不同彈性材料空蝕特性試驗

翟儼偉，李健薄

(1.中國長江三峽集團有限公司 科學技術研究院，北京 100038；2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；3.河海大學 水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 210098；4.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司, 四川 成都 610072)

空化造成的最普遍的工程問題就是空化泡在固體表面附近潰滅時造成的空蝕破壞。很多學者對空蝕問題進行了長期深入的研究?？瘴g是綜合了空化的破壞作用和邊界材料抵抗空蝕能力的結(jié)果?？瘴g問題涉及了復雜的非定常流動及固體表面特定材料的反應過程等知識，包括流體力學、材料力學和物理化學等。雖然已經(jīng)有很多經(jīng)驗性的方法應用于工程，計算已知結(jié)構(gòu)潛在的空化風險，但仍有大量與底層機制相關的基本問題懸而未決。總之，空蝕破壞問題非常復雜，空蝕機理至今仍有爭議。

空化泡的潰滅是一個劇烈的過程。空化泡在潰滅過程中，會在潰滅點附近的流體區(qū)域產(chǎn)生沖擊波和微射流。目前，關于空蝕機理有兩種解釋：一種是空化泡潰滅時發(fā)出沖擊的沖擊波論[1-3]，另一種是空化泡潰滅時形成微射流的微射流論[4]。除了從力學角度出發(fā)得到的機理外，還有熱作用、電化學、化學腐蝕等理論。盡管研究人員針對空蝕破壞機理進行了大量的研究工作，但由于空化泡尺寸小、周期短，在常規(guī)試驗條件下很難觀察到空化泡與邊界相互作用的全過程，因而空蝕機理研究至今仍在繼續(xù)。

超聲波能量聚焦后，可使液體產(chǎn)生劇烈振動。超聲空化是指存在于液體中的微小氣核，在超聲場的作用下被激發(fā)形成空化泡，從而不斷產(chǎn)生、振蕩，并累積聲場能量，當能量達到一定閾值時，空化泡急劇潰滅閉合，并在潰滅閉合時產(chǎn)生沖擊波等的一系列動力學過程。超聲空化在制造、冶金、化工等領域應用廣泛，如超聲清洗、乳化、催化、電鍍、污水處理等[5-10]，在醫(yī)學中超聲空化還可用來治療一些疾病[11-12]。Robles等[13]研究了兩個空化泡潰滅微射流對軟材料的影響，探討了穿透速度和深度，探索了微尺度注射的應用。由此可見，在水利工程中研究空化空蝕是為了避免負面影響，而在更廣闊領域中的應用則可以利用空化帶來正面收益?？张輨恿W研究，特別是空化泡與不同材料邊界相互作用的研究，具有明確的現(xiàn)實意義和理論價值。

已有研究從細觀層面較為詳細地分析了空化泡與不同彈性邊界的相互作用規(guī)律，揭示了彈性邊界附近空化泡潰滅特性，以及空化泡演變對彈性邊界的影響[14-16]。本文通過開展不同彈性材料超聲空蝕試驗，觀察分析不同彈性材料的空蝕特征，研究材料抗空蝕性能的影響因素。

1 試驗儀器與材料

為了從宏觀角度研究空化泡對邊界材料的空化空蝕作用，利用超聲空蝕試驗系統(tǒng)產(chǎn)生空化云，觀察空化云持續(xù)作用下不同彈性材料的空蝕作用結(jié)果，研究不同彈性材料的抗空蝕性能。超聲空蝕試驗系統(tǒng)主要包括電源、放大器、功率調(diào)節(jié)器、超聲變頻器、鎖相頻率自動跟蹤器、換能器、變幅桿及恒溫冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等。超聲空蝕試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。圖1中：放大器可將電源輸入的220 V、50 Hz民用電通過變頻器件轉(zhuǎn)變?yōu)?～100 kHz的交變電能，再通過調(diào)節(jié)阻抗和輸出功率將電能與換能器匹配；換能器將電能轉(zhuǎn)化機械能，帶動變幅桿縱向機械振動。當變幅桿端部浸沒于水體時，變幅桿的高頻振動誘使下方水體發(fā)生空化，產(chǎn)生由大量空化泡構(gòu)成的空化云，空化云在試件表面附近潰滅，對試件造成空蝕破壞。

