CC BY
17
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ^ЯВ
Шастин В.И.
УДК 621.9.048.6
ультразвуковой метод микроанализа эрозиионной стойкости конструкционных материалов
Применение ультразвуковых колебаний является одним из важных направлений технического прогресса в различных отраслях промышленности и инновационных методах исследования различных материалов.
К наиболее перспективным областям использования относятся повышение эффективности технологических процессов, создание новых материалов, методы и средства производственного контроля и прогнозирования прочности конструкционных материалов.
Активное воздействие ультразвувой энергии высокой интенсивности (более 0,3 104Вт/м2) вызывает в рабочей среде - жидкостях, газах, твердых материалах ряд эффектов, на которые в последнее время обращается большое внимание. Особый интерес вызывает возможность использование ультразвука в тех областях технологии, в которых требуется ускорить одни процессы, улучшить качество других, решить проблемы, овладение которыми с применением других видов энергии не удается [1]
Известно, что большая часть процессов в жидкостях сопровождается явлением ультразвуковой кавитации и возникновением акустических течений.
Наряду с негативными последствиями ка-витационных явлений, связанных в основном с эрозионным износом весьма разнообразно практическое применение положительных эффектов кавитации, таких как диспергирование, гомогенизация, эмульгирование, интенсификация диффузии и ускорение других физико-химических процессов.
В настоящей работе содержатся краткие сведения о новом способе дифференциального определения кавитационной эрозионной стойкости различных слоев и структурных составляю-
щих, а также оценке адгезионных и когезионных характеристик материала, подверженного воздействию кавитации [2].
Изучению акустической кавитации посвящено большое количество работ [3,4,5].Однако многие стороны кавитационного процесса, особенно для кавитационной области, все еще недостаточно изучены.
Кавитация заключается в образовании ряда мелких разрывов или полостей в жидкости под действием растягивающих усилий, создаваемых звуковой волной в фазе разряжения с последующим их захлопыванием в фазе сжатия. Скорость сжатия, вызываемого силами поверхностного натяжения и звуковым давлением, может достигать больших величин, вызывая гидравлическую ударную волну. Мгновенные значения давления в ударной волне доходят до нескольких сотен атмосфер. Таким образом, при расширении и сжатии кавитационной полости происходит своеобразная трансформация мощности, чем и объясняется кавитационное разрушение твердых тел в звуковом поле высокой интенсивности.
Последствия кавитационной эрозии в технике весьма значительны. Так насосы, турбины, гребные судовые венты, а так же такие конструктивные элементы как клапаны, вентили нередко выходят из строя, нарушая при этом нормальную работу жизненно важных систем. Процесс эрозии материала может происходить настолько быстро, что винты корабля после каждого рейса, а рабочее колесо насоса после нескольких недель работы выходит из строя [6]
Воздействию кавитации подвергается многие другие корабельные устройства: подводные крылья, стойки, гондолы винтов, обтекатели гидролокаторов, стабилизаторы и т.п., а также агрегаты гидросистем воздушных судов и автотрак-
торной техники. Проектирование этих узлов и агрегатов на основе теории и модельных (стендовых) испытаний и экспериментов в большинстве случаев позволяет свести к минимуму влияния кавитации. Устойчивость к эрозионному износу во многом определяется подбором материала изделий. При этом весьма эффективным является использование защитных покрытий из мягких и твердых материалов, а также различные виды термической, термо и электрохимической и иных видов обработки поверхностей. При этом не менее важной становится задача обеспечения достаточной адгезионной и когезионной прочности.
Поиск путей решения этой проблемы предусматривает проведение стендовых испытаний опытных образцов, а также модельные из - за трудностей связанных с реализацией первых. При этом определяются характеристики объектов (насосов, турбин, винтов, подводных крыльев, агрегатов гидросистем) для различных значений давления, температуры, вязкости и т.д., во всем диапазоне режимов работы объектов: от без кавита-ционного обтекания до режима падения характеристик. Для этого применяют достаточно сложные инженерные конструкции, например гидродинамические трубы замкнутого типа. Оценка показателей эрозионной стойкости, как правило осуществляется на макроуровневой основе: весовым методом, анализом линейных размеров, рельефа поверхности, отбора взвеси проб и т.д.
