Оценка эрозионной стойкости упрочненных металлических сплавов в условиях каплеударного воздействия

Введение. Статья посвящена изучению явления каплеударной эрозии, которая развивается в металлических материалах при частотах капельных соударений 50…200 с-1 и скоростях 150…600 м/с. Исследована возможность сравнительной оценки сопротивления износу материалов различных структурных классов с различным уровнем механических свойств. Основной целью работы было создание расчетно-аналитической модели эрозионного износа упрочненных материалов. Параллельно решалась задача критериальной оценки материалов, с помощью которой можно было бы отнести их к пластичным или упрочненным, после чего использовать соответствующую модель механики усталостного разрушения.

Материалы и методы. Для расчетно-аналитических оценок эрозионной стойкости материалов использованы известные зависимости механики разрушения и теории усталости Пэриса-Эрдогана. Параметры расчетных выражений получены на базе результатов стендовых эрозионных испытаний и данных растровой электронной микроскопии образцов стали 20Х13 с мартенситной структурой. Результаты исследования. В качестве классификационного критерия пластичных и прочных материалов предложено использовать их диаграммы предельных состояний. В частности, на основе такой диаграммы упрочненных материалов могут быть определены значения начального и критического размера хрупкой трещины, которые используются в основной модели для расчета эрозионной стойкости материала.

На базе уравнения Пэриса усталостной теории ПэрисаЭрдогана разработана и научно обоснована расчетноаналитическая модель для оценки эрозионной стойкости упрочненных материалов, деградация поверхности которых происходит по механизму зарождения и развития трещин скольного типа. Представлены данные расчетов для образцов мартенситной стали 20Х13 с использованием экспериментально полученных параметров уравнения Пэриса.

Обсуждение и заключения. Полученные результаты акту альны для выбора, оптимизации или разработки эрозионно-стойких материалов для высокоскоростных лопастей парогазотурбинного и компрессорного оборудования, работающих в условиях образования капельного конденсата.

1. Hattori, S., and Takinami, M. Comparison of cavitation erosion rate with liquid impingement erosion rate // Wear. – 2010. – Vol.269. – pp. 310–316.

2. Рыженков, В. А. Современное состояние и способы решения проблемы эрозионного износа лопаток влажно-паровых ступеней турбин / В. А. Рыженков, А. И. Лебедева, Ал. Ф. Медников // Теплоэнергетика. — 2011. — № 9. — С. 9–13.

3. Tobin, E.F., Young, T.M., Raps, D., and Rohr, O. Comparison of liquid impingement results from whirling arm and water-jet rain erosion test facilities // Wear. — 2011. — Vol. 271. — pp. 2625–2631.

4. Sandeep, Soni. Analysis of liquid droplet erosion for steam turbine blades of composite material // Int. J. Mech. Eng. & Rob. Res. — 2012. — Vol. 1, no. 3. — pp. 214–226.

5. Kamkar, N., Bridier, F., Bocher, P., and Jedrzejowski, P. Water droplet erosion mechanism in rolled Ti– 6Al–4V // Wear of Materials. — 2013. — Vol.301, iss.1–2. — pp. 442–448.

6. Чижов, А. В. Высокоскоростной удар капли о преграду / А. В. Чижов, А. А. Шмидт // Журнал технической физики. — 2000. — Т. 70, вып. 12. — С. 18–26.

7. Haller K.K., Ventikos Y., Poulikakos D., Monkewitz P. Computational study of High-speed liquid droplet impact // Journal of Applied Physics. – 2002. – Vol. 92, №5. Р.2821-2828.

8. Варавка, В. Н. Закономерности износа стали при воздействии дискретного водно-капельного потока. Часть 1 : Начальная стадия каплеударной эрозии / В. Н. Варавка, О. В. Кудряков // Трение и износ. — 2015. — Т. 36, № 1. — С. 89–99.

9. Варавка, В. Н. Закономерности износа стали при воздействии дискретного водно-капельного потока. Часть 2 : Стадия развитой каплеударной эрозии / В. Н. Варавка, О. В. Кудряков // Трение и износ. — 2015. — Т. 36, № 2. — С. 201–212.

10. Кудряков, О. В. К проблеме водородного охрупчивания стали при каплеударной эрозии / О. В. Кудряков [и др.] // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2017. — Т. 17, № 2 (89). — С. 56–69.

11. Варавка, В. Н. Закономерности и параметры каплеударной эрозии титановых сплавов / В. Н. Варавка [и др.] // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2011. — № 6. — С. 92–98.

12. Кинетика зарождения и развития процесса эрозионного разрушения поверхности сталей при каплеударном воздействии / В. А. Рыженков [и др.] // Надежность и безопасность энергетики. — 2012. — №1 (16). — С. 67–71.

13. Варавка, В. Н. Прочность и механизмы разрушения высокопластичных материалов при воздействии дискретного водно-капельного потока / В. Н. Варавка, О. В. Кудряков // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2011. — Т. 11, № 8 (59), вып. 2.— С. 1376–1384.

14. Кудряков, О. В. Механизмы формирования эрозионного износа металлических материалов при высокоскоростных капельных соударениях: Ч. 1 / О. В. Кудряков, В. Н. Варавка // Материаловедение. — 2012. — № 5. — С. 36–43.

15. Кудряков, О. В. Механизмы формирования эрозионного износа металлических материалов при высокоскоростных капельных соударениях: Ч. 2 / О. В. Кудряков, В. Н. Варавка // Материаловедение. — 2012. — № 6. — С. 14–19.

16. Варавка, В. Н. Особенности разрушения металлических сплавов в условиях устойчивой каплеударной эрозии / В. Н. Варавка, О. В. Кудряков // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2012. — № 3. — С. 45–50.

17. Кудряков, О. В. Мониторинг начальных стадий эрозионного износа ионно-плазменных покрытий при каплеударном воздействии / О. В. Кудряков, В. Н. Варавка // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2012. — № 10. — С. 40–47.

18. Штремель, М. А. Прочность сплавов. Ч.2. Деформация / М. А. Штремель. — Москва : МИСиС, 1997. — 527 с.

19. Эшби, М. Конструкционные материалы. Полный курс / М. Эшби, Д. Джонс. — Долгопрудный : Издательский Дом «Интеллект», 2010. — 672 с.

20. Механика разрушения и прочность материалов / Под общ. ред. В. В. Панасюка. — Киев: Наукова Думка, 1988. — 436 с.

21. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений / Ю. Ито, Ю. Мураками [и др.]. —Москва : Мир, 1990. — 448 с.

22. Paris P. A critical analysis of crack propagation laws [Text] / P. Paris and F. Erdogan // Trans. ASME, J. Basic Engng. – 1963. – Vol. 15. – P. 528 – 534.