圖1 超聲空蝕試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic cavitation test system

超聲空蝕試驗系統(tǒng)可實現(xiàn)10～100 kHz頻率和0～500 W的功率調(diào)節(jié)。考慮到變幅桿輻射頭在大功率運行過程中會出現(xiàn)損耗較快的問題，而低功率運行時空化云較弱，因此，在經(jīng)過多次預試驗后，確定在試驗中采用的設備功率為150 W。超聲換能器工作頻率20.0±0.2 kHz。燒杯液面高度100.0±2.0 mm，液體介質(zhì)為去離子水，通過循環(huán)水冷系統(tǒng)可控制試驗水溫恒定在25±2 ℃。試件尺寸為30 mm×30 mm×2 mm，試件與變幅桿端部的輻射面間距為2.0±0.1 mm。

空蝕質(zhì)量損失和表面粗糙度變化是反映空蝕效果非常關鍵的參數(shù)，為了準確獲得每次試驗后的結(jié)果，一方面，要嚴格操作步驟規(guī)范；另一方面，需借助高精度分析天平和表面粗糙度測試儀進行稱量或檢測，使用梅特勒-托利多MS半微量天平稱量，使用TR200粗糙度儀測量表面粗糙度。

超聲條件下空蝕試驗不同彈性材料包括在單空化泡試驗中使用的216-1、216-2、218-1、218-2硅膠彈性材料[16]，還包括水利工程、過流管道、流體機械中較為常用的聚氨酯、軟質(zhì)聚氯乙烯、硬質(zhì)聚氯乙烯、酚醛層壓板、低密聚乙烯、高密聚乙烯、聚酰胺、6061鋁合金、304不銹鋼等材料。使用INSTRON 5567通用材料測試機對這些彈性模量進行測試，主要參數(shù)見表1，表1中的材料密度取自出廠檢測值。

表1 超聲空蝕試驗材料特性Tab.1 Materials characteristics in ultrasonic cavitation erosion experiments

2 試驗結(jié)果

2.1 不同彈性材料空蝕質(zhì)量損失對比分析

空蝕質(zhì)量損失是評價材料空蝕破壞程度的重要參數(shù)[17-18]。進行不同彈性材料超聲空蝕試驗，得到累計質(zhì)量損失隨時間變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同彈性材料累計質(zhì)量損失隨時間變化曲線Fig.2 Cumulative mass loss curves with time for different elastic materials

由圖2可知，不同彈性材料的空蝕質(zhì)量損失特征差異較大：

彈性模量較小的硅膠試件圖2（a）～（d）中，紅色點線代表試驗組的結(jié)果，黑色點線代表僅做去離子水浸泡的對照組結(jié)果，浸泡時間和間隔均與試驗組相同。隨試驗時間增加，各組試件均出現(xiàn)了一定程度的質(zhì)量損失，但是未進行試驗的對照組試件出現(xiàn)了更多的質(zhì)量損失，說明這些硅膠試件的質(zhì)量損失并不是空蝕作用造成的。硅膠材料具有較強的疏水性，但微量成分會與水分子結(jié)合并揮發(fā)，試驗結(jié)果中出現(xiàn)的試件質(zhì)量損失正是這部分成分散失的結(jié)果。推測試驗組和對照組之間累計質(zhì)量損失的差異是由于試驗組試件在每次完成試驗后，使用去離子水、無水乙醇清洗，恒溫烘干，在干燥器內(nèi)靜置24 h之后再進行稱重；而對照組試件在相同時間去離子水浸泡后，未使用無水乙醇清洗，直接進入烘干和干燥器靜置環(huán)節(jié)，因而試件表面會殘留微量水分，這使得對照組試件的質(zhì)量損失略大于試驗組。硅膠試件在超聲誘發(fā)的空化云持續(xù)作用下未出現(xiàn)由空蝕造成的質(zhì)量損失，因此從空蝕質(zhì)量損失的角度評價，這些硅膠材料具有較好的抗空蝕特性。

