Кавитация металла что это
Кавитационная эрозия
Кавитационная эрозия это процесс, который наблюдается при эксплуатации гидротурбин, гребных винтов, насосов, клапанов, запорных устройств в трубопроводах. Он обусловлен нестационарностью потока жидкости, обтекающей твердое тело.
Кавитация (от латинского cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Основные условия возникновения, например, гидродинамической кавитации — потоковое перемещение жидкости, перепады давления и вибронагруженность. Кавитационные пузырьки отчасти похожи на те, что образуются в жидкости при закипании, но давление в кавитационных пузырьках существенно выше, а температура достигает нескольких сотен градусов по Цельсию. Исчезновение пузырьков сопровождается гидравлическим ударом, который и является причиной кавитационнои эрозии — энергия жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. Жидкость, соприкасаясь с металлом, бомбардирует его точечными, но очень сильными ударами. И в итоге — разъедает. Возникновение пузырьков происходит в области низкого давления, а исчезновение — в области высокого давления. Таким образом, область коррозионной кавитации часто бывает значительно удалена от зоны возникновения пузырьков.
Первоначально происходит прогрессирующее разрыхление материала, приводящее к образованию многочисленных микротрещин. При определенных условиях кавитационная эрозия может в тысячи и даже сотни тысяч раз превосходить скорость коррозионного разрушения в той же среде. На разрушение деталей при кавитационном действии жидких коррозионных сред большое влияние оказывают состав и структура сплава и скорость потока.
кавитационная коррозия деталей двигателя
Коррозионная кавитация часто рассматривается как задача механики и гидродинамики и не связывается со свойствами материалов, и это правильно. Возникновение и последующее развитие кавитации слабо зависят от свойств материала системы, в которой она происходит (хотя такие факторы, как обработка поверхности, могут оказывать определенное влияние, а модуль упругости материала определяет перепад давления в некоторых вибрационных системах). Однако степень эрозии, вызываемой кавитацией, существенно зависит от свойств материала, его структуры и микроструктуры, напряженного состояния и т. п.
В качестве средств борьбы от кавитации рекомендуется подбор правильной жидкости, которая позволит избежать быстрого износа деталей. Если говорить о двигателях внутреннего сгорания, то необходимо использовать рекомендованную изготовителем охлаждающую жидкость, в том числе с антикавитационными добавками.
Коррозионная кавитация
Коррозионная кавитация – разрушение металла, вызываемое одновременным коррозионным и ударным воздействием внешней среды (например, разрушение автопоилок, запорных водяных клапанов).
Это процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений и коррозионно-активных сред. Образование и развитие усталостных трещин сопровождается проникновением коррозионной среды в эти трещины и облегчает разрушение. Этому виду разрушения подвержены практически любые конструкционные материалы на основе железа, алюминия, титана, меди и других металлов. Особая опасность коррозионно-усталостного разрушения состоит в том, что оно может проходить практически в любых, в том числе таких слабых коррозионных средах, как влажный воздух, газы, влажные машинные масла и др. Поэтому коррозионная усталость металлов и сплавов наблюдается во всех отраслях техники.
При коррозионно-усталостном нагружении разрушение может произойти при напряжениях, значительно меньших обычного предела усталости (рис. 2).
Прогрессирующий рост трещин усталости обусловлен, с одной стороны, низким значением электродного потенциала в месте концентрации напряжений, а с другой, – легким разрушением защитной оксидной пленки в устье трещины при переменном нагружении.
 | |
| |
|
Рис. 2. Диаграмма усталости:
1 – предел усталости (истинный);
2 – предел коррозионной усталости
По характеру коррозионного разрушения различают следующие виды коррозии.
Сплошную коррозию(рис. 3, а, б, в), охватывающую всю поверхность металла. Она бывает:
а) равномерной (рис. 3, а), которая протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла (например, коррозия труб на открытом воздухе);
б) неравномерной (рис. 3, б), когда скорость коррозии на отдельных участках поверхности неодинакова;
в) избирательной (рис. 3, в), при которой разрушается одна структурная составляющая или один компонент сплава.
Местную коррозию, при которой на поверхности металла обнаруживаются поражения отдельных участков.