Таким образом, современный уровень развития теории и практики кавитационного износа позволяет во многом прогнозировать влияние физико-механических свойств и условий работы в кавитационной области звукового поля на свойства испытываемых материалов. Несмотря на это, попытки сделать сопоставимыми экспериментальные материалы по наиболее характерным сочетаниям свойств материалов и режимов испытания, позволяет лишь частично решить проблему
комплексного исследования, особенно многослойных и композиционных материалов.
Это обусловлено, главным образом отсутствием единых методик, многофакторностью явлений происходящих в кавитационной области и большим разнообразием условий эксплуатации. Так, например при лазерном термоупрочнении и легировании, модифицированной слой может иметь толщину несколько десятков или единиц микрометров, рис. 1.
Традиционные методы не всегда позволяют адекватно оценивать эрозионную стойкость подобных микро, а иногда и наноструктур, а следовательно и их влияние на эксплутационные характеристики изделия в целом. В этом случае представляется весьма актуальной дифференциальная оценка стойкости покрытия и основы материалов, на основе сравнительной оценки эрозионной стойкости при дозированном воздействии внешней среды на исследуемый объект на микроскопическом уровне. В качестве которого предлагается использовать микрошлиф.
В целом, проблематика организации испытаний на эрозионную стойкость разбивается на два аспекта: во-первых, организация дозированного и регулируемого износа (т. е. установки для испытаний), и, во-вторых, достоверное и точное измерение степени износа. Обе задачи в данном способе, в принципе, могут решаться с помощью современных лазерно-оптических бесконтактных измерений в сочетании с компьютерными методами обработки сигналов изображений [6]
Первая обеспечивает контроль ультразвукового поля по корреляционным характеристикам в различных режимах от циркуляции жидкости и кавитационных пузырьков в ультразвуковой волне, до кавитационной эрозии материала.
Вторая позволяет оценить степень эрозии образца по отраженному оптическому сигналу монохроматичного излучения лазера и его анали-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
за после испытания исследуемой поверхности (вейвлет и фрактальный анализ) [7].
Поэтому представляется перспективным использование воздействия кавитации на объект исследования, посредствам возбуждения ультразвуковых колебаний в жидкой среде, например дистиллированной воде.
На рис. 2 показана принципиальная схема экспериментальной установки для испытания на эрозионную стойкость.
\ Микрошлиф
Рис. 2.
Уникальность этого метода состоит в сравнительном микроанализе эрозионной стойкости поверхностных слоев исследуемого образца, включая эталонный (не подвергнутый обработке слой) или основы материала при изучении их покрытий в корреляционной связи со структурными и прочностными характеристиками.
Состояние поверхности объекта подвергнутое такому виду обработки отображает реальному дифференциальную зависимость устойчивости к эрозии всех модифицированных и не подвергнутых обработке (эталонных) слоев исследуемого образца в его поперечном сечении.
Кроме оценки параметров эрозионной стойкости любых металлов и сплавов, а также неметаллических материалов способ позволяет косвенно оценить твердость, адгезионные и прочностные характеристики различных структурных составляющих, тонких покрытий, композитов и т. п., которые трационными способами определить не представляется возможным.
Анализ исследуемых параметров осуществляется путем изучения профиля обработанной поверхности, исходя из сопоставления записанных профилограмм или оптическими методами. Их анализ позволяет дать не только качественную оценку стойкости исследуемых зон, но и количественного оценить прирост или снижение относительных показателей, таких как относительная
эрозионная стойкость е по отношению к эталонному материалу (слою):
е = АЬэ/ АЬИ, где: АЬэ _ глубина эрозионного износа, слоя эталонной зоны образца; АЬи _ глубина износа исследуемой зоны.
В качестве эталонной зоны можно использовать показатели исходного (подповерхносного) слоя, не подвергнутого какому _ либо виду обработки, сопоставляя при этом показатели эрозионной стойкости с микроструктурой исследуемых зон микрошлифа. Предложенный способ позволяет вести обработку в стоячих или близких к стоячим звуковым волнам, обеспечивающих равномерный износ исследуемой поверхности при плотности звуковой мощности до 2...3 103 Вт/м2.