圖2（e）中，彈性模量有明顯差別的軟質(zhì)聚氯乙烯和硬質(zhì)聚氯乙烯在累計質(zhì)量損失表現(xiàn)上有較大的差異。軟質(zhì)聚氯乙烯的累計質(zhì)量損失明顯多于硬質(zhì)聚氯乙烯；硬質(zhì)聚氯乙烯在試驗初期有明顯的空蝕孕育階段。這一明顯差異源于聚氯乙烯屬于強極性聚合物，有極強的分子間作用力，使得聚氯乙烯堅硬而缺乏彈性和柔韌性。添加增塑劑會削弱聚氯乙烯分子間作用力，從而明顯改善其柔韌性。密度更高、分子量更大的硬質(zhì)聚氯乙烯具有較高的硬度和強度，這使得硬質(zhì)聚氯乙烯在空蝕質(zhì)量損失的表現(xiàn)上要優(yōu)于軟質(zhì)聚氯乙烯。

另外，圖2（e）中彈性模量比較接近的低密聚乙烯和高密聚乙烯累計質(zhì)量損失有一定差異。低密聚乙烯的空蝕質(zhì)量損失略多于高密聚乙烯，說明對于彈性模量相近的同一種高分子材料而言，結(jié)晶度、聚合分子量及分子鏈結(jié)構(gòu)等對抗空蝕特性影響較明顯。彈性模量較大的聚酰胺結(jié)晶度較高、鉸鏈規(guī)整、分子間作用力較強，具有較好的韌性和抗沖擊性，因而空蝕質(zhì)量損失較少。

不同彈性材料經(jīng)過8 h超聲空蝕試驗后，累計質(zhì)量損失如圖3所示。

圖3 不同彈性材料累計質(zhì)量損失Fig.3 Cumulative mass loss of different elastic materials

對應彈性模量較小的材料（1 MPa≤E≤11 MPa）未出現(xiàn)空蝕質(zhì)量損失，因而沒有在圖中體現(xiàn)。從累計空蝕質(zhì)量損失角度來看，該彈性模量范圍內(nèi)的彈性材料具有較好的抗空蝕特性。隨著彈性模量增加，不同彈性材料的抗空蝕特性出現(xiàn)較為明顯的差別，說明此時材料抗空蝕特性與彈性模量的關聯(lián)性下降，材料抗空蝕特性與密度、其他力學性能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特征有關。

2.2 不同彈性材料空蝕后的表面形貌分析

水工建筑物表面的不平整度對誘發(fā)空化有顯著的影響，平整的表面有利于推遲空化空蝕的發(fā)生和發(fā)展。在空化云的持續(xù)作用下，不同彈性材料出現(xiàn)了不同程度的質(zhì)量損失。僅通過空蝕質(zhì)量損失表現(xiàn)出的差異，不足以對不同彈性材料抗空蝕特性進行區(qū)分。本節(jié)從形貌變化角度分析不同彈性材料的抗空蝕特性。

2.2.1 不同彈性材料空蝕后的宏觀形貌

從細觀層面的單個空化泡與彈性邊界相互作用的分析中發(fā)現(xiàn)：一定彈性模量范圍內(nèi)的彈性材料有較好的抗空蝕特性[16]；從超聲條件下對彈性材料試件空蝕質(zhì)量損失的分析中發(fā)現(xiàn)，硅膠試件并未在空化云的持續(xù)作用下出現(xiàn)空蝕造成的質(zhì)量損失。在試驗期間分別對不同彈性材料試件跟蹤拍照，從宏觀角度觀察單個試件隨試驗進行表面形貌變化情況，按照材料彈性模量從小到大排列，如圖4所示。圖4中，右下角數(shù)字對應超聲空蝕試驗時間，0代表初始狀態(tài)。

圖4 不同彈性材料宏觀表面形貌Fig.4 Macroscopic surface morphology of different elastic materials

從宏觀表面形貌可見，彈性模量在11 MPa以內(nèi)的圖4（a）～（e）試件經(jīng)過8 h試驗，表面幾乎沒有變化，依然保持光滑平整。其中，試件的拉伸彈性模量E分別為1.0、2.5、8.2、9.7、11.0 MPa。

