空蝕誘發相變對金屬材料抗空蝕性能的影響

摘要：本文以亞穩態金屬為對象研究其抗空蝕性能與空蝕誘發相變的關系。試驗中用旋轉圓盤試驗機為工具，以Fe-Mn-Si合金、Fe-Cr-Ni 和Fe-Cr-Mn-Ni為例，得到的實驗結果是三者的抗空蝕性能分別達到0Cr13Ni5Mo的7.3倍、1.6倍與1.8倍；并且誘發馬氏體相變與抗空蝕性能、應力的相應及其能量耗散有密切的關系。

關鍵詞：空蝕 不銹鋼 亞穩態金屬材料 抗空蝕性能 馬氏體相變

空蝕現象是一種導致材料加速毀壞的物理現象，經常發生在與水接觸的材料表面，尤其是高速運動的材料表面，例如水泵、船塢螺旋槳表面以及水輪機等。空蝕現象的存在嚴重的影響了在水下運轉的部件的壽命，造成了巨大的資源與能源的浪費。特別是隨著水輪機以及軍用的艦船向著高速發展，研究空蝕問題顯得更為重要。近年的研究在金屬的抗空蝕方面做出了很大的進展，但是在亞穩態方面的研究還不多見，下面就已以亞穩態金屬為例，探討空蝕誘發的馬氏體相變對對金屬材料的抗空蝕性能的作用。

1 空蝕的定義及產生原理

空蝕一般指水流在某處的流速增加導致的材料在局部的壓力變化而產生氣化，氣泡的形成以及潰滅會對于材料的表面產生局部的破壞。

其原理可以解釋為：在液體的不停的流動中會由于某些特殊的原因而使得局部的壓力突然的降低，如果此壓力小于該溫度條件下液體的氣化壓，那么該部分的液體就會發生氣化的現象，形成氣泡。如果這些生成的氣泡隨著液體的運動而到達了壓力較高的區域，空泡就會因為存在條件改變而潰滅，這將會導致局域壓力的驟增。如果這一過程在液體流中不斷的反復，與之接觸的材料的表面就會受到連續不斷的壓力沖擊，這就會導致材料的疲勞破損甚至表面的剝蝕，即為空化剝蝕，也叫空蝕。

2 實驗材料與方法

本實驗采用0Cr13Ni5Mo不銹鋼為參照，研究近年來的亞穩態新材料，例如Fe-Mn-Si合金、Fe-Cr-Ni 和Fe-Cr-Mn-Ni。將上述的四種材料在950-1150的溫度下進行鍛打，并且在實驗前進行固溶化處理，其結果是參照組的0Cr13Ni5Mo的組織是大部分的馬氏體與少量的奧氏體，三種對照組材料的組織是奧氏體。

本實驗采用旋轉圓盤試驗機，將準備好的樣品安置于試樣臺上，線速度設定為45m/s，其空化源尺寸d為16mm、水溫為20±5℃、水壓為0.1MPa。稱取試樣時先將樣品用丙酮進行超聲波清洗，采用精度在0.1mg的BS210S電子秤進行準確的稱量。觀察使用的是S-2700型SEM以及日本理學D/Max-3c的XRD，從而得到空蝕表面的組織結構及微觀的形貌。

3 實驗的現象

3.1 空蝕的形貌 空蝕現象是一個漸進的過程，起初的現象不明顯，只是出現局部區域的點狀的侵蝕坑，隨著空蝕的時間延長，在試驗中的四種金屬的表面都可以觀察到明顯的瓜子形的空蝕區域，如圖1所示，Fe-Mn-Si合金其它三種的微觀形貌與有著很大的不同，后三種的材料的空蝕形貌呈現爆玉米花形狀。Fe-Cr-Ni 和Fe-Cr-Mn-Ni所形成的空蝕區域形狀相差不大，而且較之Fe-Mn-Si合金的空蝕區域的瓜子形要大，并且都要比0Cr13Ni5Mo的空蝕區域要小，也就是說比0Cr13Ni5Mo的抗空蝕能力強。

3.2 抗空蝕性能 抗空蝕性能的研究通過累計質量損失來衡量，且與質量的損失的倒數成正比關系。圖1就是空蝕累計損失質量與時間t的關系圖，從圖中可以看出，金屬的空蝕過程可以分為三個時期：空蝕的前期可以說是一個孕育階段，累計質量損失不發生變化；過了孕育期，隨著時間的延長，質量的損失不斷的增加，而且不同的材料的質量損失的差異也表現了出來；最后質量的損失速度趨于穩定，可計算出抗空蝕性能。

從圖中可以清晰的看到：0Cr13Ni5Mo的累計質量損失為26.3mg，我們以此為標準，設定它的抗空蝕能力為單位1.0，則Fe-Mn-Si合金、Fe-Cr-Ni 和Fe-Cr-Mn-Ni的相對抗空蝕性能分別為7.3、1.6、1.8。即實驗用的亞穩態的三種材料的抗空蝕性能明顯的高于用于水輪機的0Cr13Ni5Mo不銹鋼。

4 實驗結果的討論

試驗中得到的三種亞穩態材料的抗空蝕特性有著較為明顯的差異，其原因只能從其微觀機理進行分析。由于空蝕的發生是因為材料吸收了空泡潰滅所釋放的能量所導致的結構破壞，因此抗空蝕特性可以理解為避免材料吸收能量或者轉移能量的特性，而這就要考慮材料的動態力學響應。

將試驗中的三種材料進行XRD 測試，圖譜見上圖2、3、4，其結果表明Fe-Mn-Si合金中誘發了密排六方晶體結構的馬氏體相變，而Fe-Cr-Ni 和Fe-Cr-Mn-Ni中分別有94.1%與88.6%的體積誘發了體心立方晶體馬氏體相變。

也就是說在空蝕的過程中由于材料被誘發了不同結構的馬氏體相變而導致了抗空蝕能力的不同。其微觀的機理可以解釋為：材料在空蝕中釋放了一定的能量，馬氏體的誘發也要吸收一定的能量，如果這些能量可以被馬氏體相變的誘發利用，那么這種材料就具有較高的抗空蝕能力。

由以上的分析可知，空蝕誘發的馬氏體相變有利于材料抗空蝕能力的增強。而且如果誘發的馬氏體相變可以像Fe-Mn-Si合金一樣可以發生馬氏體的逆轉變，則這種材料的抗空蝕性能更加會大大的提高。

5 結論

由本文的試驗分析可以得到以下三個結論：

①材料的空蝕形貌大致的呈現為瓜子形，但是其大小有很大的差別；②三種合金的誘發的馬氏體類型不同，也導致其抗空蝕能力的巨大差異，其相對的大小為7.3、1.6與1.8。③抗空蝕的能力可以通過誘發馬氏體相變獲得，并且與動態相變對應力的相應有重要的關聯。馬氏體的誘發及其逆轉變增加了能量的耗散與偽彈性，提高了金屬的抗空蝕能力。

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