Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України

Скачати 58.38 Kb.

Назва	Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України
Дата	27.08.2013
Розмір	58.38 Kb.
Тип	Документи

bibl.com.ua > Фізика > Документи

УДК 620.193: 197.16
Втомні ХАРАКТЕРИСТИКИ сталі 35 в умовах сумісної дії циклічного навантаження та кавітації
FATIGUE CHARACTERISTICS of the 0,35 C steel under combine action of cyclic loading and CAVITATION
Бассараб А. І., Волошин В. А., Сидор П. Я.

Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України

There are many objects in a technique, which are liable to cavitation wear, what leads them to breakage. Practice shows that the real conditions of cavitation are often accompanied by other types of the mechanical loading (fatigue, abrasive erosion, blow and others like that). Using the specially developed method we explored the influence of combined action of fatigue and cavitation, and also previous cavitation with a different duration on fatigue strength of the 0.35 C steel.

Fatigue tests show a 3 multiple reduction of destroying tensions at the combined action of fatigue and cavitations at frequency of cyclic loading of 3 Hz. The reduction was marked comparatively to results of fatigue tests in tap water without cavitation.

Previous imposition of cavitation on the surface effects ambiguously the on fatigue strength of steel at the test on air with frequency 50 Hz. Fatigue characteristics was changed on different way in depending on duration of the previous cavitation action. At the cavitation action during 20min and 180min they go down, but at 60 min – rise. This behaviour is obviously conditioned by the processes of strengthening-weakening in the near-surface regions of the steel and surface geometry change of specimen surface at cavitation.
В техніці існує чимало об’єктів, які зазнають кавітуючого впливу середовища, що стає причиною їх дочасного випрацювання та втрати працездатності. Ці об’єкти (деталі та конструкції) належать до різних галузей промисловості, зокрема, нафтогазовидобувної, гірничої, машинобудівної транспортної (гребні гвинти суден, гільзи дизельних двигунів тощо), енергетичної (лопатки турбін, запірна апаратура, фасонні елементи трубопроводів). Практика показує, що, як правило, кавітаційна дія середовища супроводжується іншими видами механічного навантаження (втома, абразивна ерозія, удар тощо) [1]. Дія цих чинників може бути сумісною або мати наступну послідовність: ерозія передує механічному впливу, діє після них або ж механічний вплив передує ерозії чи починається після ерозійного пошкодження поверхні.

Дана робота присвячена дослідження сумісної дії втоми та кавітації на характеристики корозійно-втомної витривалості сталі 35, а також кавітаційного впливу різної тривалості на характеристики втомної витривалості цієї сталі при випробах на повітрі.

Випробували зразки зі сталі 35 після нормалізації. Дослідження сумісного впливу втоми та кавітації здійснювали на установці КІН-1ВК, розробленій у ФМІ НАНУ. Установка базується на комплексному поєднанні пристрою для циклічного навантаження з діапазоном частот від 3 до 10 Гц та магнітострикційного вібратора для кавітаційного навантаження зразка за схемою „нижнє” розміщення зразка [2]. Схема установки та зразка для випроб приведені на рис. 1.

а	б Рис. 1. Схеми установки КІН-1ВК для дослідження сумісної дії втоми та кавітації (а) та випробувального зразка (б): 1 – пристрій для механічного навантаження; 2 – двигун; 3 – зразок; 4 – динамометр; 5 – реєстратор; 6 – магнітострикційний вібратор; 7 – камера з середовищем.

Кавітаційне навантаження (частота 22 КГц, амплітуда кавітації А = 72 мкм) прикладалося до зразка з боку його плоскої поверхні, протилежної від концентратора. За асиметрії циклічного навантаження R = 0 зразок піддавався консольним згином розтягу з боку гладкої поверхні, а стиску – з боку концентратора. Таким чином вдалося локалізувати процес руйнування на плоскій поверхні в умовах сумісної дії циклічного та кавітаційного навантажень. Радіус надрізу вибрано з міркувань відповідності його ширини зоні кавітаційного впливу на гладкій поверхні (~20 мм). Зазор Δ між торцем магнітострикційного випромінювача коливався в межах 0,5...0,7 мм, що відповідно до [2], не впливає суттєво на зміну інтенсивності кавітаційного навантаження.

