海洋工程及船用ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳性能研究.pdf
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1、铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 181No.3 2023总第181期2023年第3期引文格式引文格式:潘一帆,郭桦,苑伟,刘乐乐,王军亮,马江南,郁炎.海洋工程及船用ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳性能研究 J.铜业工程,2023(3):70-74.海洋工程及船用ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳性能研究潘一帆,郭桦,苑伟,刘乐乐,王军亮,马江南,郁炎(中国船舶集团有限公司第七二五研究所,河南 洛阳 471000)摘要:研究了海洋工程及船用主干材料ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳性能。采用旋转弯曲疲劳试验机、电液伺服材料试验机、
2、扫描电子显微镜(SEM)分析和测试ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳强度、腐蚀疲劳裂纹扩展速率、腐蚀疲劳裂纹扩展路径和腐蚀疲劳断口形貌。得到在1107循环周次下,ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的条件疲劳强度为204 MPa;在90%置信度、10%失效概率下,ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳强度为185.91 MPa;在载荷比(R)=0.1条件下,ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的Paris公式为da/dN=1.767010-12K5.8899。腐蚀疲劳裂纹萌生于试样表面腐蚀坑处,以河流状花样扩展,扩展路径上会出现二次裂纹,裂纹扩展会经历第阶段、第阶段、高速扩
3、展直至断裂阶段。疲劳条带一般出现在裂纹的第扩展阶段,这个阶段裂纹扩展速率中等,服从Pairs幂律关系,疲劳裂纹的扩展方向垂直于疲劳条带。该研究可为评估海洋工程及船用ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金构件的使用寿命提供重要参考。关键词:ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金;腐蚀疲劳;裂纹扩展;断口形貌doi:10.3969/j.issn.1009-3842.2023.03.009中图分类号:TG146.1+1 文献标识码:A 文章编号:1009-3842(2023)03-0070-051 引 言ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金是一种以铜为主,加入Ni,Al,Fe,Mn等元素的多组元合金,
4、具有优良的力学性能、耐腐蚀性能以及耐海生物污损等综合性能,广泛应用于船舶及海洋工程领域的螺旋桨、海水阀门、海水泵、海水滤器等构件1-6。上述构件长期服役在海水环境中,并受到一定程度的循环载荷作用,腐蚀疲劳是其潜在的失效形式之一。腐蚀疲劳是金属材料在侵蚀性环境(气相或液相)中,受到循环交变应力和局部化学或电化学反应的相互作用导致加速失效的行为。材料损伤随着循环载荷累积而发展的阶段包括周期性塑性变形、微裂纹萌生、微裂纹扩展至接连与并合、宏观裂纹扩展7-8。简而言之,腐蚀疲劳是指工程材料或构件在腐蚀环境和循环交变载荷的协同交互作用下发生提前开裂或断裂失效的现象。实际上,工程材料或构件发生的腐蚀促进的
5、疲劳破坏不一定是腐蚀环境和交变载荷共同作用的,也可能是腐蚀介质间隔作用或者先发生腐蚀后产生疲劳,这种称为广义腐蚀疲劳9。镍铝青铜中添加不同的合金元素可使其在含砂海水中的耐腐蚀性能与不锈钢匹敌10,此外还有出色的耐空泡腐蚀性能和耐腐蚀疲劳性能11,ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金和ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铜合金是两种应用较为广泛的镍铝青铜,梁健13研究了ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铜合金的腐蚀疲劳性能,结果表明ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铜合金的耐海水腐蚀性能良好,没有发现腐蚀产物、腐蚀坑、点蚀等缺陷。本文以海洋工程及船用ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金为研究对象,采
6、用旋转弯 曲 试 验 方 法(介 质 为 人 工 海 水),研 究 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金的腐蚀疲劳性能,为评估螺旋桨、海水阀门、海水泵、海水滤器等构件的使用寿命提供参考。2 试验2.1材 料试验材料为 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金。其实测的化学成分和室温拉伸性能分别见表1和表2,其中,Rp0.2为屈服强度,MPa,指塑性延伸率为收稿日期:2023-03-30;修订日期:2023-04-24基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFB3700700)资助作者简介:潘一帆(1995),女,河南洛阳人,硕士,工程师,研究方向:有色金属材料与工艺,E-mail:;通信作者:
7、郁炎,研究员,E-mail:0.2%时的延伸强度;Rm为抗拉强度,MPa,指材料在 拉 断 前 承 受 的 最 大 应 力 值;A 为 断 后 伸 长率,%。2.2试 样试验用 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的疲劳试样尺寸如图1所示。试样的形状为光滑圆柱形,工作段直径为7.5 mm,试样总长度为160 mm。该试样由该牌号铜合金铸造基尔试块加工而成。2.3试验方法使 用 WPL-6 纯 弯 曲 疲 劳 试 验 机 对 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金进行腐蚀疲劳试验,转速为 3000 r/min,环境温度为 20,相对湿度为48%,介质为人工海水。参照 GB/T 241762009
8、/ISO 12107:2003 金属材料疲劳试验-数据统计方案与分析方法12,用升降法进行试验,并计算 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜 合 金 的 腐 蚀 疲 劳 强 度(1107)。3 结果与讨论3.1ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金的腐蚀疲劳试验结果用升降法测试 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳强度,即1107循环周次下试样不发生失效的最高应力水平。选第一级应力水平为210 MPa,应力增量为 10 MPa,共获得 15个有效疲劳数据,结果如图2所示。可以看出,15根有效试样有7根“通过”、8 根“失效”。选取“通过”的试样分析 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合
