自行建造的雪龍2號極地科考船正式投入運行，然而該船用鋼鐵材料仍然是國外進(jìn)口的極地船舶用鋼，因此極地破冰船用鋼也是鋼鐵行業(yè)重點關(guān)注的產(chǎn)品。楊才福等系統(tǒng)研究了中國船舶與海工用鋼的發(fā)展情況，說明了特種船舶用鋼正向著強(qiáng)度更高、韌性更好、焊接線能量更大等方向發(fā)展。葉其斌等研究了極地船舶用鋼的應(yīng)用性能，指出極地船舶用鋼服役環(huán)境溫度長期在-10℃以下，甚至可低至-40℃左右，如此低的溫度，對極地船舶用鋼的綜合性能提出了很高的要求，即材料除了有較高的強(qiáng)度以外，還要保證在低溫下具有良好的塑性和韌性。王紅濤等綜合分析了極寒環(huán)境下厚規(guī)格船舶用鋼的發(fā)展，提出通過現(xiàn)有的TMCP工藝，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)已經(jīng)可以生產(chǎn)出大厚度的E、F級別極地船舶用低溫鋼，但沒有明確極地船舶用鋼的特殊性能要求。侯振偉研究了極地破冰船用球扁鋼，說明與傳統(tǒng)材料相比較，極地破冰船用球扁鋼在強(qiáng)度、硬度、低溫沖擊性能上都有著更加嚴(yán)格的要求。與常規(guī)海運船舶不同，極地運輸船、破冰船等極地船舶不可避免會與海冰介質(zhì)發(fā)生摩擦，低溫下堅硬的海冰會對極地船舶表面造成嚴(yán)重的影響，因此，有必要研究極地船舶用鋼在低溫海冰介質(zhì)下的磨損性能，分析海冰對極地船舶用鋼的磨損率。在國外，F(xiàn)REDERKING R等利用加拿大國家水利中心大型冰池，研究了不同相對速率下鋼鐵材料與海冰之間的磨損情況，試驗結(jié)果表明，噴漆的光滑鋼鐵表面與海冰之間滑動摩擦因數(shù)約為0.04，而粗糙的鋼鐵表面與海冰滑動摩擦因數(shù)約為0.14，但試驗沒有給出低溫海冰對鋼鐵造成的磨損量。在國內(nèi)，王鴻靈等研究了溫度對鋼鐵材料干摩擦性能的影響，說明在荷載一致的條件下，隨著溫度的降低，碳鋼的摩擦因數(shù)增大，磨蝕量增加，鋼鐵材料的低溫磨損量要大于在常溫下的磨損量。王東勝等研究了極地船舶用鋼的低溫干摩擦性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼鐵材料表面的帶狀組織可能提高材料的耐磨性，然而帶狀組織對材料整體性能的均一性不利，實際船舶用鋼組織必須盡可能保持均勻一致。孫士斌等研究了DH32船舶用鋼在模擬極地環(huán)境下的沖蝕磨損性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)海冰對鋼板表面有較強(qiáng)的磨損沖刷作用，海冰與船舶相對速度越高，沖蝕效應(yīng)越明顯。綜上，研究海冰磨損對極地船舶長期安全航行有重要意義，有必要明確高強(qiáng)度極地船舶用鋼在低溫海冰介質(zhì)環(huán)境下的磨損量。為此，本文采用460 MPa級超高強(qiáng)極地船舶用鋼作為試驗材料，測試了材料在低溫環(huán)境下強(qiáng)度、硬度及塑性，對比了不同環(huán)境下鋼鐵材料磨損失重率，利用大型自制專業(yè)設(shè)備模擬低溫海冰介質(zhì)，開展了極地船舶用鋼海冰介質(zhì)低溫磨損試驗，得到了極地船舶用鋼海冰介質(zhì)磨損量的參考值。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為460 MPa級超高強(qiáng)極地船舶用鋼，鋼板厚度為40 mm。具體生產(chǎn)流程為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→板坯連鑄→加熱→TMCP軋制→堆垛緩冷。連鑄坯加熱溫度為

1 150 ℃，均熱保溫時間為0.5～1.0 h， 粗軋溫度約為980 ℃，精軋溫度約為850 ℃，終軋溫度約為780 ℃。試驗材料化學(xué)成分見表1，材料基本力學(xué)性能見表2。

為了保證船舶用鋼可焊性良好，該材料的碳元素及其他合金含量較低，但是通過合適的軋制工藝，可使其變得強(qiáng)度高、塑性優(yōu)良、低溫韌性好，從而具有良好的綜合使用性能。根據(jù)材料的化學(xué)成分及基本性能，對照國標(biāo)規(guī)定，該材料符合EH460級超高強(qiáng)船舶用鋼的要求，適用于先進(jìn)極地船舶的建造。

