Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ совреіїенньіх представлений о механизме кавитации и к авиационного изнашивания 8
1.1. Физическая сущность явления кавитации 8
1.2. Гипотезы кавитационного изнашивания 15
1.3. Способы оценки интенсивности кавитационного изнашивания и материалы, применяемые для этой цели 21
1.4. Факторы, влияющие на кавитационный износ 23
1.5. Экспериментальные установки для оценки кавита- ционной стойкости материалов 31
1.6. Методы борьбы с кавитационным изнашиванием 34
1.7. Использование кавитации в полезных целях 37
1.8. Постановка цели и задачи исследований 40
ГЛАВА II. Разработка методики и создание лабораторных установок дня исследования кавитации и кавитацион ного изнашивания 42
2.1. Научные предпосылки и обоснование принципиальной схемы лабораторной установки 42
2.2. Лабораторные установки, контрольно-измерительные приборы и аппаратура 44
.2.3. Методика проведения исследований . 56
ГЛАВА III. Исследование кавитации и закономерностей кавита ционного изнашивания при обтекании однорядных возбудителей 67
3.1. Исследование зоны кавитации за цилиндрическими возбудителями с помощью скоростной киносъемки 67
3.2. Исследование кавитационного изнашивания в зависимости от стадии кавитации, геометрических параметров цилиндрических возбудителей ж гидродинамических параметров потока 85
3.3. Влияние формы и состояния поверхности возбудителей кавитации на кавитанионный износ 119
3.4. Исследование кавитационного шума при обтекании, цилиндрических возбудителей 131
Выводы 137
ГЛАВА ІV Исследование многсрщщых цилиндрических возбудителей кавитации 139
4.1. Выбор и обоснование принципиальной схемы многорядных цилиндрических возбудителей кавитации 140
4.2. Влияние числа кавитации и противодавления на длину зоны кавитации 146
4.3. Механизм и основные закономерности кавитационно го изнашивания материалов 165
Выводы 178
ГЛАВА У. Разработка практических рекомендаций и их проверка в производственных условиях 180
5.1. Методика проектирования рабочих камер гидродинамических установок и проведения испытаний материалов на кавитационное изнашивание 180
5.2. рекомендации по использованию гидродинамической кавитации в полезных целях 189
5.3. Снижение износа деталей кавитационных устройств в условиях эксплуатации 198
5.4. Проверка рекомендаций в производственных усло
виях и расчет экономической эффективности 200
Выводы 207
Выводы и рекомендации 208
Литература
- Способы оценки интенсивности кавитационного изнашивания и материалы, применяемые для этой цели
- Лабораторные установки, контрольно-измерительные приборы и аппаратура
- Исследование кавитационного изнашивания в зависимости от стадии кавитации, геометрических параметров цилиндрических возбудителей ж гидродинамических параметров потока
- Механизм и основные закономерности кавитационно го изнашивания материалов
Введение к работе
Одной из основных проблем народного хозяйства является проблема надежности и долговечности машин. Главное место в этой сложной и комплексной проблеме занимают вопросы износа. Изнашивание деталей машин в большинстве случаев начинается с поверхности в результате контактного нагружения материала деталей. Одним из распространенных видов контактного нагружения является кавитаци-онное воздействие жидкости на граничащую с ней поверхность, в результате чего происходит кавитационное изнашивание - эрозия поверхности материала.
Широко известно, что гидродинамическая кавитация приносит-большой урон народному, хозяйству своим разрушающим действием лопастей насосов, гидротурбин, гребных винтов, элементов гидротехнических сооружений и гидравлических систем, несуших поверхностей судов на подводных крыльях и другого гидравлического оборудования. Кавитация также создает вибрацию, снижает коэффициент полезного действия машин и пропускную способность трубопроводов. Поэтому исследования кавитации и кавитационного изнашивания,разработка средств его предотвращения или ослабления, .а также полезного применения кавитации приобретают все более важное значение.
