摘要：本文以亚稳态金属为对象研究其抗空蚀性能与空蚀诱发相变的关系。试验中用旋转圆盘试验机为工具，以Fe-Mn-Si合金、Fe-Cr-Ni 和Fe-Cr-Mn-Ni为例，得到的实验结果是三者的抗空蚀性能分别达到0Cr13Ni5Mo的7.3倍、1.6倍与1.8倍；并且诱发马氏体相变与抗空蚀性能、应力的相应及其能量耗散有密切的关系。
关键词：空蚀 不锈钢 亚稳态金属材料 抗空蚀性能 马氏体相变
空蚀现象是一种导致材料加速毁坏的物理现象，经常发生在与水接触的材料表面，尤其是高速运动的材料表面，例如水泵、船坞螺旋桨表面以及水轮机等。空蚀现象的存在严重的影响了在水下运转的部件的寿命，造成了巨大的资源与能源的浪费。特别是随着水轮机以及军用的舰船向着高速发展，研究空蚀问题显得更为重要。近年的研究在金属的抗空蚀方面做出了很大的进展，但是在亚稳态方面的研究还不多见，下面就已以亚稳态金属为例，探讨空蚀诱发的马氏体相变对对金属材料的抗空蚀性能的作用。
1 空蚀的定义及产生原理
空蚀一般指水流在某处的流速增加导致的材料在局部的压力变化而产生气化，气泡的形成以及溃灭会对于材料的表面产生局部的破坏。
其原理可以解释为：在液体的不停的流动中会由于某些特殊的原因而使得局部的压力突然的降低，如果此压力小于该温度条件下液体的气化压，那么该部分的液体就会发生气化的现象，形成气泡。如果这些生成的气泡随着液体的运动而到达了压力较高的区域，空泡就会因为存在条件改变而溃灭，这将会导致局域压力的骤增。如果这一过程在液体流中不断的反复，与之接触的材料的表面就会受到连续不断的压力冲击，这就会导致材料的疲劳破损甚至表面的剥蚀，即为空化剥蚀，也叫空蚀。
2 实验材料与方法
本实验采用0Cr13Ni5Mo不锈钢为参照，研究近年来的亚稳态新材料，例如Fe-Mn-Si合金、Fe-Cr-Ni 和Fe-Cr-Mn-Ni。将上述的四种材料在950-1150的温度下进行锻打，并且在实验前进行固溶化处理，其结果是参照组的0Cr13Ni5Mo的组织是大部分的马氏体与少量的奥氏体，三种对照组材料的组织是奥氏体。
本实验采用旋转圆盘试验机，将准备好的样品安置于试样台上，线速度设定为45m/s，其空化源尺寸d为16mm、水温为20±5℃、水压为0.1MPa。称取试样时先将样品用丙酮进行超声波清洗，采用精度在0.1mg的BS210S电子秤进行准确的称量。观察使用的是S-2700型SEM以及日本理学D/Max-3c的XRD，从而得到空蚀表面的组织结构及微观的形貌。
3 实验的现象
3.1 空蚀的形貌 空蚀现象是一个渐进的过程，起初的现象不明显，只是出现局部区域的点状的侵蚀坑，随着空蚀的时间延长，在试验中的四种金属的表面都可以观察到明显的瓜子形的空蚀区域，如图1所示，Fe-Mn-Si合金其它三种的微观形貌与有着很大的不同，后三种的材料的空蚀形貌呈现爆玉米花形状。Fe-Cr-Ni 和Fe-Cr-Mn-Ni所形成的空蚀区域形状相差不大，而且较之Fe-Mn-Si合金的空蚀区域的瓜子形要大，并且都要比0Cr13Ni5Mo的空蚀区域要小，也就是说比0Cr13Ni5Mo的抗空蚀能力强。
3.2 抗空蚀性能 抗空蚀性能的研究通过累计质量损失来衡量，且与质量的损失的倒数成正比关系。图1就是空蚀累计损失质量与时间t的关系图，从图中可以看出，金属的空蚀过程可以分为三个时期：空蚀的前期可以说是一个孕育阶段，累计质量损失不发生变化；过了孕育期，随着时间的延长，质量的损失不断的增加，而且不同的材料的质量损失的差异也表现了出来；最后质量的损失速度趋于稳定，可计算出抗空蚀性能。
从图中可以清晰的看到：0Cr13Ni5Mo的累计质量损失为26.3mg，我们以此为标准，设定它的抗空蚀能力为单位1.0，则Fe-Mn-Si合金、Fe-Cr-Ni 和Fe-Cr-Mn-Ni的相对抗空蚀性能分别为7.3、1.6、1.8。即实验用的亚稳态的三种材料的抗空蚀性能明显的高于用于水轮机的0Cr13Ni5Mo不锈钢。
4 实验结果的讨论
试验中得到的三种亚稳态材料的抗空蚀特性有着较为明显的差异，其原因只能从其微观机理进行分析。由于空蚀的发生是因为材料吸收了空泡溃灭所释放的能量所导致的结构破坏，因此抗空蚀特性可以理解为避免材料吸收能量或者转移能量的特性，而这就要考虑材料的动态力学响应。
将试验中的三种材料进行XRD 测试，图谱见上图2、3、4，其结果表明Fe-Mn-Si合金中诱发了密排六方晶体结构的马氏体相变，而Fe-Cr-Ni 和Fe-Cr-Mn-Ni中分别有94.1%与88.6%的体积诱发了体心立方晶体马氏体相变。
也就是说在空蚀的过程中由于材料被诱发了不同结构的马氏体相变而导致了抗空蚀能力的不同。其微观的机理可以解释为：材料在空蚀中释放了一定的能量，马氏体的诱发也要吸收一定的能量，如果这些能量可以被马氏体相变的诱发利用，那么这种材料就具有较高的抗空蚀能力。
由以上的分析可知，空蚀诱发的马氏体相变有利于材料抗空蚀能力的增强。而且如果诱发的马氏体相变可以像Fe-Mn-Si合金一样可以发生马氏体的逆转变，则这种材料的抗空蚀性能更加会大大的提高。
5 结论
由本文的试验分析可以得到以下三个结论：
①材料的空蚀形貌大致的呈现为瓜子形，但是其大小有很大的差别；②三种合金的诱发的马氏体类型不同，也导致其抗空蚀能力的巨大差异，其相对的大小为7.3、1.6与1.8。③抗空蚀的能力可以通过诱发马氏体相变获得，并且与动态相变对应力的相应有重要的关联。马氏体的诱发及其逆转变增加了能量的耗散与伪弹性，提高了金属的抗空蚀能力。
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