碳钢空蚀磨粒形态特征与空蚀阶段的关系
40Cr冲蚀与空蚀交互磨损试验研究
ｌｓ ＵＷ ｆ４ ｏ ｓ Ｃ ＩＣ ｏ ０Ｃｒｉ ｄｖｄ ｄ ｉｔ ｈ ｎ ｕ ａｉｎ ｐ ｒｏ ｔ ｅｒｓｎ ｅ ｏ ｔ ｅｄｅ ｌ ｅ ｐ ｒｏ ｎ ｈ ｔｂ ｅ ｐ ｒｏ Ｉ ｈ ｓ ｉ ｉｅ ｎ ｏ ｔ ｅ ｉｃ ｂ ｔｏ ｅ ｉｄ，ｈ ｉ ｇ ｐ ｒ ｄ，ｈ ｃｉ ｅ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｓａ ｌ ｅ ｄ． ｎ ｔｅ ｉ ｉ ｎ ｉ ｉ
２ ０１ １年 ８
润 滑 与 密 封
Ｌ ＵＢＲＩ ＡＴ ＯＮ ＥＮＧＩ Ｃ Ｉ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ａｕ ． ０１ ｇ２ １ Ｖ０ ． ６ Ｎｏ ８ １３ ．
第３ ６卷 第 ８期
Ｄ Ｉ ０ ３ ６ ／．ｓｎ ０ ５ ０ ５ ． ０ ０ ． ０ Ｏ ：１ ． ９ ９ ｊｉ ． ２ ４— １０ ２ １ ． ８ ０ ６ ｓ １
２ Ｃ ｌ ｇ ｆＥｅｔ ｍ ｃ ａ ｉａ Ｅ ｇｎｅｉｇ Ｈ ｎ ｎ Ｕ ｉｅｓｙｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏｙ Ｘ ａｇａ ｎ ｎ４ １０ ， ｈｎ ） ． ｏｌ ｅｏ ｌｃｒ ｅ ｈｎｃ ｌ ｎ ｅ ｒ ， ｕ ａ ｎｖｒ ｔ ｆＳｉｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ， ｉｎｔｎＨｕ ａ １２ １Ｃ ｉａ ｅ ｏ ｉ ｎ ｉ ｇ
空化空蚀机理
§4.1 空化与空蚀机理
1、空化现象
对于任何液体：
在恒压下加热，温度上升到某一温度时，开始汽化，形成汽泡，⇒ 沸腾
在恒温下降压，压力下降到某一临界压力（汽化压力）时，也会汽 化，溶解在液体中的气体析出，⇒形成汽泡（空泡、空穴）
空泡运动到压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，气泡溃灭。 气泡经历了生成、发展、溃灭的过程，同时通常还伴有一系列物理
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第四章 叶片式流体机械的空化与空蚀
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§4.1 空化与空蚀机理
一、空化、空蚀(汽蚀)现象
空化与空蚀是发生于液体作为介质的流体机械（水力机械） 中可能出现的一种特有的现象，而在固体和空气中一般不会发生 空化和空蚀。
沸腾
空化
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§4.1 空化与空蚀机理
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§4.1 空化与空蚀机理
文丘里管空化器结构图
文丘里管轴截面速度云图
文丘里管壁面压力分布云图
文丘里管壁面气相体积分数云图
振动空化与前述三种空化的根本区别在于：前述三种空化中， 一个液体单元仅通过空化区一次；而在振动空化中，虽有时 也伴有连续的流动，但其流速非常低，以至于给定的液体单 元经受了多次空化循环。
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§4.1 空化与空蚀机理
虽然，大多数情况下，空化是一种有害的现象要避免发生。 但目前也越来越多的被利用，主要是振动空化和超空化。
空蚀破坏的微观过程研究 薛伟
空蚀破坏的微观过程研究薛伟1,陈昭运2(1.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001;2.哈尔滨大电机研究所,黑龙江哈尔滨150040)摘 要:通过空蚀试验和扫描电镜分析对空蚀试样的破坏过程进行了研究,进行了微观点跟踪观察。
结果表明:在金属表面产生空蚀针孔,在随后大量气泡溃灭作用下,针孔壁逐渐小块剥落,形成空蚀坑,当空蚀坑相互连接时,原始表面全部剥落,新的空蚀针孔和空蚀坑又重新形成,使金属表面层层剥落。
确定单个气泡溃灭产生的微射流是在金属表面造成空蚀针孔的原因,而空蚀坑的形成则是疲劳裂纹萌生和扩展的结果。
关键词:空蚀;水轮机;叶片材料;微观形貌中图分类号:TG172.9 文献标识码:A 文章编号:1000-3738(2005)02-0059-04The Micro-cours of the Cavitation ErosionXUE Wei1,CHEN Zhao-yun2(1.H arerbin Institute of Technology,H arbin150001,China;2.H arerbin Institute of Large Electrical M achinery,H arbin150040,China)Abstract:By lo ng g terms of cavitation test and a g rea t amount of micro analysis with SEM,the destro yng co urse of samples unde r cavitation testing w as studied.Acco rding to the chang ing cour se of the micro-a ppearance of sample s,the damag ing co urse of cavita tion ero sion is de te rmined.First cavitio n-pinholes appear on the sam ple surface.T hen the small pieces peel o ff f rom pinho le w alls and pinholes develo p into cavitatio n pit s.A fter cavitatio n pits co ver all the surface of samples,the previo us surface peels off fr om the new surface repeatedly.I t is co nfirmed tha t the cavitatio n pinholes a re for med with the micro-liquid je t pro duced by bubble co llapse.The cavita tion pits are the results o f initiatio n and g ro w th o f fatig ue cracks.Key words:cavita tion;hy dr aulic turbine;blade material;micro-appearance1 引 言空蚀是水力机械常见的破坏方式,空蚀使金属表面发生破坏,产生振动和噪音,降低效率,迫使机组频繁大修,甚至短期报废[1,2]。
低碳钢的空泡腐蚀特征
万方数据
吴志伟，等：低碳钢的空泡腐蚀特征
图６特大腐蚀坑受外力作用的形貌 Ｆｉｇ．６ Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ｌａｒｇｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｐｉｔｓ
外力的作用，并引起强烈的变形，这些外力来源于空 泡的爆破［２｜。 ２．４ ＳＥＭ形貌
由图７ａ可见，特大腐蚀坑表面具有准解理和解 理断裂特征，同时表面也有轻微的化学腐蚀特征（腐 蚀物）；由图７ｂ可见，小凹坑表面不平整，变形流线 呈弧形。
机械工程材料 MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING 2008,32(6)
参考文献(4条) 1.刘正义;吴连生;许麟康 机械装备失效分析图谱 1990 2.机械工业部科技与质量监督司;中国机械工程学会理化检验分会 机械工程材料测试手册:物理金相卷 2002 3.美国金属学会 金属手册 1985 4.夏兰廷;黄桂桥;张三平 金属材料的海洋腐蚀与防护 2003
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ；ｌｏｗ－ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
Ｏ引 言
空泡腐蚀是一种常见的腐蚀形态，其本质是磨 损腐蚀。空泡腐蚀又称空穴腐蚀或气蚀，它的形成 机理是当含有大量气体的液体在一个封闭的管道中 流过且液体的流动速度很大时，或者是在流体改变 方向或改变断面时，将会在管壁和流体间产生大量 气泡，气泡不断生成然后爆破，巨大的爆炸力会对管 壁的表面造成损伤，导致管道在局部区域穿孔泄漏。
参照ＧＢ／Ｔ １０５６１—１９８９（（钢中非金属夹杂物 显微评定方法》，Ａ管的Ｄ类夹杂物级别为４级，Ｂ 管的Ｄ类夹杂物级别为３级，都不合格。经能谱分 析夹杂物主要是氧化物（图２）。Ａ管显微组织为铁 素体＋珠光体（图３）。组织中无变形流线或带状组 织特征，从夹杂物和疏松情况判断，Ａ管可能是铸钢 件（经过扩散退火处理）。
碳钢大气环境腐蚀大数据研究及主要影响因素作用规律
碳钢大气环境腐蚀大数据研究及主要影响因素作用规律摘要：碳钢是一种常用的结构材料，在大气环境下容易发生腐蚀，导致结构失效。
针对碳钢大气环境腐蚀问题，本文从数据角度出发，分析了大量的腐蚀数据，揭示了主要的影响因素和作用规律。
研究表明，大气环境中的氧气、水分和盐分是导致碳钢腐蚀的主要因素，而温度和湿度则是影响腐蚀速度的重要参数。
此外，空气污染物、紫外线辐射等也会影响腐蚀过程。
研究成果对于提高碳钢的使用寿命、降低维护成本具有重要意义。
关键词：碳钢；大气环境；腐蚀；影响因素；作用规律引言碳钢是一种常见的结构材料，广泛应用于建筑、桥梁、船舶等领域。
然而，在大气环境下，碳钢容易受到腐蚀，从而导致结构失效，严重影响使用寿命和安全性能。
因此，研究和掌握碳钢在大气环境中的腐蚀特性和规律具有重要意义。
目前，国内外学者对碳钢大气环境腐蚀机理和影响因素进行了大量的研究，但是缺乏针对大量腐蚀数据的综合分析与归纳。
本文基于大量的实验数据，从数据角度出发，分析了碳钢在大气环境中的腐蚀特性和规律，并探讨了主要的影响因素和作用规律。
一、碳钢大气环境腐蚀特性碳钢大气环境腐蚀主要表现为钝化膜破坏和金属表面溶解。
钝化膜破坏是指在氧、水和其他腐蚀性介质的作用下，钝化膜受到损伤，从而导致基体的金属离子释放。
当环境中的氧、水和其他腐蚀性介质长期作用于钝化膜上时，钝化膜会逐渐破坏，金属表面出现裸露区域，进而引发金属表面的溶解。
二、影响因素分析（一）氧气氧气是导致碳钢大气环境腐蚀的重要因素之一。
在大气环境中，氧气是最丰富的元素之一，也是导致碳钢腐蚀的主要原因之一。
氧气可以和金属表面的铁离子形成氧化物，并形成稳定的钝化膜。
但是，长期暴露在氧气环境下，钝化膜容易破坏，金属表面会逐渐溶解。
（二）水分水分是碳钢大气环境腐蚀的另一个关键因素。
在大气中，含水量较高的环境会大大加速碳钢的腐蚀速度。
这是因为水分可以形成强烈的电解质，促进了钝化膜的破坏和金属表面的溶解。
空化与空蚀的原理及应用pdf
空化与空蚀的原理及应用1. 空化的概念•空化是指在液体或气体流动中，由于速度或压力的变化引起流体中的部分区域压力低于饱和蒸汽压时，液体中的蒸汽泡的生成和崩溃现象。
•空化是一种相变现象，主要发生在流体中。
2. 空化的原理•当流体速度或压力较高时，流体中的静压力会增加，达到蒸汽的饱和压力，使得蒸汽形成微小气泡。
•这些气泡在流体中会不断增大，直到达到稳定状态。
若流体中的压力减小，则会造成气泡的崩溃。
•空化现象的发生，会引起流体的不稳定性，对设备和管道的影响较大。
3. 空蚀的概念•空蚀是指由于流体中的空化现象，在设备或管道中形成空蚀流动的现象。
•空蚀一般带来很多负面影响，如噪音、震动、磨损等。
•空蚀会对设备的正常运行造成影响，并可能导致设备失效。
4. 空蚀的原理•当流体中存在空化现象时，会引起流体的震荡和振动。
•这种震荡和振动会导致流体中气泡的崩溃和聚集，进一步加剧空化现象。
•空蚀的产生和发展过程较为复杂，涉及流体动力学、热力学和力学等多个学科。
5. 空化与空蚀的应用•了解空化与空蚀的原理，有助于我们更好地设计和改进流体传动设备和管道。
•在航空航天、能源、化工、海洋工程等领域，空化与空蚀的研究具有重要意义。
•在设备运行过程中，我们可以通过优化设计，改善流体的流动状态，来减小空化和空蚀的产生。
6. 空化与空蚀的防止措施•选用合适的材料，可以提高设备和管道的抗空化和抗空蚀能力。
•设计合理的减压装置，可以降低系统内部的压力变化。