彈性模量稍大的軟質(zhì)聚氯乙烯（圖4（f））試驗到2 h表面開始出現(xiàn)麻面；之后，在3～4 h中央?yún)^(qū)域出現(xiàn)了明顯的裂隙。硬質(zhì)聚氯乙烯（圖4（j））表面形貌在試驗進行到4 h后開始出現(xiàn)圓形麻面，在6 h后開始出現(xiàn)個別空蝕麻點，直到試驗至8 h麻點數(shù)量依然較少，試件表面的空蝕破壞程度較輕。彈性模量在1 000 MPa左右的酚醛層壓板（圖4（g））、低密聚乙烯（圖4（h））、高密聚乙烯（圖4（i））與彈性模量較大的聚酰胺（圖4（k））試件表面形貌變化過程較為類似。隨著試驗進行，試驗1～2 h，形成了較為均勻的圓形麻面；試驗3～4 h，變幅桿覆蓋的中央?yún)^(qū)域形成了較為明顯的麻點；之后，隨著時間的增加，麻點的密度隨之增加。

同為金屬材料的6061鋁合金（圖4（l））和304不銹鋼（圖4（m））試件表面預先做鏡面處理，但表面形貌的變化過程差別非常明顯：6061鋁合金在1 h便形成了密集的麻點；在2～3 h麻點之間貫通，表面空蝕破壞較為嚴重。304不銹鋼表面受空化云影響，在1～4 h形成了逐漸加深的麻面，未見明顯的麻點，表面受空蝕破壞程度較輕。

2.2.2 不同彈性材料空蝕后的表面粗糙度變化

表面粗糙度Ra是影響材料空蝕特性的重要因素之一。試件表面粗糙度變化會改變過流邊界的結(jié)構(gòu)，造成液體流動分離并產(chǎn)生渦流，導致液體內(nèi)部垂直于邊界的速度梯度和壓力梯度發(fā)生改變[19-20]。材料表面的不平整處包含了大量微裂隙，使得更多的微小氣核在缺陷處聚集，從而增加了發(fā)生空蝕破壞的可能性。

在分析表面粗糙度變化前，通過對不同彈性材料表面進行預處理，控制材料表面初始粗糙度一致，使試件表面粗糙度Ra為1.10±0.40 μm。不同彈性材料的Ra隨超聲空蝕試驗時間的變化過程如圖5所示。

圖5 不同彈性材料表面粗糙度Ra隨時間變化Fig.5 Surface roughness Ra of different elastic materials with time

圖5中：在單位時間內(nèi)，彈性模量較小的聚氨酯和軟質(zhì)聚氯乙烯試件表面粗糙度增加量很少，其中，聚氨酯試件也未出現(xiàn)空蝕質(zhì)量損失，因而綜合來看具有較好的抗空蝕特性；而軟質(zhì)聚氯乙烯卻有著明顯的空蝕質(zhì)量損失，這與材料的組成結(jié)構(gòu)有關[21-22]。硬質(zhì)聚氯乙烯材料具有較強的分子間作用力，在常溫水體中空化云的持續(xù)作用下，材料主要表現(xiàn)出堅硬而缺乏彈性的特點；304不銹鋼試件表面粗糙度的變化過程與硬質(zhì)聚氯乙烯較為相似，而造成表面粗糙度改變的空蝕機制需要結(jié)合微觀表面形貌圖像進一步分析。

另外，圖5中材料彈性模量較為接近1 000 MPa的酚醛層壓板、低密聚乙烯、高密聚乙烯試件表面粗糙度均出現(xiàn)了不同程度的增加，其中酚醛層壓板的空蝕質(zhì)量損失和表面粗糙度均偏大。比較低密聚乙烯和高密聚乙烯試件，高密聚乙烯的表面粗糙度小于低密聚乙烯。從分子結(jié)構(gòu)的角度來看，高密聚乙烯結(jié)晶度更高，聚合分子量大，分子鍵僅包含碳—碳鍵和碳—氫鍵，需要較多的能量才會斷裂；而低密聚乙烯聚合物具有大量支鏈結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)缺乏規(guī)整性，較少能量即會斷裂。在機械性能表現(xiàn)上，高密聚乙烯的強度、韌性及剛性均高于低密聚乙烯，因此，高密聚乙烯的表面粗糙度變化小于低密聚乙烯。何劍雄[23]對比分析了純UHMW-PE與加入了不同填料的UHMWPE的空蝕性能和空蝕機理，發(fā)現(xiàn)加入填料的復合材料表現(xiàn)出了較好的耐磨損、抗空蝕性能。本文兩種聚乙烯材料表面粗糙度試驗結(jié)果在趨勢上與文獻比較一致，說明分子結(jié)構(gòu)及聚合方式對聚乙烯材料的抗空蝕特性有明顯影響。