1.2 試驗方法

首先，使用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣表面，利用蔡司observer 7光學(xué)顯微鏡觀察材料的組織形貌；在1/4厚度處取樣，將材料加工成直徑為

10 mm的圓棒狀低溫拉伸試樣，使用帶低溫環(huán)境箱的ZWICK-100拉伸試驗機(jī)測試材料在低溫下的強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率，試驗溫度為-10 ℃至-40 ℃，每間隔10 ℃測試1組數(shù)據(jù)，每個溫度做2個試樣的測試，測試結(jié)果取平均值。硬度測試時，先將試樣表面進(jìn)行打磨，利用DurJet10G5全自動洛氏硬度計測試試樣在常溫環(huán)境下的HRB硬度值，再把試樣放在小型容器內(nèi)，浸泡在-40 ℃低溫酒精介質(zhì)中，靜置10 min后連同小型容器一起取出，馬上放置在同款硬度計上，測試材料在低溫介質(zhì)浸沒環(huán)境下的表面硬度，每個環(huán)境測試5個點的硬度值，結(jié)果取平均值。

其次，為了分析材料在低溫下磨損性能的差異，將試樣切割成20 mm×20 mm×2 mm的小試樣，依次使用粒度為120.0、18.0、6.5 μm的砂紙打磨試樣表面，然后利用布魯克UMT-2型多功能摩擦磨損試驗機(jī)分析材料在低溫環(huán)境下的摩擦磨損性能，摩擦介質(zhì)為Al2O3硬質(zhì)摩擦頭，試驗環(huán)境分別為20 ℃常溫海水及-40 ℃低溫海水，摩擦壓載為30 N，摩擦形式為往復(fù)滑動，試驗時間為2 h，滑動速率為2 mm/s， 摩擦總距離約為

14.4 m。每個環(huán)境測試3個平行試樣，使用布魯克Contour GT-Ⅱ型白光干涉儀以及EM-30PLUS掃描電鏡來觀察磨損后試樣表面的磨痕深度和微觀形貌，分析材料在低溫下的磨損機(jī)理。

最后，將材料加工成200 mm×40 mm×40 mm的海冰介質(zhì)磨損試樣，并鉆2個固定用通孔，使用上海海事大學(xué)自制的極地環(huán)境試驗平臺（圖1），分析材料在極地低溫條件下的海冰介質(zhì)磨損性能。具體試驗步驟及參數(shù)為：將人工配置的模擬海水注入極地環(huán)境試驗平臺制冰槽；開啟極地低溫環(huán)境模擬平臺，設(shè)定環(huán)境溫度為-40 ℃，開啟制冰程序，當(dāng)制冰厚度達(dá)20 cm后，使用型號為WHP10的莫氏硬度筆測試冰硬度，達(dá)到莫氏5級以上時停止制冰；而后每摩擦4 h重新制冰，覆蓋并消除冰道磨痕，并檢測冰硬度達(dá)到莫氏5級以上，從而保證每次測量時海冰的硬度保持一致。將試樣固定在極地低溫環(huán)境模擬平臺上，使用螺栓緊固，確保試樣與平臺牢固連接。壓載設(shè)定力為400 N，平臺移動速度為0.5 m/s， 每次行程測試距離為8 m， 運動方式為往復(fù)運動，摩擦測試總行程為1 500 m。由于制冰及補冰較費時，測試總時間約為30 h。測試總行程完成后，拆下樣品，進(jìn)行拍照觀察并使用電子天平記錄鋼板摩擦前后質(zhì)量變化。

考慮到試樣的失重量與荷載及磨損試驗行程有關(guān)，因此使用單位歷程磨損失重率來描述材料的摩擦磨損性能，計算方法如式（1）所示。

P=Δm/LN （1）

式中：P為單位歷程磨損失重率，g/（N·m）；Δm為試樣的平均失重量，g； L為磨損試驗行程，m； N為試驗荷載，N。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 極地船舶用鋼顯微組織及低溫力學(xué)性能

鋼鐵材料的耐磨性主要依靠高硬度耐磨基體和耐磨強(qiáng)化的第二相來實現(xiàn)，高硬度耐磨基體代表性材料主要為奧氏體高錳鋼和馬氏體耐磨鋼，而耐磨強(qiáng)化第二相的材料有高鉻鑄鐵、高釩碳高速鋼等。然而，這些材料都難以直接使用在極地船舶結(jié)構(gòu)上，目前船舶用鋼主要產(chǎn)品仍然以低碳微合金材料為主。試驗材料顯微組織如圖2所示，可見該材料金相組織主要由多邊形鐵素體（F）與貝光體（B）構(gòu)成，晶粒度等級約為10級，屬于極細(xì)晶粒組織，細(xì)晶強(qiáng)化賦予了組織良好的強(qiáng)度和韌性。

