环境温度对磨损的影响:在北极条件下对EH36钢的实验研究

《Marine Structures》:Ambient temperature effect on wear: Experimental insights into EH36 steel under Arctic conditions

【字体: 时间:2026年03月09日 来源:Marine Structures 5.1

编辑推荐:

  EH36钢在低温及不同载荷下的干滑动磨损研究表明,-40°C时磨损系数和率显著升高,表面微裂纹及氧化损伤加剧,需结合接触压力与温度效应评估材料在北极环境中的安全性。

  
Muttalip Alt?nok | Bilal Kur?uncu | Y?lmaz Kü?ük | Sabri Alkan | M. Sabri G?k
土耳其巴特廷大学高等职业教育学院,巴特廷

摘要

本研究探讨了EH36级海洋钢在室温(RT)、0°C和-40°C下的干滑动磨损行为,测试载荷分别为10 N、20 N和30 N,这些载荷对应不同的接触压力水平。通过评估磨损体积损失(V)、磨损率(W)、磨损系数(k)和摩擦系数(COF),以及扫描电子显微镜(SEM)/能量色散光谱(EDS)分析,来确定主要的磨损机制。在室温和0°C时,随着接触压力的增加,磨损参数逐渐增大,计算出的磨损系数值处于轻微磨损区域的典型范围内。然而,在-40°C时,尽管接触压力相对适中,但磨损率和磨损系数却显著增加,这表明磨损机制发生了转变,可能是由于温度引起的材料脆化所致。表面观察显示,在-40°C下微裂纹形成加剧、材料发生破碎以及摩擦氧化损伤更为严重。总体而言,结果表明,不能仅凭名义载荷来评估EH36钢在北极环境中的摩擦学性能,而在定义低温应用的安全操作限制时,必须考虑接触压力和温度依赖性材料响应的综合作用。

引言

随着时间在商业航运中的重要性日益凸显,寻找新的航线变得至关重要。通过开发以前未被开发的北极海域,出现了新的商业机会。然而,北极海域恶劣的气候条件和密集的冰层对航运和船舶安全构成了挑战。为了在这些具有挑战性的气候和环境中实现安全运输,选择合适的造船材料至关重要[[1], [2], [3]]。
在极地地区航行的船舶与冰有频繁的接触(见图1)。这会导致船舶船体表面严重磨损、塑性变形,最终可能造成结构损伤[5]。因此,用于极地环境的材料必须具备良好的低温性能,并能够抵抗冰的磨损。
除了船体材料的强度外,使用寿命和可靠性也同样重要。尽管Tezdo?an和Demirel[6]研究了海洋结构在恶劣海洋条件下的耐腐蚀方法,但他们并未探讨EH36等结构钢在低温冰接触环境下的摩擦学性能。
Zhang等人[7]发现,EH36钢的强度和屈服强度随温度从20°C降至-60°C而提高,但韧性显著下降。这些发现表明,虽然低温提高了材料的强度,但也增加了材料脆化的风险。
Cerik和Choung[8]报告称,在-30°C和-50°C的低温下对DH32、DH36和EH36钢进行拉伸试验时,这些钢材表现出硬化趋势,并形成了更脆性的微观断裂表面。Min等人[9]通过扫描电子显微镜(SEM)分析发现,这种转变导致微观结构中的晶粒更加密集,从而使断裂机制更加脆性。对钢材在低温下的变形过程的研究表明,韧脆转变区域受温度影响。
关于EH47钢的摩擦学研究清楚地表明,应结合温度、载荷条件和环境因素来评估其磨损行为[9]。Manivannan等人[10]观察到,在较高载荷下EH47钢的磨损深度和摩擦系数有所增加,这强调了在相同条件下测试EH36钢的必要性。
Ehlers和?stby[11]研究了钢材在低温下的力学性能,同时也指出某些类型的钢材会变得更加脆性。Kioka等人[12]观察到,在北极条件下,当钢材与海冰接触时,粘着磨损变得尤为显著,表面损伤加剧。Peng等人[13]报告称,在0°C至-25°C的温度范围内对6×19+FC材料进行实验时,磨损深度和面积随温度降低而增加,磨损类型从磨料磨损转变为粘着磨损和疲劳磨损。
Valtonen等人[14]发现,虽然钢材在低温下硬度增加、强度提高,但其塑性变形能力下降。绝热剪切带在马氏体钢材中尤其容易导致次表面裂纹的形成。Zhu等人[15]通过实验和数值模拟研究了冰撞击对钢板的影响,指出冰撞击导致的变形和能量耗散机制与传统撞击不同,从而在钢板上产生了独特的磨损模式。海洋结构中使用的钢材的侵蚀是一个突出的工程问题,尤其是在低温下。Kioka等人的研究[16]表明,钢材与海冰接触时的磨损程度与摩擦距离成线性关系。Takeuchi和Kioka[17]发现,钢表面的滑动磨损程度取决于冰中含沙量。具体而言,含沙的冰会通过快速侵蚀锈层而加剧对钢表面的磨损。
近年来,人们对EH36钢在低温下的力学和微观结构性能进行了广泛研究。Zhang等人[7]研究了低温对EH36钢力学性能的影响。Zhao等人[18]分析了该钢材的弹塑性本构关系;Wang等人[19]研究了EH36钢在低温下的拉伸和疲劳性能,这种钢材常用于极地破冰船。Min等人[9]考察了冰级船用钢材在低温下的力学性能。然而,以往的研究主要集中在EH36钢在低温条件下的疲劳行为、断裂机制以及微观结构与力学性能之间的关系[[20], [21], [22]]。Kim等人[23]和Wang等人[24]的研究提供了关于EH36钢焊接接头和基材在低温下的重要发现。
本研究首次在室温、0°C和-40°C下研究了EH36钢的干滑动磨损行为,从而比较评估了EH36钢在不同环境温度下的摩擦学性能,为北极海洋运输中的材料选择和设计提供了重要数据。

材料制备

本研究选择了EH36级船用钢作为测试材料,这种钢材在造船工业中广泛应用。由于其优异的力学强度和抗冲击韧性,尤其是在低温下,EH36钢是船体和海上结构的首选高性能工程材料。EH36钢的化学成分见表1。
试样是从标准尺寸的圆柱形钢棒精确切割而成的。

结果与讨论

在磨损测试过程中,必须结合赫兹接触力学和环境条件对材料行为的影响来评估接触区域的磨损情况。具体来说,载荷下的瞬时赫兹接触压力代表弹性应力,而随时间增加的磨损宽度则是氧化磨损、磨料磨损和粘着磨损共同作用的结果。

结论

本研究研究了EH36级海洋钢在室温、0°C和-40°C下的干滑动磨损行为。在10 N、20 N和30 N载荷下进行的测试中,对磨损痕迹进行了磨损体积损失(V)、磨损率(W)、磨损系数(k)和摩擦系数的测量,并进行了SEM-EDS分析。研究结果总结如下:
- 磨损体积(V)随环境温度和施加载荷的变化而显著变化。特别是在室温和0°C时

作者贡献声明

Muttalip Alt?nok:撰写——初稿撰写、数据整理。Bilal Kur?uncu:撰写——初稿撰写、数据可视化、概念构思。Y?lmaz Kü?ük:撰写——初稿撰写、数据可视化、验证、方法论设计、实验研究、数据整理、概念构思。Sabri Alkan:数据验证、方法论设计。M. Sabri G?k:撰写——初稿撰写、数据验证、研究监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

知名企业招聘

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号