Большой вклад в изучение кавитации.и кавитационного изнашивания внесли исследования К.К.Шальнева, А.Д.Перника,.С.П.К0зыре-ва, В.Я.Карёлина, В.В.Фомина, И.Н.Богачева и других ученых,Однако исследования кавитации и кавитационного изнашивания проводились при обтекании лишь одиночных, а не системы препятствий.Так К.К.Шальнев /119,120/ изучал кавитационное обтекание одиночного цилиндра, модели треугольного профиля и. других форм; Р.Кнэпп /57/ -кавитацию на теле вращения с полусферической носовой частью. Другими авторами /43,48,60,118,143,145/ исследовалась кавитация и изнашивание за-одиночными препятствиями в виде тре-
Угольника, конуса, полусферы, сегмента круга, полуцилиндра, уступа, выступа и т.д., моделирующими неровности на обтекаемой поверхности.
В реальных условиях, например, в устройствах, использующих гидродинамическую кавитацию для приготовления эмульсий /10,20,
89 / и очистки поверхностей /2,4,5,7,8/, кавитационное изнашивание происходит при обтекании целой системы препятствий -возбудителей кавитации, поэтому изучение кавитации и закономерностей кавитационного изнашивания, определение кавитационной стойкости материалов необходимо проводить на проточных кавитационных установках - гидродинамических трубах. Однако в настоящее время при обтекании одиночного возбудителя кавитации неполностью реализу--ются возможности гидродинамических труб - неполностью используется энергия потока жидкости. А широко распространенные, ускоренные методы испытаний материалов на кавитационное изнашивание- .. магнитострикционные и струеударные не отражают реальные условия изнашивания и,кроме того, в них не учитываются коррозионные процессы из-за быстроты протекания процесса.изнашивания. Изучение . кавитации и кавитационного изнашивания при обт.екании.системы.возбудителей кавитации ранее практически не проводилось, поэтому исследование механизма и закономерностей кавитации и кавитационного изнашивания при обтекании системы возбудителей кавитации, создание ускоренного гидродинамического метода испытания материалов на кавитационное изнашивание с максимальным использованием энер-.. гии потока жидкости, отражающего реальные условия, изнашивания материалов, а также разработка новых кавитационных устройств с системой возбудителей кавитации, для приготовления эмульсий и очистки поверхностей является актуальной задачей.
В задачу настоящей работы входило проведение исследований кавитации и закономерностей кавитационного изнашивания при обтека-
ний жидкостью системы возбудителей кавитации, разработка методики проектирования рабочих камер гидродинамических установок с максимальным использованием энергии потока и проведения испытания материалов на кавитационное изнашивание, разработка новых кавитационных устройств для приготовления эмульсий и очистки поверхностей.
В результате выполнения работы исследованы кавитация и закономерности кавитационного изнашивания при обтекании системы возбудителей кавитации, установлены оптимальные с точки зрения максимальной изнашивающей способности геометрические параметры возбудителей кавитации и гидродинамические параметры потока жидкости. Установлены зависимости относительной величини кавитационного износа от относительного расстояния между цилиндрическими возбудителями кавитации и от относительной длины зоны кавитации, определяемые как произведение степенной функции на показательную.Показано, что изнашивание металлов при кавитации происходит в результате усталости с образованием микротрещин на изнашиваемой поверхности, установлено, что при трехрядных цилиндрических возбудителях кавитации мощность потока жидкости.используется на 38% больше, чем при однорядных при давлении с учетом скоростного напора перед первым рядом цилиндров Р = 650-660. кДа. Разработана новая методика проектирования рабочих камер гидродинамических установок, и проведения испытания материалов на кавитационное изнашивание.
Полученные в диссертации результаты, использованы для разработки методики, расчета рабочих камер гидродинамических установок с максимальным использованием энергии потока, жидкости и проведения испытания материалов на кавитационное изнашивание. При проведении испытаний по предлагаемой методике экономический эффект составит-не менее 140 руб. на один образец, созданы новые кави-
таиионные устройства для приготовления эмульсий и очистки поверхностей, защищенные. 7 авторскими свидетельствами на изобретения. Даны рекомендации по снижению износа деталей кавитацион-ных устройств. Устройствр для приготовления эмульсий рнедрено на Кировской ТЭЦ-4 с экономическим эффектом 24 тыс.руб в год и на Кировском маргариновом заводе.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на межвузовской конференции молодых з'ченых Волго-Вятского региона (Саранск, 1972), на ежегодных научно-технических конференциях КПИ (Киров, 1973-1984 г.г.) на УІ международной конференции по гидромашинам (Будапешт, 1979), на объединенном семинаре по кавитации сектора механики неоднородных сред АН СССР (Москва,1980), на специализированном научном семинаре "Трение и износ в машинах" МИНХ и ГП им.И.М.Губкина (Москва, 1984г. ).
