Badania modelowe

Podczas erozji uderzeniowej wywoływanej oddziaływaniem cząstek stałych postępuje utrata materiału z powierzchni ciała stałego. Proces usuwania materiału obejmuje transfer energii kinetycznej cząsteczki, która częściowo lub całkowicie zmieniana jest w energię odkształcenia materiału pod wpływem uderzenia. Czynniki takie jak prędkość, kąt uderzenia strumienia ścierniwa, wielkość, kształt oraz właściwości cząstek skorelowane są z intensywnością zużycia powierzchni. Zakres, w jakim każdy parametr wpływa na szybkość erozji, zależy od warunków środowiskowych oraz właściwości erodowanej powierzchni. Wielu badaczy prowadziło badania laboratoryjne, jak również symulacje numeryczne, w celu zamodelowania i zrozumienia fizykalnych mechanizmów zużywania erozyjnego²¹⁴. Ze względu na koszty ekonomiczne, długi czas realizacji testów laboratoryjnych, opartych na badaniach fizykalnych oraz statystycznych, w celu naukowego poznania mechanizmów zużywania stosuje się badania z wykorzystaniem modelowania matematycznego. Symulacje numeryczne mogą być zastosowane do prognozowania odporności erozyjnej materiałów. Podejście analityczne jest ukierunkowane na rozwój równań regresji opisujących, charakterystyki zużywania erozyjnego i uszkodzeń powierzchni

214 Siddhartha, R. Bisht: A modified approach for better prediction of erosion wear of materials: Redefining the paradigms. Materials and Design 47, 2013, s. 395–407; A. Ghenaiet: Modeling of Particle Trajectory and Erosion of Large Rotor Blades. International Journal of Aerospace Engineering Volume 2016. s. 1–15;

W.R. Tyfour, M.T. Hayajneh, J.M. Qasaymeh: On the models of erosive wear of ductile materials. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 2016, s. 1–8.

zacisk

73

w celu przewidywania skutków erozji oraz wyznaczenia żywotności i funkcjonalności badanych elementów. Na podstawie przeprowadzonej analizy literaturowej zidentyfikowano ponad 30 różnych modeli erozji uderzeniowej wywołanej oddziaływaniem cząstek stałych²¹⁵.

I. Finnie jako pierwszy opracował model zużywania erozyjnego przez skrawanie pojedynczą cząstką. Opracowany model stanowi bazę dla wielu kolejnych modeli erozji.

Model zakłada, że cząstka ścierniwa uderza o powierzchnię z prędkością V i pod określonym kątem α, przy czym powierzchnia wykonana jest z twardego materiału, a głównym mechanizmem zużywania jest mikroskrawanie²¹⁶. Wartość objętości materiału usuniętego z obrabianego materiału pod wpływem oddziaływania pojedynczej cząstki opisana jest równaniami (4.1) oraz (4.2):

W = sin 2α sin α , dla tan (4.1)

W = ^! , dla tan " (4.2)

gdzie:

W – całkowita objętość usuniętego materiału, m – masa pojedynczej cząstki materiału ściernego, α – kąt padania,

k – stosunek pionowych do poziomych składowych siły, V – prędkość cząstki ścierniwa,

p – naprężenia na powierzchni erodowanego materiału osiągnięte po zderzeniu z cząsteczką, Ψ – parametr opisujący geometrią mikrowióra, stosunek głębokości kontaktu l do głębokości wcięcia (Yt) (rys. 21).

Rys. 21. Rysunek poglądowy cząstki ściernej uderzającej i usuwającej materiał z powierzchni Źródło: opracowanie własne na podstawie [48].

215 S. Nsoesie, R. Liu, K.Y. Chen, M.X. Yao: op. cit., s. 226–232.

216 I. Finnie: Erosion of surfaces… op. cit., s. 87–103; I. Finnie: The mechanism of erosion of ductile metals.

Proceedings of the Third National Congress on Applied Mechanics, New York, 1958, s. 527–532.

