Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ надежности деталей судовых ДВС в системах охлаждения
1.1 Статистика отказов 7
1.2 Идентификация повреждений в системах охлаждения дизелей 8
1.3 Характер кавитационно-эрозионного изнашивания ЦВ 25
1.4 Сравнительный анализ способов повышения кавитационно - эрозионной стойкости ЦВ ДВС 29
1.5 К механизму микроударного нагружения деталей при кавитации 36
1.6 Влияние конструкции системы охлаждения и температуры воды на скорость изнашивания втулки 38
1.7. Постановка общей и частных задач исследования 44
Глава 2. Лабораторное оборудование и методы испытаний материалов
2.1. Стенды для эрозионных испытаний материалов 46
2.2. Исследования кавитационно-эрозионнои стойкости полимерных материалов и композитов 58
2.3 Стойкость нихромовых газотермических покрытий 71
Глава 3. Моделирование кавитационно-эрозионнои стойкости демпфирующих материалов и покрытий
3.1. Теоретическая модель поведения эластичных покрытий в потоке жидкости 74
3.2. Сопоставление результатов моделирования с опытными данными 86
Глава 4. Структурно-энергетическая модель надежности материалов и покрытий
4.1. Критерии стойкости материалов и покрытий при ударном внешнем воздействии 89
4.2. Экспериментальная оценка работоспособности материалов по новым критериям 92
Глава 5. Разработка технологии защиты ЦВ ДВС эластичными покрытиями
5.1 Определение оптимальной толщины синтетического защитного покрытия боковой стенки цилиндровой втулки 99
5.2 Технологический процесс нанесения на поверхность втулок синтетического защитного покрытия 105
5.3 Стендовые испытания двигателей с штатными и опытными втулками с синтетическим покрытием 109
5.4 Результаты натурных испытаний двигателей 114
Заключение 125
Список литературы 128
Приложения 134
- Идентификация повреждений в системах охлаждения дизелей
- Исследования кавитационно-эрозионнои стойкости полимерных материалов и композитов
- Сопоставление результатов моделирования с опытными данными
- Экспериментальная оценка работоспособности материалов по новым критериям
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) в процессе эксплуатации подвергаются весьма жесткому силовому, температурному, гидро- и газообразивному воздействию, а также различным видам изнашивания трибосопряжений поршневые кольца – цилиндровая втулка.
Значительное число работ посвящено способам предотвращения кавитационной эрозии блоков цилиндров и втулок со стороны охлаждающей жидкости и еще больше – повышению износостойкости внутренней поверхности втулок, так называемого «зеркала» при трении скольжения в условиях гидродинамической и граничной смазки, а также в режиме полусухого трения при адгезионном и абразивном изнашивании пары втулка – кольцо.
Ресурс (долговечность) втулок по допустимой глубине эрозионных раковин на водоохлаждаемой поверхности примерно в четыре раза меньше ресурса по изнашиванию «зеркала». Это означает, что выбраковка цилиндровых втулок ВОД и СОД двигателей во многих случаях производится по кавитационным разрушениям, а не по износу внутренней поверхности. В связи с этим для достижения примерно одинаковой долговечности втулок при изнашивании с наружной и внутренней стороны следует существенно снизить интенсивность эрозии водоохлаждаемых поверхностей ДВС при вибрационной кавитации.
Очевидно, что при стремлении повысить надежность деталей ЦПГ двигателей наилучшим решением было бы такое, которое одновременно защитило бы втулку от гидроэрозии и обеспечило бы оптимальные условия для протекания рабочего процесса двигателя со всеми вытекающими из такого комплексного решения благоприятными последствиями.
При обозначенном комплексном подходе актуальность и значимость проблемы повышения надежности деталей ЦПГ ДВС значительно возрастет. Опыт показывает, что технически эта проблема может быть успешно решена путем разработки состава композиционного эрозионностойкого теплоизоляционного покрытия и технологии его нанесения на водоохлаждаемые поверхности цилиндровых втулок ДВС.
Целью работы является обоснование целесообразности применения предложенной технологии для защиты водоохлаждаемой поверхности цилиндровых втулок от эрозии, повышающего надежность деталей и эффективность эксплуатации судовых ДВС по наиболее важным показателям.
Для выполнения данной цели были поставлены следующие задачи:
-
Обосновать методику оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико – механическим критериям кавитационно – эрозионной стойкости.
