CC BY
60
электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя №<frC 77 - 3056Э. Государственная регистрация №0421100025.155N 1994-0408_
Механизмы гидроэрозионного разрушения твердотельной преграды 77-30569/223166
# 10, октябрь 2011 Абашин М. И., Хафизов М. В.
УДК 53.043
МГТУ им. Н.Э. Баумана [email protected] [email protected]
1 Анализ механизмов гидроэрозионного разрушения твердотельной преграды
Энергетически экстремальные процессы взаимодействия сверхскоростной компактной гидроструи или струи абразивно-жидкостной суспензии с поверхностью твердотельной заготовки (мишени) являются физической основой всех операционных ультраструйных технологий. В последнее время, помимо традиционного использования ультраструи в качестве технологического инструмента для гидрорезания различных материалов или очистки поверхностей изделий от трудноудаляемых загрязнений, получили свое развитие инновационные гидротехнологии ультраструйной экспресс-диагностики параметров качества поверхностного слоя деталей или конструкций [1].
Анализ показал, что современный этап промышленного становления и освоения ультраструйных гидротехнологий характеризуется определенным методологическим противоречием между динамично повышающимся техническим уровнем обеспечения данных технологий и отставанием в понимании латентных физических закономерностей процесса ультраструйной гидроэрозии поверхностного слоя твердого тела под действием ультраструи жидкости (воды). Данное явление представляет собой в той или иной степени физико-технологическую основу всех операционных ультраструйных гидротехнологий, в первую очередь, производственного назначения. Поэтому отсутствие целостного представления и развитого аппарата математического моделирования и анализа сложной совокупности процессов гидроконтактного взаимодействия ультраструи жидкости с твердым телом не позволяет сделать необходимые научно-практические обобщения имеющихся, как правило, весьма фрагментарных экспериментальных данных.
Как следствие, такое положение сдерживает целенаправленный поиск новых эффективных инженерно-технических и технологических решений в сфере развития ультраструйных гидротехнологий.
В связи с этим, в данной работе предпринята попытка обобщения существующих практических и теоретических научных данных с использованием современного математического аппарата численного моделирования для анализа физических особенностей и результатов взаимодействия высокоэнергетической, с плотностью мощности ~1 МВт/мм2 струи жидкости, с поверхностью твердого тела: мишенью или обрабатываемой заготовкой. В частности, анализировались наиболее характерные варианты этого взаимодействия, связанные с проникновением ультраструи жидкости в глубину обрабатываемого материала, что имеет место при гидрорезании, а также ультраструйное удаление части его поверхностного слоя, т. е. осуществлялось моделирование технологической операции гидроочистки. Рассмотрены другие характерные примеры и намечены перспективы развития исследований, направленных на детализацию физических закономерностей процессов ультраструйного гидроконтактного взаимодействия и расширение сферы технологических приложений математического аппарата численного моделирования.
2 Процессы, происходящие при ударе жидкости о твердотельную преграду
Было установлено, что процесс удара струи жидкости о поверхность твердого тела состоит из двух периодов: периода роста давления, продолжающегося до момента возникновения полностью развитого поперечного струйного растекания воды, и периода спада давления, во время которого кончик струи расплющивается на поверхности. В момент касания струи воды о преграду образуется область контакта, которая расширяется со скоростью, уменьшающейся с течением времени, при этом давление, неравномерно распределенное по области взаимодействия, быстро достигает максимального значения. Направление последующего поперечного струйного растекания жидкости зависит от размера зоны контакта и от скорости восстановления деформированного участка. Кроме этих непосредственных последствий удара струи, на ранних стадиях процесса удара возникают волны напряжений. От расширяющейся области контакта последовательно отделяются продольные (дилатационные) волны, поперечные волны (волны искажений, или деформации сдвига) и поверхностные волны Рэлея, которые перемещаются по материалу преграды от места удара.