а) пятнами (рис. 3, г) – в виде отдельных пятен (когда диаметр поражения больше глубины);
б) язвами (рис. 3, д) – коррозионное разрушение, имеющее вид раковины (когда диаметр поражения примерно равен глубине проникновения);
в) точечной (питтинг) (рис. 3, е) – в виде отдельных точечных поражений (когда диаметр поражения меньше глубины проникновения);
г) сквозной (рис. 3, ж), которая вызывает разрушение металла насквозь;
д) нитевидной, (рис. 3, з), распространяющейся в виде нитей, преимущественно под неметаллическими защитными покрытиями;
е) подповерхностной (расслаивающей) (рис. 3, и), начинающейся с поверхности, но преимущественно распространяющейся под поверхностью металла. Подповерхностная коррозия часто вызывает вспучивание и расслоение металла;
ж) межкристаллитной (МКК) (рис. 3, к), распространяющейся по границам кристаллитов (зерен) металла. Этому виду коррозии подвержены хромистые, хромоникелевые стали, никелевые и алюминиевые сплавы. Она почти незаметна с поверхности и распространяется вглубь металла по границам зерен. В результате межкристаллитной коррозии нарушается связь между зернами, при постукивании по металлу пропадает характерный металлический звук, и после приложения нагрузки металл легко разрушается;
з) ножевой (рис. 3, л), локализирующейся в зоне сплавления сварных соединений в сильноагрессивных средах;
и) коррозионным растрескиванием, проявляющимся при одновременном воздействии коррозионной среды и механических растягивающих напряжений с образованием транскристаллитных (рис. 3, м), или межкристаллитных трещин. Этот вид коррозии опасен для конструкций, несущих механические нагрузки (мосты, тросы, рессоры, двигатели внутреннего сгорания и т. д.);
к) коррозионной хрупкостью, то есть хрупкостью, приобретенной в результате коррозии (например, водородное охрупчивание деталей из высокопрочных сталей).
Рис. 3. Основные виды сплошной и местной коррозии
(основной металл заштрихован, продукты коррозии обозначены точками)
Характеристика различных видов коррозии показывает, что каждый из них в определенных условиях может быть особенно нежелательным и опасным. Большую опасность представляет коррозия в виде язв, когда на отдельных участках металл прокорродировал довольно глубоко, а вся остальная поверхность не покрывается продуктами коррозии. Глубокая язвенная коррозия может привести к сквозным разрушениям тонкостенных участков деталей, обшивки и т. д. со всеми вытекающими отсюда последствиями. В некоторых случаях не менее опасна точечная коррозия. Такого рода коррозия подобна острым надрезам на наиболее ответственных участках той или иной детали и ведет к разрушению всей детали.
Очень опасна межкристаллитная коррозия, характерная для некоторых видов чугуна и нержавеющей детали. При межкристаллитной коррозии внешних признаков коррозионного разрушения не обнаруживается, хотя металл теряет допустимую прочность.
Для алюминиевых сплавов, применяемых на авиационной сельскохозяйственной технике, опасна подповерхностная коррозия, которая особенно трудно подавляется.
Контрольные вопросы:
1. На какие виды делят коррозию по условиям протекания процесса?
2. Какой вид коррозии является самым распространенным видом коррозии сельскохозяйственной техники
3. Что такое газовая коррозия?
4. В каких газах активно протекает газовая коррозия?
5. Как влияет на скорость атмосферной коррозии степень загрязненности воздуха?
6. Какие примеси повышают коррозионную активность атмосферы?
7. Как влияет на скорость атмосферной коррозии температура воздуха?
8. Что такое жидкостная коррозия?
9. На какие виды подразделяют жидкостную коррозию в зависимости от условий взаимодействия металла с жидкой средой?
10. Как влияет на скорость коррозии стальных деталей двигателей содержание серы в бензине?
11. Что такое меркаптаны?
12. В каких средах протекает жидкостная коррозия сельскохозяйственной техники?
13. Что такое подземная коррозия?
14. На какие виды подразделяют подземную коррозию?
15. Какие факторы определяют скорость и характер грунтовой коррозии?
16. Какие виды почв обладают высокой коррозионной активностью?
17. Какой тип почв преобладает в пашне Красноярского края?
18. Что является источниками блуждающих токов, вызывающих подземную коррозию?
19. Что такое биокоррозия?
20. Какие металлы могут корродировать под влиянием микроорганизмов?
21. Назовите продукты жизнедеятельности железобактерий?
22. Чем опасна грибковая плесень для металлических конструкций?
23. В какой отрасли сельского хозяйства наиболее опасна биокоррозия?
24. Что влияет на высокую скорость протекания биокоррозии в животноводческих помещениях?
25. Что такое структурная коррозия?
26. Что такое контактная коррозия?
27. Что такое щелевая коррозия?
28. Что такое коррозия под напряжением?
29. Что такое коррозионное растрескивание?
30. Что такое коррозионная усталость?
31. Что такое фретинг-коррозия?
32. На каких деталях машин возможно возникновение фретинг-коррозии?
33. Что такое коррозионная кавитация?
