Особенности процесса эрозионного разрушения материалов

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Эрозия металлов - это процесс постепенного разрушения их путем механического износа. Например, истирание подшипников скольжения или поршневых колец, истирание реборд и скатов колесных пар трамваев или железнодорожных вагонов, разрушение металла при его шлифовке и т. д.

Проблема эрозионного изнашивания, а, следовательно, и защиты деталей приобретает в настоящее время особую актуальность. При движении жидких и газообразных потоков в таких распространенных машинах, как компрессоры, двигатели внутреннего сгорания, турбореактивные и реактивные двигатели и другие происходит эрозионное разрушение различных деталей. Эрозия материала -- вид изнашивания поверхности деталей машин и аппаратов, включающий собственно эрозионное разрушение, а также элементы трения и коррозии и подчиняющийся закономерностям физики твердого тела и учения о поверхностных явлениях под действием внешних сил.

Эрозионное разрушение материалов можно разделить на четыре основных вида: газовую, кавитационную, абразивную и электрическую.

Процесс эрозионного разрушения усугубляется и коррозионными явлениями. Пленка окислов, существующая практически всегда на поверхности металлов в газовых средах, особенно при повышенных температурах, разрушается потоком абразивных частиц. При этом поверхность металла вновь подвергается окислению, создаются условия для неравномерного коррозионного разрушения. По коррозионным очагам эрозионное разрушение происходит еще интенсивнее, так как рельеф становится более шероховатым.

Эрозионное разрушение материалов можно разделить на четыре основных вида: газовую, кавитационную, абразивную и электрическую.

эрозионный кавитационный газовый

1. Газовая эрозия

Газовая эрозия: разрушения металлов под действием механических и тепловых сил газовых молекул.

Газовая эрозия даже теплозащитных покрытий наблюдается под действием горячих отработанных газов, движущихся с большой скоростью.

Алюминиевомагниевые легкие сплавы плохо сопротивляются горячей газовой эрозии, и образцы из них при испытании на лабораторных приборах разрушаются в результате однократного воздействия горячих газов, имеющих весьма высокую температуру. Для характеристики поведения этих сплавов на рис. 54 приводится внешний вид образца после одной обдувки на приборе для эрозионных испытаний.

Эти характеристики определяют сопротивление металлов горячей газовой эрозии. Электрические и магнитные свойства металла (электросопротивление, магнитная проницаемость, магнитная индукция, электронная эмиссия и др.) должны учитываться при определении эрозионной стойкости металла в случае ультразвукового и электрического воздействия на поверхность заготовки или детали.

При проектировании аппаратуры для испытания материалов на сопротивление горячей газовой эрозии возникают сложные и подчас противоречивые задачи. С одной стороны, надо максимально приблизить условия испытания к условиям эксплуатации деталей, а с другой, сколько возможно упростить конструкцию и методику проведения эксперимента и, следовательно, удешевить все исследование.

Расплавление механически ослабленных тонких поверхностных слоев металла при горячей газовой эрозии, а также испарение и плавление металла при электрической эрозии - это второй характерный тип разрушения материала. Существуют уравнения, устанавливающие связь между температурой на поверхности уноса массы и скоростью уноса, из решения которых может быть установлена доля тепла, поглощенного в процессе теплопроводности, доля тепла уносимого в пространство вместе с массой и излучаемого с поверхности материала. По теплу, поглощенному в процессе теплопроводности, рассчитывается температура на поверхности несущей конструкции под слоем теплозащитного аблирующего материала.

Дается анализ факторов, определяющих сопротивление металлов и покрытий горячей газовой эрозии.

При рассмотрении факторов, оказывающих существенное влияние на процесс горячей газовой эрозии металлов и связанных со средой, следует иметь в виду, что действие их по своим результатам имеет часто противоречивый характер. Так, например, при кратковременном протекании определенного количества газа по трубе, скорость газового потока обратно пропорциональна его времени действия и, следовательно, величине эрозионного разрушения поверхности. С другой стороны, кинетическая энергия газовой струи с возрастанием скорости движения увеличивается, что приводит к большему эрозионному износу. Таким образом, в этом случае суммарный эффект от возрастания скорости движения газов с точки зрения эрозионного разрушения поверхности металла может быть или большим или меньшим.