在20 ℃常溫至-40 ℃低溫范圍環(huán)境內(nèi)，試驗材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率以及斷面收縮率隨溫度的變化規(guī)律如圖3所示。可見，隨著溫度的不斷下降，該材料在低溫環(huán)境下屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度都有一定程度的提升，兩者提升的趨勢較一致，屈強(qiáng)比變化不大；而材料的伸長率、斷面收縮率呈下降趨勢，伸長率由常溫下的27.5%下降至-40 ℃的26%左右，降幅較小；而斷面收縮率從常溫下的78%下降至-40 ℃的75%左右。

20 ℃常溫及-40 ℃低溫環(huán)境下試驗鋼的硬度見表3。由表3可見，試樣在常溫下洛氏硬度的平均值為81.38HRB，而在-40 ℃低溫介質(zhì)浸沒環(huán)境下洛氏硬度的平均值為83.94HRB，與常溫結(jié)果相比，材料在低溫介質(zhì)浸沒環(huán)境下硬度值略有上升。

以上試驗結(jié)果說明，極地船舶用鋼在低溫下的強(qiáng)度得到了提升，表面硬度略有上升，而對應(yīng)的塑性稍稍下降，低溫對材料的力學(xué)性能有明顯影響。因此，在考慮極地船舶用鋼的應(yīng)用性能時，不應(yīng)該僅僅以材料常溫力學(xué)性能作為唯一的評價標(biāo)準(zhǔn)，還需要考慮材料低溫下的性能變化。

2.2 不同環(huán)境下極地船舶用鋼磨損微觀形貌分析

極地船舶用鋼在冰區(qū)航行時，會遇到2種可能的海冰磨損情況：1）海水中漂浮著成塊的碎冰，這時船舶鋼結(jié)構(gòu)會受到冰、水混合物的沖刷和磨損，其屬于有液體介質(zhì)潤滑的濕摩擦；2）在更低溫度環(huán)境下，海面徹底結(jié)冰，這時船舶用鋼則是與固體海冰直接摩擦磨損，屬于干摩擦，極地破冰船在冰區(qū)領(lǐng)航時就是這種情況。為了模擬上述環(huán)境，共設(shè)計了2種不同環(huán)境下的磨損試驗：常溫海水濕摩擦環(huán)境、-40 ℃低溫干摩擦環(huán)境。每個環(huán)境做3個平行試樣，編號分別為1號、2號、3號。極地船舶用鋼在常溫海水環(huán)境下磨損后的磨痕輪廓如圖4所示，摩擦表面微觀形貌如圖5所示。使用低溫空氣冷卻方式將試樣溫度下降到-40 ℃，其他試驗條件不變，得到極地船舶用鋼-40 ℃低溫干摩擦磨痕輪廓如圖6所示、摩擦表面微觀形貌如圖7所示。

由圖4可見，常溫環(huán)境下，3個平行試樣的磨痕輪廓深度都在15～20 μm， 磨痕寬度約為800 μm， 試樣表面磨痕輪廓整體較整潔，這說明液體海水對摩擦有潤滑清洗作用。由圖5所示的試樣表面磨痕微觀形貌可見，3個平行試樣表面磨痕都以犁溝為主，梨溝狀磨痕清晰可見，部分位置上存在表面剝落現(xiàn)象，但從整體上看磨痕形貌排列規(guī)整，磨損機(jī)理一致。對比圖6和圖7，試樣低溫-40 ℃干摩擦環(huán)境下的磨痕及磨損形貌與常溫海水摩擦完全不同。低溫下，試樣的磨痕深度普遍在40～50 μm， 較常溫海水環(huán)境有較大增加，磨痕表面高低不平，磨痕形態(tài)不均勻。

3個試樣低溫-40 ℃干摩擦的表面微觀磨損形貌（圖7）顯示，常溫磨損下出現(xiàn)的大量整齊的梨溝磨痕在低溫干摩擦環(huán)境下幾乎看不到，但可見明顯的大范圍剝離，磨損表面主要為表面疲勞造成的黏著磨損失效。

