孫士斌, 強 強, 王東勝, 趙子銘, 康 健, 常雪婷*

(1.上海海事大學 物流工程學院, 上海 201306;2.上海海事大學 海洋科學與工程學院, 上海 201306;3.東北大學 軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室, 遼寧 沈陽 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)略已經成為各個大國新的戰(zhàn)略重點.極地地區(qū)蘊藏著豐富的油氣資源、礦產資源以及一些天然氣等自然資源[1-2].隨著人類對極地區(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，越來越多的國家爭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鍵設備，成為各國發(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)境復雜以及海冰載荷等諸多不利環(huán)境因素，對在北極地區(qū)航行的科考船及運輸船用鋼的性能提出了很高的要求[3].我國在2019年11月自主建造了第一艘極地破冰船“雪龍2”號，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[4]，標志著我國在科考領域取得巨大進步[5].

鋼材作為海洋船舶最為關鍵的結構材料，在海洋服役船舶中應用廣泛，但是要從成本和性能等方面對船用低溫鋼進行綜合考慮.新型船用鋼板的耐磨蝕性能對于在極地區(qū)域航行的船舶設計十分重要[6].在極地航行的船舶會與冰層產生連續(xù)的撞擊和摩擦，從而破壞船體導致船體產生變形和疲勞失效[7-8].同時，極地船舶在航行時船體鋼板也會與海水接觸，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時間經受海水的腐蝕.“雪龍2”號極地科考船的船體鋼板大部分從國外進口，嚴重影響了我國新型高性能極地航行船舶的設計、開發(fā)和建造進程.低溫船舶用鋼對硬度、強度、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)的重難點仍是焊接時的操作，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].我國也在努力的探索研制出一系列的超強度鋼[13].宋鴻印等[14]在不同取樣部位鋼樣加工成沖擊試樣進行低溫沖擊試驗，研究不同的取樣部位對沖擊結果的影響，結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行表面處理，并且進行性能評價，取樣部位對于性能評價至關重要，所以必須予以綜合考慮.

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

1 試驗部分

1.1 試驗用FH36船用低溫鋼

試驗所用的低碳合金鋼是國內某鋼廠生產的兩種FH36級別低溫船用鋼[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#水磨砂紙對其6個面進行逐級打磨，除去鋼板的原始銹層，保證試驗結果的準確性.然后使用無水乙醇以及去離子水分別超聲清洗15 min，放入干燥箱內，常溫干燥保存后備用.

鋼材中不同合金元素對鋼材的性能有一定影響[15]，由表1可知，在本文中使用的測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元素有細化鋼的晶粒、提高淬透性和熱強性能的作用，同時，在高溫時也可以使鋼材保持足夠的強度和抗蠕變能力；而較高含量的V元素也有細化組織晶粒、提高強度和韌性的作用，兩種鋼樣中Mn元素在小于1.5%的范圍內有細化晶粒作用，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度和抗拉強度[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 船用低溫鋼化學成分Table 1 Design chemical composition of marine low temperature steel

經過不同軋制程序，獲得的兩種鋼樣A1的厚度和A2的厚度以及力學性能列于表2中.

由表2可知，A2的力學性能要優(yōu)于A1的力學性能.使用HBRVS-187.5數(shù)顯布洛維硬度計在試驗力和保荷時間分別為9.807 N和10 s的條件下，測試兩種鋼樣硬度值，結果如圖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.利用能譜儀測定兩種鋼樣摩擦后的表面元素分布，結果如圖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元素來自于鋼材的基體，而O元素則來自于兩種鋼板的接觸面在摩擦磨損的過程中發(fā)生了氧化反應從而形成的氧化層.

表2 鋼樣力學性能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 試驗方法

對試驗用鋼樣拋光處理后，采用體積分數(shù)為5%的HNO3和95%的無水乙醇配置了金相腐蝕液，對鋼樣的表面進行腐蝕.再使用去離子水和無水乙醇洗凈后吹干，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機進行摩擦磨損試驗，試驗選取磨球為氧化鋁磨球(Al2O3)，直徑為8 mm，摩擦方式為球面接觸，往復摩擦距離5 mm，載荷為20 N，頻率2 Hz，測試時間為2 h.使用Bruker Contour GT-1型白光干涉儀對鋼樣在摩擦磨損后的磨痕輪廓進行測量.利用公式通過摩擦磨損試驗后鋼樣的體積損失計算出鋼樣的磨損量；并對摩擦磨損試驗所得到的摩擦系數(shù)和磨損量進行對比分析.使用CXS-5TAH-118340掃描電子顯微鏡(SEM)對鋼樣的表面形貌進行觀察并進行摩擦磨損機理分析.

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，需要重點研究.在前期研究的基礎上[18]，確定本文中的摩擦磨損試驗摩擦時間為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)，因為軋制鋼板的表面組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，從而導致摩擦系數(shù)表層大于芯部；而隨著測試溫度的降低，對于相同的鋼樣，摩擦系數(shù)隨溫度降低而增大，因為低溫環(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，說明在20及?5 ℃條件下，鋼材的摩擦機理以磨料磨損為主.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 ℃遠遠未到FH36級別鋼材的韌脆轉變溫度，但是由低溫帶來的材料耐摩擦磨損性能劣化已經顯現(xiàn).晶粒細小的A2表面鋼樣由于細晶強化作用在一定程度上改善了鋼材的低溫耐磨性劣化問題，說明微觀組織對于鋼樣低溫耐磨性至關重要；但是合金成分對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，表明摩擦磨損機理主要是磨粒磨損和表面疲勞磨損二者相結合.A2表面鋼樣的磨痕上存在部分凸起，表明其摩擦磨損機理以黏著磨損為主.

?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重的剝落現(xiàn)象，其中A1、A2芯部樣品都出現(xiàn)了嚴重的剝落坑和剝落溝槽，說明鋼材在低溫條件下，鋼材表面局部硬度提升后，摩擦導致的部分表面材料脫落會加劇表面磨損，更易產生更寬更深的磨痕.

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 結論

a.同一級別(FH36)不同合金含量的鋼樣在相同試驗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，這可能是因為其含有較高鉬元素和釩元素.

b.未低于韌脆轉變溫度的環(huán)境對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，因此對于極地船舶及平臺使用鋼材，必須要在進行低溫力學性能評價基礎上進行其耐冰載荷摩擦測試，以保證結構安全性.

c.低溫鋼材微觀結構對于樣品的耐磨性影響較合金元素含量影響更加顯著，表層樣品經過細晶強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制以磨粒磨損為主，疲勞磨損和黏著磨損為輔.