-
Разработать структурно – энергетическую (гидродинамическую) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающим сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.
-
Разработать гидродинамическую модель динамического взаимодействия жидкостей с эластичными поверхностями деталей, объясняющая их повышенную износостойкость за счет локального демпфирования микроударного внешнего воздействия.
-
Разработать схему определения оптимальной толщины синтетического покрытия цилиндровых втулок, с учетом условий эксплуатации двигателей.
-
Провести сравнительные испытания материалов и покрытий на износостойкость.
-
Оценить влияние втулок с покрытиями на важнейшие эксплуатационные характеристики ДВС, на стендах и в натуральных условиях.
-
Разработать и внедрить в производство технологический процесс нанесения на водоохлаждаемую поверхность цилиндровой втулки защитного композиционного покрытия, состоящего из эпоксидного компаунда, армированного стеклотканью в виде стекложгута.
Методы испытаний. При моделировании особенностей воздействия жидких сред на поверхность деталей использовался структурно – энергетический подход; надежность материалов и покрытий оценивалась уровнем энергетических и физико – механических характеристик, в частности – акустическим сопротивлением деформируемых сред. Сравнительные испытания материалов и покрытий производились на магнитострикционных и ударно – эрозионных стендах, адекватно воспроизводящих условия кавитационно – эрозионного изнашивания водоохлаждаемых поверхностей ЦВ в действующих ДВС.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
-
Предложена структурно – энергетическая (гидродинамическая) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающим сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.
-
Разработана методика расчета толщины теплоизоляционного эрозионно стойкого композиционного покрытия по высоте водоохлаждаемой поверхности ЦВ с учетом отличия температуры охлаждающей воды от оптимальной
-
Установлены физико-механические критерии определяющие поведение металлических материалов, пластмасс и комбинированных покрытий на полимерной основе в условиях динамического воздействия на них неоднородных жидких сред.
Личный вклад автора заключается в предложении новой методики прогнозирования, расчета и зашиты цилиндровых втулок и цилиндропоршневой группы от эрозии и коррозии. Данный подход позволяет решить ряд задач связанных с энергосбережением и повышением энергетической эффективности ДВС. Так же, становится возможным снизить выбросы вредных (загрязняющих) веществ в атмосферу, в частности такого, как окислы азота (NOx).
Практическую ценность представляют:
-
Результаты сравнительных испытаний на надежность при кавитационно – эрозионном изнашивании на лабораторных стендах широкого круга материалов и покрытий – сталей, чугуна, сплавов цветных металлов, газотермических покрытий и покрытий на синтетической основе, применяемых для защиты новых деталей и восстановления изношенных.
-
Методики опретивной оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико – механическим критериям кавитационно – эрозионной стойкости.
-
Результаты продолжительных испытаний, упрочненных покрытиями втулок судовых ДВС в условиях эксплуатации.
-
Технология нанесения защитных покрытий на поверхность цилиндровых втулок.
-
Материалы теоретических и практических разработок диссертации использовано в учебном процессе Санкт –Петербургского гос. унт-та водных коммуникаций при изучении дисциплины «Надежность судовых технических средств».
На защиту выносится:
1. Методика оценки износостойкости и долговечности материалов и деталей по установленным физико – механическим критериям кавитационно – эрозионной стойкости.
2. Структурно – энергетическую (гидродинамическую) модель взаимодействия внешней среды с эластичным покрытием, раскрывающим сущность защиты упрочненных деталей от кавитационной эрозии.
3. Гидродинамическая модель динамического взаимодействия жидкостей с эластичными поверхностями деталей, объясняющая их повышенную износостойкость за счет локального демпфирования микроударного внешнего воздействия.
Достоверность полученных результатов обеспеченным корректным использованием методов математической статистики при обработке экспериментальных данных, критическим сопоставлением установленных критериальных параметров начала кавитации и эрозии с известными (классическими) закономерностями с оценкой адекватности структурно – энергетических моделей реальным процессам и, наконец, удовлетворительной корреляцией результатов лабораторных исследований надежности материалов и покрытий с данными продолжительных испытаний опытных деталей в условиях эксплуатации.
