陳杰，劉海霞，劉光磊，魏笑，鄧濯，歐陽(yáng)亞東

(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212013)

空化是發(fā)生在液體內(nèi)部的復(fù)雜相變現(xiàn)象。當(dāng)液體內(nèi)部局部靜壓強(qiáng)下降至某一臨界值時(shí)，液體中的微小氣核長(zhǎng)大成為肉眼可見的空化泡。當(dāng)空化泡遷移至高壓區(qū)域時(shí)將發(fā)生潰滅，潰滅瞬間釋放的巨大能量會(huì)對(duì)附近的固體壁面產(chǎn)生沖擊作用，大量空化泡反復(fù)潰滅將導(dǎo)致固體壁面的破壞，即空蝕[1]?？瘴g與液體介質(zhì)的物理屬性、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等多種因素相關(guān)[2]。空蝕現(xiàn)象在以液體為工作介質(zhì)的水力機(jī)械中最為常見，嚴(yán)重的空蝕會(huì)影響水力機(jī)械的運(yùn)行效率和運(yùn)行可靠性[3]。迄今為止，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在液體介質(zhì)[4]、誘發(fā)空蝕的方法[5]、空蝕的評(píng)價(jià)方法[6-7]等方面開展對(duì)空蝕的研究。然而，空化的產(chǎn)生環(huán)境復(fù)雜且工程材料種類眾多，僅從液體介質(zhì)對(duì)空蝕的影響來看，很多已獲得的研究結(jié)論僅對(duì)個(gè)例成立，很難得到普及，目前對(duì)于空蝕現(xiàn)象的理解并不充分。

已有研究證明腐蝕與空蝕之間存在著復(fù)雜的協(xié)同作用[8]。從機(jī)理層面，文獻(xiàn)[5]分析了WC10Co-4Cr 涂層在3.5% NaCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液中的空蝕行為，發(fā)現(xiàn)該涂層的抗空蝕能力取決于非晶相和WC 晶粒。當(dāng)NaCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至0.35%時(shí)，氧氣泡能顯著提高Ti 在0.35%NaCl 溶液中的抗空蝕能力[9]。在0.3%，3.0%和6.0% NaHCO3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液中進(jìn)行的銅合金空蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，NaHCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，空蝕程度越嚴(yán)重[10]。由此可見，腐蝕液與試樣成分之間可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物；反應(yīng)產(chǎn)物與基體材料對(duì)空化作用的響應(yīng)不同，加大了腐蝕與空蝕聯(lián)合作用的研究難度。

不銹鋼在流體機(jī)械和流體工程中被廣泛應(yīng)用，很多不銹鋼制成的過流部件通常都運(yùn)行于腐蝕-空蝕交替或并存的環(huán)境中[11-12]。在工作過程中，有些過流部件還面臨著液體介質(zhì)的更換問題。不銹鋼對(duì)晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕比較敏感，在Cl-環(huán)境中，不銹鋼部件的缺陷處極易發(fā)生鈍化膜破壞和由于局部酸化形成的點(diǎn)蝕，從而導(dǎo)致設(shè)備因穿孔而失效[13]。對(duì)304不銹鋼進(jìn)行的超聲空蝕實(shí)驗(yàn)表明，其具有較強(qiáng)抗空蝕能力的原因之一在于奧氏體相對(duì)空蝕裂紋的發(fā)展有抑制作用[14]。目前，對(duì)于304不銹鋼這一過流部件常見材料的腐蝕與空蝕聯(lián)合作用機(jī)理尚未明確，且對(duì)于已經(jīng)腐蝕表面的空蝕行為鮮見報(bào)道。

為探究304不銹鋼在腐蝕與空蝕聯(lián)合作用條件下的行為與機(jī)理，本文作者利用符合ASTM G32標(biāo)準(zhǔn)的超聲空蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)[15]，借助較高濃度的NaCl溶液，對(duì)304不銹鋼試樣進(jìn)行先腐蝕再空蝕的實(shí)驗(yàn)研究，考慮靶距和空蝕時(shí)間對(duì)空蝕結(jié)果的影響，并與未經(jīng)腐蝕的304不銹鋼試樣進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)條件下的空蝕結(jié)果對(duì)比，從質(zhì)量損失、表面顯微組織、形貌、粗糙度、顯微硬度和殘余應(yīng)力等角度系統(tǒng)地分析304不銹鋼腐蝕后的空蝕特征，為該材料抗空蝕性能的研究和工程應(yīng)用提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與過程