Повреждение материала связано с различными особенностями процесса удара струи воды. В хрупких и недостаточно пластичных материалах при скоростях удара, превышающих критическую скорость разрушения, образуются трещины. Они обычно зарождаются при прохождении волны напряжения в зонах высоких напряжений растяжения, которые возникают у границы области углубления вблизи поверхности преграды на некотором расстоянии от места удара. Сначала в зоне прохождения волны преобладают напряжения сжатия, но после того, как от контактной области отделяется волна сдвига, на значительное расстояние по радиусу распространяются напряжения растяжения заметной величины. Разрушение происходит либо вследствие прохождения волн напряжения, либо вследствие деформации в зависимости от скорости распространения волн в материале преграды, а также от характеристик прочности материала на разрыв.
При средних скоростях распространения волн кольцевые трещины, обусловленные воздействием больших радиальных составляющих растягивающих напряжений, появляются раньше следов разрушения, возникающих вследствие деформации, или почти одновременно с ними. Конечно, во многих твердых хрупких материалах деформация в зоне контакта бывает небольшой, и при таком виде повреждений не достигается критического уровня напряжений, вызывающего разрушение материала.
При воздействии волн напряжения, возникающих при ударе, очаги разрушения могут развиться на некотором расстоянии от контактного пятна, где давление максимально. Разрушение может произойти в результате взаимодействия волн напряжения с небольшими поверхностными трещинами и другими микроструктурными образованиями, которые являются концентраторами напряжений. Разрушение может также возникать и под действием волн напряжения, амплитуда которых в течение достаточно длительного промежутка времени превышает динамический предел прочности материала преграды. При этом повреждение материала волной напряжения не обязательно определяется взаимодействиями с микроструктурными элементами материала.
В работе [2], с помощью детальных микроскопических исследований, а также анализа процесса удара капель воды, определены в стендовых условиях общие характеристики эрозии широкого класса материалов. Тщательное исследование процесса уноса различных материалов позволило выделить четыре основных вида повреждения вследствие удара струи воды. Вид повреждения в некоторой степени зависит от механических свойств материала. К основным видам повреждения относятся: повреждения вследствие деформации, распространения волн напряжения, поперечного растекания струй и проникания жидкости внутрь материала. Под действием одного или нескольких из этих механизмов возникает
повреждение, а затем унос материала. Повреждение материала преграды развивается как сложный динамических процесс, состоящий из ряда взаимосвязанных событий.
В металлах влияние деформации не столько значительно. Признаками начальной фазы повреждения образцов из аустенитной нержавеющей стали, кремнистой стали, меди и латуни являются дефекты в виде углублений микрометрического размера и изменения наклона зерен [2]. Поднятые края зерен представляют собой препятствия для поперечного растекания струек жидкости, в результате чего возникают эрозионные раковины. Небольшие углубления являются концентраторами локальных напряжений, которые способствуют их увеличению, не вызывая уноса материала.
Механизм образования эрозионных раковин описан в работе [3] для сплава марки «хейнес 6 В», который в кованом состоянии содержит 10 % (по объему) грубозернистого карбида, диспергированного в хорошо проплавленной матрице из кобальта. Образование трещин между карбидом и матрицей и по линиям скольжения в матрице представляет собой начальную фазу повреждения сплава, которая, по мнению Беквита и Мариотта [3], связана с непосредственным воздействием давления. В дальнейшем унос сплава происходит за счет выкрашивания частиц карбида, по-видимому, под действием сил, возникающих при поперечном растекании жидкости. Места, откуда были удалены частицы карбида, служат центрами возникновения эрозионных раковин, рост которых связан до некоторой степени с образованием трещин по линиям скольжения в матрице. Такие результаты наблюдались при воздействии струи воды на образец, вращающийся на центрифуге, даже в том случае, когда давление при ударе не превышало предела текучести испытываемого материала.