9、金的腐蚀疲劳强度,相关数据汇总见表3。有三级应力水平包含“通过”的试样,将应力水平按升序排序,S0S1Si,自由度(v)=7-1=6,fi为排列后第i级应力水平“通过”的试样个数,疲劳强度的平均值和标准偏差根据式(1,2)进行计算:y=S0+d(AC12)式(1)表1ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的化学成分Table 1Chemical composition of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloy(%,mass fraction)表2ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的室温拉伸性能Table 2Mechanical properties of ZCuAl9Fe
10、4Ni4Mn2 copper alloy图1ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金疲劳试样Fig.1Fatigue specimen of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloy(mm)图2ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金腐蚀疲劳试验结果Fig.2Corrosion fatigue test results of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2copper alloy 表3ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金腐蚀疲劳升降图数据分析Table 3Analysis of corrosion fatigue rise and fall diagram of ZCuAl9Fe4Ni
11、4Mn2 copper alloy注:i为级数,Si为第i级应力水平,fi为第i级应力水平“通过”的试样个数70潘一帆等 海洋工程及船用ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳性能研究2023年第3期0.2%时的延伸强度;Rm为抗拉强度,MPa,指材料在 拉 断 前 承 受 的 最 大 应 力 值;A 为 断 后 伸 长率,%。2.2试 样试验用 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的疲劳试样尺寸如图1所示。试样的形状为光滑圆柱形,工作段直径为7.5 mm,试样总长度为160 mm。该试样由该牌号铜合金铸造基尔试块加工而成。2.3试验方法使 用 WPL-6 纯 弯 曲 疲 劳 试 验 机
12、 对 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金进行腐蚀疲劳试验,转速为 3000 r/min,环境温度为 20,相对湿度为48%,介质为人工海水。参照 GB/T 241762009/ISO 12107:2003 金属材料疲劳试验-数据统计方案与分析方法12,用升降法进行试验,并计算 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜 合 金 的 腐 蚀 疲 劳 强 度(1107)。3 结果与讨论3.1ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金的腐蚀疲劳试验结果用升降法测试 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳强度,即1107循环周次下试样不发生失效的最高应力水平。选第一级应力水平为210 MPa,应力增量
13、为 10 MPa,共获得 15个有效疲劳数据,结果如图2所示。可以看出,15根有效试样有7根“通过”、8 根“失效”。选取“通过”的试样分析 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金的腐蚀疲劳强度,相关数据汇总见表3。有三级应力水平包含“通过”的试样,将应力水平按升序排序,S0S1Si,自由度(v)=7-1=6,fi为排列后第i级应力水平“通过”的试样个数,疲劳强度的平均值和标准偏差根据式(1,2)进行计算:y=S0+d(AC12)式(1)表1ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的化学成分Table 1Chemical composition of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper
14、alloy(%,mass fraction)ElementsContentC0.010Mn1.300Fe4.560Ni4.540Pb0.005Si0.010CuRemainAl9.880表2ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的室温拉伸性能Table 2Mechanical properties of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloyDesignationZCuAl9Fe4Ni4Mn2Rp0.2/MPa254Rm/MPa654A/%18.5图1ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金疲劳试样Fig.1Fatigue specimen of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 c
15、opper alloy(mm)图2ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金腐蚀疲劳试验结果Fig.2Corrosion fatigue test results of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2copper alloy 表3ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金腐蚀疲劳升降图数据分析Table 3Analysis of corrosion fatigue rise and fall diagram of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloySi/MPa210200190Totali210fi1427ifi2406i2fi4408注:i为级数,Si为第i级应力水平,fi为第i级
16、应力水平“通过”的试样个数71总第181期铜业工程Total 181y=1.62d(D+0.029)式(2)式中,S0为第一级应力水平,d 为应力增量,y 为 1106循环周次下的疲劳强度,y为y的平均值,y为y的标准偏差。将A=i=0lifi=6,B=i=0li2fi=8,C=i=0lfi=7以 及 D=BC-A2C2=0.41 代 入 式(1,2)可 得:y=190+10(6/7+1/2)=203.57 MPa,y=1.6210(0.41+0.029)=7.11 MPa。在 90%置信度,10%失效概率下,相关系数k(p,1-,v)根 据 文 献12取 2.333,计 算 可 得 ZCuA
17、l9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳强度y(p,1-)=y-k(p,1-,v)y=203.57-2.3337.11=186.98 MPa。文献 13 确定了主要用途为螺旋桨材料的ZCuAl8Mn13Fe3Ni2 铜合金在 1107循环周次下的条 件 疲 劳 强 度 为 150.69 MPa13。本 文 中 的 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金,在同样试验条件下的疲劳强度为204 MPa,显著高于ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铜合金。3.2ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金的腐蚀疲劳裂纹扩展速率采用INSTRON1343-250kN电液伺服材料试验机测试ZCuAl9Fe4Ni4Mn
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