將304 不銹鋼棒材加工制備成直徑×長(zhǎng)度為10 mm×8 mm的圓柱體試樣，其化學(xué)成分如表1所示。將試樣依次經(jīng)400～2 000號(hào)砂紙打磨后拋光處理，然后在6% NaCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液中浸泡72 h。將浸泡后的試樣經(jīng)超聲清洗后吹干，用精度為0.1 mg 的Sartorius BSA124S 分析天平多次稱量試樣的質(zhì)量，取均值，隨后對(duì)試樣分別進(jìn)行不同超聲空蝕時(shí)間和靶距的2 組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)中采用5個(gè)試樣進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。其中，第一組超聲空蝕實(shí)驗(yàn)中，靶距為0.5 mm，超聲時(shí)間分別設(shè)為15，30，60，120，240 和360 min；第二組實(shí)驗(yàn)中，超聲空蝕時(shí)間為180 min，靶距分別為0.2，0.4，0.6，0.8和1.0 mm。空蝕實(shí)驗(yàn)后，再次對(duì)試樣進(jìn)行多次稱量取平均值，而后進(jìn)行表征分析。

表1 304不銹鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Main chemical compositions of 304 stainless steel %

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中采用的符合ASTM G32 標(biāo)準(zhǔn)的超聲空蝕實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。該裝置的功率為500 W，超聲頻率為(27.4±0.3) kHz，超聲變幅桿的振幅為(50±2.5)μm，工具頭下端面直徑為(15.9±0.05)mm，其浸入液面的深度為12.0 mm，試樣上表面與工具頭下端面間的間距(靶距)可以通過坐標(biāo)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)采用的液體介質(zhì)為蒸餾水，實(shí)驗(yàn)過程中，通過對(duì)冷卻回路中循環(huán)水流量的控制將蒸餾水的溫度保持在(25±0.5)°C。

圖1 超聲空蝕裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic cavitation erosion device

1.3 表面參數(shù)測(cè)量

利用JSM-7001F型掃描電鏡(SEM)觀察空蝕后的試樣表面形貌；通過X-350A型激光共聚焦顯微鏡觀察試樣表面三維形貌，并通過處理三維形貌數(shù)據(jù)計(jì)算試樣的表面粗糙度；使用FM-ARS900全自動(dòng)顯微硬度計(jì)測(cè)量試樣截面上的硬度分布，確定硬化層的深度；采用X 射線應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)量試樣表面的殘余應(yīng)力。

2 結(jié)果與討論

2.1 空蝕時(shí)間的影響

2.1.1 空蝕累積質(zhì)量損失與累積質(zhì)量損失率

在試樣表面附近，空化泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波對(duì)試樣表面造成持續(xù)的沖擊載荷，致使試樣表面出現(xiàn)材料剝落，引起試樣質(zhì)量損失。失重法是表征金屬材料空蝕程度的常用方法[6]。試樣的累積質(zhì)量損失Δm為[16]

式中：m0和m分別為試樣空蝕前后的質(zhì)量。

試樣質(zhì)量損失變化的速率為累積質(zhì)量損失率ER：

式中：t為空蝕時(shí)間。

當(dāng)靶距s為0.5 mm時(shí)，經(jīng)腐蝕后空蝕的304不銹鋼試樣的累積質(zhì)量損失和累積質(zhì)量損失率隨空蝕時(shí)間的變化如圖2所示。從圖2可以看出，隨著空蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，Δm呈總體上升趨勢(shì)。當(dāng)空蝕時(shí)間為360 min 時(shí)，試樣的累積質(zhì)量損失約2.1 mg。根據(jù)ER曲線，一般可以把試樣的空蝕過程分為孕育、加速、穩(wěn)定和衰減4 個(gè)階段[17]。從圖2可見，對(duì)于腐蝕后再空蝕的試樣，空蝕時(shí)間小于30 min時(shí)為空蝕孕育階段，孕育期與材料的持久能力有關(guān)，該階段空化泡破裂產(chǎn)生的沖擊波的累積強(qiáng)度尚無法破壞材料表面的協(xié)調(diào)性，材料的損失并不明顯，所以ER較小，且變化緩慢；當(dāng)空蝕時(shí)間為30～120 min 時(shí)，ER急劇增長(zhǎng)，該時(shí)間段為空蝕的加速階段；當(dāng)空蝕時(shí)間為120～360 min時(shí)，ER平緩下降，空蝕的穩(wěn)定期并不明顯，主要呈現(xiàn)空蝕衰減階段的特征。在空蝕后期，一方面，由于試樣表面材料的不斷剝落，超聲振動(dòng)頭與產(chǎn)生的次表面距離增加，且材料剝落后形成的各向平面使得空泡潰滅對(duì)材料表面的應(yīng)力集中分散，減輕了空泡潰滅對(duì)試樣表面的影響，使得在質(zhì)量損失不斷增加的情況下ER緩慢減?。涣硪环矫?，由于空蝕時(shí)間較長(zhǎng)，空泡的形成與擴(kuò)散達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，蒸餾水能夠在凹坑處穩(wěn)定駐留，對(duì)空化泡潰滅的沖擊形成緩沖作用，在一定程度上阻礙了空蝕的發(fā)展，這與文獻(xiàn)[18-19]中對(duì)空蝕特性的研究結(jié)果一致。