Многие исследователи на основе некоторых результатов осмотра поврежденных поверхностей, а также того факта, что эрозионная среда создает повторяющиеся нагрузки, пришли к заключению, что существует связь между сопротивлением эрозии и явлением усталости металлов [4]. Однако следует отметить, что в работе [5] наблюдались повреждения микроструктуры сплава марки Т16Л14У под действием ударов одиночных капель воды, несмотря на то, что величина возникающего давления составляла приблизительно только половину предела текучести этого сплава. Участки локально поврежденных областей, в которых происходят топологические изменения, становятся местами возникновения эрозионных раковин, возможно, в результате воздействия растекающихся струек жидкости или проникания жидкости внутрь материала. Согласно результатам микроскопического исследования срезов этого сплава, по мере развития процесса эрозии, по-видимому, появляются подповерхностные усталостные трещины, однако более тщательный осмотр вершин трещин показал, что они сглажены и не соответствуют истинным трещинам. Как
показало исследование трехмерной структуры путем последовательного секционирования, трещины берут начало в эрозионных раковинах и их развитие напоминает процесс туннельного проникания. По-видимому, эти туннели образовались в результате воздействия высокоскоростных струй жидкости на растущие эрозионные раковины. Обнаружено, что унос материала происходит главным образом вследствие проникания жидкости внутрь материала, при котором происходит локальное поднятие поверхности в ослабленных областях. При исследовании прогрессирующей эрозии некоторых прозрачных полимерных материалов и стекол получены [6, 7] дополнительные экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что проникание жидкости внутрь материала вызывает поднятие частиц материала с поверхности. Хотя для некоторых металлов унос материала объясняется образованием усталостных трещин, однако можно указать и другие механизмы. На практике удаление материала происходит в результате ряда сложных взаимодействий между падающей струей воды и изменяющейся поверхностью преграды.
С другой стороны, можно выдвинуть предположение, что повреждение металлов под действием ультраструи происходит в результате пластической деформации. После воздействия высокоскоростной струи жидкости достигается деформированное состояние, при котором в отдельных местах значительно возрастает концентрация дислокаций. В этих областях внутренние напряжения превышают сопротивление излому и возникает трещина. Потеря массы происходит вследствие расширения и слияния этих трещин. Но для большинства металлических сплавов нельзя не принимать во внимание то, что удаление материала происходит не только из-за расширения и слияния трещин, но и вследствие образования туннелей и вспучивания поверхностного слоя металла.
Поскольку во всех работах наблюдалось удаление материала при ударах жидкости о поверхность металла, когда среднее давление при ударе заведомо не достигает предела текучести, то, по-видимому, процесс возникновения повреждения в значительной степени определяется микроструктурой металла. На этот процесс большое влияние оказывает продолжительность импульса давления [8]. Но пока не выяснен вопрос о влиянии формы импульса на процесс эрозионного повреждения. В настоящее время нельзя дать определенного ответа на такой вопрос, но ясно, что для этого потребуются большие усилия, направленные на то, чтобы рассчитать напряженное состояние материала при воздействии импульсной нагрузки, моделирующей удар жидкости, а затем выяснить, как эти изменяющиеся во времени и пространстве напряжения влияют на отдельные элементы микроструктуры.
В работах [6, 9, 10] описаны виды деформаций, возникающие в полимерных материалах. Характер повреждения стекла и керамических материалов под действием ударов капель воды исследован в работах [11, 7, 12].
Изолированные остаточные углубления и (или) кольцевые трещины образуются в результате больших деформаций поверхности материала непосредственно под радиально расширяющимся контактным пятном между струей и поверхностью преграды или вблизи него. Повреждения такого рода вызываются значительными растягивающими изгибающими напряжениями, которые возникают по механизму Инджел-Файелла [10, 13, 14], схематично показанному на рис. 1. Прежде чем начинается поперечное растекание, поверхность АВ в результате сжатия перемещается в положение А'В'. Боковые поверхности углубления ХА' и YB' подвергаются растяжению, при этом растягивающие напряжения возникают также на участках XD и YE, что приводит к образованию круговых трещин. Согласно результатам измерений Файелла [13], изменение длин ХА и YB при деформации таково, что остаточная относительная деформация растяжения очень мала. Поверхность преграды восстанавливается до положения АВ, но остается небольшая деформация вдоль ХА' и YB', в результате чего образуются профили XLA и BMY. Величина деформаций и возможные причины начала разрушения связаны со сжимаемостью материала и зависят от предела прочности на разрыв.