Yt l

74

Mimo że model I. Finniego jest modelem uproszczonym, nie uwzględnia temperatury, uznawany jest za kamień milowy w modelowaniu erozyjnym i stanowi podstawę teoretyczną dla innych badaczy zajmujących się modelowaniem procesu erozji. Opracowany model jest istotny tylko w odniesieniu do materiałów plastycznych i nie odejmuje kruchego pękania materiału. Po przeprowadzeniu symulacji zaobserwowano, że w przypadku materiałów plastycznych maksymalne zużycie powierzchni występuje dla wartości kąta natarcia w zakresie 15÷30°. Wyniki badań doświadczalnych były identyczne, jak wyniki przeprowadzonych obliczeń, tylko dla niskich wartości kąta do 45°. Otrzymane wyniki obliczeń dla kąta 60° znacznie się różniły od wyników testów laboratoryjnych, natomiast dla kąta natarcia 90°, przewidywały zerową wartość zużycia²¹⁷.

M. Hashish [73] przekształcił model I. Finniego i uwzględnił, wpływ kształtu cząstki ścierniwa na proces erodowania, zmodyfikował także sposób wyrażenia prędkości zaproponowany przez I. Finniego. Model M. Hashisha jest dedykowany dla niskich kątów natarcia i wyrażony jest równaniem:

W =_$^#_&^%_'(₎

*+ ^.-sin 2α √sin α (4.3) gdzie C_k można wyliczyć z równania:

C = 0¹²³_&⁴_'^35/7 (4.4)

gdzie Rf to współczynnik okrągłości cząstki.

Główną zaletą zaproponowanego modelu jest fakt, że nie wymaga eksperymentalnie wyznaczonych stałych, ponadto uwzględnia kształt cząstki. Jednak M. Hashish nie przeprowadził weryfikacji lub eksperymentalnych badań w celu sprawdzenia poprawności modelu oraz jego ograniczeń. Model bazuje na plastyczności materiałów, więc jest odpowiedni jedynie dla materiałów plastycznych, przy niskich kątach uderzenia²¹⁸.

Wśród wielu modeli opisywanych w literaturze przedmiotu, najczęściej cytowanym obok modelu I. Finniego jest model J. Bittera [17, 18]. W opracowanym modelu J. Bitter zakłada, że podczas zużywania występują dwa procesy jednocześnie: zużywanie odkształceniowe oraz skrawanie, a ich rezultaty mogą zostać nałożone²¹⁹. Ponadto stwierdził,

217 I. Finnie: Erosion of surfaces by solid particles. Wear 3, 1960, s. 87–103; I. Finnie: The mechanism of erosion of ductile metals. Proceedings of the Third National Congress on Applied Mechanics, New York, 1958, s. 527–532.

218 M. Hashish: Modified model for erosion. Seventh International Conference on Erosion by Liquid and Solid Impact, Cambridge, England, 1987, s. 461–480.

219 E.F. Tobin, O. Rohr, D. Raps, W. Willemse, P. Norman, T.M. Young: op. cit., s. 318–328.

75

że zużywanie odkształceniowe jest dominującym mechanizmem zużywania przy wysokich kątach padania, natomiast skrawanie, przy niskich kątach²²⁰.

J. Bitter zastosował podejście bazujące na teorii Hertza i wykorzystał równanie bilansu energetycznego. Wprowadził pojęcie prędkości progowej, gdzie cząstka nie może erodować materiału, jeżeli jej prędkość jest mniejsza niż prędkość progowa K. Prędkość cząsteczki V można rozdzielić na dwie składowe prostopadłą i styczną do powierzchni materiału.

Pierwsza składowa jest odpowiedzialna za penetrację materiału przez cząstkę, natomiast składowa styczna wywołuje zarysowanie powierzchni cząstkami ścierniwa. Jeżeli prędkość cząstek stycznych do powierzchni materiału podczas zderzenia jest równa zeru, wówczas głównym mechanizmem zużywania będzie odkształcenie plastyczne. Całkowite zużycie jest sumą odkształcenia plastycznego oraz zużycia wywołanego skrawaniem.