圖2 累積質(zhì)量損失和累積質(zhì)量損失率隨時(shí)間的變化(s=0.5 mm)Fig.2 Time-dependent cumulative mass loss and cumulative mass loss rate(s=0.5 mm)

文獻(xiàn)[14]中獲得的未經(jīng)腐蝕的304 不銹鋼試樣的超聲空蝕結(jié)果見圖2，該文獻(xiàn)中所采用的實(shí)驗(yàn)裝置和工況參數(shù)與本文的相同。通過對(duì)比可以看出，腐蝕后空蝕試樣的累積質(zhì)量損失明顯小于未腐蝕試樣的累積質(zhì)量損失，且累積質(zhì)量損失率也由于腐蝕作用而明顯減小。結(jié)果表明，NaCl 溶液的腐蝕作用使試樣的抗空蝕能力增強(qiáng)。

2.1.2 試樣表面空蝕形貌

材料的微觀組織變化是空蝕的另一個(gè)重要特征[20]，空泡潰滅對(duì)材料表面的沖擊決定了材料表面的破壞程度。采用SEM 對(duì)空蝕后的304 不銹鋼試樣表面進(jìn)行微觀觀察，4個(gè)典型空蝕時(shí)刻的表面微觀形貌如圖3所示?？瘴g前期，空泡潰滅反復(fù)作用于試樣表面的時(shí)間短，試樣表面協(xié)調(diào)性尚未被破壞，未出現(xiàn)明顯的空蝕坑或裂紋，此時(shí)存在塑性變形，但并不明顯，如圖3(a)所示。當(dāng)空蝕時(shí)間延長(zhǎng)至120 min，試樣表面的累積強(qiáng)度使晶粒發(fā)生不同程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，晶界顯現(xiàn)，試樣表面凹凸不平嚴(yán)重；此外，在晶粒脊頂處和晶界處，材料表面因塑性變形速度和程度不一致，在局部凸起的應(yīng)力集中部位產(chǎn)生了徑向拉應(yīng)力和頸縮，促進(jìn)了表層的縱向開裂，產(chǎn)生的小規(guī)模破壞在空蝕后期成為疲勞損傷源，進(jìn)一步加重材料的損傷與剝落，此時(shí)ER達(dá)到最大值(見圖2)。當(dāng)空蝕時(shí)間為240 min時(shí)，試樣表面的晶界增多，組織結(jié)構(gòu)被細(xì)化，晶界處的裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展；同時(shí)，試樣表面的裂紋明顯增多。當(dāng)空蝕時(shí)間延長(zhǎng)至360 min時(shí)，材料的疲勞效應(yīng)成為材料破壞的重要原因，此時(shí)，晶界處的滑移帶變寬，滑移變形高度集中，在空泡潰滅的不斷作用下，晶界處的應(yīng)變積累到一定程度產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)變，當(dāng)金屬塑性達(dá)到極限時(shí)，晶界處產(chǎn)生疲勞裂紋并在切應(yīng)力的作用下迅速擴(kuò)展匯聚，在此狀態(tài)下，材料表面沿晶界發(fā)生了大規(guī)模的剝落。與文獻(xiàn)[14]中未腐蝕而空蝕試樣的表面形貌相比，圖3中所示的空蝕發(fā)展相對(duì)滯后，空蝕由于腐蝕而得到抑制。這是由于腐蝕后試樣表面形成的蝕坑在成為裂紋起源的同時(shí)，駐留住的穩(wěn)定存在的蒸餾水具有“水墊”作用，對(duì)空泡潰滅產(chǎn)生的能量有緩沖作用。

