» » Кавитационно-эрозионное воздействие жидких металлов
11.01.2015

Воздействие потока жидкого металла на твердый вызывает в определенных условиях разрушение последнего вследствие протекания процессов кавитации и эрозии. Имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные, правда, немногочисленные, по кавитационно-эрозион-ным разрушениям материалов в жидкометаллической среде позволяют считать, что природа этих процессов и их закономерности такие же, как и в воде.
Эрозионное разрушение происходит в результате износа и выбивания частиц из поверхности твердого металла под действием потока жидкого металла. Кавитационное разрушение определяется микроударным воздействием жидкометаллической среды, возникающим при захлопывании на поверхности твердого металла паровых пузырьков, имеющихся в жидкости. Кавитационное воздействие представляет собой усталостный процесс, протекающий в микрообъемах поверхностного слоя твердого металла. Особенностью его является односторонний цикл нагружения сжимающими напряжениями. Многократные удары по микроучасткам поверхности приводят вначале к их пластической деформации и наклепу, появлению напряжений в поверхностном слое, дроблению зерен, а затем к образованию микроскопических трещин и к выбиванию отдельных мелких частиц металла. Обычно кавитационное и эрозионное воздействия жидкометаллической среды протекают одновременно и усиливают друг друга. Поэтому следует говорить о кавитационно-эрозионном воздействии жидких металлов. В ряде случаев кавитационно-эрозионное разрушение усиливается одновременно протекающими коррозионными процессами.
Кавитационно-эрозионные повреждения твердых металлов возрастают при увеличении скорости потока жидкого металла и увеличение его плотности. Например, для хромистой стали (5% Cr) установлено, что такого рода повреждения при температуре испытания 500—600° С возникают в жидком висмуте, если скорость потока превышает 3 м/сек, в жидком натрии при скорости выше 10 м/сек, а в жидком литии повреждения стали не наблюдаются и при более высоких скоростях.
Для жидкометаллической среды лучше изучены кавитационно-эрозионные разрушения, происходящие при определяющем влиянии кавитации. Установлено, что кавитационные разрушения железа в жидкой ртути происходят при комнатной температуре, т. е. при весьма малой величине упругости паров ртути. Испытание образцов из аустенитной хромоникелевой стали типа 18-8, помещенных в сопло Вентури, при скорости течения ртути в горловине сопла 10 м/сек показало, что кавитационное воздействие жидкого металла весьма интенсивно и непрерывно развивается с увеличением продолжительности испытания, не обнаруживая тенденции к ослаблению (рис. 68). Правда, после 100 ч испытания в течение некоторого времени наблюдалось снижение кавитационного воздействия ртути, затем интенсивность воздействия опять возросла. Такую особенность процесса, наблюдавшуюся также в опытах на воде, Хэммит объясняет разрушением в начальный период наиболее слабых мест в структуре поверхностного слоя твердого металла, после этого наступает период упрочнения поверхности, а затем разрушение усиливается из-за достижения предела прочности этих участков и увеличения степени турбулентности потока в связи с повреждением поверхности. Отсутствие инкубационного периода при кавитационном разрушении в описываемых опытах на ртути связано, очевидно, с достаточно большой интенсивностью процесса, но он будет наблюдаться при меньших скоростях развития процесса. Аналогичная закономерность наблюдалась при кавитационных испытаниях материалов в воде. Сравнение скорости кавитационного разрушения аустенитной хромоникелевой стали 18-8 в сопле Вентури в жидкой ртути и в воде при одинаковых условиях испытания показывает, что в жидком металле скорость разрушения выше примерно на два порядка.
Кавитационно-эрозионное воздействие жидких металлов

Хотя кавитационное разрушение имеет микролокальный характер, разрушенные участки поверхности занимают большую площадь. Естественно, что это определяется размерами зоны, в которой происходит микроударное воздействие среды. Разрушение вследствие кавитации вызывает образование на поверхности металла характерных каверн. Пример кавитационного повреждения поверхности никелевого образца в жидкой ртути приведен на рис. 69. В некоторых случаях при сильном кавитационном разрушении образуются раковины, достигающие большой глубины (до нескольких миллиметров). Например, испытание центробежного насоса из сплава инконель в жидком натрии в кавитационном режиме при температуре 565-673° С продолжительностью 2575 ч привело к образованию на рабочем колесе раковин глубиной до 8 мм. Скорость движения натрия на этом участке составляла 16,2 м/сек. Следует отметить, что появление кавитационных разрушений рабочего колеса не сопровождалось изменением гидравлических характеристик насоса. Работа центробежного насоса из хромоникелевой аустенитной стали типа 18-12, легированной молибденом, на жидкой ртути также в кавитационном режиме вызвала образование на лопатках рабочего колеса раковин глубиной 3,2 мм. Продолжительность этих испытаний составляла 700 ч, скорость движения ртути в каналах рабочего колеса равнялась 2,1 м/сек, температура испытаний комнатная.
Кавитационно-эрозионное воздействие жидких металлов