При этом им был сделан вывод, что на процесс горячей газовой эрозии преобладающее влияние оказывает термический фактор, причем основой механизма разрушения является вымывание или сдувание струей газов расплавленного или размягченного и потерявшего сплошность (вследствие наличия мелких трещин термической усталости) поверхностного слоя металла.

По нашему мнению, абляция есть не что иное, как горячая газовая эрозия материалов с некристаллическим строением, в частности эрозия широкого класса пластических масс и ряда теплозащитных покрытий.

Одним из наиболее распространенных в настоящее время методов защиты изделий от горячей газовой эрозии является применение различного рода покрытий.

Особенно эрозионностойкими являются чрезвычайно тугоплавкие вольфрамомолибденовые сплавы, которые практически почти не подвержены горячей газовой эрозии. Однако высокая хрупкость и значительная стоимость подобных сплавов не позволяют пока рекомендовать их для массового промышленного применения в деталях, подверженных газовой эрозии.

Поскольку в двух последующих главах излагаются вопросы, связанные главным образом с явлениями лишь горячей газовой эрозии, уместно привести здесь отдельные рекомендации по защите изделий от других видов эрозионного разрушения. Эти рекомендации получены на основании результатов испытаний, проведенных па опытных образцах в установках и аппаратах, в том числе и рассмотренных ниже.

Следует отметить, что при холодной газовой эрозии происходит значительно менее интенсивный износ поверхности металла, чем при горячей газовой эрозии.

Указанные опыты подтвердили, что образование структур слаботравящихся белых слоев обязано главным образом диффузионным процессом, протекающим в условиях горячей газовой эрозии.

Таким образом, основным выводом из рассмотрения физических теорий эрозионного износа следует считать вывод о преобладании термического фактора в процессе горячей газовой эрозии, причем основой механизма разрушения является вымывание или сдувание струей газов расплавленного или размягченного и потерявшего сплошность вследствие наличия мелких трещин термической усталости поверхностного слоя металла.

В книге Эрозия и защита металлов по сравнению с первым изданием существенно расширена и переработана глава, посвященная современным методам защиты деталей от горячей газовой эрозии; дополнена глава по теории эрозионных процессов и сделана попытка изложения элементов, общей теории эрозионного износа. Увеличено количество примеров эрозионного разрушения материалов, а также расширен перечень аппаратуры и методик, используемых для изучения эрозионных процессов; несколько рациональнее расположены ранее использованные и новые данные, что придало книге большую стройность и логичность изложения.

Поскольку, как это будет видно из дальнейшего изложения, составные механические и тепловые эффекты, присущие процессу абляции, адекватны аналогичным эффектам, наблюдаемым при горячей газовой эрозии, мы сочли правомерным отнести этот вид разрушения к разряду эрозионных.

Большое количество эксперимент, проведенных по из - 4UiHK стойкости металлов, позволило установить весьма существенное, а в большинстве случаев и определяющее влияние тепловых характеристик металлов и сплавов на их сопротивление горячей газовой эрозии.

Рассматривая различные виды материалов: черные металлы и сплавы, цветные и легкие сплавы, редкие металлы, металлокерамические и минералокерамические сплавы, металлические покрытия, а также пластические массы, можно увидеть, что их сопротивление горячей газовой эрозии колеблется в весьма широких пределах.

Рассмотрим, например, такой металл, как хром. Специальными опытами установлено, что чистый хром, полученный алюмотермическим путем, совершенно не подвержен горячей газовой эрозии, однако он характеризуется почти полным отсутствием пластичности и вязкости и не находит пока применения в качестве конструкционного материала. Вместе с тем покрытие хромом - хромирование - широко используется в промышленности, в технике и в быту, как метод защиты изделий от коррозии в агрессивных средах и как средство, повышающее износостойкость материала при трении, а также как декоративное покрытие.