使用電子天平測量試樣磨損前后質(zhì)量差，2種環(huán)境下得到試樣磨損失重量見表4。

由表4可知，在常溫海水介質(zhì)環(huán)境下，試樣平均磨損失重量約為0.001 9 g， 而在-40 ℃低溫干摩擦環(huán)境下，試樣平均磨損失重量約為0.008 2 g， 遠(yuǎn)高于常溫海水環(huán)境，這個結(jié)果與觀察到的材料表面磨損微觀形貌相符，說明低溫下材料的磨損量大大增加。究其原因，在常溫海水環(huán)境下，試樣表面受海水潤滑，摩擦因數(shù)較小，加之極地船舶用鋼常溫塑性變形較為容易，因此試樣磨損表面主要以深度一致的梨溝為主；然而，在低溫環(huán)境下，材料強(qiáng)度上升的同時塑性變形能力下降，材料磨損機(jī)理逐漸向表面疲勞和磨料磨損過渡，試樣表面硬顆?；蛭⑼黄鹪谀Σ吝^程中與Al2O3摩擦頭剛性碰撞，導(dǎo)致表面大面積變形和剝落，磨損嚴(yán)重，失重量大幅度上升。

通過式（1）可以計算得到極地船舶用鋼在常溫海水及低溫環(huán)境下的單位歷程磨損失重率分別為0.44E-05、1.90E-05 g/（N·m），低溫干摩擦環(huán)境下的失重率是常溫海水環(huán)境下的4倍多。

2.3 極地船舶用鋼在低溫海冰介質(zhì)環(huán)境磨損量

上述摩擦磨損試驗使用的對摩介質(zhì)是常用的Al2O3硬質(zhì)摩擦頭，但這與極地船舶海冰磨損實際情況不符。極地船舶尤其是極地破冰船等特種船舶，在低溫大厚度海冰中行駛時，海冰介質(zhì)會對船舶用鋼表面造成較大的阻力，進(jìn)而對船舶用鋼表面造成磨損，然而海冰的摩擦性能與Al2O3等常用摩擦介質(zhì)的性能明顯不同，因此需要根據(jù)實際情況，使用模擬海冰介質(zhì)來分析極地船舶用鋼的實際抗磨損性能。極地船舶用鋼低溫海冰介質(zhì)磨損試樣安裝位置、低溫海冰磨痕以及試樣磨損前后表面狀態(tài)如圖8所示。

試驗中，極地船舶用鋼試樣在設(shè)備垂直壓力及拖曳下，在低溫海冰介質(zhì)上反復(fù)摩擦，-40 ℃低溫保證了海冰介質(zhì)的硬度達(dá)到莫氏5級以上，整個試驗中摩擦力及摩擦因數(shù)的變化如圖9所示。

由圖9可見，在整個海冰磨損過程中，摩擦力隨著對摩時間的延長略有下降，從最高65 N逐漸降至45 N左右；摩擦因數(shù)雖隨著對摩時間的延長略有降低，但基本保持在0.15左右。研究表明，冰與結(jié)構(gòu)物間的摩擦因數(shù)對冰荷載影響很大，海冰與海上結(jié)構(gòu)物表面之間的滑動會導(dǎo)致冰荷載降低，進(jìn)而降低摩擦力。極地船舶用鋼與海冰之間的摩擦因數(shù)與其表面光滑度有關(guān)，本次試驗直接使用了軋制后的鋼板表面，沒有做打磨等表面處理，可以視為鋼板的原始粗糙表面狀態(tài)。文獻(xiàn)認(rèn)為，涂漆的鋼板表面與海冰摩擦因數(shù)較小，約為0.04，在整個試驗過程中變化較小；而表面粗糙的鋼板摩擦因數(shù)約為 0.14，在整個試驗過程中變化較大，在0.12～0.16范圍內(nèi)波動，約有25%～30%的變化，這與本文得到的結(jié)果較為一致。

極地船舶用鋼低溫海冰介質(zhì)磨損試驗得到的磨損失重率見表5。

需要說明的是，表5中的磨損失重率P是通過式（1）計算的低溫海冰介質(zhì)環(huán)境下的極地船舶用鋼磨損失重率，與前文Al2O3硬質(zhì)摩擦頭試驗得到低溫磨損結(jié)果不能進(jìn)行直接比較，其原因有以下2點：1）摩擦介質(zhì)不同，雖然-40 ℃低溫下海冰的硬度可達(dá)到莫氏5級以上，但是Al2O3硬質(zhì)摩擦頭的硬度還是超過了低溫海冰的硬度。2）接觸面積不同，Al2O3硬質(zhì)摩擦頭為直徑8 mm的球形，而極地船舶用鋼試樣為長方形，在整個試驗過程中，鋼板表面都與低溫海冰介質(zhì)緊密接觸，磨損面積較大。實際上，本試驗中極地船舶用鋼試樣與Al2O3硬質(zhì)摩擦頭的位置相似，可以看成是鋼質(zhì)磨頭在低溫海冰上相對移動。