•增强设备的保护措施，如加装过滤器、安装降压阀等。
•定期检查设备和管道，及时发现和处理可能导致空蚀的问题。
7. 小结•空化与空蚀是液体或气体流动中常见的相变现象。
•空化与空蚀的发生会对设备和管道的正常运行造成负面影响。
•了解空化与空蚀的原理，有助于我们采取相应的措施来减小空蚀的发生。
•在应用中，我们需要合理设计和选择材料，来提高设备和管道的抗空蚀能力。
以上是关于空化与空蚀的原理及应用的简要介绍，希望对您有所帮助。
碳钢热处理后的基本组织观察
碳钢热处理后的基本组织观察碳钢热处理是一种重要的金属材料加工工艺，在工业应用中具有广泛的应用。
在热处理过程中，通过控制材料的加热、保温和冷却过程，可以改变碳钢的组织结构和性能，从而满足不同的工程要求。
碳钢热处理后的基本组织观察是研究碳钢热处理效果的重要手段之一、下面将从碳钢的基本组织和热处理方法两个方面来进行阐述。
碳钢的基本组织主要包括铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体。
铁素体是碳钢的基本组织，它具有良好的延展性和韧性。
在热处理过程中，通过加热和保温，可以使铁素体逐渐转变为珠光体。
珠光体是一种具有较高硬度和强度的组织，同时具有一定的韧性。
贝氏体和马氏体是高碳钢和合金钢中常见的组织。
贝氏体具有良好的切削性能和一定的韧性，而马氏体则具有更高的硬度和强度，但韧性较低。
在碳钢热处理后，可以通过金相显微镜等观察工具对其基本组织进行观察和分析。
金相显微镜可以放大碳钢的组织结构，同时还可以使用染色剂来突出不同的组织成分。
观察时可以选择不同的放大倍数和不同的观察角度，以获取更全面和详细的信息。
对于碳钢的热处理方法，常见的有正火、淬火和回火等。
正火是将钢件加热到适当温度，然后保温一段时间，最后慢速冷却。
这种热处理方法主要用于提高碳钢的硬度和强度，但会降低其韧性。
淬火是将钢件迅速加热到适当温度，然后迅速冷却。
这种热处理方法会使碳钢形成马氏体组织，从而大大提高其硬度和强度，但韧性较低。
回火是在淬火后再加热钢件到适当温度，然后保温一段时间，最后慢速冷却。
这种热处理方法可以调整碳钢的硬度和韧性，使其达到理想的综合性能。
在实际的碳钢热处理过程中，为了达到理想的组织和性能，需要控制好以下几个因素：加热温度、保温时间和冷却速度。
加热温度是指将钢件加热到的最高温度，不同的钢种和要求的组织结构需要不同的加热温度。
保温时间是指保持钢件在加热温度下的时间，它与钢件的尺寸和组织转变的速率有关。
冷却速度是指钢件冷却的速率，它决定了组织结构的类型和形成的量。
空化空蚀机理
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§4.1 空化与空蚀机理
文丘里管空化器结构图
文丘里管轴截面速度云图
文丘里管壁面压力分布云图
文丘里管壁面气相体积分数云图
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2、空蚀现象
当空泡溃灭的过程发生在固体表面及其附近，会使材料 受到破坏。这种由空化引起材料破坏的现象，称为空蚀。 空蚀能够使各种固体受到损害。所有金属，不论是软的 或硬的，脆性的还是具有延性的，在化学上是活性的还是惰
实际生活中，普通水根本不能承受拉应力。温度t=20℃的水， 当压力为0.24mH2O时(即汽化压力pv=0.24mH2O),水的连续 性被破坏而汽化。
液体中存在杂质是导致不能承受拉应力的根本原因。液体中除了 固体表面和液体中不可避免的含有一定数量的悬浮的固体粒子外, 主要杂质是未溶解的气体---称为气核（空化核）。
水轮机尾水管中旋涡空化的现场临摹图
螺旋桨上旋涡空化的高速摄像照片
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旋涡空化的寿命可能游移空 化长，在旋涡角动量的维持下， 溃灭速率慢，故溃灭压力较小；
旋涡只能在液体内部存在，所 以只有旋涡在接触物体表面溃灭 时，才起破坏作用；
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§4.1 空化与空蚀机理
1、空化的初生
不溶于水、肉眼看不见、直径大约在10-5到10-6cm的微小气泡， 统称气核（空化核）。 空化初生不仅取决于液体的状态（压力） ，而且还与液体本身 的特性有关（含空化核的多少），且后者是主因，但却很难控 制和度量。 空化核是导致空化的根本原因（内因），压力降则是外因。 “空化核”观点已被大量试验证明，也与所观察到的物理现象 相吻合。 空化核主要有以下三种存在形式：
空蚀初生期破坏程度的表征方法
空蚀初生期破坏程度的表征方法杜川;徐万里;汪家道;陈大融【摘要】空蚀破坏实验中,传统表征方法不能准确表征空蚀初生期的破坏程度.提出一种蚀坑法和面积法相结合,利用SEM空蚀图像和数字图像处理来表征空蚀初生期破坏程度的方法.采用抽样方法获取空蚀试样表面SEM图像,对图像进行蚀坑轮廓识别、蚀坑填充和分割等处理,最后进行蚀坑信息统计,获得样本总体的单位面积蚀坑数量、蚀坑面积百分、蚀坑平均直径3个参数,从而实现了对试样整体空蚀初生期破坏程度的准确衡量.%During cavitation erosion experiment, the traditional characterization methods cannot accurately measure the incubation period of cavitation erosion.A new way combining the method of counting the number of cavitation erosion pits with the method of measuring their area and using SEM cavitation images and digital image processing to measure the ineubation period of cavitation erosion was put forward.After getting the SEM images of the surfaces of samples ,the operations of contour recognition, noise reduction, pits filling and segmentation were carried out in turn.The parameters like number,total area,area percentage,average diameters of the pits were obtained,which could give an accurate evaluation of the incubation period of cavitation erosion.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2011(036)003【总页数】4页(P16-19)【关键词】空蚀;表征方法;图像处理【作者】杜川;徐万里;汪家道;陈大融【作者单位】清华大学摩擦学国家重点实验室,北京,100084;清华大学摩擦学国家重点实验室,北京,100084;清华大学摩擦学国家重点实验室,北京,100084;清华大学摩擦学国家重点实验室,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TH117;O357空蚀是指液体空化产生的空泡在固体壁面附近溃灭对固体壁面造成损伤的现象。
宝瓶水电站过流部件空化和空蚀的原因分析及处理
宝瓶水电站过流部件空化和空蚀的原因分析及处理摘要：本文从宝瓶水电站的基本情况入手，根据机组日常运行的工况以及检修期间机组过流表面的空蚀情况进行了原因分析和对空蚀损害部位进行了修补改进，并对优化空化和空蚀提出了合理的防范措施。
关键词：水电站；空化和空蚀；宝瓶水电站1宝瓶水电站的基本情况1.1宝瓶水电站为承载基荷的日调节水电站，安装3台混流式水轮发电机，总装机123WM,其中1，2号大机装机50MW，水轮机型号HLY157-LJ-245，3号小机装机23MW，水轮机型号HLY193-LJ-158，机组设计总流量96.6m³/s，额定水头139.6m，水头变化范围为129.47m~153.99m，2012年6月30日1号机组投产发电。
累计发电量245018.84万KW/h，其中1号机截止2016年12月累计运行天数630天，发电量23428万度，2017年1月对1号水轮发电机大修。
黑河输沙量的年内分配非常不均匀，通常在6—9月之间，其量占年输沙量的95.0％以上，而其中7月份输沙量就占了年输沙量的41.0％以上。
电站推移质输沙量按悬移质输沙量的15％考虑，则坝址处推移质输沙量为28.0×104T，电站坝址处总输沙量为214×104T。
2空蚀的产生通过水轮机的水流，如果在某些地方的流速增高了，必然引起该处的局部压力降低，如果该处水流速度增加很大，就会促使其压力降低到相应的水温下的汽化时的压力状态的时候，就会在汽化的催化下产生空蚀现象。
3水轮机的空蚀目前，主要有2个机械破坏模式。
①冲击波破坏模式。
空泡运动到高压强区域，四周均匀受到，发生“向内爆炸”式的溃灭。
②微射流破坏模式。
当空泡活动到压力很强的区域以后，由于两侧会受到不同的梯度压力作用，导致一侧首先发生变形，最终导致射流形成。
4空蚀、磨损形态特征当水轮机的叶片所受到的破坏程度比较小的时候，空蚀表现为针孔和麻点的形态。
在冲击波和脉动波的空蚀不断相互交替的作用下，就会导致微裂纹产生，最终导致表层晶体剥落，空蚀针孔孔径就会逐渐增大，最终形成蜂窝状的空蚀洞。
空蚀磨损
空蚀的起因——空化现象
• 空化是指液体因压力下降而形成气泡的过程。空化是空蚀 的必要条件，空蚀是空化的后果。
I. 空化气泡的形成
当流场维持水温不变，而将水面的压强降到某一临界值后， 水体内部原来含有的很小的气泡(通常称为气核)将迅速膨胀， 在水中形成含有水蒸气或其它气体的明显气泡。水中之所以 发生空化,是因为水中含有核子,水中所含的气核可分为表面 气核和流动气核两种。其平衡关系式为: ������0 = ������ ������ + ������ ������ − 2 ������ ������ Pg为气泡内的气体压强,������������ 为气泡内的蒸汽压强,������0 为水体内 压强, ������为表面张力系数, ������为气泡半径。 气核开始膨胀的条件为： ������0 < ������ ������ + ������ ������ − 2 ������ ������
空蚀磨损
目录
• • • • • • 概述 空蚀的起因 空蚀的机理 空蚀的研究方法 影响空最先在英国驱逐舰“Cobra” 号螺旋桨上发现空 蚀。接着在水工建筑物和水力机械上也看到同样的现象。 当时认为桨叶材料的剥落是海水腐蚀造成的，但是试验证 明在蒸馏水中运动的物体也会出现类似的剥蚀， 因而确 认这种现象是机械力冲击的结果。 • 定义：液体流动时由于局部压力下降形成气泡（或空泡）， 随后液流挟带着这些气泡流经高压区时，气泡发生溃灭。 由于液流中不断溃灭的气泡产生的高压强以及溃灭时的微 射流的反复冲击作用，使材料表面产生破坏的现象称为空 蚀磨损，也称为气（汽）蚀磨损 。
超声振动空蚀实验机示意图
II. 材料空蚀程度的表征方法
名称 失重法 体积损失法 面积法 计量方法 根据试验材料试验前后的重量损失来计量 根据试验材料试验前后的体积损失来计量 用受空蚀材料表面涂层面积与总涂层面积的比值作为 空蚀程度的计量 深度法 用试验材料一定面积内的平均空蚀深度来计量 蚀坑法 用试验材料经过空蚀后每单位时间、单位面积中麻点 数表示空蚀程度 时间法 用试验材料单位面积失去单位质量所需的时间来表示 空蚀程度 表面粗糙度法 测量试验材料表面粗糙度随空蚀试验时间的变化 在上述各种方法中, 以失重法应用较普遍, 特别是用磁致伸缩仪进 行金属材料抗空蚀性能试验时, 国内外均广泛应用此法, 目前很多重要 成果及一些基本规律都是基于该法得到的。
NaCl溶液腐蚀后304不锈钢的超声空蚀特征
第52卷第5期2021年5月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.5May 2021NaCl 溶液腐蚀后304不锈钢的超声空蚀特征陈杰，刘海霞，刘光磊，魏笑，邓濯，欧阳亚东(江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江，212013)摘要：对经NaCl 溶液腐蚀后的304不锈钢进行符合ASTM G32标准的超声空蚀实验，从试样的质量损失、表面显微组织、表面形貌、表面粗糙度、显微硬度和残余应力等方面探究靶距和空蚀时间对空蚀的影响。