Zużycie odkształceniowe jest wyliczane ze wzoru:

W₈ =% 9: !;<

= , V sin α ≥ K (4.5) W₈ = 0, V sin α < K (4.6) gdzie:

M – całkowita masa cząstek ściernych [kg], α – kąt padania [deg],

E – energia jednostkowa zużycia przez wykruszenie ^C₅ , V – prędkość cząstki ścierniwa ,

K – prędkość progowa cząstki ścierniwa .

Powyżej prędkości progowej, podczas zderzenia cząstki z powierzchnią materiału, występuje przekroczenie granicy plastyczności i usuwanie materiału z powierzchni.

Prędkość progową można wyznaczyć wykorzystując teorię Hertza, bazując na wzorze:

K = 1,56y ^{,- I}_J (4.7)

H =^L;M₌ ^N

N +^L;M₌ (4.8) gdzie:

y – dynamiczna granica sprężystości materiału erodowanego [MPa], d – gęstość cząsteczki ^P₅ ,

q₁ – liczba Poissona materiału erodowanego,

220 S. Nsoesie, R. Liu, K.Y. Chen, M.X. Yao: op. cit., s. 226–232.

76 q₂ – liczba Poissona materiału ściernego,

E₁ – moduł Younga materiału erodowanego [MPa], E2 – moduł Younga materiału ściernego [MPa],

H – współczynnik maksymalnych naprężeń kontaktowych kuli z powierzchnią płaską ^L

%QR . Dla zużycia wywołanego skrawaniem, J. Bitter wyznacza objętość usuniętego materiału wg wzoru:

W = %) 9: !;<

√ 9: ! V cos α −) 9: !;<

√ 9: ! R , α ≤ α_V (4.9) W =^{%W !;<N} 9:!;<^5/ X

4 , α ≥ α_V 4.10) gdzie:

R – energia jednostkowa zużycia przez skrawanie ^C₅ ²²¹.

Natomiast stałe C oraz K1 wyznaczane ze wzorów (4.11 ) oraz (4.12):

C =^{V. YY}_Z ^\[^J_Z (4.11)

K_L = 0.82σ_Z[²_&^_

'`^L;a₌ ^'

' +^L;a₌ ^b

b c

\ (4.12)

C – parametr materiałowy ⁵

d , K1 – parametr materiałowy `[ c.

Wadą modelu jest to, że nie uwzględnia wielokrotnego i cyklicznego oddziaływania cząstek erodenta, który charakteryzuje każdy proces erozji, ponadto wymaga doświadczalnego wyznaczenia wartości energii potrzebnej do usunięcia jednostkowych objętości materiału przez skrawanie²²².

S. Jura oraz R. Bogucki w swoich pracach [84, 85, 86] zaprezentowali sposób wyznaczania stałych materiałowych oraz wskaźników energetycznych niezbędnych do obliczenia zużycia erozyjnego wykorzystując model J. Bittera. Stałe materiałowe wyznaczane są na podstawie badań doświadczalnych. Metodami eksperymentalnymi nie można określić parametrów energetycznych, które zależą od kształtu, wielkości i twardości cząstek erozyjnych. W celu wyznaczenia parametrów energetycznych E i R na podstawie wyników badań doświadczalnych zastosowano metodę regresji krokowej wykorzystywanej

221 M.S. ElTobgy, E. Ng, M.A. Elbestawi: Finite element modeling of erosive wear. International Journal of Machine Tools & Manufacture 45, 2005, s. 1337–1346.

222 T. Hejwowski: op. cit.

77

w obliczeniach statystycznych. Sprawdzenie poprawności równań regresji następuje poprzez porównywane z kryterium wartości testów Fishera oraz adekwatności. Do obliczeń statystycznych wykorzystano autorskie oprogramowanie opracowane w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej²²³.

