艦船復(fù)合材料鋼板抗鹽霧腐蝕疲勞性能研究

一、引言

艦船長(zhǎng)期處于高鹽霧、高濕度等惡劣海洋環(huán)境，鹽霧腐蝕嚴(yán)重影響艦船環(huán)境適應(yīng)性、可靠性及壽命，故研究艦船材料抗鹽霧腐蝕疲勞性能意義重大。復(fù)合材料因輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為艦艇構(gòu)造選擇，但目前其鋼板在特定鹽霧環(huán)境下的腐蝕疲勞性能研究不足。同時(shí)，過(guò)往相關(guān)研究存在局限，如王煒桐等的研究缺乏長(zhǎng)期浸泡或?qū)嵈?yàn)證數(shù)據(jù)，劉昭亮等的研究未充分評(píng)估涂層力學(xué)性能。

二、實(shí)驗(yàn)材料與方法

（一）實(shí)驗(yàn)對(duì)象

以艦船用復(fù)合材料鋼板為研究對(duì)象，該材料由低合金高強(qiáng)度鋼基體與陶瓷顆粒、碳纖維混合增強(qiáng)相組成，制備了 A、B、C 三組不同配比樣品，具體配置如下表：

（二）實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

材料：低合金高強(qiáng)度鋼板、陶瓷顆粒、碳纖維、環(huán)氧樹(shù)脂。

設(shè)備：鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱（YWX/Q-150）、凱爾測(cè)控疲勞試驗(yàn)機(jī)、掃描電子顯微鏡 (SEM)、X 射線(xiàn)衍射儀 (XRD)、凱爾測(cè)控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

（三）實(shí)驗(yàn)方法

鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)：采用中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)，模擬沿海大氣腐蝕環(huán)境。使用 YWX/Q-150 鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù) 5%、pH 6.5-7.2 的氯化鈉溶液，工作室溫度設(shè)為 35℃，噴霧方式選間斷噴霧，鹽霧沉降量 1-2mL/(cm2?h)。通過(guò)公式Rc=A×t2W0?Wt計(jì)算腐蝕速率Rc（W0為初始質(zhì)量，Wt為實(shí)驗(yàn)后質(zhì)量，A 為暴露面積，t 為腐蝕時(shí)間）。

疲勞實(shí)驗(yàn)：采用三點(diǎn)彎曲加載方式，應(yīng)力比 R=0.1，頻率 10Hz，最大應(yīng)力為材料屈服強(qiáng)度的 70%。分別在腐蝕 0、240、480、720h 后取樣實(shí)驗(yàn)，核心參數(shù)為疲勞壽命Nf和應(yīng)力幅值Vs。疲勞壽命通過(guò) S-N 曲線(xiàn)描述，公式為C=△σm×Nf（m、C 為材料常數(shù)）；應(yīng)力幅值計(jì)算公式為Vs=2b×h23F×L（F 為載荷幅值，L 為支撐跨距，b 為寬度，h 為厚度）；裂紋擴(kuò)展速率da/dN公式為dNda=C?(△K)m（△K為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值）。

其他分析：用 SEM 觀(guān)察樣品表面形貌和斷口特征，XRD 分析腐蝕產(chǎn)物相組成，電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定拉伸強(qiáng)度和延伸率。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

（一）鹽霧腐蝕對(duì)材料表面形貌和力學(xué)性能的影響

表面形貌與腐蝕產(chǎn)物：隨鹽霧腐蝕時(shí)間增加，A 組表面出現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕和裂紋，B 組相對(duì)平整但有少量腐蝕坑，C 組僅輕微粗糙；腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3和 FeOOH，C 組腐蝕產(chǎn)物含量低。

力學(xué)性能：腐蝕 720h 后，A 組拉伸強(qiáng)度下降 23.5%、延伸率降低 31.4%；B 組拉伸強(qiáng)度下降 15.2%、延伸率降低 22.8%；C 組拉伸強(qiáng)度下降 8.7%、延伸率降低 12.5%，C 組耐腐蝕性能最佳。

（二）腐蝕對(duì)材料疲勞性能的影響及機(jī)理分析

疲勞性能：未腐蝕時(shí)三組疲勞壽命差異不大，腐蝕 720h 后，A 組疲勞壽命下降 65.3%，B 組下降 48.7%，C 組下降 32.1%，C 組仍保持較高疲勞強(qiáng)度。

斷口特征與機(jī)理：A 組斷口呈脆性斷裂，裂紋源區(qū)有大量腐蝕坑，裂紋擴(kuò)展路徑曲折；B 組呈混合斷裂，裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞輝紋；C 組呈韌性斷裂，裂紋擴(kuò)展路徑平直、二次裂紋少。C 組增強(qiáng)相有效阻止裂紋萌生和擴(kuò)展，提升抗疲勞性能。

四、結(jié)語(yǔ)

復(fù)合材料鋼板在鹽霧腐蝕條件下抗疲勞性能良好，耐腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋼材，能在惡劣海洋環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。研究揭示了其在鹽霧腐蝕下的疲勞行為特征，為艦船結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，有望推動(dòng)艦船材料科學(xué)發(fā)展，提升艦船整體性能并延長(zhǎng)使用壽命。