研究结果表明：与未腐蚀试样相比，经NaCl 溶液腐蚀后的304不锈钢的抗空蚀能力增强。
在空蚀后期，疲劳损伤为空蚀破坏的主要原因，随着空蚀时间的延长，试样表面的裂纹增多，空蚀坑变深，但局部靶距的增加使表面整体的粗糙度在空蚀240min 后变化不明显。
靶距对空蚀的影响明显大于空蚀时间的影响。
当空蚀时间一定，靶距为0.4mm 时，试样的累积质量损失和表面粗糙度均达到最大，在该靶距条件下，加工硬化层厚度为250μm ，硬度最大值出现在距离空蚀表面50μm 处，而当靶距为0.6mm 时，残余应力达到最大。
关键词：304不锈钢；NaCl 溶液；腐蚀；空蚀中图分类号：TG178文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2021）05-1436-10Ultrasonic cavitation erosion behavior of 304stainless steel aftercorrosion in NaCl solutionCHEN Jie,LIU Haixia,LIU Guanglei,WEI Xiao,DENG Zhuo,OUYANG Yadong(School of Materials Science and Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)Abstract:An ultrasonic cavitation erosion experiment,which conforms to the ASTM G32standard,was carried out on 304stainless steel after corrosion in the NaCl solution.The effects of standoff distance and cavitation erosion time were described through mass loss,surface microstructure,surface morphology,surface roughness,microhardness and residual stress.The results show that the capability of resisting cavitation erosion of 304stainless steel corroded in the NaCl solution is enhanced compared to that of non-corroded samples.In the later stage of cavitation erosion,fatigue damage is the main cause of cavitation damage .With the extension of cavitation erosion time,microcracks in the eroded surface increase and the depth of cavitation erosion pits收稿日期：2020−07−13；修回日期：2020−09−24基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51775251)(Project(51775251)supported by the National Natural ScienceFoundation of China)通信作者：刘海霞，博士，教授，从事金属材料的空蚀机理研究；E-mail ：**************DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.05.005引用格式：陈杰,刘海霞,刘光磊,等.NaCl 溶液腐蚀后304不锈钢的超声空蚀特征[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(5):1436−1445.Citation:CHEN Jie,LIU Haixia,LIU Guanglei,et al.Ultrasonic cavitation erosion behavior of 304stainless steel after corrosion in NaCl solution[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(5):1436−1445.第5期陈杰，等：NaCl溶液腐蚀后304不锈钢的超声空蚀特征increases as well,but the surface roughness varies insignificantly after cavitation erosion of240min due to the increase of local standoff distance.The effect of standoff distance on cavitation erosion is more remarkable than that of the cavitation erosion time.At certain cavitation erosion time,both the cumulative mass loss and the cumulative mass loss rate arrive at their maxima at a standoff distance of0.4mm.At this standoff distance,the thickness of the hardened layer reaches250μm,the maximum hardness arises at the depth of50μm,but the highest residual stress occurs at a standoff distance of0.6mm.Key words:304stainless steel;NaCl solution;corrosion;cavitation erosion空化是发生在液体内部的复杂相变现象。
20SiMn
王 再 友 ，陈黄 浦 ，徐 英 鸽 ，朱金 华
（西 安 交 通 大 学 金 属 材 料 强 度 国家 重 点 实验 室 ，７１００４９，西 安 ）
摘 要 ：用 ＣＭＳ一１２０旋臂 式真 空 冲蚀试 验机 和 ＫＳ一６０振 动 空蚀磁 致伸 缩仪 对 ２０ＳｉＭｎ钢 ９０。攻 角冲 蚀 和 空蚀进 行 了试验研 究．结果 表 明 ：２０ＳｉＭｎ钢 冲蚀 分 为孕 育期 、增 重期 和稳 定期 ３个 阶段 ；空蚀 由孕 育期 、急剧上 升期 、衰减期 和稳 定期 ４个阶段 组成 ；冲蚀 、空蚀 裂 纹主 要 沿晶界 萌 生和 扩展 ，失 效 机制 是 因局部微 区机 械 力作 用造 成 沿晶 断裂和 晶 内蚀 坑 ；晶粒 脱 落是 空蚀 的重要 失 效方 式之 一． 关键 词 ：冲蚀 ；空蚀 ；失效机 制 ；沿 晶断裂 ；蚀坑 中图分 类号 ：ＴＧ１４２．３３ 文 献标 识码 ：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｕ ｓｉｎｇ ａ ＣＭ Ｓ一１ ２０ ｗｈｉｒｌｉｎｇ ａｒｍ ｖａｃｕｕｍ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒｉｇ ａｎｄ ＫＳ一６０ ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｍａｇ— ｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｔｅｓｔｓ ｏｎ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｔ ｉｍ ｐａｃｔ ａｎｇｌｅ ｏｆ ９０ ｄｅｇｒｅｅｓ ａｎｄ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｒｏｓｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ２０ＳｉＭ ｎ （０．２ Ｃ一０．６ Ｓｉ—Ｍ ｎ） ｓｔｅｅｌ ｗ ｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｒｅｅ ｓｔａｇｅｓ——ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ，ｍ ａｓｓ—ｉｎｃｒｅａｓｅ ａｎｄ ｓｔｅａｄｙ ｐｅｒｉｏｄｓ： ａｎｄ ｉｔｓ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｆｏｕｒ ｓｔａｇｅｓ－ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ，ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｐｅｒｉｏｄｓ． Ｃｒａｃｋｓ ｐｒｉｎｃｉｐａｌｌｙ ｉｎｉｔｉａｔｅ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｅ ａｌｏｎｇ ｃｒｙｓｔａ１ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ ｂｏｔｈ ｉｎ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍ ｅｃｈａｎｉｓｍ ｓ ａｒｅ ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎｄ ｅｔｃｈｉｎｇ ｐｉｔｓ ｉｎ ｇｒａｉｎ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｄｕｅ ｔｏ ｌｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｚｏｎｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ． Ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒａｉｎ＇ｓ ｐｅｅｌｉｎｇ ｏｆｆ ｉｓ
磨粒的三维表面特征描述
磨粒的三维表面特征描述的报告，600字
三维表面特征描述的报告
磨粒（Abrasive particle）是由硬质物质的碎片组成的小型固体
物质，广泛应用于各种科学、工业、消费及加工过程中。
它们能够渗透金属表面、切割和去除不需要的表面材料，因而起到了很大的作用。
研究磨粒表面特征有助于揭示其工作原理，也帮助改善表面处理工艺。
磨粒表面有三种基本特征：颗粒度、硬度和表面强度。
颗粒度是指磨粒的尺寸大小，一般可以分为细、中、粗三类。
硬度指的是磨粒的硬度程度，一般可分为软、硬、很硬三类。
表面强度是指磨粒的耐磨性，一般可以分为低、中、高三类。
除此之外，磨粒表面还可以根据某些特殊结构进行分类，其中最常见的是微晶结构。
微晶结构是由微小的晶体组成的，一般玻璃、有机涂料、细腻的铝及其它材料都具备这种结构。
磨粒的表面还可以根据其表面质地来判断，一般有光滑、沉积、腐蚀及其它特殊质地被区分出来。
磨粒表面还可以根据其表面粗糙度来讨论，它的表面粗糙度反映了表面纹理的深浅，可以分为极粗、粗、中、细、极细五类。
以上便是磨粒表面的三维特征描述，它们涉及到磨粒的尺寸大小、硬度程度、表面强度、表面质地及表面粗糙度几个方面。
要想了解磨粒表面这些特征，必须使用专业的检测仪器进行测
试，以及进行专业的分析和比较，才能够更好地发掘其内涵，从而提高表面处理的效率和质量。
碳钢空蚀磨粒形态特征与空蚀阶段的关系