圖3 試樣表面微觀形貌隨空蝕時(shí)間的變化(s=0.5 mm)Fig.3 Variation of surface morphology with cavitation erosion time(s=0.5 mm)

2.1.3 空蝕試樣的三維表面輪廓

采用X-350A型激光共聚焦顯微鏡對(duì)空蝕后的試樣表面進(jìn)行二維和三維輪廓觀察，基于表面輪廓數(shù)據(jù)獲得的空蝕坑的數(shù)量和尺寸可以作為評(píng)價(jià)材料表面空蝕程度的定量依據(jù)[21]。選取空蝕過程中3個(gè)典型的空蝕時(shí)間的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。圖中，x和y分別為采樣區(qū)域的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。從圖4可知：當(dāng)空蝕時(shí)間為120 min時(shí)，試樣表面的高低不平程度較輕，此時(shí)空蝕已進(jìn)入發(fā)展階段。當(dāng)空蝕時(shí)間為240 min 時(shí)，試樣表面的粗糙程度加重，空蝕坑的數(shù)量明顯增加，與圖3(c)所示結(jié)果一致。當(dāng)空蝕時(shí)間為360 min時(shí)，試樣表面的材料剝落進(jìn)一步加重，空蝕坑的尺寸增加，通過圖4(d)和4(f)中的明暗程度可以判斷，此時(shí)材料表面局部變形加重，但整體剝蝕尺寸趨于一致，試樣表面的高度差較空蝕時(shí)間為240 min時(shí)變化并不明顯，如圖4(c)和4(e)所示。雖然試樣表面上的不同區(qū)域與超聲工具頭的距離不同，會(huì)造成空蝕程度分布不均勻，但隨著靶距小的區(qū)域內(nèi)材料的進(jìn)一步剝落，空泡破裂產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)試樣表面的差異將逐步減弱，試樣表面上的高度差隨著空蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。

圖4 不同空蝕時(shí)間試樣表面的輪廓圖(s=0.5 mm)Fig.4 Profiles at different cavitation erosion time(s=0.5 mm)

除試樣表面的三維輪廓外，材料表面的粗糙程度可以采用更為宏觀的方式予以表達(dá)。基于激光共聚焦顯微鏡得到的表面高度計(jì)算均方根表面粗糙度Sa，用以對(duì)采樣區(qū)域的表面粗糙程度進(jìn)行表征。Sa的定義為

式中：Z(x，y)為借助激光共聚焦顯微鏡獲得的高度；A為采樣區(qū)域的面積。

圖5所示為Sa隨空蝕時(shí)間的變化曲線。從圖5可以看出，當(dāng)空蝕時(shí)間小于60 min 時(shí)，試樣表面粗糙度緩慢上升；當(dāng)空蝕時(shí)間從60 min 增加到120 min 時(shí)，試樣表面在疲勞損傷源的基礎(chǔ)上持續(xù)剝落，表面粗糙度快速上升；而后表面粗糙度變化不明顯，且有下降的趨勢(shì)，一直保持至空蝕時(shí)間為360 min時(shí)達(dá)到平衡。在空蝕后期，達(dá)到一定空蝕程度后，盡管試樣表面材料隨著空蝕時(shí)間延長(zhǎng)繼續(xù)剝離，但受加工硬化和空泡流體力學(xué)行為的影響，材料的剝離量和速度逐步減小，材料表面粗糙度變化不大，接近平衡狀態(tài)。

圖5 試樣表面粗糙度隨空蝕時(shí)間的變化(s=0.5 mm)Fig.5 Variation of surface roughness with cavitation erosion time(s=0.5 mm)

2.2 靶距對(duì)空蝕的影響

為考查靶距對(duì)空蝕的影響，選擇空蝕時(shí)間為180 min 的穩(wěn)定期進(jìn)行空蝕實(shí)驗(yàn)，靶距s分別為0.2，0.4，0.6，0.8 和1.0 mm，對(duì)空蝕后試樣的表面形貌、表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力等進(jìn)行綜合分析。