По результатам научных исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе получено 8 авторских свидетельств на изобретения. Кроме печатных статей,результаты исследований изложены в 3 . научных отчетах.
Работа выполнена в лаборатории гидравлики и гидравлических машин Кировского политехнического института и в лаборатории износостойкости материалов Подмоскобского филиала НАТИ под руководством д.т.н. С.П.Козырева, которому автор выражает свою глубокую признательность.
Способы оценки интенсивности кавитационного изнашивания и материалы, применяемые для этой цели
В настоящее время основным направлением решения проблем кавитационного- изнашивания является проведение экспериментальных исследований. Исследования кавитанионного изнашивания при гидродинамической кавитации на натурных материалах.существенно увеличивают трудоемкость и длительность испытаний, что влечет за собой значительные, затраты энергии и времени. Отсюда ясна целесообразность проведения ряда экспериментов по проблемам кавитационного изнашивания на модельных материалах. .
. Существуют.различные способы оценки кавитационного износа материалов /42,57,104/. Рассмотрим кратко основные из них. Р.Кнэпп оценивал интенсивность эрозии (интенсивность, кавитационного воздействия) по числу впадин, приходящихся на единицу площади мягкого алюминиевого образца, обладающего стабильными физическими свойствами, в /136/ применялся такой же способ опенки интенсивности кавитационного воздействия, а в качестве образца использовалась алюминиевая фольга. В-ЦКТИ /45/ кавитационный износ количественно оиенивалеяпутем подсчета числа и размеров эро- , ционных язвин на лаковом покрытии. Однако этот способ имеет недостатки ввиду своей неточности, больших затрат времени, и,пожалуй, самое главное, из-за невозможности фиксации единичных ударов при больших интенсивностях кавитации, когда поверхность об разца покрывается раковинами и происходит наложение отдельных вмятин друг на друга. Этот метод может быть применен лишь на начальных стадиях изнашивания материалов. Специальные лаковые покрытия, разработанные во ВННИГидромаше /II/, используются для ускоренного определения зон кавитационного износа и его интенсивности при скоростях потока 6-18 м/с. Но они имеют недостаток: невозможно количественно оценить кавитационный износ при эрозион-но-активных стадиях, вследствие быстрого его разрушения,и кроме того, возможность скола лака уменьшает точность этого способа.
Керром и розенбергом /138/ был разработан и применен способ оценки величины кавитационного износа, заключающийся в уменьшении радиоактивности специального покрытия, нанесенного.на лопасти гидротурбины. Этот метод не нашел своего применения, так как небезопасен для обслуживающего персонала и требует специальных кавитационных труб незамкнутого типа.
Объемный способ оценки величины кавитационного износа предполагает замер величины уноса объема испытуемого материала путем заливки легкоплавким, сыпучим или.пластичным, материалом (парафином, пластилином) отдельных крат еров...Этот способ сложен и. неточен, так как трудно заполнить материалом, полученные в результате разрушений, кратеры.
Способ оценки величины кавитационного износа материала по . глубине разрушений также тлеет недостаток.из-за трудности и неточности замера глубины, отдельных ..очагов разрушений поверхности образца. В /104/ предлагаются способы стереофотограмметрии и микростворов для измерения глубины износа. Однако эти способы сложны, требуют.уникальной аппаратуры и нуждаются в дальнейшем совершенствовании. Этот способ оценки величины кавитационного износа совместно с объемным способом можно рекомендовать при испытаниях гигроскопичных материалов типа оргстекла.
Способ оценки кавитационного износа по площади разрушений предполагает замер величины площади разрушений, что технически легко осуществимо.
Способ фиксации кавитационного износа по потере массы (веса) образца за единицу времени или за определенное время нашел широкое применение благодаря своей простоте /60,104,120,143/.