При дозвуковых скоростях удара механизм Инджел-Файелла применим к материалам с высокой пластичностью, как, например, полимерные материалы. Если в керамических материалах и металлах под действием приложенной нагрузки возникают упругие деформации, то в пределах контактного пятна они не очень велики. Согласно результатам численных расчетов Хванга [15], максимальное смещение в алюминиевой мишени составляет примерно 2 мкм, а в мишени из плексигласа 25 мкм при ударе капли воды диаметром 2 мм со скоростью 300 м/с. Эти результаты дают, по крайней мере, приближенную оценку величины деформаций. Очевидно, что механизм Инджел-Файелла не учитывает образования изолированных углублений и того, что на поверхности металла при ударном воздействии жидкости преобладают повреждения порядка нескольких микрометров. Необходимо иметь более полное представление о характере распределения давления на поверхности раздела и о природе взаимодействия с отдельными особенностями микроструктуры материала.
о
X
и А
В М' У Е
I
М !
\
/
ч
А'
В'
Рисунок 1 - Схема механизма возникновения деформаций в пластичных материалах
(механизм Инджел-Файелла)
На поверхности преграды имеются разрывы и наклонные зерна, а также другие дефекты микроструктуры поверхности, поэтому при поперечном струйном растекании в процессе разрушения капли на поверхности происходит взаимодействие со смещенными краями этих трещин или другими поверхностными дефектами, что приводит к зарождению и распространению разрушения. Эффективность действия растекающихся струек жидкости в процессе расширения уже существующих трещин зависит от разности высот между противоположными краями образовавшейся трещины. Она зависит от свойств материала и от начального напряженного состояния поверхностного слоя преграды.
Число кольцевых трещин, образовавшихся под действием деформации и волн радиальных растягивающих напряжений, в хрупких и недостаточно пластических материалах, а также число любых дефектов поверхности, оставшихся от предыдущих ударов, в других материалах начинают увеличиваться под действием поперечно растекающихся струй жидкости, возникающих в период спада давления в процессе разрушения капли жидкости. Поперечное растекание струй жидкости не вызывает возникновения повреждения или его развития в отсутствие ранее образовавшихся дефектов поверхности, с которыми оно может взаимодействовать. Противоположные края трещин, образовавшихся на поверхности образца под действием деформации или волн напряжения, обычно имеют различную высоту вследствие неполного смыкания трещин [9, 7]. Разность высот краев трещин в плексигласе оказалась равной 0,1.. .0,2 мкм.
Скорость поперечно растекающихся струй жидкости, возникающих при ударе струи воды может на порядок превосходить скорость самой падающей струи. Поперечно растекающиеся струи создают давление, приложенное к выступу (краю трещины), которое в
свою очередь создает касательные напряжения, действующие вдоль основания выступа, а также изгибающий момент, стремящийся опрокинуть выступ.
Проникающее действие жидкости при ударе капель воды о поверхность с уже образовавшимися трещинами и эрозионными раковинами представляет собой наиболее эффективный вид повреждения в отношении уноса массы материала, поскольку в этом случае субмикрометрические трещины и раковины на поверхности разрастаются до заметных размеров (порядка нескольких миллиметров), что значительно ускоряет унос материала.
Процессы, приводящие к уносу материала с небольших участков поверхности при воздействии ультраструи воды, представляют собой сложную цепь взаимодействий, включающую, по-видимому, все рассмотренные выше механизмы. Импульсная нагрузка, приложенная к поверхности материала при ударе струи воды, возможно, имеет сложную форму. Определение реакции материала на ее воздействие представляет собой трудную проблему, решение которой позволит определить условия возникновения и распространения разрушения.