2.2.1 累積質(zhì)量損失

圖6所示為超聲空蝕時(shí)間為180 min 時(shí)，空蝕試樣的累積質(zhì)量損失隨靶距的變化。從圖6可以看出，空蝕后試樣的累積質(zhì)量損失與靶距之間并不存在單調(diào)關(guān)系。當(dāng)靶距為0.4 mm 時(shí)，試樣的累積質(zhì)量損失約為1.3 mg，為5 種靶距工況下的最大值。隨著靶距從0.4 mm 逐步增加，Δm逐漸減小，當(dāng)靶距為1.0 mm時(shí)，Δm最小，約為0.9 mg。由此可見，靶距為0.4 mm 時(shí)空蝕最為嚴(yán)重，此時(shí)，空泡完成了生長(zhǎng)過程，并且在試樣表面發(fā)生潰滅。靶距過小時(shí)，空化泡還未完全長(zhǎng)大，空化泡潰滅釋放的能量有限。靶距過大時(shí)，相當(dāng)一部分空化泡在未到達(dá)試樣表面時(shí)已經(jīng)潰滅，提早釋放了所攜帶的能量，未對(duì)試樣表面構(gòu)成嚴(yán)重破壞。

圖6 空蝕試樣的累積質(zhì)量損失隨靶距的變化(t=180 min)Fig.6 Cumulative mass loss of cavitation erosion samples at different standoff distances(t=180 min)

2.2.2 試樣表面形貌

圖7所示為試樣在不同靶距條件下空蝕180 min 后的微觀形貌。304 不銹鋼為面心立方結(jié)構(gòu)，塑性變形主要以滑移和孿生為主，靶距為0.2 mm 時(shí)，試樣表面出現(xiàn)明顯的塑性變形和晶界匯聚，但由于空化泡到達(dá)試樣表面時(shí)未完全長(zhǎng)大，在試樣表面能量累積有限，此時(shí)表面上未被破壞的區(qū)域明顯。當(dāng)靶距增加至0.4 mm 時(shí)，絕大部分空泡潰滅產(chǎn)生的能量作用在試樣表面，試樣表面的塑性變形嚴(yán)重，蝕坑的數(shù)量最多，在此靶距條件下，由于空泡潰滅的能量已不能由滑移來釋放，空蝕坑周圍出現(xiàn)了細(xì)微裂紋，其中一些裂紋的尺寸較大，空蝕區(qū)域的面積增加，空蝕坑的深度變大，這是由于裂紋沿著晶界和蝕坑擴(kuò)展并連接導(dǎo)致的。當(dāng)靶距增加至0.6 mm 時(shí)，與0.4 mm 時(shí)相比，因部分空泡在達(dá)到試樣表面前就已經(jīng)潰滅，試樣表面的破壞明顯減弱，但塑性變形明顯。此時(shí)，在有限的空化泡潰滅能量的沖擊下，試樣表面的材料剝落，小尺寸空蝕坑數(shù)量較多，蝕坑邊緣也存在褶皺和裂紋，但與靶距為0.4 mm時(shí)相比，空蝕坑數(shù)量較少，尺寸較小。這與圖6中靶距為0.4 mm和0.6 mm時(shí)試樣的質(zhì)量損失較大的情況相一致。隨著靶距的增大，空泡潰滅時(shí)的位置與試樣表面間的距離增加，空蝕效果逐步減弱，試樣的表面以塑性變形為主，蝕坑數(shù)量減少，未被空蝕的區(qū)域明顯增加，如圖7(d)和(e)所示。

圖7 不同靶距條件下試樣表面的微觀形貌(t=180 min)Fig.7 Surface morphology of samples at different standoff distances(t=180 min)

2.2.3 試樣表面粗糙度

材料表面粗糙度的變化與空蝕損傷程度有關(guān)，圖8所示為空蝕時(shí)間為180 min 時(shí)，空蝕試樣的表面粗糙度隨靶距的變化情況。從圖8可以看出，當(dāng)靶距為0.4 mm 時(shí)，試樣的表面粗糙度最大，為4.03 μm。當(dāng)靶距逐漸增加到1.0 mm時(shí)，試樣表面粗糙度呈現(xiàn)階梯式下降趨勢(shì)。在整個(gè)變化過程中，當(dāng)靶距為0.2 mm 時(shí)，表面粗糙度最小。圖8中的表面粗糙度變化情況與圖7的結(jié)果相一致。可見，靶距對(duì)304 不銹鋼試樣的表面粗糙度有顯著的影響。

圖8 不同靶距條件下的試樣表面粗糙度(t=180 min)Fig.8 Surface roughness of samples at different standoff distances(t=180 min)

