Воздействие кавитации на коррозионно-усталостное разрушение металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Воздействие кавитации на коррозионно-усталостное разрушение металлов

Для достоверной оценки конструкционной прочности материалов элементов машин и аппаратов, работающих в условиях комплексного нагружения, необходима разработка новых методов и испытаний, учитывающих влияние всех факторов, участвующих в разрушении.

Немногочисленные исследования по вопросам поведения металлов при циклических нагрузках и одновременным кавитационным воздействием противоречивы и требуют дальнейшей разработки.

Целью настоящей работы являлось исследование некоторых закономерностей коррозионно-усталостного разрушения металлов при кавитационном разрушении.

Для решения этой задачи разработан стенд и методика проведения испытаний металлов на коррозионную усталость при одновременном воздействии кавитации с использованием магнитострикционного преобразователя.

Испытательный стенд /1,2/ состоит из следующих основных частей (рисунок 1): силового цилиндра 1, испытуемого образца 2 в рабочей камере 17, тензометрического динамометра 3, штока-поршня двустороннего действия 4, плунжерных узлов 5 и 6, кривошипного механизма 7, регуляторов давления 8 и 9, узла подпитки 10, разделителей давления 11 и 12, насоса 13, редуктора 14, электродвигателя 15, масляной емкости 16 и магнитострикционного преобразователя 17 марки ПМС-15А-18 с ультразвуковым генератором УЗГ-2-4М 18.

Принципиальная схема испытательного стенда для исследования кавитационного изнашивания в воде в условиях циклического нагружения.

Корпус рабочей камеры представляет собой цилиндр, внутри которого помещен поршень силового штока, а также имеются резьбовые отверстия для плунжерных узлов и регуляторов давления. Кроме того, в корпусе предусмотрены отверстия для слива рабочего масла. Для герметичности обеих полостей в цилиндре под крышки установлены фторопластовые уплотнители. С целью получения симметрии сил и скоростей применен гидроцилиндр с двухсторонним штоком, с одним внутренним и двумя наружными уплотнениями.

Рисунок 1

кавитация коррозионный металл магнитострикционный

Часть штока-поршня и образец с захватами расположены между двумя траверсами, которые соединены между собой упорами. Один конец захвата неподвижно связан через тензометрический динамометр с одной траверсой, другой захват - со штоком, который совершает возвратно-поступательное движение за счет разности давлений в полостях силового цилиндра (цилиндр жестко закреплен на второй траверсе).

В обеих полостях цилиндра установлены плунжерные узлы, которые создают переменное давление. Эти узлы приводятся в движение рычагом кривошипного механизма, который вращается относительно опоры, расположенной между плунжерными узлами. Каждая полость имеет пружинные регуляторы, при помощи которых можно изменять коэффициент асимметрии цикла нагружения.

Камера испытательного стенда представляет собой емкость из оргстекла, а для герметизации камеры предусмотрен резиновый уплотнитель. После установки испытуемого образца между обеими частями стекла, эти детали прижимаются друг к другу при помощи специального устройства. Прозрачные стенки оргстекла позволяют визуально следить за поверхностными явлениями, происходящими на образце во время проведения эксперимента. Вода в камеру подается по резиновым гибким шлангам и при заполнении камеры, сливается через шланги в канализационную систему. Расход воды 0,5-0,8 л в минуту.

Вращение на вал кривошипа от электродвигателя передается при помощи редуктора и клиноременной передачи. Электродвигатель одновременно приводит в движение и вал шестеренного насоса, который обеспечивает систему маслопривода маслом. Изменяя диаметры шкивов на валах редуктора и электродвигателя, можно варьировать частоту нагружения образца.

Необходимая частота нагрузки задается и фиксируется с помощью эксцентрика (в наших опытах частота нагружения - 1 Гц). С эксцентриком соединен шатун, который при вращении вала редуктора сообщает возвратно-поступательное движение обоим плунжерным штокам. За один оборот кривошипа на образец передается полный цикл нагрузки

Для определения необходимого усилия на образец и для контроля этого усилия в процессе проведения опытов на установке имеется динамометр, представляющий собой в рабочей части цилиндрический стержень диаметром 40 мм, изготовленный из стали 40Х после термической обработки (закалка: нагрев до 1050 ⁰С, выдержка 30 минут, охлаждение- в воде). После окончательной чистовой обработки на рабочую поверхность динамометра наклеивались четыре тензодатчика. Для питания этих тензодатчиков, снятия с них сигналов использовались блок-мосты и коммутации, усилитель УТ-4-1, а для замера тока - миллиамперметр М104.