Процессы, происходящие на начальной стадии удара струи, постепенно видоизменяются на ранних стадиях эрозии материала по мере того, как увеличивается число разрывов, а также зарождаются и растут эрозионные раковины. При этом проникающее действие жидкости быстро становится основным механизмом повреждения поверхности. Неровности поверхности, увеличивающиеся с ростом эрозионных раковин, способствуют эффективному воздействию струи жидкости. Режимы течения сильно изменяются в зависимости от формы эрозионной раковины и от расстояния от нее до места воздействия струи воды. Эрозионные раковины способствуют образованию высокоскоростных струй, которые в свою очередь увеличивают глубину раковин. В алюминиевых сплавах [14] и в сплавах марки H6A14V наблюдалось интенсивное образование туннелей, начинающихся в эрозионных раковинах [5]. С другой стороны, унос материала часто связывают с процессом усталости, который развивается при повторных воздействиях на поверхность металла импульсов давления. Это, по-видимому, не относится к керамическим материалам, для которых основным механизмом разрушения является проникающее действие жидкости. В однородных полимерных материалах [6] и в армированных неметаллических композиционных материалах, упроченных с помощью нитей [15], необходимо, прежде всего, учитывать процесс расширения трещин и вспучивание поверхности.
3 Моделирование струеударного воздействия на поверхность твердого
тела
Исследование особенностей удара ультраструи о поверхность твердого тела проводилось с использованием аппарата механики сплошной среды в двумерной осесимметричной постановке. Идеализированная расчетная схема рассматриваемого процесса показана на рис. 2, где 1 - струя жидкости (воды), движущаяся со скоростью У0= 0,8 ... 1,2 км/с, 2 - обрабатываемая мишень (преграда), в качестве материала которой использовалась пластичная сталь - сталь 20 и алюминиевый сплав Д16.
Рисунок 2 - Расчетная схема
При этом для описания поведения взаимодействующих материалов принималась идеальная упругопластическая модель среды. Система уравнений, описывающая двумерное осесимметричное течение в переменных Эйлера, имеет классический вид [16, 17]:
др + д(рО | д(ру2) + ру = 0;
д? дт д2 т
р^ = + 2РГт + Р; р^ = + В.;
й ? д т д 2 т ' й ? д 2 д т т '
de . .
9— = ®rr s rr + ст zz s zz + aees ee + 2a rz s rz; dt
p = p(p,e); стг] = —pgj + Di};
dvr dr
• = Zl
s ee = ,
dv^ dz
dvr dvz
dz dr
s re=s ze= 0;
D D
_r
D t
2G
s rr +
1 d p 3p d t
D Dz D t
2G
s zz +
1 d p
3p d t
D D D t
G (s rz);
/-Ч
/■ = 2•((+ D2 + D2 + D • D )<-Y2.
rr rz zz rr zz 3
Здесь p - плотность; p - давление; e - удельная внутренняя энергия; t - текущее время; r, z - радиальная и осевая координаты; vr, vz - компоненты вектора скорости; gj -метрические коэффициенты основного базиса выбранной системы координат, причем i, j = r, в, z; On-, ozz, Gee - нормальные напряжения в радиальном, осевом и тангенциальном направлениях; orz - касательные напряжения; Dj - компоненты девиатора напряжений; s j -
компоненты тензора скоростей деформаций; D(...)/Dt - производная Яуманна; G - модуль сдвига; Y - динамический предел текучести среды.
В приведенной системе уравнений в порядке следования представлены законы сохранения массы, импульса и энергии, в общем виде уравнения состояния взаимодействующих сред, взаимосвязь компонентов тензора полных напряжений с шаровой и девиаторной составляющими, кинематические соотношения, физические соотношения в виде закона Гука в дифференциальной форме и условия пластического течения Мизеса.
Для моделирования условий разрушения в металлических элементах конструкции принято два критерия - прочностного и деформационного. Согласно первому из них, отрывные разрушения в материале происходят при выполнении прочностного критерия вида
стi > G*p , где oi - интенсивность напряжений, стр - откольная прочность материала. Согласно второму критерию, разрушение материала происходит при достижении интенсивностью деформаций своих критических значений si > s . Здесь s* - критическая деформация.