Следует отметить, что все перечисленные способы оценки ин -тенсивности кавитационного изнашивания не лишены недостатков,например, не учитывают пластических деформаций материалов. Однако других способов количественной оценки кавитационного износа не имеется и, по нашему мнению, следует отдать предпочтение способам оценки износа по потере массы и площади износа ввиду их простоты, точности измерения и возможности визуального наблюдения и контроля.
Большое значение при проведении экспериментальных исследований имеет выбор модельного материала, который должен качественно повторять характер кавитационного износа натурных материалов,обладать низкой кавитационной стойкостью и по возможности моделировать структуру и физико-механические свойства натурных материа -лов. Однако невозможно подобрать материал, полностью удовлетворяющий этим требованиям.
В качестве модельных испытуемых материалов, позволяющих получать ускоренные результаты испытаний, чаще применяется свинец, реже - алюминий. В работе /48/ использовался сплав ЗЗуда.
На кавитационный износ, характеризующий интенсивность кавитации, оказывают влияние многие факторы, основными из которых являются: гидромеханические параметры потока жидкости (скорость, давление, длина зоны кавитации и т.д.), физические свойства жид кости (вязкость, поверхностное натяжение, плотность, температу -ра, газосодержание), форма и геометрические параметры возбудителей кавитации. Влияние этих факторов на износ многими исследователями изучалось при обтекании одиночных препятствий.
Влияние гидромеханических параметров потока
Одним из главных параметров является скорость потока жидкости, влияние которой на износ изучалось многими авторами. Согласно экспериментальным исследованиям Р.Кнэшза /57/, частота образования впадин в диапазоне исследованных скоростей 17-80 м/с оказа -лась пропорциональной шестой степени скорости потока. По опытам Керра и Розенберга /138/ интенсивность изнашивания оказалась пропорциональной также шестой степени скорости.
В опытах К.К.Шальнева /121/ с одиночным цилиндром износ свинцовых образцов выражался пропорционально скорости в степени 5,7 -5,8. А.Д.Перник /82/ теоретически установил показатель степени при скорости, равный восьми. В работе /31/ также устанавливается показатель степени, равный восьми. С.П.Козыревым /60/ исследовалось развитие износа свинцового образца во времени при различных скоростях и оказалось, что показатель степени изменяется от 10 до 2,5, причем этот показатель имеет большее значение при небольшой длительности испытаний.
Лабораторные установки, контрольно-измерительные приборы и аппаратура
Для проведения исследований кавитации и кавитационного изнашивания нами была создана в соответствии с научными предпосылками, изложенными в 2.1,новая лабораторная кавитагионная установка. Отличительной особенностью установки является то, что рабочая камера позволяет поперек потока устанавливать несколько возбудителей кавитации, а также несколько рядов. Ширина канала изменяется за счет постановки различных сменных пластин. Кроме того,достоинством установки является возможность быстрой смены образцов в рабочей камере без снятия крышки.
Лабораторная установка (рис.2.1)представляет собой замкнутую кавитационную гидродинамическую установку, разработанную автором и изготовленную в лаборатории гидравлики и гидравлических машин : Кировского политехнического института в соответствии с требованиями по проектирован ио гидротруб /44,88/. Установка может работать также как разомкнутая, для чего предусмотрена задвижка на сливной линии. Основными узлами установки являются: центробежный четырехступенчатый насос I типа ЗМСГ-Ю- (подача Q. = (6-10 КГ3 м3/с, давление Р = 1-0,73 мПа) с электродвигателем мощностью /V =I7KBT и частотой вращения /7 =312 рад/с (2980 об/мин) расходомер 4 типа сопла Вентури, напорный резервуар7, рабочая камера II, резервуар 19, ресорбер 29, с тремя электронагревателями 28 мощностью по 3,5 кВт и холодильниками 30, компрессор 32 типа 0-І6Б, трубопроводы, задвижка, вентили,краны и щит управления с приборами.. Установка работает следующим образом.