34. Какие конструкционные материалы подвергаются коррозионной кавитации?
35. Что такое сплошная коррозия?
36. На какие виды подразделяется сплошная коррозия?
37. Что такое местная коррозия?
38. На какие виды подразделяется местная коррозия?
39. Что такое межкристаллитная коррозия?
40. Где может проявляться ножевая коррозия?
41. Для каких конструкций опасно коррозионное растрескивание?
42. Что такое коррозионная хрупкость материала?
43. Какой вид коррозии опасен для стали и чугуна?
44. Какой вид коррозии опасен для алюминиевых сплавов?
Дата добавления: 2016-10-07 ; просмотров: 5573 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Понятие о кавитации и эрозии гребных винтов.
Здравствуйте сегодня я хотел бы написать о том что такое «Кавитация» и «Эрозия» гребных винтов и как она происходит.
Различают две стадии кавитации. На первой студии каверны невелики и на работе винта практически не сказываются.
Однако пузырьки, лопаясь, создают огромные местные давления, отчего поверхность лопасти выкрашивается. При длительной работе кавитирующего винта такие эрозионные разрушения могут быть настолько значительными, что эффективность винта снизится.
При дальнейшем повышении скорости наступает вторая стадия кавитации. Сплошная полость захватывает всю лопасть и даже может замыкаться за ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей.
Кавитацию винта можно обнаружить по тому, что скорость лодки перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение числа оборотов; гребной винт при этом издает специфический шум, на корпус передается вибрация, лодка движется скачками.
Момент наступления кавитации зависит не только от числа оборотов, но и от ряда других характеристик. Так, чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля, ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньшей частоте вращения, т. е. «раньше», наступает кавитация. Появлению кавитации способствуют также большой угол наклона гребного вала, дефекты лопастей — изгиб, некачественная поверхность.
Так же при кавитации и возникает эрозия так как химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации.
Кавитационная эрозия металлов вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п., кавитация также является причиной шума, вибрации и снижения эффективности работы гидроагрегатов.
Схлопывание кавитационных пузырей приводит к тому, что энергия окружающей жидкости сосредотачивается в очень небольших объёмах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума и приводят к эрозии металла. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках, так как снижает их скрытность.
Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Так сверхкавитационная торпеда «Шквал», в зависимости от плотности водной среды, развивает скорость до 370 км/ч. Еще кавитация используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в жидкости. Кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности. Таким образом, снижается потребность в опасных и вредных для здоровья чистящих веществах во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется очистка как этап производства.
Ниже представлены фотографии как кавитация действует на гребной винт.
Кавитация
Кавитация – в переводе с латинского означает «пустота» (cavitas). Кавитация – это процесс образования в потоке жидкости кавитационных пузырьков (полостей, каверн), которые внутри заполнены паром жидкости, в которой он возникает. Кавитационные пузырьки возникают в жидкости в результате местного понижения в ней давления. Это может происходить в результате увеличения движения жидкости (наблюдается гидродинамическая кавитация) или под воздействием акустической волны (акустическая кавитация). После того, как кавитационный пузырек попадает в область с более высоким давлением, он лопается (это может случиться и во время полупериода сжатия). При схлопывании пузырек является источником небольшой ударной волны. Ярким примером кавитации служит процесс кипения воды. При повышении температуры давление пара увеличивается и наступает момент, когда оно приравнивается к давлению окружающей среды, тогда образуются пузырьки. Пузырек схлопывается, когда давление окружающей среды становится большое, чем давление насыщенного пара жидкости.
Кавитация возникает только там, где существуют определенные условия. Кавитационное разрушение носит локальный характер. Кавитация может быть как негативным явлением (усиливает морскую коррозию, разрушает поверхность гидротурбин, гребных винтов и т.п.), так и позитивным (явление используется в военной технике, медицине, промышленности и др.). Кавитация интенсифицирует процесс коррозии металлов. В жидкости, например, воде, содержится большее количество кислорода, чем в воздухе, поэтому газ, который находится внутри кавитационного пузырька, по отношению к металлам химически более агрессивный, чем воздух.
Кавитация обладает двойным разрушительным воздействием. Кроме агрессивного воздействия газов, содержащихся в пузырьках, при их схлопывании возникают большие перепады давления, негативно воздействующие на материалы.
Кавитация очень часто является нежелательным явлением, например, при работе винтов двигателей моторных лодок. Создается излишний шум (бурление воды и схлопывание пузырьков) и со временем приходят в негодность лопасти гребного винта.
Иногда кавитация очень полезна. В лакокрасочной промышленности и некоторых других отраслях активно используются смесители, принцип действия которых основан именно на явлении кавитации. Так, например, смешивают краски и другие суспензии.