Вплив попередньої дії кавітації вивчали наступним чином. Зразки перед випробами на втому піддавали кавітаційному навантаженню за тією ж схемою ”нижнє розміщенням зразка” та тими ж режимами, що і при сумісних втомно-кавітаційних випробуваннях. Тривалості обробки: 20, 60 та 180 хв. Після цього досліджували їх втомну витривалість на повітрі за тією ж схемою, але за частоти навантаження 50 Гц.

За середовище, в якому здійснювали кавітаційне навантаження в обох випадках, слугувала водогінна вода середньої твердості (рН 6,3...6,8, твердість 3,8...4,1 мг.-екв. / л). Мікротвердість визначали мікротвердоміром ПМТ-3 за стандартною методикою.

Сумісні втомно-кавітаційні випроби зразків (рис. 2) показали суттєве зниження характеристик втомної міцності, зокрема порівняно з випробами на повітрі в 2,5...3 рази (криві 1, 3), а з випробами у воді без накладання кавітації – у 2 рази (криві 1, 2).

Попереднє накладання кавітації неоднозначно впливає на втомну міцність сталі на повітрі (рис. 3). Так, при тривалостях попередньої дії кавітації 20 та 180 хв втомна міцність знижується, а при 60 хв – дещо підвищується.

Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 2. Криві втомної міцності сталі 35 при випробах за частоти 3Гц: 1 – на повітрі; 2 – у водогінній воді; 3 – у водогінній воді з накладанням кавітації.

Рис. 3. Криві втомної міцності сталі 35 при випробах за частоти на повітрі 50Гц: 1 – без кавітаційного впливу; 2 – після кавітаційного впливу 20 хв; 3 – 60; 4 – 180 хв.
Така поведінка матеріалу пояснюється особливістю кавітаційної дії рідини на поверхню матеріалу. З досліджень на кавітаційно-ерозійну стійкість за схемою з „верхнє розміщення зразка” відомо [3], що дія кавітації супроводжується процесами зміцнення–знеміцнення у приповерхневих шарах сталі та зміною мікрорельєфу поверхні зразка. Вимірювання мікротвердості показали (рис. 4, 5), що її зміни мають місце і при випробах за схемою з нижнім розміщенням зразка, але в даному випадку маємо меншу глибину поширення деформаційних змін, ніж у випадку випробувань при схемі з верхнім розміщенням зразка [3]. Так зміни Н_ фіксуються на глибину ~ 1 мм (рис. 5), тоді як у випадку [3] – 1,5...2 мм. Відомо, що втомна витривалість сталі на повітрі в значній мірі регламентується твердістю, а також відсутністю попередніх поверхневих дефектів. Інтегральне вимірювання мікротвердості робочої поверхні показало її плавне зниження зі збільшенням тривалості кавітаційного впливу (рис. 4, крива 3). Виходячи з цих результатів важко пояснити підвищення втомної міцності при випробах на повітрі після

Рис. 4. Зміна мікротвердості Н_ поверхні сталі 35 залежно від часу дії кавітації  у воді : 1– перлітні зерна; 2 – феритні; 3 – інтегральна мікротвердість поверхні.

Рис. 5. Розподіл мікротвердості Н_ феритних (1^/–3^/) та перлітних (1–3) зерен по глибині зразка Сталі 35 залежно від часу дії  кавітації: 1, 1^/ – 20 хв; 2, 2^/ – 60; 3, 3^/ – 180 хв.

попередньої дії кавітації  = 60 хв. Однак вимірювання мікротвердості окремих структурних складових показує, що перліт має тенденцію до знеміцнення (рис. 4, крива 1), тоді як ферит зміцнюється, сягаючи максимуму мікротвердості при 60хв, а потім знеміцнюється (за показником Н_) до початкового значення при  = 180 хв (рис. 4, крива 2). Таким чином, втомну поведінку сталі 35 після попередньої дії кавітації при випробах на повітрі визначає співвідношення твердості структурних складових, зокрема ступінь знеміцнення перліту. Виходячи з цього можна стверджувати, що зниження міцності після  = 20 хв (рис. 3, крива 3) пов’язане з частковим знеміцненням перліту (5% від початкового рівня) при цьому Н_ фериту є незмінною. При тривалості дії кавітації  = 60 хв, як зазначалося вище, втомна міцність сталі 35 підвищується в 1,3...1,5 порівняно зі сталлю без кавітаційного впливу. Оскільки, мікрорельєф поверхні не змінився ( = 20 та 60 хв – відповідає інкубаційному періоду), то таку поведінку можна пояснити зміцненням феритної складової (в 1,7 рази), при цьому рівень поверхневої мікротвердості перліту залишається досить високим (0,86 Н_^max , див. рис. 4). З цих міркувань зниження втомних характеристик сталі 35 на повітрі після 180 хв попередньої кавітаційного впливу виглядає закономірним, оскільки при цій тривалості з’являються поверхневі мікродефекти. З іншого боку, триває процес знеміцнення структурних складових, як в поверхневих (рис. 4), так і підповерхневих шарах (рис. 5), що зумовлює мінімальне значення інтегральної характеристики Н_ поверхні (рис. 4, крива 3).