H. Neilson i A. Gilchrist uprościli model J. Bittera, zakładając, że parametrami wpływającymi na zużycie, jest energia wymagana do usunięcia masy materiału z erodowanej powierzchni przez wykruszenie E oraz skrawanie R, wówczas wartość zużycia wyznacza się ze wzorów:

W =^% ₄ ^! +%e 9: ! ;<f

= , α ≥ α_V (4.13) W =^% ! 9: : !

4 +%e 9: ! ;<f

= , α ≤ α_V (4.14)

Jednak uproszczenie modelu nie wyeliminowało konieczności przeprowadzenia prac doświadczalnych wymaganych do wyznaczenia wartości współczynników zużywania E oraz R.

G. Beckmann i J. Gotzmann [16] założyli, że erozja jest wynikiem oddziaływania cząstki o kształcie sferycznym, a objętość materiału usunięta podczas uderzenia cząstki jest proporcjonalna do pracy sił ścinających wykonanej w warstwie powierzchniowej.

Opracowany model jest uniwersalny i może być stosowany również do przewidywania zużycia ściernego.

I =_h$&^1<3

ijk∗ τ_LI_L+ τ I (4.15) τ_L = τ_V+ (ⁿ₄+^L⁄ HB_% (4.16)

τ = τ_V+^(rq+

N⁄ Ist

L;^q_r (4.17)

I_L = 6,81 (₄ⁿ+^{L⁄ &i}_1Is^{a !}

t (4.18) I = 0,65 (ⁿ₄+ (4.19)

τ_V =^u&tv:(₁ ^wtw+ (4.20) e^∗ = KLρ_% (4.21)

223 R. Bogucki: Zużycie erozyjne staliwa L20HGSNM. Rozprawa doktorska. Politechnika Śląska, Gliwice 1999;

P. Zyzak: Ocena parametrów strumienia śrutu wskaźnika próby z użyciem płytek kontrolnych. Mechanik nr 8-9/2015, s. 374–381.

78

jk∗

{|= _v:(^1<_wt

w+ (4.22) gdzie:

Kf – współczynnik kształtu cząsteczki ściernej, ρA – gęstość ścierniwa,

e^∗ – gęstość energii ścinającej,

τ1 – naprężenia ścinające podczas wciskania, τ2 – naprężenia ścinające podczas odbicia,

τ0 – naprężenia ścinające w materiale erodowanym, h – głębokość krateru,

R – promień cząsteczki,

HBM – twardość Brinella materiału erodowanego, V – prędkość cząsteczek,

ɑ - kąt natarcia,

ρM – gęstość materiału erodowanego,

TM – temperatura topnienia materiału erodowanego w stopniach Kelvina, T – temperatura otoczenia,

K – stała materiałowa, L – utajone ciepło topnienia.

Głębokość krateru h opisana jest wzorem:

h = R [_1Is^&i_t v sin α − φ (4.23) φ =_-&^h=€

i$(^I_=€^t+^- (4.24) gdzie:

HVM – twardość Vickersa materiału erodowanego,

Zredukowany moduł sprężystości E^€ opisany jest zależnością:

E^€=^L;‚_=t^t+^L;‚_=iⁱ (4.25) gdzie:

EM i EA – moduł Younga materiału erodowanego oraz cząstki ścierniwa, odpowiednio, µ_M i µ_A – współczynnik Poissona materiału erodowanego oraz ścierniwa, odpowiednio²²⁴.

224 T. Hejwowski: op.cit.

79

R. Ellermaa [47] przeanalizował siedem różnych modeli zużywania erozyjnego.

Przeprowadził badania doświadczalne oraz modelowe, podczas których wyznaczył wartości erozji pięciu materiałów: aluminium, tytanu, żelaza oraz stali węglowej o dwóch wartościach twardości 193 HV oraz 434 HV. W celu obliczenia zużycia wszystkie wytypowane modele teoretyczne wymagały wyznaczenia w badaniach eksperymentalnych parametrów empirycznych (tab. 2).