Предварительные лабораторные испытания подтвердили перспективность данного метода. В качестве УЗ _ генератора использовался магнитост-рикционный диспергатор УЗДЛ _ 1 с частотой колебаний 22 кГц и мощности излучения 500Вт. В качестве рабочей среды использовалась дистиллированная вода. Обработка полученных данных велась путем анализа записанных профило-грамм исследуемой зоны. Полученные таким образом усредненные кривые профиля поверхности микрошлифов, подвергнутых лазерному упрочнению, хорошо согласуется с кривой зависимости показателя микротвердости по глубине зоны термического влияния и исходного материала, а также с микроструктурными преобразованиями модифицированного слоя Рис. 3, где зона А _ наплавленный слой (см. рис.1); Б _ Зона перемешивания; В _ Исходный материал; АЬэ _ износ эталонного слоя; АЬи _ износ испытываемого слоя.
Исходная поверхность
сг>
X
1 ч
Чцл, [АШМЛ
Ч
\
- „
Зона А Б В
_I_ -1->--.....
б)
12СЮ 2<мкм1
Рис. 3. Профилограмма поверхности микрошлифа (а); Распределение микротвердости по глубине зоны термического влияния (б)
Недостатком этого способа, как, впрочем, и всех других, является отсутствие, возможности адаптации данного механизма изнашивания, к другим многочисленным видам износа. Однако, учитывая, что свойства материалов, определяющие износоустойчивость являются, достаточно общими и имеют определенные взаимосвязанные закономерности, то данный метод может оказаться перспективным благодаря следующим его преимуществам:
- способ применим для исследования практически любых металлов, сплавов, минералов, неметаллических и композиционных материалов, а также покрытий;
- представляется возможным, оценка влияния любых видов упрочнения (лазерная и плазменная закалка и наплавка, термохимическая обработка, наклеп и др.), на показатели эрозионной стойкости и прочностные характеристики по всей глубине упрочненного слоя, имея при этом сравнительный, качественный и количественный характер;
-способ позволяет обеспечить регулируемый износ испытуемого материала (контролируя мощность и длительность УЗ воздействия) в различных режимах - от воздействия акустических течений жидкости до кавитационной эрозии материала при условии согласования формы кюветы и образца с геометрией ультразвукового поля.
- процесс испытания может быть значительно ускорен при избыточном статическом давлении, создаваемом в рабочей зоне обработки;
- удобен при обработке полученной информации, и накоплению статистического материала, благодаря простоте, доступности и достаточно высокой производительности результатов испытаний;
- данная методика позволяет моделировать не только различные виды эрозии в рамках этого способа, но и имитировать в ходе испытания различные дополнительные химические, электрохимические и физико-химические условия испытаний, характерные для реальных условий изнашивания;
- испытания этим способом можно осуществлять в различных жидких, газообразных и комбинированных средах, имитируя при этом условия смазки и воздействие коррозионных и агрессивных сред.
Предварительные результаты по использованию данного метода, а также методики комплексного изучения свойств материалов, могут представить значительный научный и практический интерес.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Абрамов О. В., Хорбенко И. Т., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов/ Под ред. О.В. Абрамова - М.: Машиностроение, 1984. - 280с.
2. Пат.2359245 Российская Федерация. Способ определения кавитационной износостойкости. [Текст] / Шастин В. И., Горовой А. М.; заявитель и потентообладатель Иркутское высшее военное авиационное инженерное училище (военный институт) - заявил. 18.09.07.; положительное решение от 12. 02. 09.
3. Агранат Б. А., Кириллов О. Д., Хавский Н.Н. Ультрозвук в гидрометаллургии. М.,; «Металлургия», 1969, 303с.
4. Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Ро-зенберга. М., «Наука», 1968. 267с.
5. Poheman R., Werden B. The Ultrasonic Clea-nung. Process. - «Vetrusonics», 1972. July, p. 156 - 161.
6. Pearsall O. S., Acustic delection of cavitation, Symp. Vibrations in hybraulic pumps and turbines, Y. Mech. E. Proc., 181, pt. 3A, 1966 -1967.
7. Иванова В. С., Баланкин А. С., Бунин И. Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. - Мю: «Наука» 1994.