Насос I забирает жидкость из ресорбера 29 по всасывающему трубопроводу 27 и по нагнетательному трубопроводу 2 через вентиль 3 и расходомер 4 подает в напорный резервуар 7. Из резервуара жидкость по трубопроводу 10 поступает в рабочую камеру II и по сливному трубопроводу 15-в ресорбер 29. Скорость потока в рабочей камере изменяется перепуском части жидкости в сливную линию по трубопроврдам 23 и 24. Количество перепускаемой жидкости регулируется задвижкой 25 и вентилем 26. Вентиль 3 открывается полностью во избежание образования за ним побочной кавитации. Давление в системе, помимо давления, создаваемого насосом, регулируется сжатым воздухом, который нагнетается компрессором 32 в верхнюю часть резервуара 19. Количество подаваемого воздуха регулируется вентилем 18, а необходимое давление - вентилем 16. Во избежание попадания воздуха в систему противодавление в сливной линии при изменении длины зоны кавитации создается за счет давления жидкости, поступающей из резервуара 19 по трубопроврду малого диаметра oL= 15 мм с вентилем 21. А при работе установки по разомкнутой схеме - за счет задвижки на сливной линии. Температура жидкости в системе замеряется с помощью спиртового термометра 14 (с ценой деления 1с), заключенного в прозрачный кожух и омываемого потоком жидкости. Жидкость в установке может нагреваться до 80С электронагревателями и поддерживаться при постоянной температуре с помощью электроконтактного термометра ЭКТ-100 с датчиком 31 и холодильников 30. Выпуск воздуха из системы во время заполнения установки из водопровода с вентилем 22, а также во время работы производится краниками 9. Кран 20 служит для слива части воды из установки в ванну 5 при смене образцов. Насадка 8 используется для тарирования расходомера 4 объемным способом, а также для присоединения других кавитационных устройств. Установка оборудована дифференциальным ртутным манометром б типа ДГ-50, образцовыми манометрами и вакуумметрами 12 класса точности 0,4, трехходовыми краниками 13, водомерным стеклом 17. Часть общего вида ус тановки показана на рис.2.2.
Рабочая камера (рис.2.3) представляет собой стальную прямоугольную рамку I с размерами окна 458x126x32 мм с прямоугольными входными и выходными отверстиями размерами 100x10 мм. Сверху и снизу рамка закрыта прозрачными крышками 2 и 4. К рамке приварены конфузор 12 со степенью поджатия /44/, равной 3,86 и диффузор. 3. Назначение конфузора - обеспечить равномерность поля скоростей в рабочем участке и уменьшить турбулентность потока.
Свинцовый образец 5 размером 70x68x2 (3) мм, приклеенный эпоксидным клеем к дуралюминиевои подложке 6 толщиной 2 мм, поднимается герметично через кондуктор 7 прижимом 8 к скошенным граням стакана 9 и к поверхности пластинок 10. Стакан вставляется в окно в нижней крышке камеры и прижимается прижимом 8 с помощью четырех гаек и шпилек, ввернутых в тело рамки, к поверхностям пластинок 10, помещенных между крышками 2 и 4. Возбудители кавитации II своими хвостовиками вставляются в отверстия образна с подложкой и кондуктора 7 и закрепляются с помощью гаек. Сечение рабочей камеры может быть 65x12 мм. Высота канала регулируется . за счет прокладок и перемещения крышек 2 и 4 в пределах 3-12 мм, а ширина канала - за счет постановки различных сменных пластинок Ю, выполненных из оргстекла и закрепленных от смещения штифтами. Зона кавитации в виде белого облака, возникшая за возбудителями кавитации, наблюдается через верхнюю прозрачную крышку, на которую нанесена координатная сетка для измерения длины зоны кавитации. Давления в рабочей камере замеряются в точке Б, отстоящей от оси возбудителей кавитации вверх по потоку на расстоянии L = 60 мм и за ними в точке Г-на расстоянии L = 100 мм.
Исследование кавитационного изнашивания в зависимости от стадии кавитации, геометрических параметров цилиндрических возбудителей ж гидродинамических параметров потока
Число рейнольдса составляет R.C = 3,12 10 . На рис.3.8 представлены графики изменения условных диаметров отделившихся каверн во времени при O/af = I, Л = 2. Из графика видно, что каверны, имея вначале большой диаметр, уменьшаются, затем увеличиваются, а потом резко сокращаются.Например, скорость сжатия каверны за цилиндром с рифленой поверхностью на участке АВ составляет 2/" = 19,24 м/с.
