Многократные гидравлические удары (частота которых измеряется сотнями герц) сильно локализованы и вызывают возникновение больших напряжений в поверхностном слое деталей. Одновременно на поверхность действует жидкость, которая ослабляет сопротивление материала циклическому контактному воздействию, а при высокой агрессивности вызывает также образование продуктов коррозии (обычно непрочных и хрупких).

Радикальным средством борьбы с кавитационным изнашиванием является устранение за счет конструктивных мероприятий возможности образования кавитационного эффекта при работе деталей. Поскольку последнее по разным причинам не всегда удается выполнить, задача подбора износостойких материалов для рассматриваемых условий изнашивания не лишается практического значения.

Рис. 1. Схема перегиба трубы с применением отростка

Многочисленные экспериментальные данные позволяют считать, что кавитационный процесс изнашивания в своей основе является механическим. Коррозионная среда, как и во всех усталостных процессах, активно влияет на сопротивление материалов разрушения, снижая его.

Рис. 2. Кавитационный износ углеродистых сталей:
1 — сталь 20, твердость 120 кГ/мм2; 2 — сталь 35, 155 кГ/лш2; 3 — сталь 40, 153 кГ/мм2; 4 — сталь 50, 162 кГ/мя2; 5 — сталь 48, 156 кГ/мм2; 5 — сталь У7, 193 кГ/мм%

Гидравлические удары вызывают значительный наклеп поверхностного слоя. По данным Л. А. Гликмана, после 5 мин кавитационного воздействия микротвердость малоуглеродистой стали возрастает в результате наклепа на 38,6% (на глубине до 15—20 мк). Рентгенографическое исследование таких образцов показывает наличие в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

Скорость кавитационного изнашивания в тысячи раз выше скорости чисто коррозионного разрушения поверхностного слоя. Корреляционная связь между механическими свойствами, коррозионной стойкостью и сопротивлением материалов навигационному разрушению пока еще не установлена. Одной из при* чин этого является, по-видимому, то, что из механических свойств поверхностного слоя при исследованиях определяется в основном только твердость, а коррозионное воздействие изучается чаще всего в отрыве от его влияния на прочностные показатели поверхностного слоя.

Лабораторная оценка кавитационной стойкости материалов часто производится на приборах машитострикционного типа, что позволяет в короткое время получать большие величины износа. Б силу определенности механизма разрушения при кавитационном воздействии результаты лабораторных испытаний позволяют получить объективную сравнительную характеристику износостойкости материалов, если условия испытаний воспроизводят реальное соотношение механического и коррозионного факторов.

Рассмотрим данные о кавитационной стойкости ряда конструкционных материалов.

Стали. Двойственная природа износостойкости материалов при кавитационном изнашивании определяет отсутствие прямой связи стойкости материалов в этих условиях от их механических свойств. Если полагать, что для какой-то группы сталей действие коррозионных факторов равнозначно, то с повышением твердости и содержания углерода износостойкость возрастает.

Вместе с тем легирование сталей хромом и никелем, приводящее к повышению коррозионной стойкости, также весьма благоприятно сказывается на сопротивлении материалов кавитацион-ному изнашиванию. Имеющиеся экспериментальные данные и выводы, вытекающие из понимания природы кавитационных разрушений поверхностного слоя, позволяют констатировать, что кави-тационная стойкость сталей определяется сочетанием механических и антикоррозийных свойств. Таким образом, твердость является только косвенным и притом недостаточным критерием оценки износостойкости сталей в условиях кавитационного воздействия.

В применении к оценке кавитационной стойкости материалов использование показателей твердости оправдывается лишь практическими удобствами в их определении. Правильней говорить о таких свойствах поверхностного слоя, как сопротивление хрупкому разрушению или усталости при одновременном действии жданной агрессивной среды.

По данным испытаний, проведенных в ЦНИИТМАЩ И. Р. Кряниным, было установлено, что с возрастанием предела выносливости при испытании в воде наблюдается также уменьшение износа при кавитационных испытаниях.

На рис. 3 представлены кривые в координатах твердость материала— износостойкость (в условных единицах), построенные по данным Л. А. Гликмана. Кривая показывает изменение износостойкости углеродистых сталей при одновременном повышении содержания углерода (с 0,15 до 0,56%) и твердости (в пределах от 122до 190 кГ/мм2). Как бы на продолжении этой кривой разместились точки для стали 1X13 с твердостью от 230 до 420 кГ/мм2. Линия для нержавеющих сталей 1Х18Н9Т, 2X18Н9 и ЭИ-388 проходит намного выше первых Двух кривых. Следовательно, при одинаковых значениях твердости, износостойкость изменяется от 3 до 5 раз, что объясняется разиой чувствительностью испытанных материалов к действию коррозионной среды.