Tabela 2. Zestawienie nieznanych parametrów empirycznych stosowanych w modelach zużywania erozyjnego, wymagających wyznaczenia na podstawie badań eksperymentalnych oraz statystycznych

Autor modelu Parametry

1 Lebedev ε, m, f, k

2 Finnie C, ϕ,K, P, σ_Th

3 Bitter ε, ρ

4 Nepomnyashchy f

5 Beckmann, Gotzmann k_f, k

6 Abramov c_y

7 Peter k_f

Źródło: [47].

Otrzymane wartości parametrów, m.in.: współczynnik tarcia, współczynnik restytucji, współczynnik zagęszczenia wióra, współczynnik kształtu cząsteczki ściernej były niezbędne do wyznaczenia zużycia erozyjnego z wykorzystaniem wytypowanych modeli analitycznych.

Na podstawie otrzymanych wyników testów doświadczalnych model teoretyczny optymalizowano z wykorzystaniem metody simplex. W celu oceny zbieżności wyników badań eksperymentalnych oraz badań modelowych zastosowano metodę sumy najmniejszych kwadratów. Wartość sumy dla zastosowanych modeli zużywania erozyjnego wyznaczono z następującego wzoru:

S = ∑ (^…†_…^;…‡

‡ +

:9ˆL (4.26) gdzie:

n – liczba testów,

I_c – wartość erozji obliczona na podstawie badań modelowych,

I_e – wartość erozji wyznaczona na podstawie testów eksperymentalnych.

Na podstawie przeprowadzonej analizy Ellermaa stwierdził, że model zaproponowany przez Beckmanna i Gotzmanna zapewnia najlepszą zbieżność wyników badań modelowych

80

z rezultatami otrzymanymi podczas badań eksperymentalnych. Natomiast największą rozbieżność wyników odnotowano podczas prognozowania zużycia erozyjnego metodą opracowaną przez E. Nepomnyashchy. Otrzymane wyniki badań zaprezentowano w tabeli 3.

Tabela 3. Wyniki oceny zbieżności rezultatów badań doświadczalnych oraz modelowych z zastosowaniem podejścia Ellermaa

Autor modelu

Suma najmniejszych kwadratów, S (n=14)

Al Ti Fe AISI 1020 steel

193 HV 434 HV

1 Beckmann, Gotzmann 0,92 2,31 1,97 0,39 0,25

2 Bitter 1,49 2,56 2,83 0,43 0,68

3 Peter 1,29 7,10 4,96 0,92 3,56

4 Lebedev 3,72 4,99 4,07 2,59 2,81

5 Finnie 3,30 5,15 4,56 4,33 4,92

6 Abramov 5,86 3,35 5,99 4,69 3,84

7 Nepomnyashchy 1200 39,25 98,55 28,74 3,12

Źródło: [47].

Przeprowadzona przez Ellermaa analiza wyników zużycia erozyjnego wyznaczonego z wykorzystaniem modeli analitycznych oraz badań eksperymentalnych wykazała, że największą zbieżność wyników, bez względu na twardość badanych materiałów uzyskano z wykorzystaniem modelu Beckmanna i Gotzmanna. Wysoką zbieżność wyników otrzymano również dla modelu Bittera oraz modelu Petera.

Analiza literaturowa wykazała, że każdy opracowany model był wynikiem bardzo specyficznego i indywidualnego podejścia do zagadnienia zużywania erozyjnego²²⁵. Spośród wielu opracowanych modeli zużywania erozyjnego nie został opracowany reprezentatywny model, który umożliwiłby efektywne przewidywanie zużycie powierzchni materiału wywołanego erozją uderzeniową²²⁶. Większość modeli wymaga badań doświadczalnych oraz statystycznych w celu zdefiniowania parametrów empirycznych, które niezbędne są do wyznaczenia wartości zużycia. Do analizy otrzymanych wyników badań oraz optymalizacji modeli wykorzystywane jest zaawansowane oprogramowanie.