Реализация работы. По разработанной технологии были нанесены защитные покрытия на втулки двигателей нескольких размерностей и проведены сравнительные испытания дизелей с штатными и опытными ЦВ, в частности, на двух дв. 6НФД 48А т/х «Волга – Балт 14» в течение 11170 ходовых часов. Результтаты испытаний показали не только повышенную надежность ЦВ (повреждения на их поверхностях отсутствовали) но так же при мощности двигателя 400 л.с. экономию топлива (ср. 6,3 %) и масла
(ср. 8,5%).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: ежегодных научно – методических конференциях Санкт-Петербургского гос. ун-та водных коммуникаций (СПбГУВК) в 2006-09 г.г.; научно практической конференции «Трибология – машиностроению» Москва 2006; 6-9 Международных конференциях «Трибология и надежность», СПб, 2006-2009 г.г.; научно технической конференции «Трибология - машиностроению», Москва, 2008; 6-9 международная конференция «Пленки и покрытия», СПб 2006 – 2009 г.г.; круглый стол «Трибология в России», Москва, «Роснанотех» 2009.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 4 соответствуют изданиям в списке ВАК РФ. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 137 страниц, 33 графиков и рисунков.
Идентификация повреждений в системах охлаждения дизелей
Существующее мнение о том, что разрушение охлаждаемых поверхностей втулок и блоков происходит только от коррозии и пузырьковой кавитации является упрощенным и лишь в первом приближении соответствует действительности. Отсутствие моделей, достоверно раскрыващих особенности сложных процессов, имеющих место в системах охлаждения дизелей и приводящих, в итоге, к эрозии деталей, сдерживает обоснованное применение современных упрочняющих технологий и не позволяет кардинально решать конкретные задачи повышения износостойкости деталей.
В настоящее время отсутствует даже научно обоснованная классификация поверхностных разрушений в системах охлаждения дизелей в зависимости от уровня внешних напряжений, характера течения охлаждающей жидкости и учитывающая кроме коррозионного и кавитационного изнашивания водородное охрупчивание, щелевую эрозию и фреттинг-коррозию в условиях виброконтактного взаимодействия в уплотнениях.
Предложенная автором усталостно-энергетическая модельдолговечности и износостойкости деталей при вибрационной кавитации позволяет производить сравнительную расчётную оценку поведения материалов и покрытий как в зависимости от вибропараметров стенки втулки, так и от комплекса физико- механических свойств тонких изнашиваемых слоев [17, 43, 47].
Разработанные автором технологические процессы нанесения на поверхность новых и бывших в эксплуатации цилиндровых втулок эрозионностоиких синтетических и плазменных покрытий нихрома и нержавеющей стали решают проблему защиты систем охлаждения судовых дизелей от эрозионных повреждений. При этом предложена схема оптимизации толщины защитных покрытий с учётом их износостойкости, макропрочности и теплоизолирующего влияния на цилиндровые втулки конкретного типа двигателя.
Целесообразность защиты втулок цилиндров судовых СОД и ВОД тонкослойными, коррозионно-кавитационностойкими покрытиями на полимерной и металлической основах вытекает из положительных результатов стендовых и длительных испытаний упрочненных втулок на действующих дизелях.
Анализ литературы показывает, что охлаждаемые поверхности втулок и блоков цилиндров могут подвергаться водородному охрупчиванию, снижающему износостойкость сплавов на железной основе в соответствии с приближенным выражениемгде const - опытная константа; в- концентрация водорода в поверхностном слое металла глубиной Su. Для образования водорода в охлаждающей жидкости двигателей всех типов имеются благоприятные условия, в частности, только за счёт эффектов, связанных с ударным сжатием воды, концентрация водорода (по данным М.А. Маргулиса) возрастает на несколько порядков [4, 27, 33].
При виброконтактном взаимодействии поверхностейметаллов и покрытий на посадочных поясах (по аналогии с фреттинг-коррозией) следует учитывать адгезионные явления, а стойкость материалов характеризовать усилием схватывания.
По крупности продуктов изнашивания при виброконтактном взаимодействии сопряжённых поверхностей удельный вклад коррозионного и механического износов в общий износ можно оценить параметром к ,изменяющемся в пределах от 0,12 (малоцикловая усталость) до 1,42 (коррозионное изнашивание) в зависимости от соотношения физико-механических свойств окисленного металла и пленки окислов.
Наличие изломов кривых на графиках зависимостей: износ AG -относительное виброускорение стенки чугунной втулки Sc; долговечность Т; виброускорение AG(T) и др. при Sc = 30...40 указывает на смену ведущих механизмов разрушения поверхностных слоев металла при переходе от малоцикловой поверхностной усталости к коррозионно-механическому разрушению при большом числе циклов нагружения.
