孫士斌, 強(qiáng) 強(qiáng), 王東勝, 趙子銘, 康 健, 常雪婷*

(1.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院, 上海 201306;2.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 201306;3.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

隨著大陸資源的逐漸枯竭以及全球日益變暖，海洋環(huán)境也在不斷發(fā)生著變化，發(fā)展海洋戰(zhàn)略已經(jīng)成為各個(gè)大國(guó)新的戰(zhàn)略重點(diǎn).極地地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源、礦產(chǎn)資源以及一些天然氣等自然資源[1-2].隨著人類對(duì)極地區(qū)域的不斷深入考察，形成了東北航道以及西北航道兩條規(guī)模化的北極航道，越來(lái)越多的國(guó)家爭(zhēng)先恐后的投入到極地海洋資源開發(fā)和利用中，破冰船作為極地科考必備關(guān)鍵設(shè)備，成為各國(guó)發(fā)展海洋工程的一大利器.然而，海洋環(huán)境和北極航道存在溫度低、海水環(huán)境復(fù)雜以及海冰載荷等諸多不利環(huán)境因素，對(duì)在北極地區(qū)航行的科考船及運(yùn)輸船用鋼的性能提出了很高的要求[3].我國(guó)在2019年11月自主建造了第一艘極地破冰船“雪龍2”號(hào)，其在南極首航期間，在南極考察站—中山站附近普里茲灣固定冰區(qū)，首次自主開展了一系列專業(yè)破冰試驗(yàn)[4]，標(biāo)志著我國(guó)在科考領(lǐng)域取得巨大進(jìn)步[5].

鋼材作為海洋船舶最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料，在海洋服役船舶中應(yīng)用廣泛，但是要從成本和性能等方面對(duì)船用低溫鋼進(jìn)行綜合考慮.新型船用鋼板的耐磨蝕性能對(duì)于在極地區(qū)域航行的船舶設(shè)計(jì)十分重要[6].在極地航行的船舶會(huì)與冰層產(chǎn)生連續(xù)的撞擊和摩擦，從而破壞船體導(dǎo)致船體產(chǎn)生變形和疲勞失效[7-8].同時(shí)，極地船舶在航行時(shí)船體鋼板也會(huì)與海水接觸，受到海水的浸泡腐蝕影響[9].所以極地船舶不僅需要承受冰層的撞擊還要長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受海水的腐蝕.“雪龍2”號(hào)極地科考船的船體鋼板大部分從國(guó)外進(jìn)口，嚴(yán)重影響了我國(guó)新型高性能極地航行船舶的設(shè)計(jì)、開發(fā)和建造進(jìn)程.低溫船舶用鋼對(duì)硬度、強(qiáng)度、韌性、低溫性能、耐磨損以及耐腐蝕性能都有一定要求[10]，船舶制造行業(yè)的重難點(diǎn)仍是焊接時(shí)的操作，為了滿足船舶的焊接需求，船舶用鋼還需要保持良好的焊接性能[11-12].我國(guó)也在努力的探索研制出一系列的超強(qiáng)度鋼[13].宋鴻印等[14]在不同取樣部位鋼樣加工成沖擊試樣進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，研究不同的取樣部位對(duì)沖擊結(jié)果的影響，結(jié)果表明沿著鋼板的厚度方向，取樣位置從鋼板的表層逐漸到芯部的過(guò)程中沖擊值從高逐漸變低.軋制鋼板在焊接成船板之前要進(jìn)行表面處理，并且進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，取樣部位對(duì)于性能評(píng)價(jià)至關(guān)重要，所以必須予以綜合考慮.

之前的研究大多關(guān)注于不同取樣部位對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響，隨著破冰船國(guó)產(chǎn)化建造要求提高，低溫船舶用鋼的耐磨耐蝕性能也應(yīng)予以考慮.本文中使用多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)、白光干涉儀以及掃描電子顯微鏡(SEM)等設(shè)備考察了對(duì)于不同厚度鋼材、表面中心取樣以及不同溫度條件對(duì)鋼材耐磨性能的影響，分析了其摩擦磨損失效機(jī)理，旨在為中國(guó)極地船舶建造選材提供指導(dǎo).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)用FH36船用低溫鋼

試驗(yàn)所用的低碳合金鋼是國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的兩種FH36級(jí)別低溫船用鋼[分別以A1 (厚度20 mm)、A2(厚度40 mm)命名]，鋼材成分列于表1中.在鋼板表面及1/2處分別切割10 mm×10 mm×3 mm的片狀鋼樣，采用280#、400#、800#、1200#及1500#水磨砂紙對(duì)其6個(gè)面進(jìn)行逐級(jí)打磨，除去鋼板的原始銹層，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.然后使用無(wú)水乙醇以及去離子水分別超聲清洗15 min，放入干燥箱內(nèi)，常溫干燥保存后備用.