經(jīng)過8 h超聲空蝕試驗，統(tǒng)計試驗前后試件表面粗糙度值，可得到不同彈性材料空蝕試驗后的表面粗糙度變化量ΔRa。將ΔRa與不同彈性材料對應的彈性模量進行匯總，如圖6所示。需要說明的是，彈性模量小于10 MPa的硅膠材料表面粗糙度無法測量，SEM觀察表明粗糙度變化近似為0。從圖6中可看出：當材料彈性模量很小（如聚氨酯、軟質(zhì)聚氯乙烯）或很大（如304不銹鋼）時，ΔRa較??；而當材料彈性模量介于700～70 000 MPa區(qū)間時，不同彈性材料的ΔRa存在較大的差異。

圖6 不同彈性材料空蝕試驗前后表面粗糙度變化量ΔRaFig.6 Surface roughness changes ΔRa of different elastic materials before and after experiments

綜合分析空蝕累計質(zhì)量損失和表面粗糙度變化試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當材料彈性模量較小時（彈性模量1～11 MPa），材料表面在空化泡沖擊下表現(xiàn)出彈性變形響應特征，從而一定程度上化解了空化泡的潰滅沖擊，達到“以柔克剛”的效果；當材料彈性模量很大時（304不銹鋼），材料在空化泡沖擊下幾乎沒有彈性變形響應，而是表現(xiàn)出剛性特性，此時材料抗空蝕特性的影響因素較為復雜，利用不同的表面工程技術手段對材料表面進行改性，增加表面或鍍層的韌性、硬度、平整度、與基體的結(jié)合力等可以增強材料的抗空蝕性能，這在金屬材料領域的空蝕防護中已有大量試驗依據(jù)和工程應用[24-32]；當材料的彈性模量介于以上兩者之間時，在空化泡作用下的響應也表現(xiàn)為介于彈性和剛性之間的塑性形式，材料的抗空蝕特性與彈性模量的關聯(lián)性下降，與材料密度、結(jié)構(gòu)等特征有關：高密度、結(jié)構(gòu)致密的材料空蝕質(zhì)量損失和表面粗糙度變化較??；密度較低、結(jié)構(gòu)稀疏的材料有較大的空蝕質(zhì)量損失且表面粗糙度增大。此外，高分子材料的分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度等特征對其抗空蝕特性影響較大。在允許材料表面發(fā)生一定程度變形的應用場景中，豐富的彈性材料種類可以為空蝕防護提供更多的選擇。

2.2.3 不同彈性材料空蝕后的微觀形貌

高分子材料的空蝕破壞機理較為復雜，可以通過SEM圖像研究不同彈性材料表面微觀形貌變化及空蝕破壞特征，從微觀形貌的角度分析不同彈性模量材料的空蝕行為差異。SEM觀察需要對試件切片取樣，這會對試件造成不可逆的破壞。通過對宏觀形貌的觀察發(fā)現(xiàn)，試件受空化云持續(xù)作用影響，表面會留下圓形空蝕破壞痕跡。由于空化泡群具有聚焦效應[17]，截取試件的1/4部分，即可根據(jù)空蝕作用效果，將空化云對樣品的影響區(qū)域大致分為空蝕核心區(qū)、過渡區(qū)及對照區(qū)，分別對應右下區(qū)域、1/4圓弧區(qū)域及左上區(qū)域，如圖7所示。