Подробное изучение особенностей рельефа типичных эрозионных повреждений на поверхности цилиндровых втулок (рис. 1.1 а) позволило представить вероятностную модель в виде одновременно протекающих с различной интенсивностью процессов чисто механического разрушения, водородного охрупчивания и коррозии (рис. 1.1 б). Суммарное влияние этих факторов на развитие износа во времени может быть представлено затухающей кинетической кривой в форме интеграла вероятностей (рис. 1в). Наличие плоской площадки длиной i0 (рис. 1.1 а, б) в основании эрозионной раковины свидетельствует об отсутствии на ней напряжений, достаточных для увеличения износа до h hmax. Очевидно также, что на глубину эрозии hmax оказывают значительное влияние растягивающие напряжения, возникающие в наружном слое втулки при её изгибе от ударов поршня.
В результате выполненного анализа на основании работ Бочманова Д.В.[8], Винницкого В.М., Голего Н.Л., Иванченко Н.Щ12], Карпова Л.Н., Маргулиса М.А., Некоза А.Щ20], Никитина М.Д., Пахолко В.В., Пимошенко А.Щ27-32], Полипанова И.С.[33], Скуридина А.А.[12Д4], Погодаева Л.И.[39] и др. исследователей оказалось возможным классифицировать эрозию в системах охлаждения двигателей по преобладающим механизмам разрушения и интенсивности (табл. 1.3). При этом идентификация эрозионных повреждений произведена для МОД, СОД и ВОД по трём критериям: действующим напряжениям, виброускорениям и относительной крупности продуктов изнашивания (по критерию Кп).
Исследования кавитационно-эрозионнои стойкости полимерных материалов и композитов
Была проведена сравнительная оценка эрозионной стойкости образцов, изготовленных из эпоксидной смолы Э5 и Э11, силиконового каучука S, композитов (Э5 + S и Э5 + Gumisil В с различным соотношением компонентов), а также из двухкомпонентного полимера LOCTITE ST4, применяемого для восстановления изношенных деталей из стали и чугуна, полиэтилена и полиуретана (табл. 2.1).
При изготовлении образцов на основе эпоксипластов в смолы добавляли 10% (по массе) отвердителя Z-1. При изготоалении образцов с силиконом добавляли катализатор DL-1 (1% по массе). Для получения сравнительных данных испытали также образцы из технического алюминию и нержавеющей стали 12X18Н9Т.
Испытания проводили на магнитострикционной установке (рис. 2.8 -2.10) при частоте колебаний концентратора, рвной 22 кГц, амплитуде колебаний 15 мкм в пресной воде при температуре 20 ± 1 С. Зазор между торцем концентратора и поверхностью образцов составлял 0,6 мм. Продолжительность испытаний каждого образца составляла 240 мин.
Для композитов на основе эпоксидной смолы Э5 определяли модуль упругости первого рода Еупр, декремент затухания колебаний 3,прямо пропорциональный пластичности материала, а также уровень кавитационного шума J, генерируемого зоной эрозионного разрушения.
Результаты основной серии сравнительных испытаний приведены в табл. 2.1. и на рис. 2.11 -2.17.
Для испытанных материалов строили кинетические кривые эрозии (рис. 2.11а и 2.12а), с помощью которых определяли продолжительность аккумуляционного периода так - по точке пересечения с горизонтальной осью касательной к участку кинетической кривой с наибольшей скоростью эрозии ушах После испытаний образцов в течение 240 мин определяли скоростьизнашивания как отношение объемных потерь к принятой наибольшей продолжительности опыта (столбец 3 табл.2.1).
Для опытных образцов на рис. 2.11-2.13 показаны фотоснимки изношенных поверхностей при различном увеличении.