2009年 第54卷 第7期: 966 ~ 971 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS论 文碳钢空蚀磨粒形态特征与空蚀阶段的关系刘诗汉①②, 陈大融①*① 清华大学摩擦学国家重点实验室, 北京 100084; ② 空军第一航空学院, 信阳 464000 * 联系人, E-mail: chendr@ 2008-10-09收稿, 2008-12-28接受国家重点基础研究发展计划(编号: 2007CB707702)和摩擦学国家重点实验室自主课题(重点项目)资助项目摘要 对3种不同含碳量的碳钢进行振动空蚀实验, 收集空蚀过程中产生的磨粒, 对磨粒形态特征进行量化表征和显微观察, 结合空蚀表面的XRD 检测结果和显微图像进行分析, 发现表面材料沿滑移面变形或解理导致整个空蚀过程中的片状磨粒较多(超过45%), 条状磨粒一直较少(少于25%), 而颗粒状磨粒数量开始较少, 在空蚀加速阶段迅速增加, 到空蚀稳定期又略有减少. 磨粒的球形度值的变化与材料的空蚀阶段有较好的对应关系. 空蚀初生期和加速期的磨粒球形度值分别在0.3~0.4和0.5~0.7之间. 到空蚀稳定期, 球形度值略有下降但不低于0.5.关键词 碳钢 空蚀期 磨粒 形态特征空蚀(cavitation erosion)是指由于液体内部空化形成的气泡(或汽泡)在固体表面附近溃灭导致的固体表面的损伤. 以往对空蚀机理的研究主要集中在对损伤表面的观察和检测, 对表面破损产生的磨粒的研究报道不多. Shuji 和Eisaku [1]对Endo 和Okada 等人在空蚀磨粒方面的研究结果进行了简要回顾, 并研究了4种材料的振动空蚀磨粒. 他们对不同空蚀阶段产生的磨粒的尺寸进行测量, 在扫描电子显微镜下观察磨粒的微观形貌, 认为空蚀初生期有因冲击脆断产生的小磨粒, 而在最大失重率阶段有较大尺寸的疲劳断裂形成的磨粒. 然而除了尺寸大小外, 几何形状也是磨粒的最要特征之一. 对磨粒特征的表征是摩擦磨损领域的重要课题[2], 至今已提出了许多方法, 但空蚀磨粒与摩擦磨损形成的磨粒的特征明显不同, 后者多数具有平面特征, 可用二维几何参数来表示; 前者多数具有体特征, 需要用三维几何参数来表示. 对空蚀磨粒特征目前还没有公认的定义和简便有效的提取方法. 这给空蚀磨粒研究的开展造成了困难. 本研究借鉴粉体技术对颗粒的表征方法[3], 介绍了利用表面形貌仪的颗粒分析功能测定磨粒几何参数的方法. 对所得数据进行统计分析, 并 将磨粒特征参数的变化及其形貌特征的显微观察结果与空蚀表面的显微观察和XRD 测试结果对照, 分析不同形态空蚀磨粒产生的原因和磨粒形态参数与空蚀过程之间的对应关系, 研究空蚀发生的微观 机理.1 实验以去离子水为介质, 在室温(20℃±1℃)下对正火态Q235钢、45钢、T10钢进行超声振动空蚀实验. 3种材料的化学成分及显微硬度如表1所示. 超声频率20 kHz, 峰峰振幅12 μm, 实验装置的原理图及试样的结构尺寸如图1所示. 为观察空蚀初生期材料表面的变化, 第一次实验时间较短, 为 2 min, 之后间隔20或40 min 进行一次检测. 检测分磨粒和表面两部分. 磨粒是利用碳钢材料的磁性收集起来的, 然后用旋转式铁谱仪制成谱片[4], 分别在Phase Shift Micro XAM 表面形貌仪和FEI Quanta 200 FEG 扫描电子显微镜下进行观察. 为减轻磨粒因磁性而黏接, 在超声仪上振动1~2 s. 对表面检测采用定点的方式, 方法是先用显微硬度仪在表面做出标记(同时测得材料的显微硬度值), 观察时以标记来定位. 由于3种材料的抗空蚀能力不同, 表面变形和破坏的程度也不同, 因此3种材料最终累积实验时间不同, 分别是表1 实验材料的化学组成及显微硬度元素含量(质量分数, %)C Si≤ Mn≤ P ≤S≤Fe 显微硬度/HVQ235 0.12 0.28 0.45 0.0300.031 其余212.08645 0.45 0.27 0.33 0.0280.033 其余297.708T10 1.08 0.30 0.32 0.0300.030 其余403.749图1 振动空蚀实验台原理图(a)及试样零件图(b)Q235钢82 min, 45钢102 min, T10钢142 min. 为了能更准确地理解磨粒参数变化的含义, 需要更多地了解材料表面状况的变化. 因此, 对表面除了用上述仪器进行观察外, 还进行XRD分析. 为便于比较, 所有XRD分析在一台仪器上完成. 型号是Bruker公司的D8-Advance.2磨粒的分类及形貌参数参照粉体技术对颗粒的分类方法和摩擦磨损理论对磨粒分类方法[5], 将空蚀磨粒分为3类: 片状、条状和颗粒状, 与磨损磨粒分类不同的是, 没有将球形磨粒和卵形磨粒单列而是并入颗粒状磨粒中. 此外实验中没有发现丝线状和卷曲状磨粒. 一个磨粒的类属由其3个方向尺寸的相对大小来决定(图2), 而磨粒的一些基本参数如长宽高尺寸、投影面积、体积等可通过与形貌仪配套的图像分析软件SPIP进行测量(图3). 描述单个磨粒所用到的参数及含义列于表2中, 分析时使用的是大量磨粒的某一参数值的算术平均.3实验结果及分析3.1 磨粒尺寸的变化3种材料空蚀磨粒的平均尺寸的变化不完全相同(图4), Q235钢空蚀磨粒的平均尺寸从一开始就不断上升. 45钢和T10钢都是先减小后增大. 增大的速图2 磨粒分类准则图3 形貌仪图像处理软件SPIP的颗粒分析功能表2 磨粒形态参数的名称及意义名称意义体积(V d) 基准面上磨粒所占的空间面积(A) 磨粒在基准面上的投影面积长度(L) 磨粒投影轮廓中最远两点间的距离宽度(W)计算值, 是长轴为L、面积为A的椭圆的短轴长度高度(H) 外形轮廓中距基准面最远点的距离磨粒尺寸(DS) 磨粒长宽高尺寸中最大者当量球体直径(ESD)计算值, 具有体积V的球的直径球形度(DOS) 计算值, DOS=ESD/DS率比Q235钢低, 并且在逐渐减小. 实验的最后阶段,T10钢再次出现减小趋势. 45钢和T10钢空蚀初期磨粒尺寸大的原因是因为试样的原始缺陷(包括材料结晶过程中和制成试样之前的机械加工在材料内部形成的微空洞和微裂纹)在空蚀冲击载荷作用下发展破裂所致. 强度越高, 冲击载荷下的脆性特性越明显.如果表面裂纹数少, 脆性破裂产生的磨粒尺寸就会很大. 3种材料中T10钢的强度最大, 因此其空蚀初9672009年4月 第54卷 第7期图4 空蚀磨粒尺寸随时间的变化期的磨粒尺寸最大. 而Q235钢强度最低, 受空蚀冲击时可能产生塑性变形, 局部受力相对均匀, 所以磨粒尺寸较小. 从图5~图7中可以看出, T10钢的磨粒没有塑性变形, 说明表面发生层片剥离. 45钢的磨粒既有小而光滑的解理面、脆性断口, 又有撕裂形成的有明显塑性变形的断口[6]. Q235钢的磨粒多数都发生了较大的塑性变形, 但仍有脆性断口. 空蚀后期, 裂纹扩展和裂纹数量的增多形成影响磨粒尺寸大小的一对矛盾因素, 裂纹扩展导致磨粒增大, 裂纹数量增加导致磨粒减小, 在两种因素的共同作用下, 磨粒尺寸呈现缓慢增加甚至最后减小的趋势, 这说明前期是裂纹扩展起主导作用, 而后期是裂纹数量的增加起主导作用. 3.2磨粒形态的变化3种材料不同形态的磨粒相对数量随时间的变化如图8所示. 由图可以看出, 磨粒形态的变化有规律性. (ⅰ) 在整个空蚀过程中, 条状磨粒少, 片状磨图5 T10钢空蚀初生期磨粒图中箭头1指脆断口, 箭头2指解理面图6 45钢初生期磨粒图中箭头1指脆断口, 2指解理面, 3指撕裂断口图7 Q235钢初生期磨粒图中箭头1指脆断口, 3指扭曲变形图8 Q235钢、45钢、T10钢不同形态磨粒数量的质量分数随时间变化曲线粒多. (ⅱ) 颗粒状磨粒逐渐增加, 会在某个时间接近甚至超过片状磨粒的含量. (ⅲ) 空蚀后期, 颗粒状磨968粒又有所减少(由于实验时间的关系, T10钢的磨粒还没有表现出来). 不同的是颗粒状磨粒增加或减少的时间各不相同, 其中Q235钢增加最早, 也最先开始减少; 其次是45钢; 而T10钢在有限的时间内还没有开始减少. 为了更清楚地理解磨粒形态变化的含义, 下面结合材料空蚀过程中的失重和表面XRD 检测结果进行分析.3.3 失重、表面XRD 检测及磨粒球形度的相关性图9~11分别是Q235钢、45钢和T10钢的历次实验累计失重、XRD 检测得到的(110)晶面衍射强度和(200)晶面衍射强度的比值(相对峰强)以及磨粒球形度平均值随时间变化的曲线. 根据ASTM G32-92[7]对空蚀阶段的分类, 从试样的失重曲线的变化判断材料所经历的空蚀阶段已在图中标出. Q235钢和45钢在累计的实验时间内经历了前3个阶段(包含了空蚀总共4个阶段中两个最重要的阶段——初生期和稳定期).图9 Q235钢的累积失重、衍射峰值相对强度和球形度首先讨论表面XRD 检测结果. 根据X 射线衍射理论[8], 晶面的衍射强度I (即每个衍射峰下的面积)可以近似用衍射峰的峰值强度I p 与半高宽B h 的乘积来计算, 即I=I p B h . 历次实验测得各谱峰仍然敏锐(图12), 没有宽化现象, 即B h 没有明显变化, 因此峰值强度I p 的变化代表了衍射强度I 的变化. 为叙述方便, 用I (110)(0)表示0 min 材料(110)晶面的峰值强度, 用I r (0)表示0 min (即材料原始表面)(110)晶面与(200)晶面的衍射峰值强度之比, 即I r (0) = I (110)(0)/I (200)(0), 以此类推. 由实验数据得, I r (0) = 8.94, I r (22) = 59.47. 实验22 min 后, 两晶面相对峰值强度提高了6.6倍多. 而同一衍射谱线中各晶面衍射峰的相对强度可用下图10 45钢的累积失重、衍射峰值相对强度和球形度图11 T10钢的累积失重、衍射峰值相对强度和球形度式计算: I r = N 2|F|2E −2M L p PA (θ )V ,其中N 为单位体积中的晶胞数(1/v, v 为单位晶胞体积); |F|2为结构因子; L p 为角度因子(劳伦次-偏振因子); E −2M 为温度因子; P 为多重性因子; A (θ )为吸收因子; V 为发生衍射物相的体积分数.相对强度的影响因素中, 除V 外, 其他参数都由材料的物理性质和检测仪器的性能决定, 对同一样品用同一台仪器检测时不会发生大的变化. 因此相对强度的巨大差异主要是由发生衍射物相的体积分数的改变引起的. 而导致体积分数发生变化的直接原因是空蚀过程中表面的变形和破损. 因此, 累计失重、衍射峰的相对强度和磨粒的球形度的变化实际上是相互关联的. 联系它们的纽带是材料表面的变形和破损. 图9~11显示了这种关联性.空蚀初生期, 试样的失重小, 即表面材料的破损脱落少. 但在空蚀冲击作用下, 表面必然会有变形,9692009年4月 第54卷 第7期变形的大小与材料的冲击强度有关. 变形一般以滑移的形式发生. 不同的晶体有不同的滑移系. 3种材料都以铁素体为其主要组成相(铁素体含量最少的T10钢也有85%), 而铁素体为体心立方晶格, (110)面为其主要的滑移面. 微小的滑移使大量(110)晶面微区暴露出来, 导致(110)晶面的衍射峰值强度的增加. 同时, 冲击在表面产生的裂纹向材料内部扩展, 与亚表层的滑移相互作用, 形成解理破坏(对低强度的Q235钢可能伴随撕裂), 而解理面往往是滑移面, 这也导致(110)面的衍射峰值强度的增加(图12(a), (b)). 裂纹向材料内部扩展的深度是影响磨粒形状的重要因素. 空蚀初期, 晶体内部的缺陷少, 裂纹不易扩展, 因此材料以层片状从表面剥离, 形成片状磨粒. 所以片状磨粒多、球形度值低、(110)面衍射峰强快速上升是碳钢空蚀初生阶段的特征. 3种材料在空蚀初生期的球形度值相差不大, 约为0.3~0.4, 而衍射峰强的上升时间和幅度则有很大差别. Q235钢上升期持续时间短、幅度小, T10的上升期长、幅度大, 原因在于Q235的铁素体含量高, 容易变形, 而T10钢中的铁素体以层片状夹在不易变形的渗碳体中, 能较好地保持晶形. 故而衍射强度的上升期长, 增长的幅度大. 显然, 滑移是材料变形的基本形式, 不因空蚀阶段的变化而变化, 这是整个空蚀过程中片状磨粒多的原因. 随着空蚀的进行, 材料进入加速阶段, 在晶界和材料原有缺陷处产生的裂纹不断增多, 这些裂纹又成为新的裂纹源, 向晶粒中央和材料内部延伸, 破损在裂纹的交叉点处发生, 由于裂纹向多方向扩展都达到了一定的尺寸, 产生颗粒状磨粒的几率增加. 在空蚀加速期, 磨粒的球形度达到最高值, 约0.5~0.7, 强度低的Q235值较高, 0.65左右. 强度高的T10钢值较低, 0.55左右. 这时尽管表面已经呈龟裂状, 但仍有局部比较平整的表面, 晶形还比较规整, 因此衍射强度仍较高. 空蚀加速期的开始时间和持续时间也因材料不同而不同. 材料强度越高, 开始得越迟, 持续时间越长. 到空蚀稳定期, 裂纹充分扩展, 表面变形和破损严重, 平整度受到破坏, 甚至出现晶格扭曲(图13), 此时不仅相对衍射强度降低, 所有晶面的衍射强度都会降低(图12(c)). 表面材料的严重变形也对磨粒的球形度会有一定的影响, 但球形度值不会减低太多, 对Q235钢和45钢的统计结果表明, 稳定期的球形度能保持在0.5以上.综上所述, 滑移变形是整个空蚀过程中片状磨粒多和空蚀初生期材料的滑移面相对其他晶面的X 射线衍射强度增加的根本原因. 随着空蚀程度的不断加深, 裂纹在表面和向内部扩展, 导致颗粒状磨粒增多, 磨粒球形度增加, 到空蚀稳定期, 材料的严重变形导致所有晶面的衍射强度减弱和磨粒球形度的降低.