Меню

  • На главную

Поиск

  • Вопросы перманентного разрушения ч.1

    Posted 8/2/2009 в 8:39:30 ПП

    Наряду с процессами локального разрушения (например, в конце трещины) и объемного разрушения (например, при абсолютно вязком разрушении, когда несущая способность образца исчерпывается равномерно по всему опасному сечению) представляют большой практический и теоретический интерес процессы постепенного разрушения поверхности тела или некоторого ее участка. Наиболее важными явлениями, относящимися к этому кругу, являются эрозионное разрушение поверхностного слоя твердого тела в результате силового воздействия потока газа или жидкости (пары «твердое тело — жидкость», «твердое тело — газ»), износ твердых тел при трении (пара «твердое тело — твердое тело»), износ твердого тела в потоке жидкости с твердыми частицами (пара «твердое тело — жидкость с твердыми частицами»), а также некоторые другие.
    Короткие сроки разрушения конструкционных материалов эрозией,, по истечении которых эксплуатация промышленных объектов становится экономически неэффективной, явились причиной многочисленных исследований этого явления. Вследствие трудностей, связанных с исследованием эрозионного разрушения в чистом виде, практически все исследователи были вынуждены рассматривать эрозионное разрушение при одновременном воздействии ряда факторов, влиявших в большой или меньшей степени на процесс собственно эрозионного разрушения и во всяком случае затруднявших его изучение. Среди них можно указать следующие: химическое взаимодействие материалов с потоками газа или жидкости, химические превращения в самом материала, сублимация, плавление, термические напряжения, явления адсорбции, влияние на свойства материалов различного вида излучений и т. д.
    В этом параграфе рассматриваются газовая эрозия, гидроэрозия, износ при граничном трении и абразивная эрозия. При этом охватываются только те работы, которые, по мнению авторов, заметно повлияли на эволюцию взглядов по указанным вопросам и оказали существенное влияние на современное состояние этого направления. Знакомство с этой областью знаний, граничащей с физико-химической механикой, в которой получены пока в основном лишь качественные результаты, представляется также небесполезным для механиков-теоретиков, поскольку это — новая область будущих количественных изысканий.
    Большинство исследователей газовой эрозии видели причину механического разрушения поверхности материалов в различных процессах, сопровождающих эрозию. Этим взглядам не в малой степени способствовал тот факт, что напряжения трения на поверхности материалов даже в таких тяжелых условиях, как например, при входе космических аппаратов в плотные слои атмосферы, невелики и значительно меньше предела прочности материала на сдвиг. В пятидесятых годах К. К. Снитко и др. предложили так называемую окислительную теорию — одну из разновидностей химических теорий газовой эрозии. Согласно этой теории главная причина эрозионного разрушения металлов состоит в окислении железа (и выгорании углерода) и других элементов, окисляющихся легче железа, под воздействием прямого окисления свободным кислородом, а также при непрямом окислении посредством находящихся в газах двуокиси углерода и паров воды. Эти выводы были основаны на результатах исследования механизма и кинетики процесса разложения пороха при высоких давлениях.
    Согласно химическим теориям газовой эрозии поверхность металла, омываемая горячими газами под давлением, претерпевает как структурно-химические (под действием окисления, цементации, азотирования), так и механические изменения, следствием чего является разрушение тонкого поверхностного слоя металла.'
    А. Ф. Головин (1941) провел систематическое изучение разрушенных вследствие эрозии стволов артиллерийских орудий и установил наличие наклепанных участков под полями нарезов, обусловленных динамическим действием ведущих поясков снарядов. При этом им был сделан вывод, что на процесс горячей газовой эрозии преобладающее влияние оказывает термический фактор, причем основой механизма разрушения является «вымывание» или «сдувание» струей газов расплавленного или размягченного и потерявшего сплошность (вследствие наличия мелких трещин термической усталости) поверхностного слоя металла.
    И. С. Гаев (1950) с сотрудниками получили некоторые экспериментальные данные, косвенно подтвержавшие идею испарения металлов при эрозионном разрушении. Было установлено, что скорость испарения для стали возрастает с увеличением температуры и содержания углерода. Сопоставление уменьшения веса образцов при испарении под воздействием высокой температуры с эрозионными испытаниями образцов из тех же сплавов показало, что материалы по их стойкости в обоих видах испытаний располагаются в одинаковой последовательности. Было установлено, что, наряду с диффузией и рекристаллизацией, скорость испарения может характеризовать прочность связей, удерживающих атомы в кристаллической решетке при нагревании. Эти же параметры, по-видимому, частично характеризуют выносливость металлов и сплавов при высокой температуре и в случае эрозионных испытаний. И. А. Одинг (1949, 1963) считал, что процесс эрозионного разрушения представляет собой чисто механическое воздействие на металл протекающего пара, содержащего капельки воды и различные твердые частицы.
