Микроударному разрушению

В условиях микроударного нагружения сталь ЗОХ10Г10 наклепывается значительно сильнее аустенитной стали типа Х18Н8 и поэтому отличается значительно более высокой износостойкостью. Дополнительное легирование этой стали никелем стабилизирует аустенит, снижает его склонность к наклепу и износостойкость в условиях микроударного воздействия.

Результаты исследований [6, 8, 35, 60 и др. ] показывают, что гидроэрозия развивается не только от кавитирующего действия жидкости, но и от обычных ударов, при которых каждая частица жидкости действует локализованно и при высоких скоростях ведет себя как твердое тело, обусловливая сложный характер нагруже-ния рабочей поверхности детали. В этих условиях поверхность детали подвергается микроударному воздействию, поэтому обычные показатели механических свойств не могут характеризовать эрозионную прочность или стойкость металла, т. е. его сопротивляемость разрушению в микрообъемах. Надежность и долговечность деталей машин, работающих в условиях микроударного воздействия, следует оценивать механическими характеристиками металла отдельных микроучастков. Прочность отдельных микроучастков определяется природой данного сплава, его структурными составляющими, свойствами зерна, его границ и строением тонкой структуры.

Рассмотренные в работе общие закономерности гидроэрозии касаются роли структуры и строения отдельных металлов и сплавов в определении их сопротивляемости микроударному разрушению. Эти закономерности могут быть распространены и на другие конструкционные материалы при оценке и выборе их для изготовления деталей, работающих в условиях микроударного воздействия. Представления о механизме гидроэрозии металлов подтверждаются в работе большим экспериментальным материалом,

При решении частных задач, касающихся условий работы конкретной детали, необходимо учитывать фактор электрохимической коррозии. Например, разрушение судового гребного винта вызывается не только механическим фактором микроударного воздействия воды, но и электрохимической коррозией (в частности, когда винт находится в покое).

Ниже рассмотрены результаты обследования эрозионных повреждений различных деталей, работающих в условиях микроударного воздействия воды.

К числу важных показателей, характеризующих разрушающую способность жидкостей в условиях микроударного воздействия, следует отнести вязкость и поверхностное натяжение. Для разных жидкостей поверхностное натяжение- колеблется от 15 до 2000 мДж/ма (для воды 72,8 мДж/м2). Большой интервал величин поверхностного натяжения объясняется различием сил межмолекулярного взаимодействия. С увеличением этих сил поверхностное натяжение в жидкостях повышается.

периодического расширения и сжатия кавитационной полости. Однако известно, что после кавитационного воздействия в микрообъемах обнаруживается пластическая деформация металла как результат микроударного воздействия жидкости. По-видимому, и в этом случае происходят гидравлические удары, вызывающие те же явления. Как видно, разрушение при кавитации вызывается сложным механическим воздействием малых объемов жидкости в условиях влияния физико-химических процессов, протекающих при кавитации.

Из приведенных в табл. 10 данных видно, что чугун СЧ 28—48 и сталь 25Л имеют практически одинаковую коррозионную стойкость в воде, но в условиях микроударного воздействия чугун разрушается быстрее, чем углеродистая сталь; это объясняется наличием в его структуре графитовых включений, ослабляющих прочность микрообъемов металла (рис. 35). Процесс разрушения в сером чугуне происходит быстрее, чем в стали. Латунь ЛМцЖ55— 3—1 и сталь 1Х14НД обладают высокой коррозионной стойкостью. Однако латунь при скоростях соударения, превышающих 25— 30 м/с, начинает разрушаться от действия механического фактора, тогда как сталь 1Х14НД благодаря наличию прочных структурных составляющих сохраняет при этих скоростях достаточную стойкость.

Как известно, жидкость обладает способность попадать и удерживаться в различных порах и микротрещинах, а также глубоко проникать через различные капилляры в поверхностный слой металла. В результате микроударного воздействия отдельные макро- и микроучастки могут оказаться пронизанными жидкостью. Создаваемое ударами жидкости давление на поверхности образца

в зоне концентрации напряжений. Такой механизм нарушения прочности металла в условиях микроударного воздействия можно представить в виде схемы (рис. 54), отражающей эстафетный характер развития этого процесса. Нарушения прочности, связанные с неравномерным распределением напряжений, усиливаются за счет увеличения концентраций напряжений на отдельных участках вследствие локальности микроударного нагружения. Из приведенных данных ясно, почему обычные характеристики механической прочности не могут быть критерием оценки сопротивляемости металла микроударному разрушению. При обычном нагружении напряжения в металле распределяются более равномерно. При этом многие микроскопические дефекты практически не влияют на распределение напряжений. При микроударном воздействии дефекты, расположенные в микрообъемах, чувствительны к импульсным нагрузкам и оказывают большое влияние на сопротивляемость металлов гидроэрозии. Были проведены опыты с углеродистой сталью (0,62% С), в которой закалкой создавали микроскопические трещины. Эти трещины рассматривали как дефекты, нарушающие прочность микрообъемов металла. Образцы из этой стали подвергали сравнительным испытаниям; результаты приведены в табл. 23.