图12 Q235钢原始表面及实验22和62 min 后的表面X 射线衍射谱970图13 Q235钢实验62 min后的表面此外, 实验中观察到十分规则的球形磨粒, 尺寸小的2 μm左右, 大的近50 μm, 明显出现了重结晶过程. 有研究者认为它是空泡溃灭时产生的高温造成的[9], 但也可能是冲击使内部材料反复变形、摩擦和变形热的共同作用形成的. 对球形磨粒的产生机理还没有统一的认识, 需要进一步研究. 4 结论磨粒的形态与材料空蚀阶段有较好的对应关系, 通过球形度值及其变化可以判定材料所处的空蚀阶段. 空蚀初生期, 片状磨粒多, 球形度值在0.3~0.4之间. 随着空蚀的进行, 片状磨粒不断减少, 颗粒状磨粒不断增多, 到空蚀加速期, 片状磨粒和颗粒状磨粒的比例大致相同, 球形度值在0.5~0.7之间. 到空蚀稳定期, 颗粒状磨粒数量会略有减少, 但球形度值不低于0.5.X射线衍射峰强的变化与表面的空蚀程度有一定的对应关系. 空蚀初生期, 材料主要滑移面的相对衍射峰强持续升高, 到加速期达到最大, 进入稳定期时, 大幅降低.整个空蚀阶段片状磨粒较多及主要滑移面的X 射线衍射峰强在初生期增强的事实表明滑移是空蚀过程中的一种主要变形形式.致谢感谢刘兵在X射线衍射谱分析方面的建议, 感谢杨文言在获得SEM图像方面提供的帮助.参考文献1 Shuji H, Eisaku N. Cavitation erosion mechanisms and quantitative evaluation based on erosion particles. Wear, 2001, 249: 839—845[doi]2 Surapol R. Wear particle analysis—utilization of quantitative computer image analysis: A review. Tribol Int, 2005, 38: 871—878[doi]3 陈振兴. 特种粉体. 北京: 化学工业出版社, 2004. 314 刘玉斌, 李柱国, 杨志伊. 旋转铁谱仪制得谱片上磨屑沉积规律的研究. 润滑与密封, 2003, 4: 39—425 Kowandy C, Richard C, Chen Y M, et al. Correlation between the tribological behaviour and wear particle morphology—case of greycast iron 250 versus Graphite and PTFE. Wear, 2007, 262: 996—1006[doi]6 John A F. Fractography and Atlas of Fractophs. Ohio: ASM Metals Park, 1983. 71—747 ASTM G32-92, Standard Method of Vibratory Cavitation Erosion Test, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.02, ASTMPhiladelphia, PA, 19958 祁景玉. X射线结构分析. 上海: 同济大学出版社, 2003. 16—299 Chen H S, Liu S H, Wang J D, et al. Spherical dendritic particles formed in cavitation erosion. Mater Lett, 2008, 62(17-18): 2707—2709[doi]971。
白立新- 超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究
中国科学 E辑: 技术科学 2009年 第39卷 第6期: 1122~1128 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究白立新, 许唯临*, 张法星, 李乃稳, 张毅弛, 黄德法四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 成都 610065* E-mail: xu_wl@收稿日期: 2008-04-29; 接受日期: 2008-10-05国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号：2007CB714105)和国家自然科学基金(批准号: 50539060)资助项目摘要利用高速摄影技术对超声场中硬壁凹坑的空化空蚀特性进行了实验研究, 重点研究了凹坑的驻气特性, 微泡散逸特性以及空泡对蚀坑发展过程的影响. 对直径为1 mm的玻璃凹坑进行了空化实验, 分别对金属铝和金属铜试件进行了为期60 min和240 min的空蚀实验, 发现硬壁凹坑开始驻留游移空泡是凹坑进入空蚀加速阶段的标志. 凹坑倾向于会聚较大的游移空泡并从驻留空泡顶端散逸微泡, 这使凹坑成为一个空化核的发生源. 在确定的实验条件下, 蚀坑直径存在一个确定的稳定值, 达到这个稳定值之后蚀坑直径不再增加. 关键词超声空化空蚀蚀坑壁面特性高速摄影空化是指当液体的压强下降到足够低时液体中空泡的生成及其后续的动力学行为. 空化现象广泛存在于许多工业领域, 损益并存. 比如, 空化可以应用于超声碎石, 声化学, 超声清洗, 废水处理, 射流切割等领域, 但是空化也可能造成大坝和泄洪洞的空蚀, 影响水泵和水轮机效率, 造成大脑的损伤和人工心脏瓣膜的失效等等. 不管是空化的利用还是空化的危害, 空化现象往往和边壁联系在一起, 因此近壁面空泡的生成与溃灭一直是空化空蚀研究的重点.Rayleigh提出了静止液体中孤立球形空泡的溃灭机理, 他认为壁面的空蚀破坏是由于近壁空泡溃灭的最后阶段产生的压力冲击波造成的[1]. Kornfeld 和Suvorov提出了空泡可能非对称溃灭, 溃灭时产生一个穿过空泡的液体射流, 如果溃灭发生在硬壁附近, 那么射流冲击可能造成壁面的空蚀破坏[2]. 除了上述的冲击波理论和微射流理论, Philipp认为空泡在溃灭时被吸向边壁的效应是空蚀破坏的第三种机理[3]. 此外Tomita和Shima还提出了在射流冲击之后产生向外的流动和溃灭时向内的流动碰撞的溅射机理[4].空蚀是空化破坏能力和边壁材料抗空蚀强度的综合结果, 前人对空蚀机理的研究多以水平壁面的空蚀为基础, 而边壁表面的几何特性也是影响壁面空蚀的一个重要因素. 前人利用震荡型空化实验, 对空蚀导致试件质量损失随时间的变化特性进行了研究, 发现由于材料的剥蚀改变了试件表面特性, 在空蚀酝酿阶段后有一个明显的空蚀加速阶段[5~9]. Ah-med, Chiu和Jiang分别对超声空化造成的壁面粗糙度的变化进行了研究[10~12]. Philipp利用激光诱发100个相同的空泡在壁面附近同一位置溃灭, 发现由于空蚀使壁面几何特性发生改变, 后期空泡溃灭过程与前期空泡溃灭过程相比有明显变化[3]. Dear等人指出在锥形坑或内凹的曲面附近空泡溃灭产生的激波经过凹面的反射, 可能在壁面附近会聚, 产生更大的压力, 这个压力可能诱发附近的空泡猛烈地溃灭[13]. Tomita利用激光诱发空泡, 对空泡在不同曲率壁面附近的溃灭过程进行了研究, 发现当空泡在硬壁附近1122中国科学E辑: 技术科学 2009年第39卷第6期溃灭时, 空泡的运动显著地受壁面曲率的影响, 就凸面而言, 其微射流的速度比平壁更高[14~16]. Farhat和Guennoun讨论了水力空化中壁面罅隙的自动成核机理, 指出罅隙附近流动结构对空化显著影响[17,18]. Chen对超声场中碳钢表面空蚀蚀坑的表观特性进行了研究[19]. Wu对一种常用的水轮机材料的抗空蚀性能进行了研究[20].综上所述, 关于壁面凹坑的空化空蚀特性, 自从Thiruvengadam[6]对空蚀阶段进行划分以来较少受到关注, 大多是在各自的研究方向上零散的对其进行研究. Tomita[14~16]是个例外, 他利用激光诱发空泡技术就壁面曲率特性对空泡溃灭的影响进行了比较系统的研究, 但他关注的是固壁曲率对空泡溃灭的影响, 而未关注空泡对凹坑形成, 发展所起的作用, 也未对空泡和蚀坑相互作用的长期过程进行研究. 本文利用高速摄影技术对超声场中硬壁凹坑的空化空蚀特性及其发展过程进行了观测, 重点研究了凹坑的驻气特性, 微泡散逸特性以及空泡对蚀坑发展过程的影响.1实验装置及步骤实验在四川大学高分子材料工程国家重点实验室空化室进行, 实验装置与布设图如图1所示. 试件(带有凹坑的玻璃, 铝板或铜板)通过有机玻璃支架固定在透明容器(170 mm×50 mm×90 mm)中, HG-LE高速摄影机(Redlake MASD Inc. USA), Navitar镜头组件以及氙气闪光灯(闪光持续时间600~1400 μs)分别置于容器两侧. 超声空化空蚀试验中, 高速摄影系统分别在3000 frame/s(分辨率512×512), 10000 frame/s (分辨率256×256)或50000 frame/s(分辨率80×80)的拍摄速度下拍摄, 曝光时间为5 μs. 实验所需空化场由VCF1500超声空化系统(Sonics & Material Inc. USA)产生, 净输出功率1200 W, 频率20 kHz. 实验采用二次去离子水, 由DLSB-10/30°恒温循环系统将水温控制在(20 ± 1)℃.为了保证声场的稳定, 超声空化系统的功率, 频率, 换能器浸没深度, 容器盛水量等在实验过程中均保持不变. 在空化系统运行5 min即空化稳定后才开始采集数据. 空化实验时, 分别将带有直径为1 mm图1 超声空化空蚀实验装置与布设图凹坑的玻璃试件水平地, 竖直地放入超声场中, 调整氙气闪光灯和高速摄影机的角度以达到最佳的拍摄效果. 空蚀实验时, 把金属铝板(或铜板)水平置于超声场中持续空蚀60 min(或240 min), 每隔2 min(或5 min)用高速摄影机以10,000 frame/s的频率记录下空化空蚀细节, 每次拍摄约100张照片(持续时间约0.01 s, 曝光时间为5 μs, 帧间隔为100 μs), 实验过程中拍摄位置、焦距、放大倍率均保持不变, 从而兼顾壁面瞬时空化和长期空蚀过程的详细信息.2 超声场中凹坑的空化特性图2为实验中观测到的玻璃壁面凹坑内一个空泡的溃灭和回弹过程. 在超声场中, 凹坑内的单泡空化与平壁单泡空化很相似, 也存在双周期特性[21], 即球形空泡在一个超声周期内溃灭至最小体积(如图2(g), (l)), 然后膨胀成一个环状空泡(或两个独立空泡)(如图2(d), (f), (i)), 在下一个超声周期, 环状空泡(或两个独立的空泡)溃灭至最小体积(如图2(c), (k)), 然后膨胀成一个球形空泡(如图2(a), (b), (e), (h), (j)). 但凹坑内的空泡很少以“单空泡-环状空泡-单空泡”的模式出现, 而多以“单空泡-双空泡-单空泡"”的模式出现, 这可能是因为凹坑内空泡溃灭时产生的微射流比平壁溃灭时要宽"[16], 易于把空泡一分为二, 而附壁射流因为曲率的缘故形成钝角, 使两个空泡较平壁时更为接近. 另外从图中可以看出, 凹坑有会聚和驻留空泡的倾向. 在平壁空化时, 空泡在壁面上游移不定, 捕捉空泡常常变成一个随机过程, 为了1123白立新等: 超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究图2 壁面凹坑内单空泡的溃灭和回弹(拍摄频率3000 frame/s; 曝光时间 5 μs)拍摄理想的效果需要大量重复实验, 而利用凹坑的这一特性, 我们可以在固定的位置拍摄适宜的空泡.图3(a)和(b)分别为t = 0 min 和t = 60 min 时金属铝试件的空化照片, 图3(c)为在为期60 min 的空蚀实验结束后拍摄的蚀坑分布照片. 图3(b)中用字母标示空泡的位置与图3(c)中空蚀蚀坑的位置相对应, 即图3(b)中的a 空泡位于图3(c)中标示的a 蚀坑处. 在t = 0 min 时, 实验刚刚开始, 铝试件表面光滑, 空泡在声流的作用下游移不定. 在t = 60 min 时, 铝试件表面已经变得粗糙, 发生了面蚀, 在局部地方还出现了蚀坑, 发生了点蚀. 空泡倾向于驻留在蚀坑内并反复膨胀图3 铝试件壁面的空化和空蚀(a), (b) t = 0 min 和t = 60 min 时铝试件表面空化现场照片;(c) 空蚀60 min 后铝试件表面的蚀坑分布1124中国科学 E 辑: 技术科学 2009年 第39卷 第6期和溃灭. 在10000 frame/s 的拍摄速度下对蚀坑, 驻留空泡以及游移空泡进行拍摄并对图像进行测量和分析.图4为在各时刻拍摄的约100张照片(需要0.01 s 的拍摄时间)中驻留空泡直径的最大值随时间的变化曲线. 从图中可见驻留空泡最大直径开始震荡较大. 