Известную роль в процессе эрозии должна играть способность металла испаряться при весьма высоких температурах. Сопоставляя величины изменения (уменьшения) веса пластинок из различных металлов при опытах по испарению с данными по эрозионной стойкости тех же металлов при испытании их, например, в манометрической бомбе Вьеля, можно увидеть качественную картину, свидетельствующую о некоторой связи между горячей газовой эрозией и испарением металлов.

Правда, при использовании сталей в этом отношении наши возможности ограничены весьма узкими пределами. Однако тугоплавкие сплавы не на основе железа могут эти возможности значительно расширить. Сплавы на основе кобальта, хрома, молибдена, вольфрама и других металлов с высокой температурой плавления имеют весьма широкие перспективы для применения в тех случаях, когда требуется высокая сопротивляемость горячей газовой эрозии.

В книге рассматриваются различные виды эрозии металлов, и дается анализ факторов, влияющих на сопротивление металлов эрозионному разрушению. Кроме того, рассматриваются приборы, аппараты, установки и методы изучения эрозионного износа материалов. Особое внимание уделяется различным способам защиты деталей от эрозии. Наиболее полно рассмотрена горячая газовая эрозия и способы защиты от нее. Отдельные вопросы по данной проблеме, вследствие ограниченного объема книги, излагаются крайне сжато, вместе с тем имеющиеся по ним литературные источники даются в библиографии.

2. Кавитационная эрозия

Кавитационная эрозия наблюдается при эксплуатации гидротурбин, гребных винтов, насосов, клапанов, запорных устройств в трубопроводах. Она обусловлена нестационарностью потока жидкости, обтекающей твердое тело. Кавитация - это процесс образования и исчезновения пузырьков в жидкости. Исчезновение пузырьков сопровождается гидравлическим ударом, который и является причиной кавитационной эрозии. Возникновение пузырьков происходит в области низкого давления, а исчезновение - в области высокого давления. Таким образом, область кавитационного разрушения часто бывает значительно удалена от зоны возникновения пузырьков.

Кавитационная эрозия появляется в виде местного разрушения деталей гидромашин и других устройств, металлические поверхности которых соприкасаются с потоком жидкости, когда в нем возникают местные падения давления. Причиной разрушения металла являются повторные местные ударные нагружения, возникающие при захлопывании каверн, причем разрушение происходит, по-видимому, при одновременном влиянии и фактора коррозии.

Кавитационная эрозия в зоне резания способствует наиболее эффективной циркуляции абразивных зерен. Рассмотрим более подробно сущность кавитационной эрозии.

Кавитационная эрозия - разрушение поверхности твердого тела, вызываемое ударными волнами, образующимися при захлопывании кавитационных пузырьков.

Кавитационная эрозия может наблюдаться на крыльчатках и корпусах центробежных насосов, в рабочих органах регулирующих питательных клапанов РПК и в сгибах труб непосредственно за РПК.

Кавитационная эрозия и отслаивающее действие пузырьков применяются также и для ультразвуковой пайки алюминия и его сплавов. Как известно, алюминий очень трудно поддается пайке обычными методами. На воздухе алюминий мгновенно окисляется, покрываясь химически очень стойкой пленкой окиси, которая препятствует смачиванию поверхности металла жидким припоем. Ультразвук дает возможность сорвать эту пленку и сделать поверхность алюминия доступной для припоя.

Кавитационная эрозия появляется главным образом в результате импульсного механического воздействия гидравлических ударов потока жидкости на поверхность металла. Кавитации подвержены гребные винты, лопасти и камеры проточного тракта гидротурбин, рабочие колеса и камеры различных гидромашин.

Кавитационная эрозия вызывается механическим воздействием гидравлических ударов потока жидкости, в результате чего мельчайшие частицы металла отрываются от поверхности изделия и уносятся. При определенных условиях в обтекающем деталь слое жидкости возникают зоны пониженного давления, приводящие к зарождению так называемых кавитационных пузырьков. Когда пузырьки замыкаются, по поверхности металла происходят гидравлические удары, разрушающие ее. Термическая усталость 2, возникающая в результате действия циклических нагревов и охлаждений, приводит к образованию на поверхности детали сетки - трещин.

