Page 51 - 《摩擦学学报》2021年第4期

494 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

DH32 steel under different simulated speeds was studied using the weight loss method. The microstructure and 3D
surface profile of the DH32 steel after erosion-wear tests were characterized by scanning electron microscopy and white
light interference microscopy, respectively. The erosion-wear and corrosion mechanisms of the DH32 steel under
different testing conditions were discussed. Results showed that the weight loss rate of the DH32 steel increased with the
increase of both the erosion-wear speed and ice-water ratio, and the largest weight loss rate occurred when the simulated
speed was 6 knots and the ice/water ratio was 1:2. The erosion-wear mechanism of the DH32 steel under the ice-water
environment was dominated by abrasion pits, plowing, furrows, and sliding pits. In addition, the anti-sand erosion-wear
resistance of the DH32 steel under sand-water environment at room temperature was examined. It was found that the
tests conducted in the sand-water mixture with 43% sand amounted to those conducted in the ice-water mixture with an
ice/ratio of 2:1.
Key words: low temperature steel; polar ice-breaking environment; ice load; erosion wear; ice/water ratio

在极地航行船舶的破冰过程中，船体不断受到海 料比颗粒坚硬时，冲蚀率随颗粒硬度的增加而升高，
面冰层的反复冲击和磨损，会引起船用钢板的变形和 当颗粒在冲击过程中坚硬到足以保持其完整性的情
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疲劳破坏 ，船用钢板不仅与冰层发生相互磨损，而且 况时，冲蚀率则不会发生明显变化. Murray等 的研
[1]
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受到海水的腐蚀作用 . 因此，船用钢板需要较强的抗 究发现，随着颗粒尺寸的增加，冲蚀率、冲蚀深度和表
冰面磨损能力和抗冲击能力，以承受冰层的动态以及 面粗糙度加剧，而磨痕的宽度减小，他们同样发现冲
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连续的冲击载荷 ，同时还要具有耐腐蚀性能，减少海 蚀痕迹的形状可从“W”形变为“U”形，甚至在样品表
水的腐蚀影响. 新型船用钢板的耐海冰载荷冲蚀磨损 面的不同位置可以观察到四种冲蚀机理，分别是塑性
[4] [16]
性能对于在极地区域航行的船舶设计尤为重要 . 变形引起的压痕、犁沟、切割和滑动. Ahmed等 也提
通常，国内外的大多数研究都集中在室温下钢的 出颗粒尺寸、冲击速度和冲击角对材料的冲蚀磨损有
[9]
砂粒冲蚀磨损过程和性能上 [5-8] . 其中，Nguyen等 学 着至关重要的作用.
者对冲击角、砂流率和冲击速度这3个主要参数的影 目前关于极寒条件下低温钢的冲蚀磨损机理研
响进行了系统的分析和研究，发现粒子间的相互作用 究较少，本文作者在自行设计、加工的低温海冰冲蚀
会导致粒子轨迹发生变化，从而使得粒子冲击角发生 磨损试验机上，根据极地破冰船航行速度确定了试验
变化，并导致冲蚀机理以及冲蚀痕迹轮廓发生变化. 环境温度及冲击速度，模拟极地航行条件下对低温船
[10]
Zhang等 学者研究发现粒径对冲蚀模式、冲蚀 舶用钢DH32在冰载荷冲蚀磨损作用下的性能及其机
率和冲蚀机理方面有着显著的影响，随着砂粒尺寸的 理展开研究. 期望本文中的研究结果可为制定极地航
增加，冲蚀剖面从“W”形过渡到“U”形，且较大的砂 行船舶材料冲蚀磨损失效的相关标准提供数据支持.

粒比较小的粒子能够更深入地挖掘样品表面. Lin等 [11]
1 试验部分
研究了当气体速度设置为恒定值时，不同砂流率下的
冲蚀试验结果，以显示砂流率对冲蚀率的影响. Lim等 [12] 1.1 试验材料及制备
研究发现冲蚀率随着冲击速度的提高而增加，表面粗 试验用新型DH32低碳合金钢由宝山钢铁有限公
糙度随着测试时间或冲击速度的增加而变大，并在腐 司中央研究院设计、冶炼、轧制，该新型钢力学性能满
蚀样品中观察到了“W”形的表面轮廓. 他们通过微观 足极寒条件(-40 ℃)要求，具有较好的耐腐蚀、耐磨损
结构表征揭示了两种不同的腐蚀方式：塑性变形机制 性能，钢样的设计成分表列于表1中，力学性能列于表2
在高冲击角下占主导地位，而犁/切割机制在低冲击角 中. 冲蚀磨损样品使用线切割机加工成10 mm×10 mm×
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下占主导地位. 4 mm的长方体钢样，试验前用80 、180 、400 、800 、
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Patela等 专家发现冲蚀是通过材料的塑性变形 1 200 和1 500 水磨砂纸逐级打磨，再用无水乙醇超声
以及形成凹坑而发生的，在材料的边缘更易被冲蚀磨 清洗3 min，去离子水冲洗后60 ℃干燥2 h封存备用. 按
损. 在30°的冲击角下的冲蚀试验表明，表面材料的去 照ASTM D1141-98标准配置3.5%的NaCl溶液用来模
除是由于犁削的作用和剪切机制而产生, 且SS304在 拟海水环境，作为此次冲蚀磨损试验的试验介质.

冲击角为30°时的冲蚀率略高于90°角，因此表现出韧 1.2 试验方法
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性冲蚀模式. Arabnejad等 通过试验发现，当目标材 常 温 冲 蚀 磨 损 试 验 采 用 旋 转 式 试 验 方 法 在