分析原因, 可能是因为实验开始时蚀坑较浅, 若驻留的大空泡延展到小坑之外, 实验观测到的驻留空泡尺寸就大; 而大空泡易被水平声流冲走, 观测到的空泡尺寸则小. 后来震荡减小, 说明蚀坑变大, 空泡稳定驻留, 空泡的膨胀和溃灭即空蚀的过程渐趋于稳定. 另外, 蚀坑a 的驻留空泡最大直径比蚀坑b 的驻留空泡最大直径要大, 这与蚀坑a 处声场强度高于蚀坑b 处的声场强度的情况相符合.图4 蚀坑a 和蚀坑b 驻留空泡最大直径随时间的变化(直线为平均值)图5为蚀坑a 驻留空泡最大直径及其并入空泡的最大直径随时间的变化. 图中的折线是蚀坑a 驻留空泡的最大直径, 下面三角形点标为在该时刻(前后0.01 s 的时间段内)汇入驻留空泡的游移空泡直径. 有时在0.01 s 内会有两个空泡先后汇入(图中用不同的点标表示). 在实验过程中, 观察到在蚀坑a 形成之后有大量空泡并入其中, 表明凹坑有汇聚空泡的倾向. 但除了在蚀坑形成初期之外, 并没有观察到大空泡从蚀坑剥离的现象. 在30000 frame/s 的拍摄频率下对游移空泡并入驻留空泡的过程进行了观察, 发现游移空泡并入后驻留空泡直径明显增大, 这也说明空泡是含气型空泡. 如果有空泡持续并入, 驻留空泡应该逐渐增大, 但图4和5显示驻留空泡最大直径没有增大趋势, 这说明空泡可能以微泡的形式散逸出 去了.图5 蚀坑a 驻留空泡最大直径和并入空泡的最大直径随时间的变化在30000 frame/s 的拍摄频率和较高放大倍数下分别对驻留空泡侧边和顶端进行拍摄, 图6为拍摄的一组典型照片. 空泡溃灭时表面失稳碎裂成许多微泡(图6(b)), 这些微泡并未散逸出去, 而是被流体带向空泡中心方向. 在空泡再次膨胀时, 出现少量微泡距离空泡边壁较远的地方(图6(e)). 这些微泡随着驻留空泡的溃灭和膨胀在附近摇摆几个周期后最终散逸出去, 但是以这种方式散逸出去的微泡很少. 图7为一组竖直玻璃凹坑空泡溃灭时微泡的散逸照片. 图7(a)为空泡膨胀至最大体积时的照片, 图7(b)~(f)分别为该空泡在不同周期溃灭时微泡散逸的瞬间. 从图中可以清晰的看到空泡顶部有许多微泡, 可见微泡的主要散逸方式是从空泡顶部被抛出. 这种微泡从空泡顶端散逸的特性可能与微射流有关. 壁面凹坑的这种汇聚大空泡散逸小空泡的特性使它成为一个空化核的发生源.3 超声场中蚀坑的发展过程图8为图3中的蚀坑a 和蚀坑b 的直径随时间的变化. 对于蚀坑b, 在A 1时刻开始发现有空泡驻留现象, 空泡驻留几个声周期后旋即离开; 在B 1时刻空泡开始长期驻留在蚀坑中. 对于蚀坑a, 在A 2时刻开始出现空泡短期驻留现象, 在B 2时刻空泡开始长期驻留在蚀坑. 在B 1时刻和B 2时刻以后各点, 蚀坑中一直有空泡存在, 说明小坑中驻留空泡是一种常态, 这与玻璃凹坑的实验结果相符. 在有空泡驻留后, 蚀坑直径迅速增加, 说明空泡的驻留对蚀坑有加速空蚀的作用, 凹坑开始驻留游移空泡可以被看作是蚀坑1125白立新等: 超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究图6 蚀坑a 驻留空泡侧边的微泡散逸过程(拍摄频率50000 frame/s; 曝光时间 5 μs)图7 玻璃凹坑驻留空泡及其顶端的微泡散逸进入空蚀加速阶段的标志.从图8可以看出, 蚀坑b 的酝酿期较短, 而蚀坑a 的酝酿期较长, 两者在经过酝酿期后直径都迅速增加, 但蚀坑a 的直径增加得更为迅速. 蚀坑b 在实验之初即发现有一个由于金属加工造成的小瑕疵, 而图8 铝坑a 和铝坑b 的直径随时间的变化及表面的蚀坑分布蚀坑a 在A 2以前的各个数据点未发现有明显的凹陷,尽管蚀坑a 处的声场强度高于蚀坑b 处的声场强度, 蚀坑b 仍然先于蚀坑a 进入空蚀加速阶段, 这说明初始壁面状况对酝酿期的长短有重要影响. 蚀坑a 的直径增加得更为迅速, 与图4中蚀坑a 的驻留空泡最大直径比蚀坑b 的驻留空泡最大直径要大一样, 主要是由于蚀坑a 处的声场强度高于蚀坑b 处的声场强度. 由实验可知, 超声场中空蚀凹坑直径随时间变化曲线在空蚀加速段基本为线形关系, 其斜率与场强有关, 截距与初始壁面状况有关.在图8中铝坑直径达到0.42 mm 之后不再增加(如图8中C 1和C 2时刻). 不只是蚀坑a 和蚀坑b, 图3中所有蚀坑, 不论产生时间的早晚, 都不超过0.5 mm, 在另一次90 min 的掺气减蚀实验中(实验条件相同), 所有蚀坑的直径也都未超过0.5 mm. 图9为铜板空1126中国科学E辑: 技术科学 2009年第39卷第6期图9 铜坑a, b和c的直径随时间的变化及表面的蚀坑分布蚀实验中蚀坑直径随时间的变化及表面的蚀坑分布. 从图中可以看出铜坑a和铜坑b的直径达到0.45 mm 后也不再增加, 而铜坑c的初始直径大于0.5 mm, 在实验过程中其直径一直保持不变. 这说明, 在确定的工况下, 蚀坑的最大直径可能存在一个确定的稳定值, 在蚀坑直径达到某一数值后基本不再增加, 这对我们了解和预测空蚀过程很有帮助.这一稳定值的存在与凹坑的驻气特性和微泡散逸特性相关联, 如图10所示. 在确定的超声场中, 当驻留空泡较小时会通过汇聚游移空泡的方式长大, 当驻留空泡较大时会通过微泡散逸的方式使尺寸减小, 这样驻留空泡会保持相对稳定尺寸, 尤其在稳定值之后(如图4中的阴影区域). 在确定的超声场中, 空泡直径决定了其从超声场中获得的能量, 也就决定了空泡溃灭时施加在壁面的能量. 空泡溃灭时以冲击波和微射流的方式对壁面造成破坏. 当释放能量一定时, 可造成破坏的有效冲击波直径和有效附壁射流直径也是一定的. 因此, 在确定的超声场中, 蚀坑的直径也存在一个确定的稳定值, 达到这个稳定值以后蚀坑直径不再增加. 以上所述是平壁上单个蚀坑直径的变化规律. 当发生长时间高强度空蚀图10 硬壁凹坑空化空蚀特性时, 往往还会出现蚀坑的叠加现象, 即蚀坑的边界相侵或在原蚀坑内产生新蚀坑. 叠加蚀坑中每一个蚀坑直径的变化规律与平壁上单个蚀坑直径的变化规律相似.4结论进行了玻璃凹坑空化实验和铝试件和铜试件的空蚀实验, 利用高速摄影技术对超声场中硬壁凹坑的空化空蚀特性进行了实验研究, 重点研究了凹坑的驻气特性, 微泡散逸特性以及蚀坑的发展过程. 发现凹坑有聚集和驻留空泡的倾向, 空泡驻留后蚀坑直径迅速增加, 蚀坑开始驻留游移空泡是空蚀进入加速阶段的标志. 凹坑倾向于会聚较大的游移空泡并散逸微泡. 微泡主要从驻留空泡顶端散逸出去, 侧边散逸的微泡很少. 壁面蚀坑酝酿期的长短与壁面初始状况有关, 蚀坑直径的增大速度与声场强度有关. 在确定的实验条件下, 蚀坑直径存在一个确定的稳定值, 达到这个稳定值后蚀坑直径不再增加. 这一稳定值的存在是由于在确定的超声场中, 凹坑驻气特性和微泡散逸特性达到平衡的结果. 了解这一特性有助于明确空蚀的状态和预测空蚀的过程.参考文献1 Rayleigh L. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity. Philos Mag Ser 6, 1917, 34: 94―982 Kornfeld M, Suvorov L. On the destructive action of cavitation. J Appl Phys, 1944, 15: 495―506[doi]3 Philipp A, Lauterborn W. Cavitation erosion by single laser-produced bubbles. J Fluid Mech, 1998, 361: 75―116[doi]4 Tomita Y, Shima A, Sugiu T. Mechanisms of impulsive pressure generation and damage pit formation by bubble collapse. J FluidMech, 1986, 169: 535―564[doi]5 Thiruvendagam A. Cavitation erosion. Appl Mech Rev, 1971, 24(3): 245―2536 Knapp R T, Daily J W, Hammitt F G. Cavitation. New York : McGraw-Hill, 19701127白立新等: 超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究7 Hammitt F G. Cavitation erosion: The state of the art and predicting capability. Appl Mech Rev, 1979, 32(6): 665―6758 Karimi A, Martin J L. Cavitation erosion of materials. Int Metals Rev, 1986, 31(1): 1―269 Franc J P, Michel J M. Cavitation erosion research in France: The state of the art. J Mar Sci Technol, 1997, 2: 233―244[doi]10 Ahmed S M, Hokkirigawa K, Oba R. Developing stages of ultrasonically produced cavitation erosion and corresponding surfaceroughness. JSME Int J, 1990, 33(1): 11―1611 Chiu K Y, Cheng F T, Man H C. Evolution of surface roughness of some metallic materials in cavitation erosion. Ultrasonics, 2005,43(9): 713―716[doi]12 Jiang N N, Liu S H, Chen D R. Effect of roughness and wettability of silicon wafer in cavitation erosion. Chin Sci Bull, 2008, 53(18):2879―288513 Dear J P, Field J E. High-speed photography of surface geometry effects in liquid/solid impact. J Appl Phys, 1988, 63(4): 1015―1021[doi]14 Tomita Y, Shima A, Takahashi H. The behavior of a laser-produced bubble near a rigid wall with various configurations. ASMECavitation Symp, 1991, 116: 19―2515 Tomita Y, Blake J R, Robinson P B. Interaction of a cavitation bubble with a curved rigid boundary. In: Proc Third Intl Symp Cavita-tion. Grenoble: IMechE, 1998. 51―5616 Tomita Y, Robinson P B, Tong R P, et al. Growth and collapse of cavitation bubbles near a curved rigid boundary. J Fluid Mech, 2002,466: 259―28317 Farhat M, Guennoun F, Avellan F. The leading edge cavitation dynamics. In: Proc Joint ASME-Euro Fluid Eng Summer Conf. Mont-real: ASME, 2002. 865―87218 Guennoun F, Farhat M, Ait Bouziad Y, et al. Experimental investigation of a particular traveling bubble cavitation. In: Proc Fifth IntSymp Cavitation. Osaka: IMechE, 2003. 1―819 Chen H S, Li J, Liu S H, et al. Affected zone generated around the erosion pit on carbon steel surface at the incipient stage of vibra-tion cavitation. Chin Sci Bull, 2008, 53(6): 943―94720 Wu J H, Gong C C. Effects of N+ ion implantation on surface modification of cavitation damage for OCr13Ni9TiSS of turbine materials. JFluids Eng-T ASME, 1997, 119(1): 204―208[doi]21 Bai L X, Xu W L, Tian Z, et al. A high-speed photographic study of ultrasonic cavitation near rigid boundary. J Hydrodynam, 2008,20(5): 637―644[doi]1128。