    К аналогичному выводу пришел также Н. С. Алферов (1952), который исследовал эрозионное разрушение лопаток газовых турбин в запыленном газовом потоке. По его мнению, одной из причин механического разрушения поверхности металлов в потоке газа, не сопровождающегося оплавлением их поверхности, является наличие в нем пылевидных частиц. Вследствие многочисленных ударов этих твердых частиц о поверхность металла происходит его механическое разрушение.
    На поверхности лопаток было обнаружено образование мельчайших трещин, направленных в глубь металла. Они свидетельствуют о явлениях усталости металла в поверхностных слоях. Механическое разрушение при этом объясняется выбиванием мельчайших частиц металла, образующихся в результате появления микротрещин, и срезом образовавшихся неровностей (возвышений, бугорков) ударяющимися о них быстро-летящими частицами. И. Н. Дехтярев (1949) высказал мнение, что значения напряжений в верхних слоях металла турбинных лопаток могут достигать величин, соизмеримых с пределом усталости лопаточных сталей.
    И. Н. Богачев и Р. И. Минц (1958 и сл.) на основании имеющей место неоднородности распределения акустических давлений при обтекании воздушным потоком поверхности самолетных крыльев сделали вывод о неравномерном распределении напряжений в металле. При этом поток быстротекущего газа оказывает на металлическую поверхность механическое воздействие, которое в силу неоднородности потока приводит к существенной неоднородности поля напряжений в металле. Последнее проливает свет на один из наиболее важных механизмов эрозионного разрушения. При локальном нагружении в каком-либо участке могут встретиться микрообъемы, в которых наряду с упругой деформацией будут иметь место пластическая деформация и даже микротрещины. При этом общий уровень регистрируемой деформации может быть невелик, однако наличие микроразрушения является уже в известной мере опасным в отношении достаточной надежности работы конструкции. Те же авторы отмечали большое значение нагрузок, связанных с аэродинамическим воздействием газов, вытекающих из реактивного сопла, а также возникающих при этом импульсов давления с высокочастотными колебаниями и т. д. При этом оказывается, что нагрузки от указанных факторов, которые могут привести к разрушению за срок службы самолетов, встречаются довольно часто.
    При воздействии газового потока на поверхность металла происходит формирование ее рельефа. При этом характер микрорельефа определяется не только видом нагружения, деформацией, но и природой металла. Микрорельеф получаемый при воздействии на поверхность металла быстротекущего потока, следует рассматривать как характеристику поверхности, определяющую эксплуатационную стойкость конструкции. Характер рельефа позволяет сделать предварительное заключение о стойкости металла в данных условиях, так как между способностью металла к образованию микрорельефа и долговечностью существует прямая взаимосвязь. При этом обычные свойства материала (макрохарактеристики, полученные на стандартных образцах с учетом агрессивности среды и температуры) являются лишь грубо ориентировочным критерием оценки долговечности материала при контакте с быстротекущим потоком.
    Л. А. Урванцев (1966) на основе анализа известных теорий эрозионного разрушения материалов, вызванного различными причинами, предложил обобщить существующие представления, введя для этого так называемую «главную обобщающуя функцию», которая должна характеризовать свойства среды, пограничного слоя и материала. Предлагаемое им описание механизма эрозионного разрушения охватывает повторноцикли-ческое нагружение поверхностного слоя материала и возникающие в нем усталостные трещины (как в теле зерен, так и по их границам), химическое, тепловое и электрическое воздействие среды и происходящие в материале в результате этого превращения и изменения.
    Причину гидроэрозии материалов большинство исследователей усматривает в процессах коррозии и кавитации. А. Д. Моисеев (1954—1956) рассматривал гидроэрозию как электрохимический процесс, который развивается в зависимости от скорости движения воды. Предполагается, что при больших скоростях движения потока окисная пленка не успевает образоваться и коррозионная среда, взаимодействуя с обнаженной поверхностью, создает условия для интенсивного развития электрохимического процесса.