W celu opracowania modelu z wykorzystaniem narzędzi statystycznych konieczna jest duża

225 E. Huttunen-Saarivirta, H. Kinnunen, J. Tuiremo, M. Uusitalo, M. Antonov: Erosive wear of boiler steels by sand and ash. Wear 317, 2014, s. 213–224.

226 S. Nsoesie, R. Liu, K.Y. Chen, M.X. Yao: op. cit. s. 226–232.

81

ilość wyników badań eksperymentalnych. Opracowana w ramach pracy doktorskiej metodyka i unikatowa aparatura badawcza umożliwi opracowanie bazy wiedzy z zakresu zużywania erozyjnego. Wyniki testów erozyjnych zgromadzone w bazie wiedzy w połączeniu z systemem ekspertowym umożliwią nie tylko charakterystykę zużywania materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych, ale również weryfikację i optymalizację modeli analitycznych zużywania erozyjnego.

Podsumowanie

W przeprowadzonym przeglądzie literatury przeanalizowano metody badania zużycia erozyjnego (tab. 4) normatywne, niestandardowe oraz analityczne. Podczas analizy nie zidentyfikowano uniwersalnej metodyki badań, która umożliwiałaby realizację testów erozyjnych materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych oraz ich dobór w szerszym zakresie zastosowań praktycznych. W celu precyzyjnej identyfikacji mechanizmów zużywania oraz prognozowania szybkości zużywania erozyjnego materiałów konieczne jest opracowanie oryginalnej metodyki badań. Do symulowania procesu erozji niezbędna jest również aparatura badawcza, która umożliwi precyzyjne sterowanie parametrami wpływającymi na proces erozji, m.in.: prędkością strugi mieszaniny erozyjnej, kątem natarcia, wydatkiem ścierniwa oraz temperaturą badań.

Spośród analizowanych metod badania normatywne spełniają istotną rolę w charakteryzowaniu odporności erozyjnej materiałów, umożliwiają międzylaboratoryjną weryfikację otrzymanych wyników badań, które realizowane są wg ściśle zdefiniowanych procedur. Zaawansowana metodyka oraz aparatura do symulacji procesu zużywania erozyjnego powinna umożliwiać realizację badań normatywnych oraz testy niestandardowe.

Spośród grupy badań standardowych normy ASTM G 76 oraz DIN 50 332 są najczęściej stosowane. Normy te dają możliwość realizacji testów szerokiej grupy materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych, w przeciwieństwie do grupy norm (np. PN-79/C-1516), które dedykowane są wyłącznie do powłok lakierniczych. Badania normatywne realizowane wg ASTM G 76 oraz DIN 50 332 umożliwiają testy zużycia materiałów wywołane erozją uderzeniową, gdzie nośnikiem ścierniwa jest strumień sprężonego powietrza.

Zasadnicze różnice pomiędzy ww. normami wynikają z wymiarów zastosowanych próbek, średnicy i długości dyszy oraz odległości próbki od powierzchni czołowej dyszy.

Przeanalizowano również niestandardowe metody wykorzystywane w badaniach erozji uderzeniowej. W przeprowadzonym przeglądzie uwzględniono nie tylko metody stosowane w badaniach erozji uderzeniowej, gdzie materiał ścierny transportowany jest

82

w strudze sprężonego powietrza, ale również metody wykorzystywane w badaniach erozji szlamowej, gdzie ścierniwo przemieszcza się w strumieniu cieczy. Analizę przeprowadzono w celu zastosowania elementów metod badawczych wykorzystywanych w testach erozji szlamowej w metodyce do badania erozji uderzeniowej. Istotnym elementem w badaniach erozji szlamowej jest przygotowanie jednorodnej mieszaniny erozyjnej. W tym celu zasobnik materiału ściernego wyposażony jest w mieszadło, które zapewnia mieszaninę cieczy i ścierniwa o jednolitej strukturze. W urządzeniach do badania erozji uderzeniowej w celu uzyskania jednorodnej mieszaniny powietrza i ścierniwa konieczne jest wyposażenie urządzenia w komorę mieszania.