Гидроэрозия металла, как правило, наблюдается при больших скоростях потока или движения детали в жидкости. При этом металл разрушается в основном за счет механического воздействия малых объемов жидкости. Природа этого воздействия связана с качественным изменением характера течения жидкости. В этих условиях ударное нагружение приобретает импульсный характер, т. е. отличается быстрым возрастанием давления, за которым следует такое же быстрое его снижение. Характерная особенность такого нагружения — очень малая область действия максимальных напряжений, соизмеримая с площадью отдельных микроучастков (приблизительно Ю-4—10"6 мм2). Эти напряжения в большинстве случаев превышают предел текучести многих металлов и сплавов, причем напряжения отличаются локальностью и неравномерностью, возникают в отдельных микрообъемах независимо от того, чтр происходит на других участках поверхностного слоя. При таком характере механического воздействия разрушение металла связано с отрывом очень мелких частиц вследствие образования в поверхностном слое микроскопических трещин; последние возникают в результате пластической деформации в микрообъемах. Таким образом, гидроэрозию металлов следует рассматривать как процесс, возникающий в результате микроударного воздействия жидкости.

Рассмотренные в работе общие закономерности гидроэрозии касаются роли структуры и строения отдельных металлов и сплавов в определении их сопротивляемости микроударному разрушению. Эти закономерности могут быть распространены и на другие конструкционные материалы при оценке и выборе их для изготовления деталей, работающих в условиях микроударного воздействия. Представления о механизме гидроэрозии металлов подтверждаются в работе большим экспериментальным материалом,

Наличие дефектов в отдельных кристаллах и зернах существенно влияет на сопротивляемость металлов и сплавов микроударному разрушению. Изучение этого вопроса представляет большой практический интерес. В настоящее время нет даже приближенной теории, связывающей механические характеристики металлов с количеством, формой и характером распределения в них микро-и макроскопических дефектов. Реальные металлы весьма несовершенны. Отклонением от идеальной структуры прежде всего являются границы зерен, микротрещинки, возникшие в процессе кристаллизации слитка или деформировании металла, макроскопические несплошности типа пор и другие дефекты, которые чаще всего являются следствием предыстории образца. Наличие большого количества микро- и макроскопических дефектов заметно проявляется в различных «структурно-чувствительных» свойствах, особенно при деформации и разрушении металла в микрообъемах. 82

Рис. 61. График, отражающий влияние поверхностных дефектов на сопротивляемость сталей 12Х18Н9Т (сплошные линии) и 40 (штриховые линии) микроударному разрушению:

ведены на рис. 51. Полученные данные подтверждают, что поверхностные дефекты независимо от их происхождения заметно снижают сопротивляемость металлов микроударному разрушению. Испытания образцов с различными надрезами и порами показали, что гидроэрозия металла начинает развиваться в тех местах где концентрируются напряжения. На рис. 52, а показан образец из углеродистой стали (0,4% С).. На полированной поверхности этого образца были высверлены четыре поры диаметром 0,1 мм; из них три поры глубиной 0,5 мм и одна пора глубиной 1,5 мм.' В процессе испытаний разрушение металла развивалось вокруг поры глубиной 1,5 мм. Повторные испытания дали такие же результаты. Вначале разрушению подвергаются края поры (рис. 52, б), т. е. места концентрации наибольших напряжений, затем разрушение быстро развивается по наиболее ослабленным зонам и в глубь металла. Проведенные опыты наглядно показали, что интенсив-

Влияние вакуумного переплава на сопротивляемость углеродистой стали микроударному разрушению после нормализации при 860° С

Повышенная сопротивляемость стали после вакуумного переплава микроударному разрушению объясняется уменьшением в ней числа микроскопических дефектов и, в частности, почти полным

в зоне концентрации напряжений. Такой механизм нарушения прочности металла в условиях микроударного воздействия можно представить в виде схемы (рис. 54), отражающей эстафетный характер развития этого процесса. Нарушения прочности, связанные с неравномерным распределением напряжений, усиливаются за счет увеличения концентраций напряжений на отдельных участках вследствие локальности микроударного нагружения. Из приведенных данных ясно, почему обычные характеристики механической прочности не могут быть критерием оценки сопротивляемости металла микроударному разрушению. При обычном нагружении напряжения в металле распределяются более равномерно. При этом многие микроскопические дефекты практически не влияют на распределение напряжений. При микроударном воздействии дефекты, расположенные в микрообъемах, чувствительны к импульсным нагрузкам и оказывают большое влияние на сопротивляемость металлов гидроэрозии. Были проведены опыты с углеродистой сталью (0,62% С), в которой закалкой создавали микроскопические трещины. Эти трещины рассматривали как дефекты, нарушающие прочность микрообъемов металла. Образцы из этой стали подвергали сравнительным испытаниям; результаты приведены в табл. 23.

Таблица 23 Влияние микроскопических трещин на сопротивляемость закаленной углеродистой стали (0,62% С) микроударному разрушению

Локальный характер прочностных свойств объясняется наличием в сплавах микроскопических дефектов и менее прочных струкг турных составляющих, а также различием дислокационного строения отдельных микрообъемов. Микроударному разрушению подвергаются вначале менее прочные микроучастки с порами, микроскопическими трещинами или очагами локализованной коррозии. Затем разрушение распространяется и на более прочные участки.

Для определения эрозионной стойкости металла большое значение имеет первый (начальный) период, продолжительность которого в значительной степени характеризует сопротивляемость материала микроударному разрушению.

Мартенсит, полученный закалкой с высоких температур (1000— 1100° С), обладает меньшим сопротивлением разрушению при микроударном воздействии и разрушается неравномерно (рис. 62, б). Это объясняется крупноигольчатым строением мартенсита наличием в его структуре микроскопических трещин и большого количества остаточного аустенита. Легирующие элементы не оказывают большого влияния на эрозионную прочность мартенсита. Свойства мартенсита в микрообъемах и, в частности ,^его сопротивляемость микроударному разрушению определяются в основном содержанием в нем углерода.