鋼材中不同合金元素對(duì)鋼材的性能有一定影響[15]，由表1可知，在本文中使用的測(cè)試鋼樣含有低碳微合金元素，其中A2的Mo元素及V元素都高于A1.鋼材中所添加的Mo元素有細(xì)化鋼的晶粒、提高淬透性和熱強(qiáng)性能的作用，同時(shí)，在高溫時(shí)也可以使鋼材保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力；而較高含量的V元素也有細(xì)化組織晶粒、提高強(qiáng)度和韌性的作用，兩種鋼樣中Mn元素在小于1.5%的范圍內(nèi)有細(xì)化晶粒作用，可以改善材料低溫韌性.圖1所示為兩種鋼樣的金相組織圖，由圖1可知，兩種鋼樣表面和1/2位置處的微觀組織中都存在珠光體和鐵素體，其保證了鋼樣在低溫環(huán)境下依舊具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[16].兩種鋼樣表面位置晶粒尺寸都小于1/2位置晶粒尺寸，A1表面位置晶粒和1/2位置晶粒的平均直徑分別約為29和37 μm； A2的約為16.5和23 μm.

表1 船用低溫鋼化學(xué)成分Table 1 Design chemical composition of marine low temperature steel

經(jīng)過(guò)不同軋制程序，獲得的兩種鋼樣A1的厚度和A2的厚度以及力學(xué)性能列于表2中.

由表2可知，A2的力學(xué)性能要優(yōu)于A1的力學(xué)性能.使用HBRVS-187.5數(shù)顯布洛維硬度計(jì)在試驗(yàn)力和保荷時(shí)間分別為9.807 N和10 s的條件下，測(cè)試兩種鋼樣硬度值，結(jié)果如圖2所示，表層的鋼樣硬度都大于1/2處鋼樣的硬度，且A2鋼樣的硬度明顯大于A1的硬度.與兩種鋼樣的成分相對(duì)照發(fā)現(xiàn)硬度較大的原因與A2中鉬元素以及釩元素的含量較高有關(guān).利用能譜儀測(cè)定兩種鋼樣摩擦后的表面元素分布，結(jié)果如圖3所示，由圖3可知兩種鋼樣的摩擦表面和磨屑中都含有Fe和O元素，其中Fe元素來(lái)自于鋼材的基體，而O元素則來(lái)自于兩種鋼板的接觸面在摩擦磨損的過(guò)程中發(fā)生了氧化反應(yīng)從而形成的氧化層.

表2 鋼樣力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of steel samples

Fig.1 Metallographic structure of steel samples: (a) A1 surface; (b) A1 middle; (c) A2 surface; (d) A2 middle圖1 鋼樣金相組織：(a) A1表層；(b) A1芯部；(c) A2表層；(d) A2芯部

Fig.2 Steel sample hardness圖2 鋼樣硬度

在本試驗(yàn)中采用體積磨損量表征鋼材不同部位在不同溫度下的磨損量[17]，由于已知了10個(gè)鋼樣的磨痕深度，利用磨痕截面圖算出磨痕面積(S)，用磨痕面積與磨痕長(zhǎng)度(L=5 mm)之積可以近似求得磨損體積(V1)，其與總體積(V)之比即可得到磨損率(X)，因此

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)試驗(yàn)用鋼樣拋光處理后，采用體積分?jǐn)?shù)為5%的HNO3和95%的無(wú)水乙醇配置了金相腐蝕液，對(duì)鋼樣的表面進(jìn)行腐蝕.再使用去離子水和無(wú)水乙醇洗凈后吹干，最后用金相顯微鏡觀察鋼樣的金相微觀組織.