Tabela 4. Zestawienie metod normatywnych i niestandardowych oraz parametrów istotnych w badaniach zużycia erozyjnego

Źródło: opracowanie własne.

W badaniach erozyjnych na stopień zużycia powierzchni materiału istotnie wpływa rodzaj ścierniwa oraz kształt i twardość ziaren erodenta. W analizowanych metodach

ASTM G76 PN-79/C-81516 GOST 23.201-78 L. Zhou, H. Zhang, Z. Zhang, K. Friedrich, X. Pei, C. Eger E. Ercenk, U. Sen, S. Yilmaz L.J.W. Graham, D.R. Lester, J. Wu C.I. Walker, P. Robbie

Lp. Nazwa parametru ^{1 2 3 4 5 6 7}

1 Badania w temperaturze pokojowej X X X X X X X

2 Badania przeprowadzone na pojedynczej próbce X X X X

3 Badania przeprowadzone na kilku próbkach równocześnie X X X

4 Próbki wzorcowe podczas testu X

5 Stała wartość kąta pochylenia próbki podczas testów X X X X

6 Testy przeprowadzane, przy różnych wartościach kąta pochylenia próbki X X X

7 Stała wartość wydatku ścierniwa podczas testów X X X X X

8 Testy przeprowadzane, przy różnych wartościach wydatku ścierniwa X

9 Stała wartość prędkości strugi ścierniwa podczas testów X X X X

10 Testy przeprowadzane, przy różnych wartościach prędkości strugi ścierniwa X X X

11 Materiał ścierny drobnoziarnisty <100um X X

12 Materiał ścierny gruboziarnisty >100um X X X X X X

13 Materiał ścierny wykorzystywany do testów jeden raz X

14 Materiał ścierny wykorzystywany do testów wielokrotnie X X X X

15 Materiał ścierny - tlenek glinu X X

16 Materiał ścierny - elektrokorund szlachetny X

17 Materiał ścierny - piasek kwarcowy X X

18 Materiał ścierny - kulki stalowe X

19 Zużycie erozyjne - pomiar ubytku masy X X X

20 Zużycie erozyjne - pomiar głębokości krateru X X X

21 Zużycie erozyjne - wizualna ocena zużycia X

Numer normy / autorzy badań

Badania normatywne

Badania nienormatywne

83

badawczych ten sam materiał ścierny zazwyczaj wykorzystywany jest w testach wielokrotnie.

Ścierniwo zastosowane powtórne zawiera cząstki materiału erodowanego, które mogą generować uszkodzenia powierzchni próbki o charakterze odmiennym w porównaniu z defektami powstałymi w wyniku oddziaływania cząstek ścierniwa. W wyniku wielokrotnego zastosowania tego samego materiału ściernego podczas testów erozyjnych, zmianie ulega kształt ziaren erodenta oraz ilość krawędzi skrawających. Nie jest zatem możliwa dokładna analiza porównawcza z wynikami testów zrealizowanych z jednokrotnym zastosowaniem ścierniwa.

W analizowanych metodach badania zużycia erozyjnego stosowane są materiały ścierne o zróżnicowanym kształcie i gramaturze. W metodach normatywnych wykorzystywany jest tylko jeden rodzaj erodenta o ściśle zdefiniowanej wielkości ziarna; rozwiązanie takie znacząco ogranicza zakres badań erozyjnych. W celu wyznaczenia odporności erozyjnej materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych badania zużycia erozyjnego powinny być realizowane z zastosowaniem nie tylko jednego rodzaju erodenta, ale grupy ścierniw.

Podczas doboru materiału o zwiększonej odporności erozyjnej do zastosowań praktycznych, w trakcie badań erozyjnych należy zastosować ścierniwo o zbliżonych właściwościach mechanicznych do erodentów oddziałujących na badany materiał w naturalnych warunkach eksploatacji. W analizowanych metodach badawczych aparatura przystosowana jest do realizacji testów z zastosowaniem tylko jednego rodzaju materiału ściernego.