Интенсивной кавитационной эрозии подвергаются не только трущиеся тела, но и тела, совершающие высокочастотные (v - 5-104 Гц) колебания в свободном объеме жидкости.

Чаще всего кавитационная эрозия протекает в коррозионной среде. В этом случае наблюдается коррозионная кавитация. Этот вид коррозионно-механического воздействия может приводить к весьма сильным местным разрушениям с образованием глубоких каверн в зоне кавитации.

Механизм кавитационной эрозии является сложным, и до настоящего времени строгая теория этого явления не разработана.

Зависимость кавитационной эрозии от температуры для жидкостей в воздухе: 1 - вода; 2 - керосин; 3 - бензин; 4 - этиловый спирт; 5-ацетон; Д (7 -количество вещества, удаленного в результате эрозии).

Интенсивность кавитационной эрозии первоначально увеличивается с возрастанием температуры, затем, достигнув максимума, уменьшается.

На развитие кавитационной эрозии значительное влияние оказывает также химический фактор. Однако увеличение степени разрушения многие исследователи объясняют изменением механических свойств материалов, совершенно не касаясь механохимических эффектов разрушения. Этот специфический вид разрушения будет рассмотрен при коррозионно-механическом изнашивании.

В условиях кавитационной эрозии хорошо зарекомендовали себя алюминиевая и марганцевая бронза. Благодаря этому, а также из-за своей высокой антикоррозионности они находят довольно широкое применение при изготовлении деталей центробежных насосов, особенно рабочих колес. Однако из-за относительно низких прочностных показателей из бронзы изготовляют только детали небольших размеров. Детали крупных центробежных и осевых насосов, работающих в условиях кавитации, изготовляют из железоуглеродистых сплавов.

В результате кавитационной эрозии острые кромки отверстия обычно быстро разрушаются, что сопровождается изменением коэффициента расхода. Для снижения этого разрушения применяют твердые и стойкие против окисления металлы.

Экспериментальные исследования кавитационной эрозии доказали также, что разрушение обтекаемой поверхности в пределах кавитационной зоны происходит неравномерно. Наиболее значительному износу подвергаются участки поверхности, расположенные в конце кавитационной зоны, где разрушение кавитационных пузырьков происходит при большем внешнем давлении.

Коррозия может сопутствовать кавитационной эрозии вследствие химической активности жидкости.

Способность материалов сопротивляться кавитационной эрозии обычно называют кавитационной стойкостью. Кавитационная стойкость материалов изменяется в широких пределах в зависимости от их физико-механических свойств и состояния, этом уже от гидродинамических характеристик потока и свойств жидкости.

Большое влияние на интенсивность кавитационной эрозии оказывают режимные условия эксплуатации гидротурбин. Характерным в этом отношении является опыт эксплуатации гидротурбинного оборудования Братской ГЭС.

Для предупреждения и уменьшения кавитационной эрозии гидротурбин применяются различные меры конструктивного и эксплуатационного характера.

Влияние кислорода на интенсивность кавитационной эрозии стало резко возрастать с повышением температуры воды до 70С; при дальнейшем повышении температуры влияние кислорода уменьшается. Это связано, вероятно, с химической активностью кислорода и интенсивным окислением металла в процессе развития гидроэрозии.

При эксплуатации насосы подвергаются коррозионной и кавитационной эрозии, а при наличии в воде взвешенных наносов - и абразивному износу, способствующему развитию кавитации. Эрозия поверхности проточной части приводит к существенному снижению КПД, а в некоторых случаях - к разрушению.

Основным средством борьбы с кавитационной эрозией деталей гидравлических машин является исключение возможности возникновения кавитации или, по крайней мере, максимальное уменьшение степени ее развития. Если же при эксплуатации машины не удается избежать режимов с развитой кавитацией, то в ряде случаев, используя некоторые специальные методы, можно предотвратить возникновение кавитации на этих режимах или в значительной мере ослабить ее последствия. Сущность большинства методов заключается в повышении общего уровня давления внутри наиболее опасной, с точки зрения возникновения кавитации, области потока. Такими опасными зонами, как известно, являются: у насосов - область перед входом потока в рабочее колесо, у гидравлических турбин - область у выходных кромок лопастей рабочего колеса.

