Триботехнічні властивості: зносостійкість, зношування, тертя, покриття, залишкові напруги детонаційно-газових покриттів (стр. 4 из 22)
Рис 1.1.Швидкість зношування різних матеріалів краплями дощу
Кавітаційне зношування - це процес руйнування поверхневого шару твердого тіла рідиною, що швидко рухається зі змінною швидкістю, що містить пухирці газу (каверни), які схлопуються в поверхні цього тіла. Цьому виду зношування зазнають вузли тертя, що працюють в умовах гідродинамічного змащення; лопатки гідротурбін; деталі гідроапаратури, насосів і гребних гвинтів; трубопроводи; зовнішні поверхні циліндрів двигунів внутрішнього згоряння, охолоджуваних водою; корпуса судів, торпед і підводних човнів. Кавітація являє собою спостережуваний в обсязі рідини процес зародження, росту й схлопування каверн - замкнених порожнин (пухирців),які можуть містити газ або пара. Вона виникає при зниженні тиску в обсязі рідини. Існує кілька класифікацій кавітації, кожна з яких різниться принципом, покладеним у її основу. За умовами виникнення й фізичним особливостям розрізняють наступні види кавітації: що переміщається (пухирці рухаються разом з рідиною); приєднана (потік рідини відривається від границі твердого тіла з утвором порожнини, що містить дрібні нестаціонарні каверни); вихрова (пухирці утворюються в центрі вихрів, що виникають у зонах, де мають місце більші дотичні напруження, наприклад на кінцях лопат гребних гвинтів вібраційна (виникає внаслідок вібрацій поверхні твердого тіла або пульсації тиску в рідині). За умовами прояву розрізняють кавітації: профільну (потік рідини відривається від обтічного профілю й утворює каверни), щілинну виникає при русі рідини через зазор), зривну (утворюється при обтіканні нерівностей поверхні, що зношується). Процес кавітаційного зношування включає три стадії: зародження й ріст І кавітаційних пухирців, їх схлопування й гідродинамічний удар. Виникнення кавітації, тобто перехід локальних обсягів рідини в пароподібний стан, можливо шляхом зниження статичного тиску або підведення до неї теплової, електричної або іншої енергії. Розглянемо ці стадії на прикладі кавітації в потоці рідини, що рухається по каналу зі змінним перетином. Зміна перетину може бути викликана звуженням каналу (сопла, канали турбомашин, улита насоса) або наявністю перешкоди розташованого в потоці рідини (трубопроводи, що містять клапани й розподільні обладнання, витратоміри проточного типу, сполучення, у яких товщина зазору порівнянна з максимальною висотою виступів шорсткуватої поверхні). При обтіканні перешкоди швидкість руху й динамічний тиск рідини збільшуються, а статичний тиск падає до величини, що забезпечує паротворення. Розрив суцільного потоку й інтенсивне паротворення відбуваються в тих областях, де нерозчинений газ або неконденсована пара, завжди наявні в рідині, знижує на 3, 4 порядка її міцність на розрив (теоретично вона може досягати 1000 МН/м'). Ці області утворюють ядра кавітації / (мал. 1.3) які, потрапляючи в зону низького статичного тиску, виростають у навігаційні пухирці 2 - порожнечі, заповнені пором або газом (повітрям). Повітря, що виділяється з рідини, або газ полегшує утворення пухирців. Однак у пухирці зміст газу незначно вище, чим у рідині, оскільки час його існування становить мікросекунди, а цього недостатньо для помітної дифузії газу або повітря через рідину до каверн. Останні, розміром порядку десятків мікрометрів, переміщаються потоком рідини, збільшуючись у розмірах. При досягненні максимального розміру пухирця потенційна енергія Wн навколишньої його рідини
де Нт- радіус каверни; рк -тиск навколишньої каверну рідини; рн тиск насичених пар у пухирці.
Після обтікання нерівності (збільшення перетину каналу) швидкість руху рідини зменшується, а статичний тиск росте. Тут відбувається конденсація пари й розчинення газу, що супроводжуються схлопуванням пухирця. При цьому запасена потенційна енергія перетворюється в кінетичну енергію молекул рідини. Це сприяє виникненню надлишкового тиску, нагріванню локальних ділянок поверхні твердого тіла й протіканню хімічної й електрохімічної корозії.
Однак визначальним результатом схлопування кавитаційних пухирців є механічний вплив рідини на поверхню твердого тіла, що приводить до її руйнування. Багаторазовий вплив мікроструменів описаного характеру на ту саму ділянка поверхні приводить до локального руйнування поверхні твердого тіла.
При впливі на метал розбудовуються пластичні деформації й з'являються лінії зрушення по границях зерен, а згодом утворюються ультрамікротріщини, які, розбудовуючись, приводять до викрошування часток матеріалу й появі поглиблень.
При пластичному деформуванні на поверхні тіла, що зношується, з'являються поглиблення, які збільшуються, тому що кожне з них концентрує (фокусує) ударні хвилі від наступного схлопування пухирців.
На краях поглиблень утворюються ободки пластично деформованого матеріалу, які, досягши критичного обсягу, відділяються від тіла, що зношується. У результаті поверхня твердого тіла покривається поглибленнями у вигляді видавлених кратерів.
Швидкість плину рідини визначає розміри й частоту утвору пухирців і, отже, інтенсивність кавітаційного зношування.
Втомне зношування - це процес руйнування поверхні тертя твердого тіла, викликаний повторно діючими циклами напруг (деформацій), амплітудне значення яких не перевищує межі міцності матеріалу. Виникає в результаті багаторазового пластичного або пружного відтискування матеріалу, що зношується тіла, що впровадилися нерівностями тіла, що сполучається з ним контр. тіла.
Цього виду зношування зазнають підшипники кочення й ковзання, шейки колінчатих валів, кулачкові механізми, зубчасті передачі гальмові й фрикційні диски.
Основні положення втомної теорії зношування
Згідно з втомною теорією, зношування обумовлене наявністю наступних факторів:
• дискретним характером взаємодії тертьових тіл, тобто взаємодією нерівностей контактуючих поверхонь на дискретних ділянках, що утворюють фактичну площу контакту;
• багаторазово повторюваними імпульсним тепловим впливом і деформаціями локальних обсягів матеріалу поверхневого шару в зонах контакту з нерівностями контр тіла;
• наявністю мікродефектів структури і їх акумуляцією в поверхневому шарі тіла, що зношується, у процесі тертя;існуванням характерного для кожного матеріалу граничного стану, що визначає умови його руйнування (наприклад, гранична щільність енергії, накопиченої в локальному обсязі).