Уравнения состояния для металлов брались в форме линейной баротропной зависимости давления от плотности p = K(p/p0 — l). Здесь p0 - начальная плотность; К -
модуль объемного сжатия, принимаемый равный для стали 175 ГПа, для оксидной керамики Al2O3 - 227 ГПа, а для АМг6 и Д16 - 63,2 ГПа. Другие физико-механические характеристики
rr
zz
rz
r
материалов мишени представлены в табл. 1. Уравнение состояния воды принималось в виде полиномиальной зависимости давления от плотности:
р = Лд + Л2д 2 + Л3д3 + (В0 + 0 е при ц > 0;
р = Тхд + Т2 Д2 + В0-р 0е при ц < 0,
где д = р/р0 -1 ; р, р0=1 г/см3 - текущая и начальная плотности соответственно. Коэффициенты уравнения состояния воды принимали следующие числовые значения: А1 = 2,2 ГПа, А 2 = 9,54 ГПа, Аз =14,57 ГПа, В0 = 0,28, В1 = 0,28, Т = 2,2 ГПа, Тг = 0.
В качестве граничных условий использовались следующие. В области контактного взаимодействия струи с преградой накладывались ограничения на скорость индивидуальных точек в направлении оси 02 соответствии с условиями непроницаемости материала:
у (струя) = у (тетрада) 2 2 '
а также на напряженное состояние, реализующегося в этих точках в соответствии с третьим законом Ньютона:
р (струя) = _ (преграда) Гт п '
где т - вектор единичной нормали к поверхности преграды.
При формулировке граничных условий на оси симметрии (ось 02) необходимо учитывать, что при т = 0 частицы среды движутся только в осевом направлении (у2 = 0^, а осевые ускорения этих частиц должны быть ограничены. Из уравнений движения следует, что это может быть реализовано только при отсутствии касательных напряжений на оси симметрии (о,? = 0).
При решении исходной системы уравнений на неподвижной сетке область интегрирования ограничена: снизу осью симметрии (Г1 на рис. 2); слева, сверху, справа — открытыми поверхностями (Г2, Г3, Г4), через которые среда может вытекать или втекать.
Начальные условия конкретной задачи задавались распределением параметров р, р, ут и у2 в поле течения. Компоненты напряжений принимаются равными нулю. Для получения более полной информации о процессе взаимодействия преграда маркировалась реперными точками, в которых дополнительно вычислялись параметры текущего состояния среды.
Таблица
Физико-механические характеристики материалов преграды
Материал мишени Обознач ение Сталь 20 Д16
Плотность, г/см3 Ро 7,5 2,78
Модуль сдвига, ГПа О 80,8 27,5
Предел текучести, ГПа У 0,5 0,3
Откольная прочность, ГПа * Ор 1,65 0,9
Критическая интенсивность деформации * 8 0,80 0,43
4 Влияние волновых возмущений на механизм гидроэрозионного разрушения
Мощное волновое возмущение зоны ультраструйного контакта, возникновение изгибных волн, поверхностных акустических волн - волн Рэлея (см. рис. 3), волн упругой деформации других типов, например, упругих волн Лэмба (см. рис. 4) и т. д. вносят свой достаточно заметный вклад в процесс гидроэрозии материала мишени. Учитывая этот факт и используя аппарат механики сплошной среды, замкнутую систему уравнений, описывающую движение и состояние сплошной среды с учетом ее физико-механических свойств, внешних силовых факторов, а также расчетную схему, представленную на рис. 2, было проведено моделирование взаимодействия гидроструи с преградой (материал - Сталь 20) с целью выявления закономерностей зарождения и развития совокупности волновых процессов в зоне гидрорезания.
Результаты численного моделирования предложены в виде основных этапов, демонстрирующих последовательное развитие волновых процессов в материале преграды и на поверхности (см. рис. 3, 4). Для удобства представления и анализа полученных результатов на моделях отсутствуют опоры, на которых были установлены преграды (мишени).