試驗(yàn)分別在20以及-20 ℃的環(huán)境中采用UMT-2 TriboLab型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)選取磨球?yàn)檠趸X磨球(Al2O3)，直徑為8 mm，摩擦方式為球面接觸，往復(fù)摩擦距離5 mm，載荷為20 N，頻率2 Hz，測(cè)試時(shí)間為2 h.使用Bruker Contour GT-1型白光干涉儀對(duì)鋼樣在摩擦磨損后的磨痕輪廓進(jìn)行測(cè)量.利用公式通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)后鋼樣的體積損失計(jì)算出鋼樣的磨損量；并對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)所得到的摩擦系數(shù)和磨損量進(jìn)行對(duì)比分析.使用CXS-5TAH-118340掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)鋼樣的表面形貌進(jìn)行觀察并進(jìn)行摩擦磨損機(jī)理分析.

Fig.3 Energy spectra of steel samples: (a) A1; (b) A2圖3 鋼樣的能譜圖：(a) A1；(b) A2

2 結(jié)果與討論

2.1 FH36船用低溫鋼摩擦系數(shù)

由于本文作者研究的低溫船用鋼適用于海冰摩擦環(huán)境，因此其表面摩擦系數(shù)對(duì)于鋼材表面耐磨性能及船舶行駛能耗影響都很明顯，需要重點(diǎn)研究.在前期研究的基礎(chǔ)上[18]，確定本文中的摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)Σ習(xí)r間為2 h，冰區(qū)采用較大的載荷(20 N)，主要是為了保證摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，從而減少數(shù)據(jù)偶然性的概率.圖4所示為兩種鋼材在不同溫度和不同取樣部位下的平均摩擦系數(shù).

Fig.4 Diagram of average friction coefficients at surface and 1/2 of A1 and surface and 1/2 of A2 圖4 A1表層和1/2處、A2表層和1/2處平均摩擦系數(shù)圖

由圖4可知，在20 ℃的環(huán)境下，Al2O3陶瓷球和A1表層位置組成的摩擦副平均摩擦系數(shù)約為0.54，A1在1/2處的鋼樣平均摩擦系數(shù)約為0.36，A2表層鋼樣平均摩擦系數(shù)約為0.43，A2在1/2處的鋼樣平均系數(shù)約為0.42；在?5 ℃的環(huán)境下，Al2O3陶瓷球和A1表層位置組成的摩擦副平均摩擦系數(shù)約為0.72，A1在1/2處的鋼樣平均摩擦系數(shù)約為0.65，A2表層鋼樣平均摩擦系數(shù)約為0.74，A2在1/2處的鋼樣平均摩擦系數(shù)約為0.83；在?20 ℃的環(huán)境下，Al2O3陶瓷球和A1表層位置組成的摩擦副平均摩擦系數(shù)約為0.91，A1在1/2處的鋼樣平均摩擦系數(shù)約為1.01，A2表層鋼樣平均摩擦系數(shù)約為0.76，A2在1/2處的鋼樣平均摩擦系數(shù)約為0.85；可以發(fā)現(xiàn)，在20 ℃溫度條件下，兩種試樣芯部的摩擦系數(shù)要小于表面位置的摩擦系數(shù)，因?yàn)檐堉其摪宓谋砻娼M織為鐵素體和珠光體為主，而在1/2位置處鋼樣的表面組織為鐵素體、珠光體和粒狀貝氏體，所以表層的硬度大于1/2位置鋼樣的硬度，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)表層大于芯部；而隨著測(cè)試溫度的降低，對(duì)于相同的鋼樣，摩擦系數(shù)隨溫度降低而增大，因?yàn)榈蜏丨h(huán)境下，摩擦副磨粒磨損為主，而氧化磨損和黏著磨損的影響則逐漸減弱，導(dǎo)致摩擦系數(shù)變大，而且芯部與表面的摩擦系數(shù)變化也有所不同.

2.2 FH36船用低溫鋼磨損量

根據(jù)公式(1)的計(jì)算可以得到兩種鋼樣在不同取樣部位的磨損量列于表3中.

