10.2. Кавитационная эрозия
Среди многих негативных проявлений кавитации (таких как шум, вибрация, эрозия), способствующих разрушению материалов, эрозия является наиболее важным с практической точки зрения. Эрозионные разрушения могут развиваться настолько быстро, что делают ту или иную конструкцию неработоспособной уже через несколько часов эксплуатации.
Впервые вопрос о причине возникновения эрозионных повреждений серьезно изучался в 1893–1903 годах специалистами английского Адмиралтейства под руководством Парсонса в связи с разрушением гребных винтов быстроходных трансатлантических лайнеров и военных кораблей. Комиссия сделала вывод, что причиной разрушения являются ударные воздействия на лопасти винтов со стороны жидкости в зоне замыкания каверн.
До недавнего времени существовало несколько гипотез о механизме кавитационной эрозии и ее первопричинах. Кавитационную эрозию нельзя объяснить действием электрических и электрохимических факторов. Результаты испытаний материалов, вступающих в химическую реакцию с водой, в инертных жидкостях показывают, что основным фактором, вызывающим кавитационную эрозию, является постоянное чисто механическое воздействие.
В настоящее время рабочей является гипотеза Корнфельда – Суворова, согласно которой эрозионное разрушение материала вызывает «прошивающая» пузырек кумулятивная микроструйка, которая образуется при несимметричном замыкании пузырька вблизи твердой стенки (рис. 10.2: 14 фазы схлопывания кавитационного микропузырька).
Рисунок 10.2
Рисунок 10.3
По гипотезе Корнфельда – Суворова можно представить механизм разрушения материала конструкции в целом следующим образом (рис. 10.3: 1 – коллапсирующий пузырек; 2 – кумулятивная струйка; 3 – стенка; 4 – «выдавленный» материал (стадия пластической деформации); 5 – зона пластической деформации): при воздействии на обтекаемую поверхность, производимом кумулятивными струйками (процесс является импульсным и нестационарным), происходит деформация поверхности и, как следствие снижения усталостной прочности материала, выкрашивание, выбивание отдельных частиц. Начиная с этого момента интенсивность эрозии резко возрастает и существенную роль начинают играть гидродинамические факторы, определяющие разрушения в рамках теории ударной волны: вибрация, акустическое излучение и в определенных случаях химические и коррозионные факторы и т. п. На начальной стадии (пластическая деформация) процесс возможно описать, решив гидродинамическую задачу проникания с учетом прочности материала.
Опыты показали, что кавитационному разрушению подвержены все материалы, даже самые прочные и твердые. В связи с этим неоднократно исследовался вопрос о том, какие характеристики материала определяют его эрозионную стойкость.
Е. П. Георгиевской была предложена эмпирическая формула для определения введенного Тирувенгадамом понятия энергии деформации как параметра, характеризующего сопротивление материала эрозии:
(10.3)
где
расчетная величина энергии деформации;
Т – временное сопротивление; Y
– предел текучести;
относительное удлинение.
Энергия деформации – это, по существу, мощность поглощения энергии на единицу объема металла до момента образования излома.
В значительной мере на развитие кавитационной эрозии влияют условия обтекания поверхностей: скорость, давление, градиент давления, температура. Установлено, что при фиксированном значении числа кавитации интенсивность эрозии очень сильно зависит от скорости потока. Опытные данные хорошо аппроксимируются степенной зависимостью:
(10.4)
где
критическая
скорость, соответствующая моменту
начала кавитационных разрушений; n
– показатель степени. Большинство
результатов экспериментов по определению
интенсивности эрозии в зависимости от
скорости потока приводит к выводу, что