Рисунок 3 - Этапы развития волновых процессов (3Б -модель) при взаимодействии высокоскоростной гидроструи воды с цилиндрической металлической (сталь 20) преградой 1 - гидроструя, 2 - поверхность преграды (мишени), 3 - единичная волна деформации, 4 - поверхностная волна Рэлея, 5 - шкала распределения напряжений в материале
Рисунок 4 - Этапы развития волн упругой деформации при взаимодействии высокоскоростной гидроструи воды с прямоугольной металлической (сталь 20) преградой 1 - гидроструя, 2 - поверхность преграды (мишени), 3 - нижняя стенка преграды, 4 - единичная волна деформации, 5 - шкала распределения напряжений в материале
Согласно рис. 3 и 4 можно проследить поэтапное возникновение волновых флуктуаций, возникающих при взаимодействии в некоторой достаточно малой области поверхности и/или
подповерхностном слое мишени, различных по мощности и типу волн упругой деформации. При этом, следуя данным шкалы распределения напряжений в материале, напряженно-деформированное состояние материала мишени в месте появления волновых флуктуаций достигает критического значения (белый цвет). Безусловно, это приводит к изменению структуры материала, в частности локальному пластическому течению, оттеснению поверхностных слоев на периферию области удара гидроструи, формированию микро- и субмикротрещин, их развитию в течение времени воздействия на преграду (мишень). Эрозия преграды помимо прочих факторов также связана с проявлением кавитации: ударными волнами и кумулятивными струйками, образующимися при схлопывании кавитационных пузырьков. Кумулятивные струйки разрушают поверхность твердого тела за счет кинетической энергии жидкости [18 - 20]. Эти данные также подтверждены результатами моделирования, где для сравнения была рассмотрена модель взаимодействия гидроструи с плоской полированной поверхностью и поверхностью, имеющей существенную шероховатость. В качестве материала мишени был выбран сплав Д16, характеристики которого приведены в табл. 1, Из рис. 5 следует, что процесс гидроэрозии для образца, имеющего значительную шероховатость, существенно более производителен, чем для полированного образца (время на рис. 5, а и 5, б с момента начала взаимодействия гидроструи и преграды рассматривается одинаковым).
Из рис. 4 видно периодическое изменение поля напряжений в зоне контакта струи и поверхности мишени, что подтверждает наличие усталостного механизма гидроэрозии. Также видны поля напряжений, форма которых характерна для механизма возникновения повреждений Инджел-Файелла, что позволяет сделать вывод о доминирующем влиянии данного механизма на начальном этапе разрушения.
Следует учитывать развитие волновых процессов и в самой гидроструе, что также вполне наглядно демонстрируют результаты компьютерного моделирования (см. рис. 6).
Рисунок 5 - Сравнительно-сопоставительный анализ интенсивности гидроэрозии шероховатой и полированной поверхности сплава Д16
Следуя рассматриваемой на рис. 6 схеме, можно утверждать, что еще до взаимодействия с преградой часть гидроструи жидкости на этапе движения к ней в интервале 2 - 3 мм относительно среза сопла уже подвержена высокоэнергетическому акустическому и волновому воздействию, которое может приводить не только к изменению свойств самой жидкости ввиду наличия ультразвуковых колебаний, но и к эффектам, влияющим на производительность обработки, например кратковременным, скачкообразным перепадам давлений и пульсациям, что традиционно объединяется термином «явление или эффект кавитации». В рассматриваемом случае имеет место так называемая акустическая кавитация, возникающая при прохождении через жидкость акустических колебаний [19]. Таким образом, полученные результаты демонстрируют наличие эффекта разрыва сплошности жидкофазной среды под действием интенсивных динамических растягивающих и/или касательных напряжений, возникающих при прохождении через нее волн разряжения - сжатия, удара и т.д., что достаточно подробно исследовано в соответствующих разделах физической гидродинамики.
