Wpływ kąta i prędkości uderzenia na szybkość zużywania erozyjnego

Spośród wielu parametrów kąt uderzenia i prędkość cząstki zostały uznane za dwa główne czynniki, które w znaczący sposób wpływają na degradację powierzchni wywołaną procesem erozji¹⁴⁴. Kąt uderzenia cząstek erodenta jest zdefiniowany jako kąt pomiędzy powierzchnią materiału erodowanego oraz trajektorią cząstek stałych bezpośrednio przed uderzeniem (rys. 9)¹⁴⁵. Kąt natarcia strumienia ściernego zawiera się w granicach 0–90°.

Rys. 9. Schemat przedstawiający kąt uderzenia cząstek materiału ściernego Źródło: opracowanie własne na podstawie [163].

142 T. Hejwowski: op. cit.

143 Q.B. Nguyen, C.Y.H. Lim, V.B. Nguyen, Y.M. Wan, B. Nai, Y.W. Zhang, M. Gupta: op. cit., s. 1ף.

144 M. A. Islam, Z. N. Farhat: Effect of impact angle and velocity on erosion of API X42pipeline steel under high abrasive feed rate. Wear 311, 2014, s. 180–190.

145 G.W. Stachowiak, A.W. Batchelor: op. cit.

Wektor prędkości cząsteczek ścierniwa

Kąt uderzenia

Podłoże

.

48

Wpływ kąta uderzenia oraz prędkości strumienia ścierniwa na intensywność zużywania erozyjnego zależy od właściwości materiału erodowanego. Zasadnicze różnice w szybkości zużywania erozyjnego wykazują materiały plastyczne oraz twarde i kruche.

Różnice w odporności na zużywanie erozyjne materiałów plastycznych i kruchych (rys. 10) występują, gdy utrata masy na skutek erozji jest mierzona w funkcji kąta uderzenia.

I. Finnie na podstawie przeprowadzonych badań stwierdził, że mechanizmy zużywania erozyjnego materiałów uzależnione są od „skośnych” i „normalnych” kątów padania cząstek ścierniwa¹⁴⁶. B. Band sugerował, że podczas badania mechanizmów zużywania erozyjnego, należy rozważyć dwie składowe prędkości: składową równoległą do powierzchni materiału erodowanego, która jest istotna dla materiałów plastycznych, oraz składową prostopadłą do powierzchni ważną dla materiałów twardych i kruchych¹⁴⁷ .

Rys. 10. Schematyczne przedstawienie wpływu kąta uderzenia na prędkość zużywania materiałów:

a) plastycznych, b) kruchych Źródło: [163].

Szybkość zużywania erozyjnego materiałów miękkich osiąga maksimum, gdy kąt natarcia strugi materiału ściernego wynosi 20–30°. Degradacja powierzchni następuje w wyniku przesuwania cząstek ściernych po powierzchni materiału, a dominującym mechanizmem zużywania w takich warunkach jest mikroskrawanie¹⁴⁸. Przy większych kątach uderzenia występują odkształcenia plastyczne, zewnętrzna warstwa materiału umacnia się odkształceniowo, a podstawowym mechanizmem zużywania jest bruzdowanie. Materiały twarde i kruche charakteryzują się wysoką odpornością na zużywanie erozyjne przy stycznym oddziaływaniu cząstek do powierzchni materiału i niskich wartościach kąta natarcia strugi

146 I. Finnie: Some reflections on the past and future of erosion. Wear 186–187, 1995, s. 1–10.

147 T. Hejwowski: op. cit.

148 M. A. Islam, Z. N. Farhat: op. cit., s. 180–190.

Kąt uderzenia Materiały

plastyczne

Materiały kruche

Prędkość zużywania Prędkość zużywania

30° 90° 80° - 90°

Kąt uderzenia

a) b)

49

ścierniwa. Wraz ze wzrostem kąta uderzenia, wzrasta zużywanie powierzchniowe, które po osiągnięciu kąta 90° jest największe. Główne mechanizmy, które wówczas występują na powierzchni materiału to zmęczenie, mikropęknięcia oraz wykruszanie się materiału¹⁴⁹.