Рис. 3. Износостойкость сталей и чугунов в зависимости от их твердости:
1 — углеродистые стали; 2 — нержавеющая сталь 1X13; 3 — нержавеющие стали 1Х18Н9Т, 2Х18Н9 и ЭИ-388; точки (слева — направо) — серый, модифицированный и высокопрочный чугуны

Рис. 4. Износ нержавеющей (/) и углеродистой (2) сталей во времени

Преимущества аустенитных коррозионностойких сталей перед углеродистыми состоят также в том, что усталостные процессы протекают в них медленнее и требуют большего времени, так как наклеп сталей аустенитного класса до предельного состояния требует большей затраты энергии. На рис. 36 представлены кривые увеличения износа во времени для углеродистой (0,31% С) и аустенитной стали типа ЭИ-388 (для наглядного представления кривой величины износа при ее построении были увеличены в 10 раз). Как видно, скорость изнашивания аустенитной стали вначале была очень низкая; затем она медленно повышается на протяжении всего опыта. В то же время на образцах из углеродистой стали уже в течение первого часа испытаний скорость изнашивания достигла максимальных значений.

Следует подчеркнуть значение микроструктуры сталей, определяющей однородность напряженного состояния поверхностного слоя и возможность преимущественного разрушения отдельных структурных составляющих.

По данным И. Н. Богачева и Р. И. Минца, кавитацион-но-эрозионное разрушение феррита и аустенита начинается по границам зерен. Поэтому с уменьшением величины зерна и соответствующим увеличением границы раздела фаз стойкость материалов снижается. Но при транскристаллитном характере разрушения материала его стойкость возрастает с уменьшением величины зерна. Следовательно, интенсивность разрушения в значительной мере определяется сочетанием свойств зерна и его границ.

Чугуны. Структурная неоднородность чугунов — одна из основных причин их пониженной в сравнении со сталями кавитационной стойкости.

Строение графитовых включений в чугуне в значительной мере является определяющим фактором для износостойкости чугуна. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом! имеет в несколько раз большую износостойкость, чем серый перлитный чугун.

В сравнении с влиянием структурных факторов роль химического состава и твердости имеет второстепенное значение. Так, закалка серого чугуна (обычная и изотермическая) не изменяет кавитационную стойкость или даже несколько снижает ее.

Легирование чугуна никелем, хромом, медью и некоторыми Другими элементами не дает существенного эффекта, если одновременно не достигается благоприятная структура чугуна (не столько количество феррита, сколько форма графитовых включений). Так, высокопрочный чугун со структурой 50% феррита + 50% перлита имеет в 5 раз большую износостойкость, чем например, хромоникелевомолибденовый чугун, в структуре которого феррита содержалось всего 5%.

Цветные сплавы применяются в производстве деталей, подверженных навигационному разрушению, главным образом из-за их относительно высокой коррозионной стойкости в некоторых средах.

Бронзы и латуни некоторых марок по кавитационной стойкости приближаются к нержавеющим сталям, но при наличии в структуре медных сплавов вкраплений свинца их износостойкость резко падает и доходит до значений, характерных для серого чугуна.

Испытания нескольких неметаллических материалов, которые провел Л. А. Гликман, показали их относительно низкую навигационную стойкость. Следует отметить, что выбранные материалы — эбонит, полиметилметакрилат, древеснослоистые пластики типа Б и В — не являются достаточно характерными представителями современных неметаллических материалов, в частности полимерных, которые несомненно требуют дополнительного изучения.

Электродуговая наплавка стеллитом приводит примерно к трехкратному повышению износостойкости в сравнении со сталью 45. Наплавка нержавеющей сталью ЭЯ1Т и 18/12 (электродная) несколько снижает износ, но при нормализации наплавленного слоя стойкость его падает.

Различные покрытия и поверхностные обработки (хромирование, никелирование, азотирование, наклеп дробью) из-за малой толщины упрочненного слоя оказываются неэффективными. В отношении влияния на кавитационную стойкость материалов наклепа дробью Л. А. Гликман и Ю. Е. Зобачев отметили также, что достигаемое при этом относительно небольшое повышение прочностных свойств не компенсирует снижения коррозионной стойкости металла, происходящего в результате его. пластического деформирования.

Чистота обработки поверхности слабо сказывается на величинах первичного износа; так, например, износ образцов стали 45 увеличился всего на 63% при изменении высоты неровностей от 6 до 700—1000 мк.

В заключение необходимо отметить, что в шахтных гидравлических машинах вода может содержать значительное количество механических примесей. При этом создаются условия для эрозионного изнашивания деталей, скорость которого намного выше скорости кавитационного изнашивания. Фактически в этом случае должна наблюдаться эрозия деталей, а не кавитационное разрушение.

• *