2.2.4 截面硬度分析

材料表面形貌的變化會(huì)引起表層顯微硬度的改變?？栈莸臐缭谠嚇颖砻媸紫日T發(fā)塑性變形，塑性變形在空化過程中吸收空化產(chǎn)生的沖擊載荷，在塑性變形的后期，試樣表面被硬化，且硬化層存在于空蝕表面附近一定深度范圍內(nèi)。選取靶距為0.4 mm 時(shí)的試樣，采用全自動(dòng)維氏顯微硬度計(jì)，在試驗(yàn)載荷為3 N下保持15 s，測(cè)得的截面顯微硬度的變化曲線如圖9所示。從圖9可知，距離空蝕表面50 μm 處出現(xiàn)最大硬度，為317.69(HV)。隨著取樣深度的增加，顯微硬度明顯下降。在距空蝕表面250～350 μm 時(shí)，硬度變化幅度較小，受到空化泡潰滅沖擊的影響較弱?？梢哉J(rèn)為空泡破裂使得試樣表層顯微硬度大幅提升，且深度小于250 μm 的材料層為硬化層，與傳統(tǒng)的噴丸處理試樣相比，硬化層深度略有提高[22]。隨著空蝕的加劇，試樣表面的材料不斷剝落，即硬度大的材料層逐漸被去除，同時(shí)由于材料剝落導(dǎo)致的靶距增大，使得空化泡潰滅對(duì)新材料層的沖擊減弱，截面顯微硬度隨著空蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，最終達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖9 縱截面的顯微硬度變化曲線(s=0.4 mm,t=180 min)Fig.9 Distribution of microhardness in cross section of the specimen(s=0.4 mm,t=180 min)

2.2.5 表面殘余應(yīng)力分析

空化泡潰滅對(duì)試樣表面造成沖擊，材料內(nèi)部晶粒間相互擠壓，位錯(cuò)逐漸堆積從而產(chǎn)生不均勻的塑性變形。當(dāng)空化作用結(jié)束后，自試樣表面一定深度內(nèi)產(chǎn)生的自相平衡的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，即殘余內(nèi)應(yīng)力。殘余應(yīng)力表征材料塑性變形程度，對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響很大，與試樣表層的空蝕破壞程度有關(guān)，受空蝕工況參數(shù)影響，在外部應(yīng)力作用下，殘余應(yīng)力的分布發(fā)生明顯變化。不同靶距條件下的試樣表面殘余應(yīng)力如圖10所示。當(dāng)表層材料體積膨脹時(shí)，由于受到基體的限制，會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，有利于材料硬度和疲勞性能的提高。當(dāng)靶距增加時(shí)，試樣表面的殘余應(yīng)力先迅速增加，而后減小。當(dāng)靶距增加至0.6 mm 時(shí)，殘余應(yīng)力增至最值，此時(shí)，試樣表面的質(zhì)量損失和最大粗糙度并非最大(如圖6和圖8所示)，但試樣內(nèi)部應(yīng)力比較集中，存在明顯的加工硬化現(xiàn)象。雖然此時(shí)局部表面已經(jīng)受到破壞，殘余應(yīng)力逐漸被釋放，但空泡沖擊造成的晶粒擠壓和內(nèi)部位錯(cuò)堆積在新的表面產(chǎn)生新的硬化層，殘余應(yīng)力達(dá)到最大值-465 MPa。此后，隨著靶距的增加，空泡在達(dá)到試樣表面前破裂，對(duì)試樣表面的沖擊減弱，雖然此時(shí)殘余應(yīng)力仍表現(xiàn)為壓應(yīng)力，但數(shù)值明顯減小。

圖10 殘余應(yīng)力隨靶距的變化(t=180 min)Fig.10 Variation of residual stress with standoff distance(t=180 min)

3 結(jié)論

1)與未被腐蝕的304 不銹鋼相比，先經(jīng)NaCl溶液腐蝕再進(jìn)行空蝕的304不銹鋼的質(zhì)量損失減少且空蝕發(fā)展相對(duì)滯后，空蝕由于腐蝕而受到抑制，材料的抗空蝕能力增強(qiáng)。

2)經(jīng)NaCl 溶液腐蝕后，在空蝕前期試樣表面呈現(xiàn)裂紋增多、空蝕坑變深的特征；到空蝕后期，空蝕穩(wěn)定與衰減階段的區(qū)分并不明顯，空蝕呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)。

3)當(dāng)空蝕時(shí)間為180 min、靶距為0.4 mm 時(shí)，腐蝕試樣的表面粗糙度和其累積質(zhì)量損失同時(shí)達(dá)到最大值，但試樣表面的殘余應(yīng)力與靶距之間不存在單調(diào)變化關(guān)系，其最大值對(duì)應(yīng)的靶距為0.6 mm。