Na wzrost intensywności zużywania erozyjnego wpływają również zjawiska i procesy, które zależą od kąta natarcia strugi materiału ściernego. Podczas oddziaływania ścierniwa przy niskich kątach natarcia strumienia, cząstki ścierne są w styku z większą powierzchnią materiału w porównaniu z dużym kątem padania. Cząstki erodenta po uderzeniu w powierzchnię erodowaną pod kątem 30° odbijają się i nie zaburzają strumienia oraz energii kolejnych cząstek, które zbliżają się od erodowanej powierzchni. Przy kącie 90° cząstki odbijają się od powierzchni i powracają pod tym samym kątem, hamując ruch zbliżających się innych cząstek. Podczas erodowania pod kątem 90° cząstki materiału ściernego mogą osadzać się na powierzchni materiału powodując wzmocnienie powierzchni, wzrost masy i spowolnienie zużywania erozyjnego powierzchni. Przy niskim kącie oddziaływania materiał jest usuwany z erodowanej powierzchni na skutek mechanizmu skrawania lub mikroskrawania, natomiast przy kącie natarcia 90° powierzchnia może być odkształcana plastycznie. W przypadku materiałów kruchych, które są szczególnie wrażliwe na energię uderzenia, przy kącie 90° na powierzchni materiału powstają mikropęknięcia, pęknięcia oraz wykruszenia¹⁵⁰.

Odkształcenia plastyczne materiału zależą również od dynamiki strugi ścierniwa.

Prędkość strumienia cząstek erozyjnych jest parametrem, który istotnie wpływa na degradację erodowanej powierzchni¹⁵¹. Ze względu na bardzo krótki okres oddziaływania cząstek erodenta złożone procesy, które zachodzą pomiędzy ścierniwem i zużywaną powierzchnią, interakcja pomiędzy cząstkami w strudze gazu przed i po odbiciu od erodowanej powierzchni, sprawiają, że precyzyjne i jednoznaczne poznanie występujących mechanizmów wpływu cząstek staje się złożonym problemem. Prędkość cząstek i kierunek ruchu po uderzeniu zależy m.in. od: liniowej i kątowej prędkości cząstki przed uderzeniem, kąta natarcia, twardości i chropowatości powierzchni oraz siły tarcia pomiędzy cząstkami i powierzchnią ciała stałego¹⁵². Wyniki badań [14] wykazały, że odsetek utworzonych kraterów zwiększa się wraz ze wzrostem prędkości uderzających cząstek. Zjawisko to jest związane ze wzrostem energii kinetycznej cząstek. Przy wyższej prędkości powstają wgniecenia na powierzchni

149 M. Blicharski: op. cit.; P. Kula: Inżynieria warstwy wierzchniej. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej. 2000.

150 M. A. Islam, Z. N. Farhat: op. cit., s. 180–190.

151 P. Kula: op. cit.

152 F. Mohammadi, J. Luo: Effects of particle angular velocity and friction force on erosion enhanced corrosion of 304 stainless steel. Corrosion Science 52, 2010, s. 2994–3001.

50

erodowanej, co zmniejsza prawdopodobieństwo toczenia się cząstek po erodowanej powierzchni. Zwiększenie prędkości cząstek generuje większą liczbę bruzd oraz kraterów, w efekcie większą masę usuwanego materiału¹⁵³. Ubytek masy materiału wywołany zużywaniem erozyjnym jest zależny od energii kinetycznej cząstek ścierniwa. Część energii jest wykorzystywana do usuwania materiału z powierzchni, natomiast pozostała część jest odpowiedzialna za powstawanie odkształceń plastycznych lub sprężystych¹⁵⁴. W odniesieniu do prędkości strugi ścierniwa, szybkość zużywania erozyjnego jest wprost proporcjonalna do wykładnika potęgi prędkości cząstek erodenta:

= (3.1) gdzie:

e – szybkość zużywania erozyjnego, v – prędkość cząsteczek ścierniwa, n – wykładnik potęgowy prędkości¹⁵⁵.