Разъедание металла вследствие кавитации обычно наблюдается в тех местах потока, где происходит повышение давления, сопровождающееся столкновением пузырьков пара и его конденсацией. К этим чисто механическим ударным действиям часто присоединяются химические воздействия на металл выделяющегося из жидкости воздуха, обогащенного кислородом, а в отдельных случаях и электролитические воздействия. В результате всех этих явлений, особенно если кавитация длится продолжительное время, происходит разъедание металла: он на большую глубину принимает губчатую структуру.

3. Абразивная эрозия

Абразивная эрозия возникает как следствие при пластических деформациях поверхности металла.

Абразивная эрозия. Абразивное изнашивание -- это разрушение материала под действием твердых, главным образом минеральных частиц. Абразивно-эрозионное разрушение поверхности детали имеет много общего с разрушением от трения или абразивным изнашиванием. Однако эрозию от изнашивания трением в случае абразивного разрушения отличают по тому, как «закреплена» действующая частица. Если она неподвижна (как в абразивном круге) -- это разрушение от трения. Если частица находится во взвешенном состоянии в струе газа или жидкости и воздействует на металл совместно со средой, то наблюдается процесс абразивно-эрозионного разрушения.

При абразивном изнашивании преобладает механический фактор, однако степень влияния некоторых других факторов, таких как химические, физические характеристики абразивных частиц, коррозионная стойкость металла и др., в ряде случаев оказывается существенной. Во всяком случае, механические свойства металлов (твердость, сопротивление царапанью) однозначно не определяют их сопротивляемость абразивной эрозии. В настоящее время еще нельзя четко сказать, какими свойствами должен обладать металл для высокого сопротивления этому виду разрушения.

Было установлено, что твердое хромирование в универсальном электролите (250 г. л СгО3) при высоких плотностях тока (60-70 а / дм2) и температурах (55-65 С) существенно повышает эрозионную стойкость стали и медных сплавов против абразивного износа. Глубокое анодирование алюминиевого сплава АК4-1 (средняя толщина окисной пленки 0 1-0 15мм) также существенно повышает его сопротивление абразивной эрозии в десятки раз по сравнению с окисными пленками, получаемыми другими способами анодирования.

Это делается для того, чтобы предупредить или ограничить возникновение потенциально опасных и дорогостоящих осложнений, таких как снижение дебитов из-за образования песчаных пробок на забое, в обсадных трубах, в фонтанных трубах или в шлейфах; нарушение обсадной колонны или фильтра (смятие и арозия) вследствие удаления породы из зоны, непосредственно окружающей скважину; абразивная эрозия подземного и наземного оборудования; очистка добытого продукта от песка и удаление этого песка. Рассмотрим эти осложнения более подробно.

С увеличением эластичности покрытия значительно повышается стойкость к гидроабразивной эрозии. Таким образом, уровень эластичности покрытия играет существенную роль при гидроабразивной эрозии. В отличие от абразивной эрозии, прочность покрытия не оказывает существенного влияния на стойкость к гидроабразивной эрозии. Уменьшение прочности покрытия с 19 5 до 11 0 МПа (при одинаковой эластичности) практически не сказывается на стойкости к гидроабразивной эрозии. Одной из причин этого является, по-видимому, то, что в условиях гидроабразивной эрозии облегчается отвод образующегося тепла через постоянно обновляющуюся водную поверхность и, таким образом, наиболее разрушительный фактор - температурное влияние - здесь сведен к минимуму. При абразивной эрозии происходит сильное разогревание материала и быстрое разрушение его, особенно в случае пониженной прочности.