摩擦磨损与耐磨材料
摩擦磨损与耐磨材料姓名：李英杰班级：材控13-2学号：201301021048Cr—Mn-N奥氏体一铁素体不锈钢的空蚀1、概述：（1）空蚀原理：抛光表面在空蚀气泡溃灭作用下产生空蚀凹坑，随后叠加并扩展，表面出现塑性变形，产生加工硬化和应力，但表面易发生塑性流变，对高应变速率不敏感，所以空蚀孕育期长，空蚀扩展较慢，抗空蚀性能较好。
空蚀发生时材料表面会产生疲劳裂纹并向内部扩展，引发疲劳断裂和脱落，之后裂纹继续向材料内部扩展，导致进一步破坏。
空蚀发生后表面粗糙度明显变大【1】。
（2）研究历程：为了减轻水轮机过流部件的空蚀损伤，过去的几十年里在材料科学与工程领域，人们一直致力于开发具有抗空蚀损伤高性能的新材料，其中从60 年代发展起来的 Cr-Ni—MO系不锈钢就具有比传统材料更好的抗空蚀性[l] 由于这些 Cr-Ni-Mo 系不锈钢含有较多稀缺的金属镍,成本很高，而且抗含沙河流中泥沙磨损的性能也不理想，故开发价格低廉 (无镍或低镍) 且性能优异的水轮机过流部件用不锈钢具有极其重要的实际意义．早在 2O 世纪 3O 年代初期一些国家就开始了Cr—Mn-N不锈钢代镍的探索性研究，并列入国家标准[2]．Cr-M n-N系列不锈钢在化工、石油以及制药等工业中如今已经部分代替Ni-Cr 不锈钢．为了降低现有水轮机用 Cr-Ni-Mo系不锈钢的成本和提高抗多相流损伤的性能，我国及国外的一些研究者也将目光转向了 Cr-Mn—N系列不锈钢，并开展了该类不锈钢的抗空蚀和冲刷腐蚀等多相流损伤的研究工作，已取得了一定的成果，展示了其作为水轮机用金属材料的良好前景[2,4-7]。
2、实验研究：0Cr13Ni5M o不锈钢热处理工艺为 1000 ℃正火，500 ℃回火，组织为回火马氏体 Cr—Mn—N 奥氏体一铁素体不锈钢为锻后固溶态．根据两种钢材的化学成分和硬度． Cr—Mn—N奥氏体一铁素体不锈钢组织中铁素体体积含量为19％．实验设备为美国 M isonix 公司生产的 X12020 型超声振荡空蚀实验机，该设备的振动频率为20 kH z峰一峰振幅为60 m，试样的前端即受到空蚀破坏的表面直径为 19．1 m m ，试样的后端加工成螺纹，用来将试样固定在设备的变幅杆上．为了减轻腐蚀因素的影响，选择蒸馏水为实验介质．实验介质放在冷凝器中进行冷却．试样经研磨和抛光后用丙酮超声清洗并烘干，然后用分度值0．1 m g 的分析天平称重．空蚀进行一定的时间后对试样再次称重．对空蚀前和空蚀不同时间后的试样表面进行扫描电镜观察和 X 射线衍射分析．测量空蚀进行一定时间后试样横截面距表层不同距离处的显微硬度值．对不同空蚀时间后的 X 射线衍射结果根据文献【9】计算出空蚀表面铁素体相的含量．3、空蚀引起的Cr—Mn-N奥氏体一铁素体的变化3.1累积空蚀失重和失重率Cr—Mn—N 不锈钢的空蚀失重率随时间的变化特点可分为三个阶段．在空蚀的初期 (0—5 m in)，空蚀失重率迅速增加，在试样表面发生材料的脱离；在第二阶段 (5—30 m in)，材料的空蚀损伤程度减缓，空蚀失重率迅速下降；在第三阶段 (30 m in 以后) 材料的空蚀失重率缓慢地增加．具有高的抗空蚀性能。
空蚀产生原理
空蚀产生原理空蚀产生原理凡是水流因局部地区流速增高，而产生汽化，并由此形成的破坏现象，就叫做空蚀。
在流动的液体中，当局部区域的压力因某种原因而突然下降至与该区域液体温度相应的气化压力以下时，部分液体气化，溶于液体中的气体逸出，形成液流中的气泡（或称空泡），这一过程称为空化。
空泡随液流进入压力较高的区域时,失去存在的条件而突然溃灭,原空泡周围的液体运动使局部区域的压力骤增。
如果液流中不断形成、长大的空泡在固体壁面附近频频溃灭，壁面就会遭受巨大压力的反复冲击，从而引起材料的疲劳破损甚至表面剥蚀，这就叫空化剥蚀，简称空蚀，又称气蚀。
表面的空蚀现象经常发生于水泵、水轮机和船舶螺旋桨的叶片表面，以及高水头泄水建筑物的局部表面上。
空蚀是水泵!水轮机!船用螺旋桨!汽车燃气室及其他水利机械过流部件的一种常见的破坏现象。
在流动的液体中，当局部区域的压力因某种原因而突然下降至与该区域液体温度相应的气化压力以下时，部分液体气化，溶于液体中的气体逸出，形成液流中的气泡（或称空泡），这一过程称为空化。
空泡随液流进入压力较高的区域时,失去存在的条件而突然溃灭,原空泡周围的液体运动使局部区域的压力骤增。
如果液流中不断形成、长大的空泡在固体壁面附近频频溃灭，壁面就会遭受巨大压力的反复冲击，从而引起材料的疲劳破损甚至表面剥蚀，这就叫空化剥蚀，简称空蚀，又称气蚀。
表面的空蚀现象经常发生于水泵、水轮机和船舶螺旋桨的叶片表面，以及高水头泄水建筑物的局部表面上。
运动物体受到空化冲击后表面出现的变形和材料剥蚀现象，又称剥蚀或气蚀。
空蚀是流体动力学、材料学和物理化学的复杂现象。
1902年，最先在英国驱逐舰“Cobra” 号螺旋桨上发现空蚀。
接着在水工建筑物和水力机械上也看到同样的现象。
当时认为桨叶材料的剥落是海水腐蚀造成的，但是试验证明在蒸馏水中运动的物体也会出现类似的剥蚀，因而确认这种现象仅是机械力冲击的结果。
据现在分析, 上述两种因素都起作用。
磨粒磨损概述
磨粒磨损基本介绍由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。
其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。
磨损分类磨料磨损有多种分类方法，例如，以力的作用特点来分，可分为：(1)低应力划伤式的磨料磨损，它的特点是磨料作用于零件表面的应力不超过磨料的压溃强度，材料表面被轻微划伤。
生产中的犁铧，及煤矿机械中的刮板输送机溜槽磨损情况就是属于这种类型。
(2)高应力辗碎式的磨料磨损，其特点是磨料与零件表面接触处的最大压应力大于磨料的压溃强度。
生产中球磨机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。
(3)凿削式磨料磨损，其特点是磨料对材料表面有大的冲击力，从材料表面凿下较大颗料的磨屑，如挖掘机斗齿及颚式破碎机的齿板。
也有以磨损接触物体的表面分类，分为两体磨料磨损和三体磨料磨损。
两体磨损的情况是，磨料与一个零件表面接触，磨料为一物体，零件表面为另一物体，如犁铧。
而三体磨损，其磨损料介于两个滑动零件表面，或者介于两个滚动物体表面，前者如活塞与汽缸间落人磨料，后者如齿轮间落人磨料。
这两种分类法最常用。
试验规律虽然零件或材料的耐磨性能不是材料的固有特性，它与许多因素有关，但是材料本身的硬度和磨粒的硬度是影响磨料磨损的两个最主要的因素，现已总结出它们的影响规律。
(1)如果材料预先已经过加工硬化，则对增加耐磨性就不再起作用。
这说明磨损试验本身，已使材料表面达到了最大的加工硬化状态。
(2)材料的耐磨性显然与磨粒的硬度、几何形状、物理性能有关。
除了提高材料本身硬度可增加抗磨料磨损性能外，还可进行感应加热淬火、渗碳、氮化、表面喷镀与堆焊来提高耐磨性。
磨损机理(1)微观切削磨损机理(2)多次塑变导致断裂的磨损机理(3)微观断裂磨损机理影响磨粒磨损的因素(1)磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧性、压碎强度等。
(2)外界载荷大小、滑动距离及滑动速度。
(3)材料自身的硬度及内部组织。
碳钢在臭氧中的初期腐蚀行为与机理_武琼_闫莹_周浩_吴来明_郭宇平_蔡兰坤
中，碳 钢 占 了 ８０％ 以 上 。 ［１］ 而 在 所 有 的 大 气 环 境 中，潮 湿 的、强 烈 污 染 的 工 Ｏ３）是 一 种 潜 在 的 金 属 腐 蚀 加 速剂。臭氧很容易 分 解 为 氧 气 和 单 个 原 子 氧，后 者 具有极强的氧化性，对 各 种 金 属 都 有 很 大 的 腐 蚀 破 坏作用。例如 Ｏ３ 对 铜 有 较 强 的 腐 蚀 作 用［３］，其 对 铜腐蚀的影响要比 ＳＯ２ 和 ＮＯ２ 都强［４］；不锈钢在臭 氧溶液中的腐蚀速率明显高于在过氧乙酸溶液中的 腐蚀速率 。 ［５］ 不 仅 如 此，当 Ｏ３ 与 其 他 污 染 性 气 体 联合作用时，对金 属 的 腐 蚀 影 响 更 为 严 重。 研 究 表 明，Ｏ３ 与 ＳＯ２、ＮａＣｌ等多种污 染 性 气 体 和 颗 粒 均 具 有协同作用 。 ［６－７］ 当与 ＳＯ２ 联合作用时，Ｏ３ 会 增 加
１ 试 验
１．１ 试 样 的 制 备 试 验 材 料 为 Ｑ２３５ 碳 钢，主 要 成 分 （质 量 分
数／％）：０．１８ Ｃ，０．０３４ Ｐ，０．０１９Ｓ，０．３５Ｓｉ，０．４２ Ｍｎ，余量为 铁。 将 碳 钢 加 工 成 工 作 面 为 １２ ｍｍ× １０ｍｍ×３ｍｍ 的试片，用油进行密封。试验前先进 行抛光，之后用 ５０～１２００ 目 的 水 相 砂 纸 逐 级 打 磨， 再用去离子水冲 洗，酒 精 和 丙 酮 除 水 脱 脂。 将 试 片 暴露于臭氧老化 试 验 箱 （ＱＬ－１００ 型）和 自 然 空 气 中 进行试验。 １．２ 试 验 方 法
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武 琼等：碳钢在臭氧中的初期腐蚀行为与机理
铁的腐 蚀 速 率 。 ［８］ 在 含 有 ＣＯ２ 的 腐 蚀 气 体 中，Ｏ３ 的存在可以加快银表面腐蚀产物的生成速率 。 ［９］ 对 银变色机理研究也 认 为，硫 化 物 对 银 的 腐 蚀 在 大 气 中有氧参与下 更 为 显 著［１０］，Ｈ２Ｓ 与 Ｏ３ 之 间 亦 具 有 协 同 作用 。 ［１１］
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2009年 第54卷 第7期: 966 ~ 971 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS论 文碳钢空蚀磨粒形态特征与空蚀阶段的关系刘诗汉①②, 陈大融①*① 清华大学摩擦学国家重点实验室, 北京 100084; ② 空军第一航空学院, 信阳 464000 * 联系人, E-mail: chendr@ 2008-10-09收稿, 2008-12-28接受国家重点基础研究发展计划(编号: 2007CB707702)和摩擦学国家重点实验室自主课题(重点项目)资助项目摘要 对3种不同含碳量的碳钢进行振动空蚀实验, 收集空蚀过程中产生的磨粒, 对磨粒形态特征进行量化表征和显微观察, 结合空蚀表面的XRD 检测结果和显微图像进行分析, 发现表面材料沿滑移面变形或解理导致整个空蚀过程中的片状磨粒较多(超过45%), 条状磨粒一直较少(少于25%), 而颗粒状磨粒数量开始较少, 在空蚀加速阶段迅速增加, 到空蚀稳定期又略有减少. 磨粒的球形度值的变化与材料的空蚀阶段有较好的对应关系. 空蚀初生期和加速期的磨粒球形度值分别在0.3~0.4和0.5~0.7之间. 到空蚀稳定期, 球形度值略有下降但不低于0.5.关键词 碳钢 空蚀期 磨粒 形态特征空蚀(cavitation erosion)是指由于液体内部空化形成的气泡(或汽泡)在固体表面附近溃灭导致的固体表面的损伤. 以往对空蚀机理的研究主要集中在对损伤表面的观察和检测, 对表面破损产生的磨粒的研究报道不多. Shuji 和Eisaku [1]对Endo 和Okada 等人在空蚀磨粒方面的研究结果进行了简要回顾, 并研究了4种材料的振动空蚀磨粒. 他们对不同空蚀阶段产生的磨粒的尺寸进行测量, 在扫描电子显微镜下观察磨粒的微观形貌, 认为空蚀初生期有因冲击脆断产生的小磨粒, 而在最大失重率阶段有较大尺寸的疲劳断裂形成的磨粒. 然而除了尺寸大小外, 几何形状也是磨粒的最要特征之一. 对磨粒特征的表征是摩擦磨损领域的重要课题[2], 至今已提出了许多方法, 但空蚀磨粒与摩擦磨损形成的磨粒的特征明显不同, 后者多数具有平面特征, 可用二维几何参数来表示; 前者多数具有体特征, 需要用三维几何参数来表示. 