Wyniki badań doświadczalnych wskazują, że wykładnik potęgowy prędkości n może się znacznie zmieniać w zależności od właściwości materiału erodowanego, kąta natarcia, temperatury, a także w zależności od właściwości cząstek ścierniwa¹⁵⁶. Wartość wykładnika potęgowego prędkości, przy normalnym kącie padania cząstek, dla materiałów metalicznych wynosi 2,4 do 2,55, dla materiałów ceramicznych około 3, natomiast dla kompozytów o osnowie polimerowej przekracza 5. Wykładnik n również zależy od kąta natarcia cząstek erodenta. W przypadku stopów Al-Si wartość wykładnika potęgowego wynosi dla niskich kątów natarcia 2,3, natomiast dla dużych kątów 2,5¹⁵⁷. Rodzaj cząstek erodenta, wielkość oraz kształt, również wpływają na wartość wykładnika prędkości. W przypadku kruchych cząstek, które na skutek uderzenia mogą pękać, wraz ze wzrostem prędkości wartość wykładnika gwałtownie spada. Wynika to z faktu, że znaczna część energii zużywana jest w procesie rozdrabniania cząstek materiału ściernego¹⁵⁸. W odniesieniu do prędkości cząstek erodenta i kąta natarcia strugi ścierniwa można zauważyć synergię, która istotnie wpływa na stopień degradacji powierzchni. Przy niskich wartościach prędkości materiału ściernego, wpływ kąta natarcia jest mniejszy niż przy wyższej prędkości cząsteczek. Wpływ kąta na

153 A.K. Basaka, J.M. Fanb, J. Wanga, P. Mathewa: Material removal mechanismsof monocrystalline silicon under the impact of high velocity micro-particles. Wear 269, 2010, s. 269–277.

154 A.A. Cenna, N.W. Page, E. Kisi, M.G. Jones: Single particle impact tests using gas gun and analysis of high strain-rate impact events in ductile materials. Wear 271, 2011, s. 1497–1503.

155 R.W. Bruce: Handbook of lubrication and Tribology. Taylor&Francis Group, 2012.

156 R.W. Bruce: op. cit..

157 T. Hejwowski: op. cit.

158 I. Kleis, P. Kulu: op. cit.

51

szybkość zużywania erozyjnego stopniowo zwiększa się wraz ze wzrostem prędkości cząstek, gdy prędkość cząstek jest niska, wówczas tylko niewielka frakcja cząstek ściernych posiada wystarczająco wysoką prędkość i energię kinetyczną wywołującą odkształcenia plastyczne na powierzchni ciała stałego. Większość cząstek posiada mniejszą energię, poniżej progowej wartości, która wywołuje tylko odkształcenia sprężyste. Wraz ze wzrostem prędkości strugi materiału ściernego, więcej cząstek posiada energię krytyczną, która wywołuje deformacje i usuwanie materiału¹⁵⁹. Ze wzrostem prędkości ścierniwa, na powierzchni materiałów plastycznych, występuje deformacja plastyczna, a przy bardzo wysokich prędkościach cząstki materiału ściernego, w wyniku dynamicznego uderzenia mogą zostać wtapiane w erodowaną powierzchnię. Natomiast w przypadku materiałów kruchych występuje wówczas kruche pękanie.

Przy małych prędkościach strugi naprężenia powstałe na powierzchni materiału pod wpływem oddziaływania cząstek ściernych są niedostateczne do wystąpienia trwałych odkształceń plastycznych, wówczas głównym mechanizmem zużywania jest zmęczenie materiału¹⁶⁰. Przy niskiej wartości prędkości cząstek erodenta odkształcenia plastyczne nie przyczyniają się do mierzalnego zużycia erozyjnego. Wówczas degradacja powierzchni wywołana erozją jest prawie niezależna od kąta uderzenia. Zależność od kąta uderzenia ujawnia się, przy wysokich prędkościach cząstek. Zużywanie erozyjne wzrasta przy niskich kątach, ponieważ cząsteczki ścierniwa potrzebują mniej energii kinetycznej do usunięcia materiału z erodowanej powierzchni przez mechanizm skrawania i bruzdowania, charakterystyczny dla niskich kątów natarcia¹⁶¹.

3.2.2. Wpływ kształtu, twardości oraz rozmiaru ścierniwa na szybkość zużywania