Подібні процеси відбуваються при сумісних випробах сталі 35 (рис. 2). В даному випадку до адсорбційного впливу середовища накладання кавітації посилює корозійний чинник, утворюючи на поверхні втомного зразка ювенільні поверхні та сприяючи утворенню пероксидних та ін корозійно-активних сполук [4]. З іншого боку, додається механічний чинник кавітаційного впливу. Сумісна дія цих чинників і сприяє зниженню втомної міцності сталі за даних умов випроб.

Таким чином, попередній кавітаційний вплив, а також сумісна дія втоми та кавітації можуть суттєво знижувати втомну витривалість сталей. Оскільки такі умови реально складаються при експлуатації промислового обладнання, проведення таких лабораторних випробувань сприятиме більш точному прогнозуванню ресурсу елементів конструкцій.

Виноградов В. Н., Сорокин Г. М., Шрайбер Г. К. Ударно-абразивный износ буровых долот.– М.: Недра, 1975. – 167 с.
Цирульник О., Бассараб А. Порівняння різних методів випробувань конструкційних матеріалів на корозійно–ерозійне руйнування // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2000. – спецвипуск № 1 “Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів”. – С. 658-661.
Цирульник О. Т., Бассараб А. І. Деформаційні процеси під час кавітаційного руйнування ферито-перлітної сталі // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 1998. – №6. – С. 73-76
Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. – М: Металлургия, 1976. – 472 с.

Схожі:

В. Волошин Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України... Солі цинку відомі як інгібітори корозії, але не такі ефективні, як іони фосфатів і силікатів. Їх захисна дія може бути пов'язана...	Графік звітування та презентації вищих навчальних закладів та наукових... Фізико-хімічний інститут захисту навколишнього середовища і людини МОН України та НАН України
Озима пшениця: Супер еліта: Фаворитка, Новокиївська, Сонечко, Наталка,... Еліта: Антонівка, Місія Одеська, Косовиця (ЗАТ «Селена»), Солоха, Смуглянка, Золотоколоса ( Інститут фізіології рослин і генетики...	ІНСТИТУТ РЕЛІГІЄЗНАВСТВА ФІЛІЯ ЛЬВІВСЬКОГО МУЗЕЮ ІСТОРІЇ РЕЛІГІЇ Повідомляємо Вас, що Інститут релігієзнавства – філія Львівського музею історії релігії, Львівське відділення Інституту української...
РЕЄСТРАЦІЙНА ФОРМА В. Ганул, чл кор. НАН і АМН України, д м н., проф., Національний інститут раку МОЗ України (Київ)	ФІЗИКО-МАТЕМАТИЧНІ НАУКИ На ступінь доктора наук Бондаренко В. Г. Параболічне рівняння на рімановому многовиді: (01. 01. 02) / НАН України, Ін-т приклад математики та механіки. —...
Д т. н., проф., НУ «Львівська політехніка» (Львів); С. Кияк В. Ганул, чл кор. НАН і АМН України, д м н., проф., Національний інститут раку МОЗ України (Київ)	Джерела та література Академік Микола Іванович Петров. 1840-1921. Бібліографія / [Упорядник В. Л. Микитась]. – К.: Інститут української археографії НАН...
ПРОГРАМА для профільного навчання учнів загальноосвітніх навчальних... М. Г. Жулинський – академік НАН України, доктор філологічних наук, професор, директор Інституту літератури ім. Т. Г. Шевченка НАН...	ЕРЕНЦІЇ „Інформаційні технології в управлінні туристичною та курортно-рекреаційною... МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ АКАДЕМІЇ УПРАВЛІННЯ ТА ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ “АРІУ” ІНСТИТУТ ЕКОНОМІКО-ПРАВОВИХ ДОСЛІДЖЕНЬ...

Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання