www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Эрозия (от erosio — разъедаю) представляет собой последовательное разрушение микроучастков поверхности металлических и неметаллических деталей или конструкций под влиянием сложного механического воздействия внешней среды.

Различают следующие виды эрозии металлов: кавитационную, газовую, абразивную, электрическую, ультразвуковую и др.

Интенсивность процесса эрозии зависит от многих факторов, связанных как с природой металла, подвергающегося разрушению, так и со свойствами среды, параметрами воздействующего на металлы потока.

В настоящей работе рассмотрены вопросы механического разрушения металлов жидкостью, протекающего в микрообъемах поверхностного слоя. Установлено, что в этом случае в разрушении металла кроме кавитации участвуют и другие разрушающие факторы. Этот процесс поверхностного (контактного) разрушения металла обычно называют общим термином — гидроэрозия.

Гидроэрозии подвергаются детали, работающие при больших скоростях в воде или других жидкостях. Такой вид разрушения металла особенно часто встречается при эксплуатации судовых гребных винтов и гидротурбин. Его обнаруживают на лопастях, лопатках направляющего аппарата, проточной части рабочих колес насосов, трубопроводах, охлаждаемой поверхности цилиндровых втулок дизельных двигателей, деталях гидросамолетов и многих других элементах машин и механизмов, работающих в жидких средах.

Ущерб, причиняемый народному хозяйству гидроэрозией деталей, огромен; он исчисляется десятками миллионов рублей в год. Кроме того, гидроэрозия металлов значительно затрудняет развитие гидромашиностроения, а в ряде случаев является серьезным препятствием при создании высокопроизводительной техники.

Нередко этот вид разрушения металла необоснованно относят к электрохимической коррозии и при выборе конструкционного) материала не обращают внимания на его сопротивляемость гидроэрозии.

До настоящего времени нет полного представления о механизме гидроэрозионного вида разрушения металла. Большинство исследователей считает, что в этих условиях металл разрушается в основном в результате кавитирующего действия жидкости [2, 6, 8, 11 и др.].

Явление кавитации (от cavitas — пустота) представляет собой возникновение в потоке жидкости парогазовых пузырьков, где давление снижается до давления паров жидкости при соответствующей температуре, и последующее сокращение этих пузырьков при перемещении их в зону повышенного давления. Кавитационное разрушение металла вызывается гидравлическими импульсами ударного характера, которые возникают при быстром сокращении парогазовых пузырьков, попадающих в область более высоких давлений. Результаты работ, выполненных в этой области [15, 58, 61], показывают, что механизм кавитационного разрушения очень сложен и до настоящего времени полностью не изучен. Имеется и другое представление о механизме кавитационного разрушения [32], по которому материал на микроучастках поверхности в момент захлопывания кавитационных пузырьков «работает» не на удар, а на отрыв. Полагают, что в данном случае причиной гидроэрозии являются высокочастотные импульсы микрообъемов жидкости отрывного характера.

Во избежание явлений кавитации обычно проводят различные конструктивные мероприятия. Однако полностью устранить явления кавитации при этом не удается.

Кроме того, разрушение может быть следствием обычных ударов микрообъемов жидкости, если напряжение от удара превышает прочность металла на отдельных микроучастках. В этом случае конструктивные решения мало эффективны, так как избежать ударов микрообъемов жидкости при высоких: скоростях потока или движения детали практически не представляется возможным.

Примером результата ударного действия капель жидкости может служить разрушение передних кромок несущих поверхностей сверхзвукового управляемого снаряда, которые под действием дождевых капель за несколько секунд полета сильно разрушаются [60]. Интенсивной гидроэрозии подвергаются также рабочие лопатки паровых турбин, особенно на последних ступенях цилиндров низкого давления.

Результаты исследований [6, 8, 35, 60 и др.] показывают, что гидроэрозия развивается не только от кавитирующего действия жидкости, но и от обычных ударов, при которых каждая частица жидкости действует локализованно и при высоких скоростях ведет себя как твердое тело, обусловливая сложный характер нагружения рабочей поверхности детали. В этих условиях поверхность детали подвергается микроударному воздействию, поэтому обычные показатели механических свойств не могут характеризовать эрозионную прочность или стойкость металла, т. е. его сопротивляемость разрушению в микрообъемах. Надежность и долговечность деталей машин, работающих в условиях микроударного воздействия, следует оценивать механическими характеристиками металла отдельных микроучастков. Прочность отдельных микроучастков определяется природой данного сплава, его структурными составляющими, свойствами зерна, его границ и строением тонкой структуры.

Эффективному увеличению сопротивляемости сплавов гидроэрозии способствуют факторы, повышающие однородность их структуры. Прочность металла в микрообъемах увеличивается только в том случае, когда наряду с повышением прочности зерна возрастает и прочность его границ. Изучение поведения отдельных зерен осложняется наличием в поликристаллических металлах большого количества различных микроскопических дефектов, значительно снижающих сопротивляемость металла гидроэрозии в отдельных микрообъемах. Вопросы, связанные с разрушением металла в микрообъемах, изучены недостаточно. Для правильной оценки сопротивляемости конструкционного материала гидроэрозии необходимо иметь ясное представление о механизме этого вида разрушения металла.

Рассмотренные в работе общие закономерности гидроэрозии касаются роли структуры и строения отдельных металлов и сплавов в определении их сопротивляемости микроударному разрушению. Эти закономерности могут быть распространены и на другие конструкционные материалы при оценке и выборе их для изготовления деталей, работающих в условиях микроударного воздействия. Представления о механизме гидроэрозии металлов подтверждаются в работе большим экспериментальным материалом, который может быть использован при дальнейших исследованиях в этой области.

Техника ближайщего будущего потребует применения более прочных материалов для работы в условиях высоких скоростей, вызывающих разрушение металла в микрообъемах. В связи с возрастающими требованиями новой техники дальнейшие исследования в этой области должны быть направлены в первую очередь на разработку теоретических положений легирования сталей, стойких к гидроэрозии. Необходимо провести глубокие исследования для разработки физико-химической теории образования эрозионно-стойких многокомпонентных диффузионных покрытий. Следует изучить влияние напряженного состояния на интенсивность процесса гидроэрозии. Исследования необходимо проводить также в направлении изыскания эрозионно-стойких наплавок и удобных методов их нанесения. Наплавки могут быть использованы и для восстановления изношенных деталей и их упрочнения.

Совершенно неотложной является задача по разработке методов и приборов, позволяющих стандартизировать испытания материалов на эрозионную стойкость.

Борьба с гидроэрозией металлов может быть более успешной, если будут разработаны комплексные мероприятия, предусматривающие рациональный выбор материала, а также соответствующие конструктивные и технологические решения.

Учение об эрозии металлов развивается в самостоятельное направление науки и приобретает актуальное значение для развития новой техники.

Назад, на страницу описания