Кавитация в насосах: что за явление и как с ним бороться
При определенных условиях в насосе возникает явление кавитации. Оно негативно влияет на работу аппарата, неизбежно приводит к его повреждению. Некоторые меры способны минимизировать кавитационный эффект.
Физически кавитацию можно объяснить тем, что в любой жидкости неизбежно содержится определенный объем растворенного газа.
Кавитация также обусловлена гидродинамическими характеристиками рабочих органов насосного аппарата, например линии тока могут отклоняться от стандартных траекторий, увеличивается частота вращения либо сжатия потока. При этом явление может возникнуть и на движущихся, и на неподвижных зонах проточной части оборудования. Кавитация является очень распространенной причиной поломки оборудования (она занимает второе место, на первом же находится неправильная центровка вала).
Причины появления кавитационного эффекта
Более подробно причину кавитации можно объяснить следующим образом. Гидравлический насос имеет сторону всасывания рабочей среды и сторону нагнетания. Когда на первой из них давление падает до давления насыщения паров (может стать гораздо меньше атмосферного), в жидкости образуются пузырьки пара, она начинает «кипеть». Чем ниже показатель давления, тем, соответственно, пузырьков будет больше.
После этого жидкость поступает в зону нагнетания. Давление там уже будет выше атмосферного. В результате пузырьки «схлопываются», образуя ударную волну. Порой при таком местном гидроударе давление превышает 10 тысяч бар. Кинетическая энергия частиц трансформируется в энергию упругой деформации. Насосные агрегаты не рассчитаны на подобные нагрузки, поэтому неизбежно возникают повреждения.
Выделяют 3 кавитационные стадии:
1) Начальная. На данном этапе кавитационная область еще отсутствует;
2) Развитая. Имеются кавитационные пустоты (каверны);
3) Суперкавитация. Обтекаемый элемент полностью располагается в области кавитационной каверны.
Последствия кавитации в насосном оборудовании
Кавитация очень сильно влияет на исправность работы насосного устройства. Данное явление недопустимо даже в небольших масштабах в силу своего разрушительного влияния. Так, при схлопывании кавитационных пустот возникает шум (или характерное потрескивание в области входа в рабочее колесо), а также вибрация, причем чем больше габариты насоса, тем эти показатели будут больше.
Снижение характеристик насосного агрегата при развитой степени кавитации будет отличаться у насосов различной степени быстроходности. Причем параметры будут резко уменьшаться в случае низкой быстроходности и постепенно — при высокой. Если же кавитационная область полностью занимает сечение канала, подача насосного аппарата прекращается.
При продолжительной работе аппарата в условиях кавитации разрушаются материалы, из которых он изготовлен. Это явление называется питтинг, или точечное разрушение. Оно случается даже на начальном этапе кавитации.
Нужно различать разрушение по причине кавитации от коррозийного и эрозийного разрушения. Например, коррозия — последствие химического либо электролитического воздействия рабочей среды на металл, из которого изготовлен насос. Эрозия же случается из-за отрыва металлических частиц твердыми веществами, которые содержатся в перекачиваемой жидкости (к примеру, песок).
Как минимизировать данное явление
Явление кавитации в насосном оборудовании возможно предупредить. С этой целью разработаны специальные формулы. Согласно им кавитация менее вероятна, когда увеличивается высота подпора (то есть снижается высота всасывания), возрастает давление на поверхности жидкой среды.
Помимо этого, каждый агрегат имеет свой кавитационный запас. Также вероятность появления кавитации возрастает вместе с плотностью жидкости.
Важно знать, что кавитацию увеличивают потери напора на всасывающей линии. Поэтому, чтобы минимизировать явление, нужно обеспечивать «сплошной поток».
Интересно, что на сегодняшний день не существует материалов, абсолютно стойких к кавитационному эффекту. Все они из-за него разрушаются, только одни медленнее, а другие быстрее. Есть материалы более стойкие, одновременно с механической прочностью они обладают химической устойчивостью. Примером является бронза. А вот углеродистая сталь, чугун очень подвержены кавитационному разрушению (у чугуна это происходит за счет быстрого разрушения включений графита в его составе). Использование кавитационно стойких материалов обеспечивает непродолжительную работу насосного устройства при частичной кавитации. Это целесообразно, например, если аппарат испытывает кратковременную перегрузку.
Чтобы уменьшить физические последствия кавитации, производители применяют разного рода твердые напыления, а также закалку самых уязвимых элементов насоса. Однако это практикуется не так часто, поскольку данные методы не очень эффективные и при этом дорогостоящие.