Zjawisko kawitacji. Mechanizm niszczenia kawitacyjnego

Jedną z form niszczenia tworzyw konstrukcyjnych jest erozja kawitacyjna, nazywana również niszczeniem lub uszkodzeniem kawitacyjnym. Zjawisko niszczenia kawitacyjnego występuje w elementach maszyn omywanych szyb-kimi przepływami cieczy lub pracujących w polu ultradźwiękowym o wysokiej intensywności. Należą do nich elementy pomp, turbin wodnych, turbin parowych, silników spalinowych, statków, samolotów, pojazdów kosmicznych, sond akustycznych, ultradźwiękowej aparatury czyszczącej, emulgującej itp.

Erozja kawitacyjna, a także szumy, trzaski, drgania korpusów maszyn, straty energii są poważnymi ujemnymi skutkami kawitacji.

Zjawiskiem kawitacji określa się proces powstawania w cieczy obszarów nieciągłości wypełnionych parą lub gazem, wywołany miejscowym spadkiem ciśnienia poniżej pewnej wartości progowej. Za progową wartość ciśnienia przy której występuje naruszenie ciągłości, przyjmuje się praktycznie prężność pary cieczy w danej temperaturze.

W wypadku kawitacji, nazywanej hydrodynamiczną, warunki do po-wstania nieciągłości występują, gdy na drodze przepływu strumienia pojawi się przeszkoda powodująca lokalny spadek ciśnienia poniżej wartości progowej.

Powstałe nieciągłości zapełniają się parami i gazami rozpuszczonymi w cieczy, tworząc parowo-gazowe pęcherze, które unoszone z prądem zanikają w ob-szarach o podwyższonym ciśnieniu. Zanikowi pęcherza kawitacyjnego towa-rzyszy powstanie fali uderzeniowej o ciśnieniu rzędu kilkuset, a nawet kilku tysięcy MPa i mikrostrumienia cieczy o szybkości rzędu 10² m/sek. Ich oddziaływanie na dostatecznie bliską powierzchnię ciała stałego powoduje uszkodzenie kawitacyjne.

154

W czasie wibracji cieczy, spowodowanej rozprzestrzenieniem się fali akustycznej lub szybkimi drganiami ciała stałego w niej zanurzonego, wy-stępuje kawitacja nazywana akustyczną bądź wibracyjną. Istota jej polega na periodycznych wzrostach i spadkach ciśnienia cieczy. Pęcherzyki powstają wskutek rozrywania cieczy w półokresach rozrzedzania, a zamykają się w półokresach ściskania.

Cechą szczególną mechanicznego oddziaływania mikrostrumieni cieczy i impulsów ciśnienia na powierzchnię materiału jest dynamiczny charakter obciążeń (czas trwania impulsu rzędu mikrosekundy) w mikroobszarach obejmujących ziarna, podziania lub oddzielne składniki strukturalne. Obciąże-nia te wywołują w warstwach wierzchnich złożony stan naprężeń doprowadza-jąc do ich uszkodzenia. Materiał poddany jest naprężeniom dwojakiego rodzaju:

1) pochodzącym od uderzeń mikrostrumieni oddziaływujących jak szybko poruszające się obce cząstki,

2) naprężeniom o charakterze zmęczeniowym od impulsów ciśnienia.

W wypadku materiałów metalowych powierzchnia ulega odkształceniu, czego dowodem jest wzrost twardości, tworzenie pasm poślizgu i bliźniaków deformacji (rys. 7.21). Miękkie metale, takie jak miedź, nikiel czy aluminium wykazują prawie natychmiast oznaki odkształcenia plastycznego; powierzchnia staje się znacznie i nierównomiernie pofalowana. Przy dalszym oddziaływaniu kawitacyjnym tworzą się wyraźne wzniesienia i wgłębienia (rys. 7.22), które z upływem czasu ulegają plastycznemu odrywaniu od powierzchni.

W obszarach lokalnych wgłębień, na granicach ziarn, bliźniaków i w pasmach poślizgu powstają pęknięcia rozprzestrzeniające się w warstwach wierzchnich (rys. 7.23), powodując dalsze ubytki materiału.

Rys. 7.21. Pasma poślizgu na powierzchni stali OH18N9. Bez trawienia

Rys. 7.22. Wzniesienia i wgłębienia na powierz-chni miedzi. Trawiono FeCl33 + HCl (przekrój

poprzeczny próbki materiału)

Rys. 7.23. Pęknięcia rozwijające się w war-stwach wierzchnich miedzi. Trawiono FeCl3 + HCl (przekrój poprzeczny próbki

materiału)

W twardszych materiałach, ta-kich jak stale, nie obserwuje się pły-nięcia plastycznego. Po umocnieniu powierzchni do określonego pozio-mu, na powierzchni zarodkują pęk-nięcia — na granicach ziarn, bliź-niaków, w pasmach poślizgu, grani-cach międzyfazowych (rys. 7.24). Roz-wijające się pęknięcia mają charakter zmęczeniowy (rys. 7.25).

Erozji kawitacyjnej towarzyszą także zjawiska niemechaniczne: che-miczne, cieplne, elektryczne, które mogą zwielokrotnić efekty erozyjne, lecz nie są podstawową przyczyną uszkodzeń kawitacyjnych.

