Исследование эродированных поверхностей напряженных металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кокшетауский университет им. А.Мырзахметова

ИССЛЕДОВАНИЕ эроДиРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАПРЯЖЕННЫХ МЕТАЛЛОВ

Алибеков О.Б. - к.т.н.

Альмуханов М.А. - к.т.н.

При возникновении кавитации в жидкости, контактирующей с металлической поверхностью, металл подвергается эрозии и разрушается. Вибрационная ультразвуковая кавитация возникает вследствие колебания твердого тела относительно жидкости или жидкости относительно твердого тела.

Механическое действие жидкости при захлопывании кавитационных пузырьков можно отнести к локальному микроударному нагружению в отдельных микрообъемах. Эти нагружения вызывают локальную деформацию, а затем и разрушение микрообъемов. Эти очаги разрушения изменяют напряженное состояние в поверхностном слое металла и приводят к разрушению микрообъемов. Поверхностное кавитационно-эрозионное разрушение металла происходит более интенсивно, если он будет испытывать еще и статические или циклические напряжения.

Нами исследовано влияние кавитации на металл при его напряженном состоянии и были получены весьма ценные результаты.

Наряду с использованием этих данных для разработки феноменологической теории процесса кавитационного износа конструкционных сталей проведены и физические исследования поверхностей испытанных образцов.

На растровом электронном микроскопе РЭМ получены фотографии поверхности образцов, подверженных кавитации в режиме регистрации вторичных электронов при увеличениях от 100 до 500. В режиме интегральной катодной люминесценции поверхности образцов получены фотографии распределения деформированных зон на этой поверхности при увеличениях от 100 до 200.

Методом рентгеноструктурного анализа (ДРОН-ЗМ) исследованы поверхности образцов, подверженных кавитации, определено изменение плотности дефектов на этой поверхности в сравнении с эталоном.

Фурье-анализ дифракционных линий выявил изменения средних размеров кристаллитов деформированных образцов.

Структурный анализ поверхностных слоев стали Ст.З, подвергавшихся кавитационному воздействию на стенде с магнитострикционным вибратором в водной среде, проводился на базе электронного микроскопа РЭМ.

Снимок поверхности металла после испытаний на кавитационном стенде в течение 80 часов в отсутствие растягивающих усилий в образце показан на рисунке 1а. На рисунках 1б и 1в приведены сравнительные фотографии поверхности образца, подвергавшегося кавитации при наличии в нем растягивающих усилий в течение 6 и 138 часов. Как видно по рисункам, наличия растягивающих усилий приводит к заметному сгущению сетки кавитационных кратеров. По последней фотографии видно, что кратеры покрывают поверхность образца сплошной сеткой.

На рисунке 2 показаны поперечные сечения образцов, подвергавшихся кавитации. Разрезка образцов проводилась электроискровым методом, который особо не искажает кристаллическую структуру материала. След поверхности, испытавший кавитационное воздействие, находится сверху, причем белая полоса на данной фотографии отражает глубину кратера. По мере увеличения продолжительности кавитационного воздействия указанная глубина порядка возрастает до двух десятков микрон, то есть глубина кратеров увеличивается. При уменьшении контрастности снимков (фотографии на рисунке 2) видны следы проявляющихся микротрещин (видно, что следов микротрещин на данной стадии кавитационного износа нет). кавитационный металл сталь напряженный

Снимки поверхности образцов из стали Ст.3 подвергнутых кавитационному воздействию под напряжением после кавитационных испытаний в течение 80 часов (а), 6 часов (б) и 138 часов (в)

а б в

Рисунок 1

Существенное значение имеет исследование микропластических деформаций в поверхностных слоях образца, испытавших кавитационное воздействие. В настоящей работе сделана попытка такого исследования, основанного на сопоставлении снимков, выполненных на растровом электронном микроскопе в режиме катодной люминесценции на тонкой цинковой пластинке (фото, рисунок 3). Причем верхняя часть фотографии сделана из цинковой пластинки, испытавшей сильную пластическую деформацию, а нижняя часть (ниже отчетливо видны границы раздела) из недеформированной пластинки.

Снимки поверхностей образцов из стали Ст.3, подвергшихся кавитации

а - 6 часов; 6 - 80 часов; в - 138 часов

Рисунок 2

Идентификация белых пятен на позитиве осуществлялась следующим образом. В режиме каналированных электронов записывались кривые зависимости тока от расстояния по кромке образца (рисунок 4а). На следующем рисунке 4б показана аналогичная кривая, построенная при некотором смещении зонда от края образца. Первый из двух указанных рисунков говорит о сильных нарушениях кристаллической структуры вследствие скопления дислокации в процессе пластического деформирования. Между тем, структура образца, показанная на втором рисунке, в значительной степени упорядочена. Так вдали от края изогнутой пластинки пластическая деформация исчезнет. Отдельные участки пластической деформации, обусловленные кавитационными воздействиями в комбинации с растягивающими усилиями, уходят в материал на глубину порядка 20 мкм, причем поверхностная плотность расположения этих зон по мере нарастания времени кавитационного воздействия постепенно увеличивается.

Снимок цинковой пластинки

а - деформированная часть; б - недеформированная часть

Рисунок 3

Из этих экспериментов можно сделать следующий вывод. Кавитационное воздействие на поверхность исследованного металла приводит к появлению сети кратеров глубиной порядка 20 мкм, причем густота этих сетей возрастает со временем кавитации. Наличие растягивающих усилий в образцах приводит к сгущению сети кратеров. Кавитационное воздействие на поверхность образца создает в приповерхностных слоях отдельные зоны пластических деформаций, которые по мере возрастания времени кавитации постепенно увеличиваются и сливаются.

Из сравнения (рисунки 1б, 1в и рисунок 2) видно, что растягивающие усилия в образцах одновременно со сгущением сети кратеров приводят к увеличению глубины объема зон пластических деформаций. Последнее обстоятельство находит свое объяснение в том, что действие сжимающих усилий, нормальных к поверхности металла и возникающих при кавитации, накладывается на действие растягивающих усилий в поперечном сечении образца, причем создается напряженное состояние типа чистого сдвига, способствующее, идентификации процесса пластического деформирования. Результаты рентгеноструктурного анализа, проведенного в зоне кавитационного износа образцов из стали Ст.З представляются в следующем виде. На рисунках 5, 6 и 7 показаны зависимости среднего размера кристаллитов. Кривые изменения тока каналированных электронов кристаллитов, относительного искажения кристаллической решетки в объеме кристаллитов и средней плотности дислокаций в изучаемом микрообъеме от времени кавитационного воздействия. Как видно из графиков, средний размер кристаллита постепенно уменьшается, в то время как относительные искажения кристаллической решетки и средняя плотность дислокаций, наоборот, возрастают. Эти данные согласуются с вышеописанными данными катодной люминесценции.

Рисунок 4

Изменение среднего размера кристаллитов от продолжительности кавитации

Рисунок 5

Зависимость относительного искажения кристаллической решетки от поверхностиности кавитации

Рисунок 6

Изменение плотности дислокаций от времени кавитационного воздействия

Рисунок 7

Литература

1. Маркин Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов. Справочник. М: Машиностроение, 1989. 136 с.

Размещено на Allbest.ru