圖7 不同彈性材料切片F(xiàn)ig.7 Different elastic materials slices

由圖7可看出，可在同一個試件上得到該材料表面受空蝕影響的微觀形貌差異。由于硅膠材料沒有出現(xiàn)空蝕損失，且無法測量其表面粗糙度，出于嚴謹考慮，準備若干組試件來展示不同時段硅膠材料微觀表面形貌的變化過程，在樣品切片時選擇空化作用最強的變幅桿正下方、試件中央?yún)^(qū)域，截取面積約5 mm×5 mm的薄片。

不同彈性材料微觀表面形貌如圖8所示。圖8中：左上角數(shù)字表示累計試驗小時數(shù)；0號代表對照試件，在進行試驗期間同步浸泡在去離子水中8 h。注意到樣品表面有不同程度的微小顆粒附著。使用能譜儀進行元素分析得到微小顆粒的主要元素成分，見表2。其他材料沒有類似硅膠表面大范圍附著顆粒，因而沒有再進行檢測。

表2 硅膠樣品表面顆粒物元素成分Tab.2 Elemental composition of particles on the surface of silica gel samples

圖8 不同彈性材料微觀表面形貌Fig.8 Microscopic surface morphology of different elastic materials

利用能譜儀做元素成分分析，可以大致判斷出顆粒物主要由碳酸鈣、二氧化硅構(gòu)成，除極個別尺寸較大的顆粒物外，絕大部分顆粒物對試件表面的影響可以忽略。由于不同彈性材料空蝕后的微觀形貌有較大差異，為了體現(xiàn)出各材料的微觀形貌特征，選取不同的放大倍率做展示。

由SEM圖像可見，硅膠試件在初始條件下有較為均勻的紋理，這可能是由試件在恒溫箱固化過程中溫度梯度造成的。彈性模量較小的圖8（a）216-1硅膠試件在試驗2 h后沿著紋理出現(xiàn)個別的凹坑，表面紋理仍較為整齊；4 h后，凹坑在個別位置出現(xiàn)，附著在表面的較大塊顆粒物對紋理的走勢略有影響；6 h后，表面紋理不再整齊，紋理圍繞著凹坑分布，此時凹坑普遍分布在表面，并未發(fā)展為裂隙或孔洞，說明在空化云持續(xù)作用下表面出現(xiàn)了一定程度的塑性變形，但依然保持完整。彈性模量較大的圖8（b）216-2、圖8（c）218-2及圖8（d）229硅膠試件表面變化較為相似，在試驗2 h后表面紋理變得凌亂，同時較大塊的顆粒物向周圍輻射出紋理；達到6、8 h后，表面凌亂的紋理隨試驗時間增加進一步加深；這3組試件表面沒有形成明顯的凹坑，也沒有出現(xiàn)裂隙，在空化云的持續(xù)作用下僅改變了試件表面的紋理特征。

彈性模量較小的圖8（e）聚氨酯表面附著了較多的顆粒物，這與硅膠表面的顆粒物附著情況類似。可以隱約地看出表面紋理，3個區(qū)域圖像沒有可識別的差異，說明空化泡對聚氨酯表面形貌的影響較小。圖8（f）軟質(zhì)聚氯乙烯表面不同區(qū)域形貌差別較大，不受空化云影響的對照區(qū)較為光滑平整；受空化云影響較小的過渡區(qū)開始出現(xiàn)獨立的微小裂隙或破裂形成的穿孔，個別地方裂隙貫通形成了較大的裂縫；在空蝕核心區(qū)，裂縫進一步延長，形成了較長的不規(guī)則貫通開裂，斷層面存在個別毛刺。推測軟質(zhì)聚氯乙烯的空蝕破壞主要是由微射流穿透超過了材料的彈性變形極限造成的拉剪破壞。