В случае абразивной эрозии и при обработке деталей мелкие частицы абразива, имеющие острые углы, будучи взвешенными, в струе воздуха, с силой ударяют о поверхность металла, вследствие чего они могут быть уподоблены большому числу микрорежущих инструментов, скоблящих, шабрующих, срезающих или истирающих неровности обрабатываемого изделия. Кинетическая энергия частиц, ударяющихся о поверхность металла, пропорциональна квадрату скорости газового потока и при значительной скорости газовой струи может достигать весьма высоких величин. Наносимые в процессе абразивной эрозии на поверхность металла надиры, царапины, а также образующиеся в результате этого микротрещины верхних слоев металла становятся концентраторами напряжений и при многократном воздействии способствуют усталостному разрушению металла.

С увеличением эластичности покрытия значительно повышается стойкость к гидроабразивной эрозии. Таким образом, уровень эластичности покрытия играет существенную роль при гидроабразивной эрозии. В отличие от абразивной эрозии, прочность покрытия не оказывает существенного влияния на стойкость к гидроабразивной эрозии. Уменьшение прочности покрытия с 19 5 до 11 0 МПа (при одинаковой эластичности) практически не сказывается на стойкости к гидроабразивной эрозии. Одной из причин этого является, по-видимому, то, что в условиях гидроабразивной эрозии облегчается отвод образующегося тепла через постоянно обновляющуюся водную поверхность и, таким образом, наиболее разрушительный фактор - температурное влияние - здесь сведен к минимуму. При абразивной эрозии происходит сильное разогревание материала и быстрое разрушение его, особенно в случае пониженной прочности.

Однако применяется также и характеристика изменения веса. При испытании стойкости покрытий в качестве характеристики эрозионного износа может служить количество абразивного материала, затраченного на полное разрушение покрытия, или время, необходимое для снятия определенной толщины покрытия или полного его уничтожения. Помимо количественных характеристик эрозионного износа могут быть получены и часто используются при исследованиях также и качественные изменения, происшедшие в тонких поверхностных слоях испытуемых образцов. Для этого образцы подвергаются металлографическому анализу, причем шлифы изготовляются из участков образца, различно ориентированных по отношению к действовавшей струе. Некоторые установки подобного типа были уже рассмотрены в разделах, посвященных методам изучения газовой и кавитационно-абразивной эрозии. В книге описаны установки, используемые при исследовании чистой абразивной эрозии, при которой сопутствующие процессы термического или кавитационного характера почти не проявляются. Установка состоит из бункера с песком, соплового устройства, системы подачи воздуха, крепящего устройства для помещения образца и приемника для сбора отработанного песка.

4. Электрическая эрозия

Электроэрозионная обработка, также называемая электроэрозия, основывается на вырывании частиц с поверхности металла импульсом электрического разряда. Если задано расстояние (напряжение) между электродами, погруженными в жидкий диэлектрик, то при сближении электродов (увеличении напряжения) происходит пробой диэлектрика и возникает электрический разряд, с образованием плазмы высокой температуры в канале разряда - это свойство используют электроэрозионные станки.

При обработке твердых материалов и сложных изделий, особенно эффективны электроискровые методы, т. к. при механическом способе обработки, огромное значение имеет износ инструмента. Электроискровая обработка дешевле в эксплуатации, в сравнении с механической, поскольку в качестве инструмента применяется проволока. Изготовление штампов механическим способом во многом зависит от качества инструмента, стоимость которого в некоторых случаях достигает 50% от всей стоимости обработки. Электроэрозионный станок при обработке этих же штампов расходует инструмента не более чем на 3,5% от всей стоимости обработки.

Электроэрозия позволяет обрабатывать материал электрическими импульсами не более 0,01 с, ввиду чего выделяющееся тепло не распространяется вглубь материала. Кроме того, давление частиц плазмы при ударе об электрод, способствует эрозии (выбросу) не только расплавленного, ни и разогретого вещества. Электрический пробой всегда возникает по кратчайшему пути, поэтому в первую очередь разрушаются наиболее близкие участки электродов. При приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому (обрабатываемому материалу), поверхность заготовки принимает форму инструмента. Производительность такого метода и качество поверхности после обработки зависит от параметров электроимпульсов (длительности, частоты, энергии).

Этот метод позволяет резать металл толщиной до 400 мм. Электроэрозионный станок отличается высокой точностью обработки. К недостаткам можно отнести низкую скорость резания.

Размещено на Allbest.ru