Рисунок 6 - Волновые процессы, возникающие в гидроструе по оси симметрии; 1 - гидроструя, 2 - распространение волн деформации вдоль столба гидроструи, 3 - преграда (мишень), 4 - опоры для установки преграды, 5 - поверхностные волны на гидроструе,
6 - область пониженного давления
В заключение можно сделать следующие выводы.
1. Гидроэрозия - это сложный динамический процесс, состоящий из целого ряда взаимосвязанных событий.
2. Существует множество взаимообусловленных и взаимовлияющих механизмов гидроэрозии, зависящих от множества факторов, таких как:
1) характеристики гидроструи:
- скорость;
- диаметр;
- форма;
- режим истечения;
- угол падения и др.
2) характеристики преграды:
- механические характеристики материала преграды;
- форма и шероховатость поверхности преграды;
- микроструктура материала.
Список литературы
1. Барзов А. А., Галиновский А. Л. Технологии ультраструйной обработки и диагностики
материалов - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 246 с.
2. Эрозия: Пер. с англ./Под ред. К. Прис.-М.: Мир, 1982. - 464 с., ил.
3. Beckwith D. J., Marriott J. В., in Erosion by Cavitation or Impingement, American Society
for Testing and Materials, Philadelphia, Pennsylvania, ASTM.
4. Heymann F. J., Proc. Int. Conf. Rain Eros. Assoc. Phenom., 2nd, A. A. Fyall, R. B.
King (eds.), Royal Aircraft Establishment, Farn-borough, England, 1967, pp. 683 - 740.
5. Adler W. F., Vyhnal R. F., Proc. Int. Conf. Rain Eros. Assoc. Phenom., 4th, A.
6. Adler W. F., Hooker S. V., Characterization of Transparent Materials for Erosion Resistance,
Air Force Materials Laboratory Rep. AFML-TR-76-16, 1976.
7. Adler W. F., Hooker S. V., Wear, 50, 11 - 38 (1978).
8. Thomas G. P., Brunton J. H., Proc. R. Soc, London, Ser. A314, 549 - 565 (1970).
9. Adler W. F., Hooker S. V., J. Mater. Set., 13, 1015 - 1025 (1978).
10. Adler W. F., Hooker S. V., Wear, 48, 103 - 119 (1978).
11. Bowden F. P. .Field J. E. ,Proc. R. Soc., London, Ser. A282, 331 - 352 (1964).
12. Fyall A. A., Proc. Meersburg Conf. Rain Eros. Allied Phenomena, 2nd, Meersburg, A. A. Fyall, R. B. King (eds.), Royal Aircraft Establishment, Farnborough, England, 1967, pp. 563 - 586.
13. Fyall A. A., in Radome Engineering Handbook, J. D. Walton, Jr., (ed.) Dekker, N. Y., 1970, pp. 461 - 572.
14. Morris J. W., Jr., Wahl N. E., Supersonic Rain and Sand Erosion Research. Erosion Characteristics of Aerospace Materials, Air Forse Materials Laboratory Rep. AFML-TR-70-265, 1970.
15. Adler W. F., Analytical Modeling of Liguid and Solid Particle Erosion, Air Force Materials Laboratory, Rep. AFML-TR-73-174, 1973.
16. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, испр. - В 2т. Т. 2 - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 656 с.
17. Численные методы в задачах физики быстропротекающих процессов: Учебник для втузов. / А.В. Бабкин, В.И. Колпаков, В.Н. Охитин, В.В. Селиванов. - 2-е изд., испр. - Т. 3. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 520 с.
18. Федоткин И.М., Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процессах. - Киев: Вища шк., 1984. - 68 с.
19. Флинн Г. Физика акустической кавитации в жидкостях //Физическая акустика / Под ред. У. Мезона. - М.: Мир, 1967. - Т. 1, Ч. Б. - С.7 - 138.
20. Neppiras E.A. Acoustic cavitation // Phys. Repts. - 1980. - V. 61, N- P. 159 - 251.