Для обеспечения необходимого давления в полостях рабочей камеры предусмотрена гидравлическая система.

Приводимый в движение насос забирает жидкость из бака и подает ее в полости рабочей камеры силового цилиндра через распределитель и стабилизаторы давления. Жидкость, стравленная через трубку, вновь поступает в бак. В цилиндре предусмотрены отверстия, по которым из полостей цилиндра стравленная жидкость возвращается в бак.

Стабилизатор давления служит для установления и поддержания заданного уровня давления масла в гидравлической системе. В зависимости от величины давления согласно показаниям манометров стабилизатор обеспечивает необходимое переменное. усилие на штоке рабочей камеры.

На выходе из каждой полости имеются дроссели, при помощи которых создается разность давлений в полостях камеры, и таким образом, на испытуемом образце создается статическая нагрузка, а при помощи плунжерных узлов - переменная составляющая нагрузки.

Для проверки работы гидросистемы и результатов тарировки предусмотрен ручной насос, установленный параллельно с шестеренчатым насосом (на рисунке не показан)

Тарировка показаний динамометра стенда производилась при помощи образцового динамометра сжатия ДОСМ-3. Нагружение динамометра производили за счет подачи давления на полости силового цилиндра. При последовательном увеличении нагрузки с помощью регуляторов давления были получены необходимые усилия и коэффициент acимметрии цикла.

При исследовании действий циклических напряжений на испытываемый образец при кавитационном изнашивании строились обычные кривые усталости для испытуемого материала в водной среде и с частотой нагружения в 1 Гц при отсутствии кавитации (кривыми коррозионной усталости) и при ее наличии в той же среде.

При испытаниях на усталость использовались такие же образцы, что и при исследовании кавитационного изнашивания, но поперечное сечение пластины было несколько больше и составляло 4,4 мм (рисунок 2). Кривые усталости строились при 3-х коэффициентах асимметрии цикла R=0,7; R=0,5; R=0,3. Экспериментальные точки построены в полулогарифмических координатах на рисунках 3 и 4.

Образец для испытаний

Кривые усталости при наличии кавитации, полученные при некоторых максимальных за период цикла напряжениях у_max проходят ниже кривых коррозионной усталости, соответствующих тем же уровням у_max. Таким образом, кавитация при разных значениях R и максимального напряжения у_max снижает сопротивление усталости по сравнению с теми, которые наблюдаются в той же среде при отсутствии кавитации (рисунки 3 и 4).

Рисунок 2

При исследовании действия циклических напряжений на сталь 06Х12Н3ДЛ строились такие же кривые, как при испытаниях образцов из стали Ст. 3. Рабочей средой при этом служила также водопроводная вода, а частота нагружения составила 1 Гц при отсутствии и при наличии кавитационного воздействия в той же среде.

Полученные кривые усталости при одновременном действии кавитации проходят ниже кривых обычной коррозионной усталости при определенных циклах асимметрии и соответствующих уровнях, максимальных за период цикла асимметрии и соответствующих уровнях, максимальных за период цикла напряжении у_max. Сравнивая полученные кривые с результатами испытанных образцов из стали Ст.З, можно сделать вывод, что для стали 06Х12НЗДЛ кавитация также снижает сопротивление усталости сравнению с теми, которые наблюдаются в той же среде при отсутствии кавитации.

Кривые усталости для стали Ст.З при отсутствии (?) и при наличии () воздействия кавитации при различных коэффициентах асим метрии

Рисунок 3

кавитация коррозионный металл магнитострикционный

Кривые усталости для стали 06Х12НЗДЛ в отсутствии (??_) и при наличии (?ЎЛ) воздействия кавитации при различных коэффициентах асимметрии

Рисунок 4

Литература

1. Айнабеков А.И., Алибеков ОБ., Ахметов В.К, Сыдыков К.А. Исследование кинетики поверхностных повреждений конструкционных сталей в условиях совместного воздействия кавитации и механических повреждений // Износостойкость машин: Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференции. - Брянск. - 1991. - 4.1. - С. 33.

2. Айнабеков А.И., Алибеков O.R, Ахметов Б.К. Испытательная машина на усталость в условиях кавитационного изнашивания. - Алма-Ата, 1992. - Зс. - Деп. в КазНИИНТИ 07.04.92. №3674 - К92

Размещено на Allbest.ru