综述性报告

6061-T6空蚀的读书笔记

1 6061-T6材料简介

纯铝中加入适量其它元素如Si、Cu、Mg、Zn等即为铝合金。Al-Mg-Si系合金适于制造形状复杂的型材和锻件，如飞机和发动机中工艺性和耐蚀性要求较高的零件，本次试验采用该型6061铝合金。化学成分如表1。其特点是：中等强度，有良好的塑性和优良的可焊性和抗蚀性，特别是无应力腐蚀开裂倾向。但是挤压后不能实现风淬，需重新固溶处理和时效，才能获得较高的强度。试样用T6处理：由固溶热处理后进行人工时效[1]。

6061铝合金的主要相组成物：ɑ（Al），Mg2Si，可能的杂质相FeAl3，（Fe Mn）Al8，（Al Fe Si)等。镁和硅为主要强化元素，形成强化相Mg2Si。

表1化学成分

Table 1 Chemical composition of 6061(wt%)

名称Cu Si Fe Mn Mg Zn Cr Ti Pb Bi Al 6061 0.15-0.40.4-0.8 0.7 0.150.8-1.2 0.25 0.04-0.35 0.15 / / 余量

2 空蚀现象简介

2.1 空蚀的定义及领域

空蚀( Cavitation) 是指由于液体内部压力的起伏引起液体蒸汽以及溶于液体中的气体的形核、生长及溃灭的空化过程所造成的损害, 又称为汽(气) 蚀

[2] 。在空化所有的作用中空蚀是最引人关注的。从十九世纪后期在螺旋桨叶片上

发现空蚀现象以来, 空蚀的理论及内涵已经有了很大的发展。随着科技的进步, 涉及空蚀的领域也越来越多, 例如化工、发电、原子能、宇航甚至生物学和医学等, 空蚀成为这些领域遇到的难题之一[3]。为解决这一难题，人们曾开展大量

的研究工作，试图寻找合适的解决办法，除优化过流部件的结构外，设计和开发适合的抗空蚀金属材料是另一条重要的解决空蚀的方法[4]。

2.2 空蚀的基本原理

空泡形成需从几个物理现象来解释。

第一个是沸点与压强的关系：水的沸点随压强的降低而降低。我们知道烧开水时，水在标准大气压下(1个大气压相当于101 325 Pa)，温度达到100℃。水就会沸腾，但是如果在海拔6 000多米的高原，水温只要到达80℃左右就可以沸腾了。在压强达到198 490 Pa时，即约不到两个大气压时，水到120℃才开，这个压强差不多是普通高压锅的压强。这是由于空气气压不同导致其沸点不同，气压越大沸点越高，．气压越小沸点越低。同样深压在海底的水它的沸点也会随着其周围的压强变化而变化。不同温度下，水沸腾的压强是不同的，这个压强称为饱和蒸气压，也称蒸气压。根据Goff-Grattch饱和水汽压公式计算出的水在不同温度之下的饱和蒸气压，如表l所示。由下表可知，在压强为2 338．1 Pa时，

水在20℃就沸腾了，这是常温下的沸腾现象。

表1 不同温度下的饱和蒸气压

温度/℃0 20 40 60 80 100 120

蒸汽压/pa600.66 2338.1 7381.2 14934 47377 101325 198490

第二是是压强与流速的关系：液体的压强随着液体的流速增大而减小。根据伯努利原理，流体中流速大的地方压强小，这个理论我们在日常生活中就可以见到，我们在倒啤酒的时候，如果用直冲的方式倒，就会产生很多泡沫，如果啤酒沿着倾斜的杯壁缓慢倒人，产生的气泡就会很少。这是因为直冲的啤酒产生较大的动量，杯中的啤酒速度差加大，易产生流速，使杯中的液体压强减少，溶解在液体中的气体得到释放产生气泡，而斜入式产生的流速小压强变化小，所以产生的气泡少。解释了以上的原理，我们对空泡产生的条件有了一定的认识。