Характер кинетических кривых кавитационного изнашивания оказался типичным для этого вида испытаний. Все кривые имели безызносный период так, далее — участок изнашивания с наибольшей скоростью и участок затухания скорости изнашивания при весьма грубой поверхности образцов в конце испытаний. Все кривые эрозии можно аппроксимировать как степенным, так и экспоненциальными зависимостями, т.е. получить несколько соотношений, различающимися лишь опытными постоянными:
Образцы с наименьшей износостойкостью (А1 и Э5) имели соответсвенно наиболее грубую поверхность износа (рис.2.11 б и 2.12 б). При этом из А1 разрушался хрупко и, продукты изнашивания имели ярко выраженное губчатое строение с четко различными кратерами от динамического воздействия жидкости размерами 0,02...0,05 мм. Поверхность износа эпоксидного покрытия Э5 напоминала массу плохо размешанной глины, на поверхности которой были видны гладкие участки, сохранившиеся от исходной поверхности до начала испытаний. Различная ориентация этих участков в пространстве указывает на происходящее при ударах жидкости интенсивное упруго-пластическое деформирование эпоксипласта с образованием крупных частиц изнашивания, до 0,3...0,5 мм в поперечнике.
Покрытие Э112 в сравнении с Э5 показало значительно большую эластичность и соответственно более продолжительной аккумуляционный период до начала эрозии. На изношенной поверхности образцов гладкие участки перемежаются с кавернами глубиной 0,1.. .0,2 мм (рис.2.13).
После введения в эпоксидны й компаунд силикона в соотношении 6:10 (образец в табл. 2.1) эластичность покрытия заметно возрастает, а износ уменьшается. Об увеличении эластичности можно судить по росту декремента S и снижению уровня акустического шума. Поверхность износа достаточно ровная с равномерно расположенными мелкими язвинками размерами 0,01.. .0,04 мм.
Наилучшим сочетанием износостойкости и механических свойств обладает покрытие из эпоксидной смолы Э5 с добавлением силикона в соотношении (3:10). Этот композит показал наименьший износ, низкую упругость и высокий декремент затухания колебаний. Поверхность изношенного образца похожа на беспорядочно расположенные мотки пряжи (ниток), что указывает на присутствие в зоне эрозии длинных органических образований в виде нитей, хорошо сопротивляющихся разрыву (рис.2.13 в). Покрытие ведет себя как типичный вязкоупругий материал, что следует из «лунного пейзажа» на поверхности образца в начале испытаний. Поверхность покрыта кратерами правильной формы диаметром 0,01...0,03 мм, на дне которых четко видны очаги развивающихся эрозионных каверн. Очевидно, что образование кратеров связано с пластической деформацией покрытия при внешних динамических воздействиях, а эрозия на дне кратеров
Сопоставление результатов моделирования с опытными данными
Результаты сравнительных испытаний металлических материалов и эластичных покрытий на кавитационное изнашивание на лабораторных стендах и в натурных условиях показали, что при использовании эластичных материалов, в частности: для защиты водоохлаждаемых поверхностей цилиндровых втулок судовых двигателей от эрозии при вибрационной кавитации, надежность деталей оказалось возможным повысить в 5-20 раз при втулках из серого чугуна СЧ25 и в среднем в 2 раза в сравнении с износостойкостью втулок из легированной стали 38ХМЮА (табл. 3.1).
Сравнивая результат (3.20), полученный при анализе теоретической модели взаимодействия жидкости с эластичной поверхностью, с данными, приведенными в табл.3.1, нетрудно убедиться в их высокой взаимной корреляции. Действительно: относительная износостойкость Ію 50,5 /7,14»7,1 по (3.20) подтверждается опытным результатом, который в среднем для более твердых металлических поверхностей составил: 0,5(12,5+2) = 7,2.
Результаты сравнительных испытаний металлов газотермических и эластичных покрытий на кавитационно-эрозионную стойкость &до на магнитострикционном вибраторе в пресной воде при частоте 22 кГци амплитуде 20 мкм в течение 8 ч.
Основными результатами выполненного анализа являютсяследующие:1. Предложена модель взаимодействия потока жидкости с эластичной (демпфирующей) обтекаемой поверхностью, объясняющая механизм процесса и причины реализуемой при этом повышенной кавитационно-эрозионной стойкости материалов.2. Основной причиной повышенной сопротивляемостиматериалов и оборудования кавитационно-эрозионному воздействию со стороны жидкости является переход от более жесткого внешнего воздействия на менее жесткое за счет использования эластичных материалов, «отдаляющих» обтекаемую поверхность от зоны интенсивного вихреобразования в потоке и способствующих диссипации внешней энергии за счет высокоэластической деформации.3. На примере масштабного перехода из зоны наибольшего вихреобразования в зону с более благоприятным полем скоростей жидкости за счет использования эластичных материалов вместо более жестких (металлов и сплавов) показано примерно семикратное повышение кавитационно-эрозионной стойкости деталей, что подтверждено результатами сравнительных испытаний металлических и полимерных материалов на кавитационное изнашивание.4. Благодаря учету влияния масштабных эффектов уточнены зависимости чисел кавитации и начала эрозии от критерия Рейнольдса, необходимые для объективной оценки кавитационно-эрозионной стойкости материалов для деталей гидромашин.