Опытами, проведенными на магнитострикционном вибраторе, установлено, что степень кавитационного повреждения твердого металла зависит от амплитуды колебания, увеличиваясь с ее ростом. Этот факт указывает па связь кавитационного разрушения с усталостным, которое наступает тем раньше, чем выше амплитуда напряжения или деформации. Кавитационное воздействие жидких металлов зависит и от других факторов. Так, увеличение статического давления в системе приводит к его ослаблению. Разрушение вследствие кавитации и эрозии тем больше, чем более грубо обработана поверхность металла. Имеются указания на уменьшение кавитационных повреждений стали (2,25% Cr, 1% Mo) в жидком висмуте при добавке к нему ингибиторов. По-видимому, кавитационное разрушение в этом случае существенно зависело от коррозионных процессов, которые при введении в жидкий металл ингибиторов были ослаблены. Кавитационно-эрозионные разрушения зависят от характера потока жидкого металла. С увеличением турбулентности потока при постоянной средней его скорости степень разрушения растет. Поэтому разрушения такого типа в теплообменных установках чаще наблюдаются на участках, где происходит изменение сечения потока или направления его движения.
Кавитационно-эрозионное воздействие жидких металлов

Исследование кавитации углеродистых сталей в жидком висмуте показало, что с увеличением содержания в стали углерода их стойкость повышается (рис. 70). Испытания проводили на магнитострикциониом вибраторе с частотой 20 кгц при амплитуде колебаний образца 15 мкм в течение 1 ч. Из рис. 70, видно, что с ростом температуры кавитационное разрушение стали усиливается. Аналогичные результаты были получены при испытаниях в жидком висмуте хромистых сталей. Кроме того, их испытание показало, что кавитационная стойкость сталей увеличивалась при увеличении содержания в них хрома. Однако влияние этого элемента было заметно при повышении его концентрации до 6%; стали, содержащие от 6 до 24% Cr, имеют примерно одинаковую кавитационную стойкость. Следует отметить, что результаты кавитационных испытаний хромистых сталей прямо противоположны результатам коррозионных испытаний этих же сталей, которыми установлено увеличение скорости коррозии с увеличением содержания в сталях хрома. Этот факт наглядно указывает на различную природу кавитационного и коррозионного разрушений.
На рис. 71 представлена зависимость потери веса сталей в условиях кавитационного разрушения в жидком висмуте от их твердости. На этом графике данные испытаний углеродистых и хромистых сталей располагаются на общих линиях, что указывает на отсутствие зависимости кавитационного воздействия жидкометаллической среды от химического состава твердого металла. Такое заключение, конечно, имеет ограниченный характер, так как кавитационное повреждение материалов зависит от многих причин. Например, в связи с микролокальностью ударных импульсов повреждение материала усиливается с ростом неоднородности его структуры, что, в свою очередь, может быть вызвано изменением химического состава материала. Однако зависимость кавитационной стойкости от твердости в пределах одного класса материалов, по-видимому, является определяющей. Зависимости, аналогичные представленным на рис. 71 для сталей в жидком висмуте, были получены Л. А. Гликманом при кавитационных испытаниях различных материалов в воде.
Кавитационно-эрозионное воздействие жидких металлов

В работе показано, что способность сталей противостоять кавитационному воздействию жидкого висмута подрастает в результате применения специальной термической обработки или неуглироживания поверхностного слоя, что также связано с повышением их твердости.
Таким образом, следует считать, что зависимость стойкости материала в условиях кавитационного воздействия жидкометаллической среды от его твердости весьма существенна. Наличие связи между ними можно объяснить следующим образом. Испытаниями металлов на усталость и упругопластической области установлено повышение выносливости с ростом их прочности (длительной и кратковременной). Так как увеличение твердости материалов означает увеличение их прочности, следовательно, материалы с большей твердостью должны иметь и более высокое сопротивление усталости. Кавитационное разрушение есть частный случай усталостного разрушения, протекающего при одностороннем сжимающем цикле нагружения с высокой частотой и происходящее в малой области приложения внешней силы при отдельном акте нагружения. Однако эти особенности кавитации не вызывают изменения ее основных закономерностей как усталостного процесса. Результатом соблюдения таких закономерностей является, например, четкая зависимость степени кавитационного повреждения материала от его твердости.