Rys. 7.25. Liczne pęknięcia w pasmach pośliz-gu, stal OH18N9. Trawiono HNO34+HF

(przekrój poprzeczny próbki materiału)

73.2. Urządzenia do wytwarzania kawitacji i badania p r ó b e k materiałów Do oceny zachowania się materiałów pod wpływem mechanicznego działania kawitacji wykorzystuje się różne laboratoryjne zestawy aparaturowe.

Najbardziej rozpowszechnione są urządzenia przepływowe i wibracyjne.

W urządzeniach przepływowych, modelujących kawitację hydrodyna-miczną, zjawisko to wytwarzane jest podczas przepływu cieczy przez dysze i kanały przepływowe bądź w czasie wirowania próbek w stacjonarnej masie cieczy. Na rys. 7.26 przedstawiony jest schemat jednego z tych urządzeń

— urządzenia z wirującą tarczą. Tarcza z umieszczonymi w niej próbkami

Rys. 7.24. Pęknięcia zarodkujące na powie-rzchni stali OH17T. Bez trawienia

156

Rys. 7.26. Schemat urządzenia z wirującą tarczą

Rys. 7.27. Próbka materiału poddana kawitacji na stanowisku z wirującą tarczą (pow. x2)

wiruje w stacjonarnej cieczy. Elemen-ty walcowe lub otwory umieszczone w sąsiedztwie próbek wywołują pod-czas obrotu tarczy zjawisko kawitacji.

Stosowane prędkości obwodowe próbek wynoszą zwykle od kilkuna-stu do kilkudziesięciu metrów na sekundę. Próbka materiału, poddana działaniu kawitacji na opisanym urządzeniu, przedstawiona jest na rys. 7.27.

W urządzeniach wibracyjnych, modelujących kawitację wibracyjną, wykorzystuje się często zjawisko ma-gnetostrykacji, polegające na zmianach wymiarów elementów, wykonanych z metali ferromagnetycznych, pod wpływem zmiennego pola magnetycznego.

Magnetostrykcyjny wzbudnik drgań (przetwornik) sprzężony jest z kon-centratorem — transformatorem akustycznym (rys. 7.28), spełniającym rolę mechanicznego wzmacniacza amplitudy drgań. Zanurzenie w cieczy drgającej końcówki koncentratora wywołuje zmienne pole ciśnień, które przy określonej intensywności powoduje wystąpienie kawitacji. Przykładowo, aby wywołać zjawisko kawitacji w wodzie wodociągowej, przy częstotliwości drgań 20 kHz, konieczna jest intensywność około 1 W/cm2. Próbki materiałowe mocuje się na końcu koncentratora, bądź naprzeciw niego — w niewielkiej odległości.

Na rys. 7.29 przedstawiono próbkę materiału poddaną działaniu kawitacji na urządzeniu magnetostrykcyjnym.

Rys. 7.28. Schemat urządzenia magnetostrykcyjnego

7.3.3. Przebieg erozji kawitacyjnej w czasie. Wskaźniki odporności kawitacyjnej W warunkach laboratoryjnych niszczenie spowodowane zjawiskiem kawitacji jest oceniane najczęściej za pomocą pomiaru ubytku masy lub objętości próbki materiału. Za-leżność ubytku masy Δm (lub ubytku objętości Δv) od czasu działania kawitacji t przedstawia krzywa erozji całkowitej, rys. 7.30a. Na jej pod-stawie wyznacza się często krzywą

szybkości erozji, rys. 7.30b. Zwykle wyróżnia się cztery charaktery-styczne okresy niszczenia, zaznaczone na obu krzywych.

Przedstawione krzywe stanowią podstawę dla ilościowej oceny skutków działania kawitacji na materiał. Najczęściej stosowanymi wskaźnikami są czas okresu inkubacji i szybkość ubywania materiału w okresie ustalonego nisz-czenia. Im dłuższy jest czas inkubacji i im mniejsza szybkość niszczenia — tym większa jest zdolność materiału do przeciwstawienia się niszczącemu działaniu kawitacji czyli większa odporność kawitacyjna. W tablicy 7.2 przedstawiono wskaźniki odporności kawitacyjnej niektórych materiałów metalowych.

Należy zauważyć, że nie zawsze oba wskaźniki dają zgodne uszeregowanie, czego przykładem jest przedstawiona tablica.

Rys. 7.29. Próbka materiału poddana ka-witacji na stanowisku magnetostrykcyjnym

(pow. x4)

charaktery-158

Rys. 7.30. Przebieg niszczenia kawitacyjnego w czasie: a) krzywa erozji całkowitej, b) krzywa szybkości niszczenia, 1 — okres inkubacji, 2 - okres wzmożonego niszczenia, 3 - okres

ustalonego niszczenia, 4 — okres osłabionego niszczenia

Tablica 12 Wskaźniki odporności kawitacyjnej. Stanowisko magnetostrykcyjne:

częstotliwość drgań 6,5 kHz, amplituda 50 mm, woda destylowana 20°C

Materiał

Obecnie uważa się, że zasadniczą cechą metalu decydującą o jego zdolności przeciwstawiania się niszczącemu działaniu kawitacji jest struktura krystaliczna i mikrostruktura — wielkość ziarna, rodzaj i rozmieszczenie wtrąceń dyspersyjnych, charakter faz powstających w stopach niestabilnych pod wpływem kawitacji, rodzaj i rozmieszczenie faz w materiałach wielo-fazowych.

7 . 4 Ścieranie

Ścieranie jest to proces zużycia materiału w warstwie wierzchniej