Согласно современному структурно-энергетическому подходу материал разрушается после насыщения деформируемых объемов внутренней энергией критической плотности [36]. Так же, как в моделях B.C. Ивановой [13], в работе учитывается неравномерность насыщения продуктов изнашивания внутренней энергией и возможность выражения энергетического критерия через микроструктурные физико-механические и термодинамические характеристики изнашиваемых материалов.
В качестве исходной модели эрозии металлических материалов принято соотношение подведенной (внешней) энергии к ее плотности в деформируемом объеме материала в момент превращения его в продукты изнашивания. На основании исходного соотношения и энергетического баланса при деформировании материала в виде Ez=AMa+Qi = MIe + AU be + M/ e + AUT+Q,где Ez - общая затраченная энергия; Амех -механическая составляющая энергии; Q - тепловая составляющая; AUe и AUT - потенциальная и тепловая кинетические части внутренней энергии соответственно; AU be - часть энергии фазовых превращений, изменяющая внутреннюю энергию материала; AUOQ - необратимая (тепловая) часть энергии фазовых превращения в объеме материала V; О,- часть поглащенной энергии деформации, рассеянная в виде тепла в окружающей среде, было получено уравнение объемного износа материалов за фиксированный период времени где consti - опытная постоянная (зависит от масштабов нагружения и структуры деформируемых материалов); ц- текущая скорость внешнего воздействия и ее критическое значение окр, соответствующее разрушению материала на конкретном масштабном уровне изнашивания; Е д и Еуд удельная энергоемкость материалов в момент разрушения и перед началом изнашивания соответственно.
Опираясь на результаты исследований В.И. Владимирова [10], В.Е. Панина [22-26]. Ю.И. Мещерякова и С.А. Атрошенко [3], Л.И. Погодаева [35-43], можно утверждать, что различным масштабным (структурным) уровням внешнего нагружения соответствует различная энергоемкость изнашиваемых материалов и существенно неодинаковые значения энергетического критерия сопротивления эрозии. Различным масштабным уровням нагружения соответствуют разные глубины распространения упругопластических деформаций в изнашиваемых материалах и неодинаковая крупность частиц износа, отделяющихся от поверхности деталей.
Можно полагать, что энергоемкость материалов на различныхмасштабных уровнях нагружения соответствует различным энергиямактивации преобладающих механизмов атомно-молекулярныхперегруппировок. Согласно исследованиям К.А. Осипова [21], В.В. Федорова [48] и других ученых, возможный диапозон дискретного изменения плотности энергии активации [11] достаточно широк и в зависимости от структуры материала и характера внешнего нагружения может изменяться примерно в 5 раз.
На графиках поверхностей усталости изнашиваемых материалов, построенных в координатах с логорифмическими шкалами, масштабные переходы сопровождаются характерными изломами, разделяющими общую зависимость на 2-3 отдельных участка с различными наклонами к оси, на которой отложены скорости динамического внешнего воздействия 13;, или соответствующие давления гидроудара pi (рс)м щ (рм - плотность
Экспериментальная оценка работоспособности материалов по новым критериям
Соотношения (4.5) имеют многочисленные экспериментальные подтверждения и указывают на то, что энергетические характеристики WK ,Еуді, vKp и NKp [ткр) могут быть использованы в качестве объективныхкритериев эрозионной стойкости материалов (рис.4.1.).
В результате сопоставления зависимостей V (E), полученных прииспытании материалов в пресной воде (кривая 1 на рис.За) и в водных растворах хлорида натрия (линия II на рис.4б) оказалось возможным впервые оценить влияние коррозионно-активной среды на энергоемкость и эрозионную стойкость металлических материалов, т.е. установить конкретное значение коэффициента кх в соотношениях (4.1-4.5). Для зависимостей I и II оказалось справедливой обратная пропорциональность между vm и Е%" в виде и -Е , в которой п=1,5 для пресной воды и и=1,0,для водных растворов NaCl.2/3. Это указывает на существенное ( 50%-ое) ужесточение условий коррозионно-механического изнашивания металлических материалов в химически-активных средах. Для обеспечениия одинаковой скорости эрозии детали в пресной воде и в растворах NaCl энергоемкость материала следует увеличить на коэффициент кх, пропорциональный (Е")т или и .