对空蚀磨粒特征目前还没有公认的定义和简便有效的提取方法. 这给空蚀磨粒研究的开展造成了困难. 本研究借鉴粉体技术对颗粒的表征方法[3], 介绍了利用表面形貌仪的颗粒分析功能测定磨粒几何参数的方法. 对所得数据进行统计分析, 并 将磨粒特征参数的变化及其形貌特征的显微观察结果与空蚀表面的显微观察和XRD 测试结果对照, 分析不同形态空蚀磨粒产生的原因和磨粒形态参数与空蚀过程之间的对应关系, 研究空蚀发生的微观 机理.1 实验以去离子水为介质, 在室温(20℃±1℃)下对正火态Q235钢、45钢、T10钢进行超声振动空蚀实验. 3种材料的化学成分及显微硬度如表1所示. 超声频率20 kHz, 峰峰振幅12 μm, 实验装置的原理图及试样的结构尺寸如图1所示. 为观察空蚀初生期材料表面的变化, 第一次实验时间较短, 为 2 min, 之后间隔20或40 min 进行一次检测. 检测分磨粒和表面两部分. 磨粒是利用碳钢材料的磁性收集起来的, 然后用旋转式铁谱仪制成谱片[4], 分别在Phase Shift Micro XAM 表面形貌仪和FEI Quanta 200 FEG 扫描电子显微镜下进行观察. 为减轻磨粒因磁性而黏接, 在超声仪上振动1~2 s. 对表面检测采用定点的方式, 方法是先用显微硬度仪在表面做出标记(同时测得材料的显微硬度值), 观察时以标记来定位. 由于3种材料的抗空蚀能力不同, 表面变形和破坏的程度也不同, 因此3种材料最终累积实验时间不同, 分别是表1 实验材料的化学组成及显微硬度元素含量(质量分数, %)C Si≤ Mn≤ P ≤S≤Fe 显微硬度/HVQ235 0.12 0.28 0.45 0.0300.031 其余212.08645 0.45 0.27 0.33 0.0280.033 其余297.708T10 1.08 0.30 0.32 0.0300.030 其余403.749图1 振动空蚀实验台原理图(a)及试样零件图(b)Q235钢82 min, 45钢102 min, T10钢142 min. 为了能更准确地理解磨粒参数变化的含义, 需要更多地了解材料表面状况的变化. 因此, 对表面除了用上述仪器进行观察外, 还进行XRD分析. 为便于比较, 所有XRD分析在一台仪器上完成. 型号是Bruker公司的D8-Advance.2磨粒的分类及形貌参数参照粉体技术对颗粒的分类方法和摩擦磨损理论对磨粒分类方法[5], 将空蚀磨粒分为3类: 片状、条状和颗粒状, 与磨损磨粒分类不同的是, 没有将球形磨粒和卵形磨粒单列而是并入颗粒状磨粒中. 此外实验中没有发现丝线状和卷曲状磨粒. 一个磨粒的类属由其3个方向尺寸的相对大小来决定(图2), 而磨粒的一些基本参数如长宽高尺寸、投影面积、体积等可通过与形貌仪配套的图像分析软件SPIP进行测量(图3). 描述单个磨粒所用到的参数及含义列于表2中, 分析时使用的是大量磨粒的某一参数值的算术平均.3实验结果及分析3.1 磨粒尺寸的变化3种材料空蚀磨粒的平均尺寸的变化不完全相同(图4), Q235钢空蚀磨粒的平均尺寸从一开始就不断上升. 45钢和T10钢都是先减小后增大. 增大的速图2 磨粒分类准则图3 形貌仪图像处理软件SPIP的颗粒分析功能表2 磨粒形态参数的名称及意义名称意义体积(V d) 基准面上磨粒所占的空间面积(A) 磨粒在基准面上的投影面积长度(L) 磨粒投影轮廓中最远两点间的距离宽度(W)计算值, 是长轴为L、面积为A的椭圆的短轴长度高度(H) 外形轮廓中距基准面最远点的距离磨粒尺寸(DS) 磨粒长宽高尺寸中最大者当量球体直径(ESD)计算值, 具有体积V的球的直径球形度(DOS) 计算值, DOS=ESD/DS率比Q235钢低, 并且在逐渐减小. 实验的最后阶段,T10钢再次出现减小趋势. 45钢和T10钢空蚀初期磨粒尺寸大的原因是因为试样的原始缺陷(包括材料结晶过程中和制成试样之前的机械加工在材料内部形成的微空洞和微裂纹)在空蚀冲击载荷作用下发展破裂所致. 强度越高, 冲击载荷下的脆性特性越明显.如果表面裂纹数少, 脆性破裂产生的磨粒尺寸就会很大. 3种材料中T10钢的强度最大, 因此其空蚀初9672009年4月 第54卷 第7期图4 空蚀磨粒尺寸随时间的变化期的磨粒尺寸最大. 而Q235钢强度最低, 受空蚀冲击时可能产生塑性变形, 局部受力相对均匀, 所以磨粒尺寸较小. 从图5~图7中可以看出, T10钢的磨粒没有塑性变形, 说明表面发生层片剥离. 45钢的磨粒既有小而光滑的解理面、脆性断口, 又有撕裂形成的有明显塑性变形的断口[6]. Q235钢的磨粒多数都发生了较大的塑性变形, 但仍有脆性断口. 空蚀后期, 裂纹扩展和裂纹数量的增多形成影响磨粒尺寸大小的一对矛盾因素, 裂纹扩展导致磨粒增大, 裂纹数量增加导致磨粒减小, 在两种因素的共同作用下, 磨粒尺寸呈现缓慢增加甚至最后减小的趋势, 这说明前期是裂纹扩展起主导作用, 而后期是裂纹数量的增加起主导作用. 3.2磨粒形态的变化3种材料不同形态的磨粒相对数量随时间的变化如图8所示. 由图可以看出, 磨粒形态的变化有规律性. (ⅰ) 在整个空蚀过程中, 条状磨粒少, 片状磨图5 T10钢空蚀初生期磨粒图中箭头1指脆断口, 箭头2指解理面图6 45钢初生期磨粒图中箭头1指脆断口, 2指解理面, 3指撕裂断口图7 Q235钢初生期磨粒图中箭头1指脆断口, 3指扭曲变形图8 Q235钢、45钢、T10钢不同形态磨粒数量的质量分数随时间变化曲线粒多. (ⅱ) 颗粒状磨粒逐渐增加, 会在某个时间接近甚至超过片状磨粒的含量. (ⅲ) 空蚀后期, 颗粒状磨968粒又有所减少(由于实验时间的关系, T10钢的磨粒还没有表现出来). 不同的是颗粒状磨粒增加或减少的时间各不相同, 其中Q235钢增加最早, 也最先开始减少; 其次是45钢; 而T10钢在有限的时间内还没有开始减少. 为了更清楚地理解磨粒形态变化的含义, 下面结合材料空蚀过程中的失重和表面XRD 检测结果进行分析.3.3 失重、表面XRD 检测及磨粒球形度的相关性图9~11分别是Q235钢、45钢和T10钢的历次实验累计失重、XRD 检测得到的(110)晶面衍射强度和(200)晶面衍射强度的比值(相对峰强)以及磨粒球形度平均值随时间变化的曲线. 根据ASTM G32-92[7]对空蚀阶段的分类, 从试样的失重曲线的变化判断材料所经历的空蚀阶段已在图中标出. Q235钢和45钢在累计的实验时间内经历了前3个阶段(包含了空蚀总共4个阶段中两个最重要的阶段——初生期和稳定期).图9 Q235钢的累积失重、衍射峰值相对强度和球形度首先讨论表面XRD 检测结果. 根据X 射线衍射理论[8], 晶面的衍射强度I (即每个衍射峰下的面积)可以近似用衍射峰的峰值强度I p 与半高宽B h 的乘积来计算, 即I=I p B h . 历次实验测得各谱峰仍然敏锐(图12), 没有宽化现象, 即B h 没有明显变化, 因此峰值强度I p 的变化代表了衍射强度I 的变化. 为叙述方便, 用I (110)(0)表示0 min 材料(110)晶面的峰值强度, 用I r (0)表示0 min (即材料原始表面)(110)晶面与(200)晶面的衍射峰值强度之比, 即I r (0) = I (110)(0)/I (200)(0), 以此类推. 由实验数据得, I r (0) = 8.94, I r (22) = 59.47. 实验22 min 后, 两晶面相对峰值强度提高了6.6倍多. 而同一衍射谱线中各晶面衍射峰的相对强度可用下图10 45钢的累积失重、衍射峰值相对强度和球形度图11 T10钢的累积失重、衍射峰值相对强度和球形度式计算: I r = N 2|F|2E −2M L p PA (θ )V ,其中N 为单位体积中的晶胞数(1/v, v 为单位晶胞体积); |F|2为结构因子; L p 为角度因子(劳伦次-偏振因子); E −2M 为温度因子; P 为多重性因子; A (θ )为吸收因子; V 为发生衍射物相的体积分数.相对强度的影响因素中, 除V 外, 其他参数都由材料的物理性质和检测仪器的性能决定, 对同一样品用同一台仪器检测时不会发生大的变化. 因此相对强度的巨大差异主要是由发生衍射物相的体积分数的改变引起的. 而导致体积分数发生变化的直接原因是空蚀过程中表面的变形和破损. 因此, 累计失重、衍射峰的相对强度和磨粒的球形度的变化实际上是相互关联的. 联系它们的纽带是材料表面的变形和破损. 图9~11显示了这种关联性.空蚀初生期, 试样的失重小, 即表面材料的破损脱落少. 但在空蚀冲击作用下, 表面必然会有变形,9692009年4月 第54卷 第7期变形的大小与材料的冲击强度有关. 变形一般以滑移的形式发生. 不同的晶体有不同的滑移系. 3种材料都以铁素体为其主要组成相(铁素体含量最少的T10钢也有85%), 而铁素体为体心立方晶格, (110)面为其主要的滑移面. 微小的滑移使大量(110)晶面微区暴露出来, 导致(110)晶面的衍射峰值强度的增加. 同时, 冲击在表面产生的裂纹向材料内部扩展, 与亚表层的滑移相互作用, 形成解理破坏(对低强度的Q235钢可能伴随撕裂), 而解理面往往是滑移面, 这也导致(110)面的衍射峰值强度的增加(图12(a), (b)). 裂纹向材料内部扩展的深度是影响磨粒形状的重要因素. 空蚀初期, 晶体内部的缺陷少, 裂纹不易扩展, 因此材料以层片状从表面剥离, 形成片状磨粒. 所以片状磨粒多、球形度值低、(110)面衍射峰强快速上升是碳钢空蚀初生阶段的特征. 3种材料在空蚀初生期的球形度值相差不大, 约为0.3~0.4, 而衍射峰强的上升时间和幅度则有很大差别. Q235钢上升期持续时间短、幅度小, T10的上升期长、幅度大, 原因在于Q235的铁素体含量高, 容易变形, 而T10钢中的铁素体以层片状夹在不易变形的渗碳体中, 能较好地保持晶形. 故而衍射强度的上升期长, 增长的幅度大. 显然, 滑移是材料变形的基本形式, 不因空蚀阶段的变化而变化, 这是整个空蚀过程中片状磨粒多的原因. 随着空蚀的进行, 材料进入加速阶段, 在晶界和材料原有缺陷处产生的裂纹不断增多, 这些裂纹又成为新的裂纹源, 向晶粒中央和材料内部延伸, 破损在裂纹的交叉点处发生, 由于裂纹向多方向扩展都达到了一定的尺寸, 产生颗粒状磨粒的几率增加. 在空蚀加速期, 磨粒的球形度达到最高值, 约0.5~0.7, 强度低的Q235值较高, 0.65左右. 强度高的T10钢值较低, 0.55左右. 这时尽管表面已经呈龟裂状, 但仍有局部比较平整的表面, 晶形还比较规整, 因此衍射强度仍较高. 空蚀加速期的开始时间和持续时间也因材料不同而不同. 材料强度越高, 开始得越迟, 持续时间越长. 到空蚀稳定期, 裂纹充分扩展, 表面变形和破损严重, 平整度受到破坏, 甚至出现晶格扭曲(图13), 此时不仅相对衍射强度降低, 所有晶面的衍射强度都会降低(图12(c)). 表面材料的严重变形也对磨粒的球形度会有一定的影响, 但球形度值不会减低太多, 对Q235钢和45钢的统计结果表明, 稳定期的球形度能保持在0.5以上.综上所述, 滑移变形是整个空蚀过程中片状磨粒多和空蚀初生期材料的滑移面相对其他晶面的X 射线衍射强度增加的根本原因. 随着空蚀程度的不断加深, 裂纹在表面和向内部扩展, 导致颗粒状磨粒增多, 磨粒球形度增加, 到空蚀稳定期, 材料的严重变形导致所有晶面的衍射强度减弱和磨粒球形度的降低.图12 Q235钢原始表面及实验22和62 min 后的表面X 射线衍射谱970图13 Q235钢实验62 min后的表面此外, 实验中观察到十分规则的球形磨粒, 尺寸小的2 μm左右, 大的近50 μm, 明显出现了重结晶过程. 有研究者认为它是空泡溃灭时产生的高温造成的[9], 但也可能是冲击使内部材料反复变形、摩擦和变形热的共同作用形成的. 对球形磨粒的产生机理还没有统一的认识, 需要进一步研究. 4 结论磨粒的形态与材料空蚀阶段有较好的对应关系, 通过球形度值及其变化可以判定材料所处的空蚀阶段. 空蚀初生期, 片状磨粒多, 球形度值在0.3~0.4之间. 随着空蚀的进行, 片状磨粒不断减少, 颗粒状磨粒不断增多, 到空蚀加速期, 片状磨粒和颗粒状磨粒的比例大致相同, 球形度值在0.5~0.7之间. 到空蚀稳定期, 颗粒状磨粒数量会略有减少, 但球形度值不低于0.5.X射线衍射峰强的变化与表面的空蚀程度有一定的对应关系. 空蚀初生期, 材料主要滑移面的相对衍射峰强持续升高, 到加速期达到最大, 进入稳定期时, 大幅降低.整个空蚀阶段片状磨粒较多及主要滑移面的X 射线衍射峰强在初生期增强的事实表明滑移是空蚀过程中的一种主要变形形式.致谢感谢刘兵在X射线衍射谱分析方面的建议, 感谢杨文言在获得SEM图像方面提供的帮助.参考文献1 Shuji H, Eisaku N. 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