高速行驶的船舶在航行过程中，由于船体对水的作用，提高水的流速，加之船体迅速离开后海水还来不及填补，导致该区域的压力骤减，由于压力的降低，

该区域的海水形成蒸汽气泡，导致该区域的海水出现沸腾现象，形成空泡。同样，高速旋转的螺旋桨也加速船尾的水体流速，加之大体积的螺旋桨的高速如此周而复始，螺旋桨在旋转的时候带动周围的液体高速流动，由于大量的液体是从正面甩出去了，周围的液体来不及补充进来。所以在螺旋桨的背面就形成一定的真空，这时液体发生沸腾并伴有空气从水中溢出来，在背面形成空泡。

由于以上因素的影响，船体和螺旋桨区域形成了大量的空泡。空泡在低压区形成后，随着流动流到高压区的船舵部位，在那里压力增高，空泡无法存在，伴随着水流到达舵叶表面的空泡开始闭合破灭。如此周而复始，大量空泡伴随水流不断轰击舵叶，给舵叶造成气蚀伤害。

由于空蚀涉及流动动力学条件、机械冲击、过流部件材料种类与成分以及材料表面与液体的电化学交互作用等诸多方面，其损伤机理相当复杂，对于不同的材料、不同的实验条件，往往得到不同的结论。存在以下几种空蚀损伤机理。

（1）冲击波机制[2]

液体内局部压力的起伏而引起蒸汽泡的形核、生长及溃灭的过程会导致空蚀的产生。当液体内的静压力突然下降到低于同一温度下液体的蒸汽压时，在液体内就会形成大量的空泡，而空泡群进入较高压力的位置时，空泡就会溃灭，空泡的溃灭使气泡内所储存的势能转变成较小体积内流体的动能，使流体内形成流体冲击波。这种冲击波传递给流体中的金属构件时，会使构件表面产生应力脉冲和脉冲式的局部塑性变形。流体冲击波的反复作用使金属材料表面出现空蚀坑。

（2）微射流机制[5]

由于液体中压力的降低而产生了大量的空泡，空泡在金属材料边壁附近或与边壁接触的情况下，由于空泡上下壁角边界的不对称性，故在溃灭时，空泡的上下壁面的溃灭速度是不同的。远离壁面的空泡壁将较早地破灭，而最靠近材料表面的空泡壁将较迟地破裂，于是形成向壁的微射流,其速度可达100～400 m/s。此微射流在极短的时间内就完成对金属表面的定向冲击，所产生的应力相当于水锤作用。

（3）热效应机制

气泡溃灭时产生很高的温度，这一高温作用到过流部件表面，使材料表层发生相变或产生其他现象，影响空蚀过程。磨蚀过程中空蚀区出现大量金属球状物的事实支持现行的热作用理论，气泡溃灭时产生的温度，在过流部件表面达到材料熔点，使其熔化，在表面张力作用下凝固成球状物，在空蚀坑内涡旋水流的推动下旋转研磨成光滑球体。空蚀试验时常常见到发光现象，是溃灭气泡中的水蒸汽或其他气体达到高温所致。

(4) 电化学机制

空蚀过程中，由于局部高温在金属中形成热电偶，形成微电池，引起金属的电化学腐蚀。采用电火花放电装置产生气泡，采用电化学技术检测气泡溃灭作用于金属表面引起的电极电位变化表明，空蚀过程中，金属表面存在着空蚀区和非空蚀区的电偶作用，形成电化学电偶电池，加强汽泡溃灭对金属局部的力学破坏作用。由于气泡溃灭所形成的剧烈的力学作用使得合金的局部表面产生塑性变形，甚至表面膜受损，露出新鲜无膜的金属表面，在金属表面形成腐蚀电偶作用，同时，腐蚀点的形成造成局部应力集中，加强气泡溃灭对金属局部的力学破坏作用。

(5) 其他观点

在大量涉及到空蚀作用下材料损伤特性的文献中，关于空蚀的损伤机理众说纷纭，莫衷一是，有时甚至相互矛盾。在研究和对比不同材料的空蚀机理时，应特别关注实验所采用的方法，因为对不同的空蚀实验方法得到的空蚀损伤机理往往并不相同，空蚀实验尤其是超声振动实验与实际流体中产生的空蚀条件存在较大差距[7]。

2.3 空蚀的发生过程

大家普遍认同是根据累积空蚀失重-空蚀时间曲线可以把空蚀过程大致分为以下四个阶段[10]。对于不同的材料，气蚀各个时期的长短是不同的，就是同一种材料，采用相同的加工方法，若采用不同的实验方法，得到的结果也不尽相同，