Рассматривая поведение множества каверн, отрывающихся с цилиндров, можно заметить, что их полного захлопывания не происходит, а они исчезают, пульсируя, имея на конечной стадии диаметр не менее I мм. Пульсацию каверн можно объяснить нестационарным процессом отрыва каверн с цилиндров, турбулентными пульсациями давления и, кроме того, при охлопывании массы пузырьков происходят местные гидравлические удары с возникновением ударных волн. При попадании каверны в зону разряжения происходит ее расширение, а при попадании в зону повышенного давления - ее сжатие. Поэтому под действием пульсаций давления каверны возбуждаются и совершают затухающие колебания.
Таким образом, скоростная киносъемка зоны кавитации показывает, что при обтекании ряда цилиндрических возбудителей процессы зарождения, роста и захлопывания кавитационных каверн протекают также, как и в случае двухстороннего обтекания одиночного цилиндра, и, следовательно, каверны могут обладать такой же изнашивающей способностью. При развитой стадии кавитации (Л= 1,7-2) каверны возникают и попеременно отрываются с обеих сторон каждодого цилиндра, не мешая друг другу. Однако, особенно при малом расстоянии между цилиндрами (G/c/ =0,4) происходит объединение каверн, оторвавшихся с соседних сторон цилиндров. С цилиндров с рифлено.! сетчатой поверхностью при Q./a{ = 1,0, Я =2 происходит четкий периодический отрнв каверн с каждой стороны. Обнаруживаются высокоскоростные деформации отдельных частей каверны и микроструйки, пронизывающие их с большими скоростями (более 68 м/с).
Исследование кавитационного изнашивания в зависимости от стадии кавитации, геометрических параметров цилиндрических возбудителей и гидродинамических параметров потока Перейдем к установлению закономерностей кавитационного изнашивания при обтекании однорядных возбудителей кавитации. Величину кавитационного износа оценим по потере массы образца AG-CH-GK, (ЗЛ) где Сн, Gк - соответственно масса образца до и после испытания. Кавитационный износ при обтекании возбудителей является функцией многих размерных .параметров AG = Ki,a,h,c,A,d,крх,(р,-в,)А ], «-г) где A G - потеря массы образца за время испытания; / - длина зоны кавитации; Q - расстояние (свободное) между возбудителями кавитации; П - высота возбудителя кавитации; С - расстояние от стенки до крайнего возбудителя кавитации; А - высота уступа; СІ - диаметр (средний) возбудителя кавитации; V - скорость потока; V - кинематический коэффициент вязкости жидкости; Р - плотность жидкости; 2" - время испытания; Р Р - абсолютное давление перед возбудителями кавитации и 1 ) V давление парообразования жидкости; гАҐ - число каверн, срывающихся за одну секунду с одной стороны возбудителя кавитации; . /7 - количество возбудителей кавитации. Имеем 13 размерных величин, вк»чая и A G .На основании JI - теоремы /96,102/ зависимость (3.2) можно представить в виде безразмерных критериев подобия. Величины, входящие в зависимость (3.2), имеют следующие размерности:
Размерности параметров выражены через три единицы измерения: м, кг,с. Их можно выразить через три параметра: диаметр с/ , плотность р и скорость V , которые обладают независимыми между собой размерностями, т е. размерность третьей величины нельзя выразить через размерности двух других величин
Доказательством этого положения является неравенство нулю определителя, составленного из показателей их размерностей.
Механизм и основные закономерности кавитационно го изнашивания материалов
Износ материала начинается не сразу, а существует инкубационный период, в течение которого не наблюдается потери массы, но происходят изменения Е микроструктуре поверхностного слоя материала. Длительность инкубационного периода соответствует одинаковым степеням разрушения материала и характеризует кавитагионную стойкость материала. Нами проведены испытания образцов из оргстекла, стали Ст 3 и нержавеющей стали І2КІ8НІОТ при скорости потока перед цилиндрическими возбудителями V = 17 м/с; 0./0 = О Л; C/cf = =0,5; H/Ctm I; П = ь; d « Ю мм и Л = 2.