綜合表3中數(shù)據(jù)及圖5中鋼樣的磨痕深度圖可以看出，兩種鋼材1/2位置的鋼樣磨損量及磨痕形貌照片在20和?5 ℃兩種溫度條件下變化趨勢(shì)幾乎完全一致，均為A2表面磨損量最小，磨痕寬度和深度較小，其中磨痕寬度最大約為1 mm，深度約為15 μm，磨損率約為0.16%；其次是A1表面、A2芯部及A1芯部，A1芯部的最大磨痕深度約為35 μm，磨損率約為0.38%，且磨痕犁溝形態(tài)明顯，說(shuō)明在20及?5 ℃條件下，鋼材的摩擦機(jī)理以磨料磨損為主.在?20 ℃條件下，四種鋼樣的磨損量明顯增加，磨痕寬度及深度都大幅增大.其中A2表面樣品仍然保持了最優(yōu)的抗磨性能，其磨損率約為1.63%，磨痕寬度約為1.5 mm，但是磨痕深度達(dá)到78 μm左右；另外A1表面、A2芯部及A1芯部的磨痕差別不大，磨損率為2.59%~2.85%，磨痕寬度最大約為1.8 mm，深度約為115 μm，而且磨痕表面更加光滑平整.從上述數(shù)據(jù)中可以看出，雖然?20 ℃遠(yuǎn)遠(yuǎn)未到FH36級(jí)別鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，但是由低溫帶來(lái)的材料耐摩擦磨損性能劣化已經(jīng)顯現(xiàn).晶粒細(xì)小的A2表面鋼樣由于細(xì)晶強(qiáng)化作用在一定程度上改善了鋼材的低溫耐磨性劣化問(wèn)題，說(shuō)明微觀組織對(duì)于鋼樣低溫耐磨性至關(guān)重要；但是合金成分對(duì)鋼樣低溫耐磨性影響不大[19].同樣的溫度條件下鋼樣的磨損量與硬度也有一定關(guān)系，鋼樣的硬度越大其耐磨性越好，磨損量越小.

表3 不同鋼樣磨損率Table 3 Different wear rates of steel samples

2.3 FH36船用低溫鋼摩擦磨損機(jī)理分析

20 ℃環(huán)境下四種鋼樣磨痕微觀形貌的SEM照片如圖6所示.與白光干涉獲得的磨痕表面形貌相似，A1表面、芯部和A2芯部鋼樣的磨痕比較相似，都存在剝落坑和犁溝，表明摩擦磨損機(jī)理主要是磨粒磨損和表面疲勞磨損二者相結(jié)合.A2表面鋼樣的磨痕上存在部分凸起，表明其摩擦磨損機(jī)理以黏著磨損為主.

?20 ℃低溫環(huán)境下四種鋼樣磨痕微觀形貌的SEM照片如圖7所示.由圖7可知，常溫和低溫環(huán)境下鋼樣的磨痕形貌有較大差別.低溫環(huán)境下四種鋼樣表面都存在嚴(yán)重的剝落現(xiàn)象，其中A1、A2芯部樣品都出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝落坑和剝落溝槽，說(shuō)明鋼材在低溫條件下，鋼材表面局部硬度提升后，摩擦導(dǎo)致的部分表面材料脫落會(huì)加劇表面磨損，更易產(chǎn)生更寬更深的磨痕.

Fig.5 Depth map of wear marks: (a) 20 ℃; (b) ?5 ℃; (c) ?20 ℃圖5 磨痕深度圖：(a) 20 ℃；(b) ?5 ℃；(c) ?20 ℃

Fig.6 SEM micrographs of wear scar morphology of steel samples: (a) A1 surface; (b) A1 middle; (c) A2 surface; (d) A2 middle圖6 鋼樣磨痕表面微觀形貌的SEM照片：(a) A1表層；(b) A1芯部；(c) A2表層；(d) A2芯部

Fig.7 SEM micrographs of wear scar morphology of steel samples: (a) A1 surface; (b) A1 middle; (c) A2 surface; (d) A2 middle圖7 鋼樣磨痕表面微觀形貌的SEM照片：(a) A1表層；(b) A1芯部；(c) A2表層；(d) A2芯部

3 結(jié)論

a.同一級(jí)別(FH36)不同合金含量的鋼樣在相同試驗(yàn)溫度下的耐磨性有較大差異，其中A2的磨損量小于A1磨損量，表現(xiàn)了良好的綜合使用性能，這可能是因?yàn)槠浜休^高鉬元素和釩元素.

b.未低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度的環(huán)境對(duì)低溫鋼材的耐磨性能影響較大，常溫下的耐磨性明顯好于低溫下的耐磨性，因此對(duì)于極地船舶及平臺(tái)使用鋼材，必須要在進(jìn)行低溫力學(xué)性能評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上進(jìn)行其耐冰載荷摩擦測(cè)試，以保證結(jié)構(gòu)安全性.

c.低溫鋼材微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于樣品的耐磨性影響較合金元素含量影響更加顯著，表層樣品經(jīng)過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化后期耐磨性一般優(yōu)于芯部位置.

d.兩種低溫船用鋼在不同取樣部位和不同溫度條件下的磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，疲勞磨損和黏著磨損為輔.