彈性模量接近的酚醛層壓板（圖8（g））、低密聚乙烯（圖8（h））和高密聚乙烯（圖8（i））在空蝕核心區(qū)都出現(xiàn)了較為明顯的凹坑，且凹坑的尺寸也比較接近。酚醛層壓板（圖8（g））在過渡區(qū)大部分酚醛樹脂已脫落，纖維素完整的暴露出來，部分區(qū)域纖維素出現(xiàn)鱗狀起翹，在纖維素斷裂處有塑性變形跡象；凹坑的截面非常粗糙，體現(xiàn)出了纖維素的韌性斷裂形式。低密聚乙烯（圖8（h））的空蝕集中沿表面條痕分布，在過渡區(qū)表面沒有密集的凹坑，而是出現(xiàn)微小的鱗狀起翹，在條痕處的空蝕發(fā)展得更加明顯，這從微觀層面表明表面粗糙度的增加會加劇空蝕破壞；從核心區(qū)的凹坑截面來看，斷裂面較為粗糙，有塑性變形痕跡，屬于韌性斷裂。高密聚乙烯（圖8（i））表面沒有明顯條痕，因而在過渡區(qū)沒有形成較為集中的空蝕破壞。彈性模量偏大的聚酰胺（圖8（k））試件的表面較為平整，過渡區(qū)表面變?yōu)槁槊?，表現(xiàn)為孔徑約1 μm的密集凹坑或鱗狀起翹，個別表面缺陷處形成了較大的凹坑，說明表面缺陷處更容易發(fā)生空蝕破壞；在空蝕核心區(qū)，凹坑尺寸與酚醛層壓板、低密聚乙烯和高密聚乙烯的接近；從凹坑外圍可以看出聚酰胺的層狀結(jié)構(gòu)和較為尖銳的邊緣，體現(xiàn)出聚酰胺的韌性斷裂形式。硬質(zhì)聚氯乙烯（圖8（j））材料表面較為光滑平整，在空蝕過渡區(qū)出現(xiàn)了不同大小且形狀十分不規(guī)則的凹坑，伴有較不明顯的鱗狀起翹；在空蝕核心區(qū)可見較大的凹坑，其斷面比較光滑，無毛刺，表現(xiàn)出脆性斷裂特征，注意到斷面上偶爾出現(xiàn)較小的凹坑或起翹，說明斷裂后新的光滑表面仍有一定的抗空蝕特性。圖8（m）304不銹鋼在空蝕過渡區(qū)形成了高低起伏狀的塑性變形；在空蝕核心區(qū)出現(xiàn)了不同尺寸的近似圓形的凹坑，凹坑直徑約1～6 μm，尺寸與圖8（a）216-1凹坑接近，但凹坑邊緣更加光滑。圖8（l）6061鋁合金的抗空蝕性能較差，在空蝕過渡區(qū)表面有明顯的塑性變形，伴有大量較為獨立的凹坑；在空蝕核心區(qū)凹坑完全貫通，遍布脆性斷裂缺口，同時在斷裂處又出現(xiàn)了新的凹坑，空蝕凹坑向更深處發(fā)展。

從不同彈性材料空蝕后的微觀形貌可見：彈性模量1～11 MPa的彈性材料微觀表面隨試驗時間增加僅有些細小的紋理變化，沒有出現(xiàn)破裂或孔洞；隨著彈性模量增加，不同材料的空蝕破壞特征有較大差異。

3 結(jié) 論

本文通過試驗分析了不同彈性材料的空蝕質(zhì)量損失和表面形貌變化，研究了不同彈性材料的抗空蝕特性。主要得到以下結(jié)論：

1）通過超聲空蝕試驗發(fā)現(xiàn)：彈性模量1～11 MPa的彈性材料在超聲空化作用下沒有出現(xiàn)空蝕質(zhì)量損失；同時，宏觀表面形貌無明顯變化，微觀表面隨試驗時間增加僅有些細小的紋理變化，沒有出現(xiàn)破裂或孔洞。這表明這一彈性模量范圍的彈性材料具有較好的抗空蝕特性。

2）隨著彈性模量增加，不同彈性材料的空蝕破壞特征有較明顯的差別，說明此時材料抗空蝕特性與彈性模量的關聯(lián)性下降，而與材料密度、結(jié)構(gòu)等特征有關：高密度、結(jié)構(gòu)致密的材料空蝕質(zhì)量損失和表面粗糙度變化較??；密度較低、結(jié)構(gòu)稀疏的材料有明顯空蝕質(zhì)量損失且表面粗糙度增加。材料表面缺陷處更容易發(fā)生空蝕破壞。