Использование критической скорости динамического нагружения (скорости гидроудара) в качестве критерия эрозионной стойкости металлических материалов в сравнении с другими характеристиками (E Y),WK и т.п.) имеет определенные преимущества. Это связано с тем, что оможно определить инструментально по известным методикам; икр являетсяструктурно-чувствительной характеристикой, учитывает масштабные уровни нагружения, особенности проявления хрупкого разрушения и склонность материалов к деформационному упрочнению при переносе энергии в изнашиваемых объемах волнами упругих и пластических деформаций. Критическая скорость удара отражает особенности динамического воздействия на поверхность материалов импульсных кумулятивных струй жидкости , возникающих при несиммиетричном замыкании парогазовых пузырьков и каверн при кавитации.
В общем случае икр материала с гетерогенной структурой можнопредставить в виде суммы упругой и пластической составляющихр Рр 0 Ру =i АГгде в(к) и рт - концентрация и плотность к -ой составляющей гетерогенного материала; индексами 0 и р обозначены невозмущенное и деформированное до относительного удлинения єр состояние материала соответственно; индекс р характеризует деформацию более упругих в сравнении с основной фаз; верхние повторяющиеся индексы (к) означают суммирование; с0 -скорость распространения звука в материале; єкр - деформация разрушения материала; р, - массовая плотность материала на уровне предела упругости; Ем - энергия деформационного упрочнения АЕП1 - относительная деформация разрушения за вычетом упругого вклада.
Уравнение (4.6) может быть выражено через известное физико-механические характеристики материала. где аг, аь, Е и ерави - пределы текучести и прочности, модуль упругости и равномерное удлинение материала соответственно при испытании образцов на растяжение; кф - коэффициент формы, учитывающий конфигурацию кривой деформационного упрочнения сг(г); - коэффициент учитывающий влияние химически-активной среды.
Недостатком формулы (4.7) является то, что она соответствует поведению материалов при растяжении, что не во всех случаях совпадает с напряженно-деформируемом состоянием изнашиваемых объемов материалов при кавитации, которое может быть менее жестким и кроме напряжений растяжения подвергаться воздействуют напряжений сжатия и сдвига.
Соотношения (4.6 - 4.7) указывают на линейную зависимость оК от ah.Анализ накопленных экспериментальных данных показывает, что линейность vKp(ab) на макроуровне существует лишь для сталей и сплавовцветных металлов при оъ 800 МПа. Для более прочных металлов при увеличение УЬ происходит резкое снижение vyp. В то же время для ulcm, определенный по кривым поверхностной усталости, построенным по результатам испытаний образцов на МСВ при различных амплитудах вибрации, единая линейная зависимость от ть сохраняется вплоть до ah =ЮООМПа. При этом для сталей, имеющих аь =800МПа, ц" в 14,5 разпревышает v , определенные при макроударных испытаниях.
Приведенные сопоставления указывают на необходимость учета при оценке кавитационно-эрозионной стойкости материалов (по любым физико-механическим критериям) масштабных уровней динамического воздействия и соответствующей жесткости напряженно — деформированного состояния изнашиваемых объектов.
Из формул (4.6) и (4.7) вытекает степенная зависимость икр от энгергоемкости материалов Е„ Еуд, имеющая удовлетворительное экспериментальное подтверждение (рис.4.). Хорошо согласуется с опытными данными частная кубическая зависимость WKp vlp, вытекающая из (4.5), а также линейная зависимость vKp от концентрации, образующейся в результате фазовых превращений при изнашивании, упрочняющей фазы в (4.7) и кубическая зависимость относительной эрозионной стойкости кАГ от относительного содержания в изнашиваемых микрообъемах частиц второй фазы (4.5) (рис.4.3.).Важно отметить, что при замене пресной воды 3% - ным раствором хлористого натрия, т.е. после учета коэффициента кх в (4.5) и (4.8), эрозионная стойкость сталей существенно понижается и кубическая зависимость I превращается в квадратичную II (рис.4.2.).