Начало износа образна из оргстекла проявляется после 30 минут испытаний, когда на поверхности образна наблюдается едва залетное помутнение. При 10х увеличении этой зоны видны следы мелких трещин. При дальнейшем испытании на поверхности образна начинают появляться следы хрупких сколов (рис.Ч. 16,а), от которых идут мелкие трещины, т.е. оргстекло разрушается хрупко. После 8 часов испытаний поверхность образца за цилиндрами подвержена сильному износу. Изношенная поверхность образна представляет собой следы хрупких сколов (рисЛ.1б,б), которые возникают в результате локального микроударного воздействия гидравлического удара при захлопывании кавитационных пузырьков. Зоны износа в средней части поверхности образца представляют собой форму язычков, расположенных за промежутками между гилиндрами, а за крайними цилиндрами со стороны боковых стенок - форму отдельных хвостов (рис.4.16,в). Изношенные участки поверхности со стороны боковых стенок имеют большую глубину износа (до 0,6 мм), а зоны износа, находящиеся в средней части образца - значительно меньшую глубину. Также наблюдаются отдельные очаги износа непосредственно у боковых стенок. Следует отметить, что после 8 часов испытаний образна из оргстекла небольшие очаги износа появляются на поверхности образна около боковых поверхнос тей цилиндров, в особенности около крайних. Из-за гигроскопичности оргстекла не обнаружилась потеря массы образца.
Как показывают рентгеноструктурные и металлографические исследования, а также замеры микротЕердости поверхности металлов /27,112,114/ в процессе кавитационного изнашивания преобладающую роль играет механический фактор. Даже при кратковременном кавитационном воздействии на поверхности металлов появляются п ласт ическ ие дефо рмации.
Кавитационное воздействие является микроударным, многократным и импульсным воздействием, когда гидравлический удар действует на участок поверхности (IO-IO мм2), соизмеримый с отдельными составляющими сплава /27,112/. При этом наблюдается неравномерное распределение напряжений в поверхностном слое, характер кавитационного износа будет определяться в,основном энергией и концентрацией кавитационных пузырьков и прочностью изнашиваемого материала /114/. В кавитациоиной зоне имеется различный уровень механического воздействия пузырьков на изнашиваемую поверхность. Согласно исследованиям Р.Кнэппа /57/, от некоторых пузырьков при их захлопывании возникают нормальные напряжения,превышающие предел прочности или пластичности материала.От этих единичных ударов вырываются частицы или на поверхности пластичного материала (свинца,алюминия и т.д.)образуются язвинки,вмятины и лаже глубокие кратеры с наплывами металла по краям (рис.3.13,а).Разрушение в этом случае проиходит от многократного передеформирования с удалением наплывов.Но таких ударов немного (і из 30 000,действующих за 1с на поверхности в I см2) и не эти удары определяют изнашивание более прочного материала. Интенсивность многих ударов слишком мала и возникающие при этом напряжения меньше,чем предел прочности и пластичности материала.хотя и не возникает остаточная деформация от этих ударов,но интенсивность ударов достат очна, чтобы привести к усталостному разрушению поверхностного слоя материала.
В течение некоторого времени - инкубационного периода в толще поверхностного слоя материала изменяется внутренняя структура /27,57,112/: происходят структурные превращения, образуется множество дислокаций, т.е. нарушения кристаллической структуры,которые переходят в линии сдвига, идущие по границам зерен и через зерно. В этих местах зарождаются и развиваются микротрещины, происходит выкрашивание зерна микроструктуры и дробление зерен на субзерна, т.е. идет обычное усталостное разрушение материала.Твердость поверхности металлов под действием микроу аров и пластической деформации сначала повышается, т.е. происходит упрочнение наклепом, а затем происходит разупрочнение за счет образования микротрещин, которые ослабляют металл и вызывают концентрацию напряжений. Жидкость,попадая в микротрещины % работая как клин, облегчает дальнейшее повреждение.
На рис.4.17 приведены фотоснимки рельефа полированной поверх ности образца из стали Ст 3 после различного рремени кавитанион ного воздействия при скорости потока 1/ ж Г7 м/с и Л =2.
Дв испытания поверхность образца представляет собой светлое поле. После 60 мин испытаний (рис.4.17,а) на полированной поверхности образца выявился рельеф, характерный для данной стали, т.е. происходит как бы своеобразное травление поверхности образца с видимыми границами белого феррита и темного перлита. Образование рельефа происходит главным образом за счет пластической деформации, возникающей за счет микроударов.