Ze względu na wielkość cząstek materiału ściernego analizowane metody badawcze można podzielić na testy realizowane z zastosowaniem materiału ściernego o gramaturze ścierniwa do 100 µm oraz powyżej 100 µm. Uniwersalna metodyka badań zużycia erozyjnego powinna umożliwiać realizację testów zużycia erozyjnego z zastosowaniem szerszej grupy materiałów ściernych. Badania przeprowadzane z zastosowaniem ścierniwa o wielkości cząstek erozyjnych do 300 µm umożliwią realizację testów z zastosowaniem erodenta drobnoziarnistego i gruboziarnistego, testów normatywnych wg ASTM G76 i DIN 50 332 oraz badań niestandardowych. W celu wykonania badań z zastosowaniem różnych materiałów ściernych konieczne jest opracowanie unikatowej aparatury, która umożliwi realizację testów erozyjnych z wykorzystaniem szerokiej grupy materiałów ściernych na jednym urządzeniu.

Podczas testów z zastosowaniem różnych materiałów ściernych konieczna jest kalibracja urządzenia do konkretnego materiału ściernego. Wzorcowanie aparatury polega na wyznaczeniu prędkości strugi erozyjnej oraz wydatku materiału ściernego.

Podczas przeprowadzonej analizy metod badawczych nie zidentyfikowano aparatury

84

wyposażonej w dodatkowe moduły umożliwiające kalibrację urządzenia w celu stosowania podczas badań materiałów ściernych o zróżnicowanej wielkości i kształcie cząstek oraz twardości i gęstości. Parametry ścierniwa zasadniczo wpływają również na prędkość strugi erozyjnej, dlatego niezbędna jest aparatura, która umożliwi wzorcowanie testera erozyjnego do realizacji badań z zastosowaniem różnych materiałów ściernych.

W badaniach eksperymentalnych stosowane są różne rodzaje erodenta, np. tlenek glinu, piasek kwarcowy, ale można również zastosować materiał ścierny, który wywołuje erozje elementów maszyn i urządzeń w naturalnych warunkach eksploatacji, np. pył węglowy.

Wówczas można symulować w badaniach zużycia erozyjnego oddziaływanie naturalnego erodenta na wytypowany materiał do konkretnej aplikacji. Otrzymane wyniki będą zbliżone do wyników badań w rzeczywistych warunkach eksploatacji oraz bardziej precyzyjne w porównaniu z wynikami badań modelowych.

Dla precyzyjnej interpretacji otrzymanych wyników badań zużycia erozyjnego, przed przystąpieniem do testów konieczne jest przeprowadzenie badań, które dostarczą informacji na temat właściwości mechanicznych erodowanych materiałów oraz materiału ściernego.

W analizowanych metodach nie zidentyfikowano metodyki badań uwzględniającej pomiary właściwości badanego materiału, np. chropowatości oraz cząstek ścierniwa, np. struktury ziaren erodenta. Materiał ścierny o strukturze konglomeratu w wyniku zderzenia z erodowaną powierzchnią może rozbijać się na mniejsze ziarna i wtapiać w powierzchnię próbki. Wówczas nie będzie występował ubytek masy erodowanego obiektu, ale wzrost w wyniku gromadzenia się ścierniwa na powierzchni badanego materiału.

Istotne jest również usuwanie zanieczyszczeń z powierzchni próbek przed i po procesie erodowania. Z przeprowadzonej analizy metod badawczych wynika, że w niektórych przypadkach próbki oczyszczane są tylko sprężonym powietrzem. W celu wyznaczenia

Istotne jest również usuwanie zanieczyszczeń z powierzchni próbek przed i po procesie erodowania. Z przeprowadzonej analizy metod badawczych wynika, że w niektórych przypadkach próbki oczyszczane są tylko sprężonym powietrzem. W celu wyznaczenia

W dokumencie PRACA DOKTORSKA (Stron 72-91)