對于極地船舶來說，值得關(guān)注的是經(jīng)過長期海冰磨蝕后的鋼板厚度損失。中國船級社在其規(guī)范中明確要求極地船舶用鋼厚度需要考慮海冰的磨耗作用，當(dāng)鋼板厚度低于要求值時，需要對鋼板換新。因此提升極地船舶用鋼的耐磨損能力，可以降低極地船舶因長期海冰磨損造成的損耗，進(jìn)而保證極地船舶的安全航行，延長船體的服役壽命，減少極地船舶的運營成本。因此，根據(jù)表5得到的磨損失重結(jié)果，可利用式（2）計算極地船舶用鋼低溫海冰介質(zhì)磨損厚度損失。

Tloss=Δm/ρSL·1852 （2）

式中：Tloss為鋼板單位海里航行厚度損失，m； ρ為鋼板密度，取7 850 kg/m3；S為樣品磨損面積，本次試驗為0.008 m2。

計算厚度損失時，試樣磨損前后的質(zhì)量差Δm取表5中的4.2 g； 試驗?zāi)p行程L取1 500 m， 考慮到船舶航行距離的長度計算單位為海里，1海里約為1 852 m， 故乘以1 852。將上述數(shù)據(jù)代入式（2），計算可得本次試驗極地船舶用鋼在-40 ℃模擬低溫海冰介質(zhì)磨損情況下，每海里的厚度損失約為0.000 082 m， 即0.082 mm。

本次試驗結(jié)果表明，不考慮其他影響因素，極地船舶用鋼在無保護(hù)情況下受海冰介質(zhì)磨損的厚度損失比較顯著。值得討論的是，前面的結(jié)果是通過極地船舶用鋼在-40 ℃低溫環(huán)境下與硬質(zhì)海冰直接磨損導(dǎo)致的質(zhì)量損失計算得到的，在試驗過程中鋼板一直受到400 N的向下壓力，使得鋼板與低溫海冰時刻處在對摩狀態(tài)，而且試樣的磨損面固定不變。然而，在實際極地船舶航行時，尤其在破冰過程中，船體并非直接沖向海冰，船體與海冰的接觸面不固定，船舶的吃水線也是變化的，因此，極地船舶破冰時的實際磨損情況并不與本次試驗環(huán)境完全一致。實際上，極地船舶尤其是極地破冰船，在船體基本防腐的基礎(chǔ)上，還會在鋼板表面噴涂堅固的耐磨環(huán)氧漆，耐磨漆膜表面光滑度極高，可有效防止冰層黏附在涂層表面，從而降低船體表面與海冰的摩擦力，減少海冰對船舶用鋼的損傷，最大限度地提高極地船舶的破冰效率。在耐磨漆的保護(hù)下，鋼板不會直接與低溫海冰摩擦，只有在特殊情況下，如船體表面的耐磨漆發(fā)生脫落后，才有可能出現(xiàn)模擬試驗中鋼板原始表面與低溫海冰磨損的情況。因此，本次試驗得到的數(shù)據(jù)應(yīng)該被看作無保護(hù)情況下、極地船舶用鋼與-40 ℃低溫硬質(zhì)海冰直接磨損時鋼板厚度損失的參考值。

3 結(jié)論

1）試驗結(jié)果表明，隨著溫度的下降，超高強(qiáng)極地船舶用鋼的強(qiáng)度提升，塑性下降，表面硬度略有上升。在使用極地船舶用鋼建造船舶及其他極地海上結(jié)構(gòu)物時，應(yīng)該考慮材料在實際服役環(huán)境下的綜合力學(xué)性能。

2）常溫海水環(huán)境下材料的磨損失重率約為0.44E-05 g/（N·m），而在-40 ℃低溫干摩擦環(huán)境下，磨損失重率高達(dá)1.90E-05 g/（N·m）。低溫下，材料磨損失效機(jī)理主要為表面疲勞和黏著磨損。

3）極地船舶用鋼在無保護(hù)情況下，受到-40 ℃低溫模擬硬質(zhì)海冰介質(zhì)磨損后，每海里的厚度損失約為0.082 mm。材料受低溫海冰介質(zhì)磨損而造成的厚度損失不可忽視，在選擇高性能極地船舶用鋼鐵材料時，有必要考慮材料本身抵抗低溫海冰磨損的能力。

本文摘自《中國冶金》2023年第8期