海洋工程及船用ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳性能研究.pdf

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、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，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：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/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 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 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 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 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 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 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 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 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloySi/MPa210200190Totali210fi1427ifi2406i2fi4408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 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2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ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳裂纹扩展速率。试样尺寸为12 mm24 mm4.45 mm（厚度宽度缺口长），试验介质为人工海水，载荷范围（P）=7.0 kN，加载频率（f）=2 Hz，载荷比（R）=0.1。本文采用Paris公式来表征裂纹扩展速率与应力强度因子幅（K）的关系，即da/dN=C（K）n，式中，a为裂纹长度，N为循环周次，C和n为常数14。通过计算拟合出ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金在载荷比 R=0.1 下 的 Paris 公 式 为 da/dN=1.76710-12K5.8899。主要用途为螺旋桨材料的ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铜合金的 Paris 公式为 da/dN=2.1810-16K6.2 15。图3为ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金和ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铜 合 金 的 裂 纹 扩 展 速 率 曲 线，可 以 看 出 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率大于ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铜合金的腐蚀疲劳裂纹扩展速率。3.3ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金的腐蚀疲劳裂纹扩展路径采用扫描电子显微镜（SEM）观察ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳裂纹扩展路径，如图 4 所示，SEM型号为QUANTA FEG 650，扫描成像加速电压为20 kV。可以看出，裂纹在扩展过程中出现了二次裂纹，二次裂纹的形成与扩展会降低主裂纹尖端的应力，消耗更多的能量，导致裂纹扩展速率降低16。此外，还存在两条裂纹扩展到晶界合并成一条裂纹并继续向前扩展的现象。疲劳裂纹扩展会经历第阶段、第阶段、高速扩展直至断裂阶段。研究表明疲劳条带一般出现在裂纹的第扩展阶段，疲劳裂纹扩展的方向垂直于疲劳条带17。3.4ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金的腐蚀疲劳断口形貌图 5 为 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜合金的腐蚀疲劳断口SEM图像。从低倍形貌上看 图5（a），断口图3ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金和ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铜合金试样的腐蚀疲劳裂纹扩展速率曲线 Fig.3Corrosion fatigue crack growth rate curves ofZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloy and ZCuAl8Mn13Fe3Ni2 copper alloy 图4ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金试样的腐蚀疲劳裂纹扩展路径（SEM图像）（a）低倍图像；（b）高倍图像Fig.4Corrosion fatigue crack propagation path ofZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloy（SEM images）（a）Low-magnification；（b）High-magnification72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期表面不平整，包括疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区。从图5（b）中可以看出疲劳裂纹萌生于试样表面的腐蚀坑处，因为试验初期，CuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金在人工海水和交变载荷的共同作用下，试样表面形成腐蚀坑，腐蚀坑作为微观缺口，提高了局部应力水平，促进腐蚀疲劳裂纹源的萌生。裂纹以源区为中心呈典型的河流状花样扩展，疲劳裂纹扩展区存在规则不一、参差不齐、多个晶体学平面构成的疲劳条带，在第阶段疲劳裂纹扩展路径上会出现平行排列的疲劳条带 图5（d），这个阶段裂纹扩展速率中等，服从 Pairs 幂律关系。疲劳条带间距对应每次循环裂纹的扩展长度，一般微观上疲劳条带的数目对应循环次数，但由于裂纹扩展过程中存在裂纹闭合等因素，所以前者往往远小于后者18。4 结 论本文研究了海洋工程及船用ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的腐蚀疲劳性能，得出以下结论：（1）在 1107循环周次下，ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铜合金的条件疲劳强度为204 MPa。（2）在 90%置信度，10%失效概率下，ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 铜 合 金 的 腐 蚀 疲 劳 强 度 为185.91MPa。（3）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，反映了裂纹扩展的快慢。参考文献：1 康全飞，胡树兵，曾思琪，程光坤.船用螺旋桨材料镍铝青铜的热处理强化 J.中国有色金属学报，2018，28（1）：107.2 徐林，胡强，刘俊伟，张友亮，徐敬，邹晋.海洋环境用含Ni耐蚀铜合金研究现状及展望 J.铜业工程，2022（6）：1.3 AL-HASHEM A，CACERES P G，SHALABY H M，RIAD W T.Cavitation corrosion behavior of cast nickelaluminum bronze in seawaterJ.Corrosion Science，1995，51：331.4 宋德军，胡光远，卢海，胡伟民镍铝青铜合金的应用与研究现状 J.材料导报，2007，21（s3）：450.5 NIE W，YAO X H，LU B C.Technical of heavy duty coatings for marine engineering J.Mar.Technol.，2016（6）：82.6 张桢赫，刘斌，石泽耀，刘岩，曹青敏，蹇冬辉.镍铝青铜合金海水腐行为研究进展 J.中国腐蚀与防护学报，2022，42（1）：25.7 DAVIS J R.Corrosion of aluminum and aluminum alloys J.Russell：ASM International，1999：124.8 BABOIAN R.Corrosion tests and standards：application and interpretation J.Pennsylvania：ASTM International，2005：301.9 王荣.金属材料的腐蚀疲劳 M.西安：西北工业大学出版社，2001：44.10 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EngineeringPAN Yifan，GUO Hua，YUAN Wei，LIU Lele，WANG Junliang，MA Jiangnan，YU Yan（Luoyang Ship Material Research Institute，Luoyang 471000，China）Abstract：The corrosion fatigue properties of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloy and the main material for marine engineering were studied in this study.The corrosion fatigue strength,corrosion fatigue crack growth rate,corrosion fatigue crack growth path and corrosion fatigue fracture morphology of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloy were analyzed and tested by pure bending fatigue testing machine,electro-hydraulic servo material testing machine and scanning electron microscope(SEM).Under the condition of 1107 cycles,the conditional fatigue strength of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloy was 204 MPa.Under the condition of 90%confidence and 10%failure probability,the corrosion fatigue strength of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloy was 185.9 MPa.Under the condition of load ratio(R)=0.1,the Paris formula of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloy was da/dN=1.767010-12K5.8899.The corrosion fatigue crack started at the corrosion hole on the specimen surface and expanded in a river-like pattern.Secondary cracks would appear on the expansion path,and the crack growth would go through the first stage,the second stage,and then expand at a high speed until the fracture stage.The fatigue band generally appeared in the second stage of crack growth,where the crack growth rate was moderate and follows the Paris power law relation.The propagation direction of fatigue crack was perpendicular to the fatigue band.This study could provide an important reference for evaluating the service life of ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloy components.Key words：ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 copper alloy；corrosion fatigue；crack growth；fracture morphologydoi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.03.00974