РОЗДІЛ 2
ФІЗИЧНИЙ ТА МАТЕРІАЛОЗНАВЧИЙ КРИТЕРІЙ ВИБОРУ МАТЕРІАЛІВ ПОКРИТТІВ
2.1. Зв'язок механічних властивостей матеріалів з їх кавітаційною стійкістю.
Основні труднощі в розумінні процесу кавітаційної ерозії обумовлені складністю процесу руйнування матеріалів, тому що крім різних видів кавітаційного впливу істотний вплив на цей процес роблять і різні властивості матеріалів. Згідно з наявними даними, з великого числа фізичних, хімічних і термодинамічних властивостей матеріалів на кавітаційну стійкість впливають наступні властивості і характеристики матеріалу: межа пружності, твердість, крихкість або пластичність, схильність до зміцнення наклепом, модуль пружності, межа втоми, енергія деформації при руйнуванні, гранична робота деформації, щільність, температура плавлення, хімічна інертність, електропровідність, сила оточення продуктів хімічних реакцій з поверхнею. Визначену роль грає також залежність цих властивостей і характеристик матеріалу від температури. Співставлення цих характеристик з різними видами кавітаційного руйнування приводять до дуже великого числа всіляких комбінацій цих факторів. Тому в даний час не знайдено єдине пояснення всіх причин кавітаційної ерозії. Однак у кожному конкретному випадку таке пояснення, принаймні, на початковій стадії руйнування, може бути запропоноване завдяки тому, що руйнування починається з найбільш слабкої ланки [1].
Як приклад, можна вказати, що руйнування армко-заліза відбувається локально, шляхом утворення глибоких пітінгів. Руйнування таких металів як нікель, алюміній і мідь відбувається шляхом сплющування, роздавлювання поверхневого шару металу [4, 26].
Мікроскопічне дослідження поверхні, що піддається кавітації, вказує на локальність впливу руйнівного навантаження і різне поводження структурних складових у залежності від їхніх властивостей і опору ударному навантаженню [26]. Неоднорідність структури і розходження у властивостях окремих структурних складових обумовлюють неоднорідну деформацію приповерхнього шару матеріалу, що сприяє вибірковості руйнування, концентрації його в найбільш слабких місцях. Наприклад, руйнування сплавів з перлітною структурою починається на границі розділу фаз феррит-карбид і спрямоване в бік фериту. Збільшення ступеня дисперсності зерен структурно вільного фериту, а також і перлітних колоній, завжди підвищує кавітаційну стійкість, внаслідок того, що енергія удару розосереджується на більшу кількість кристалітів [26, 37].
Оcкільки в процесі кавітаційної ерозії відбувається зміна властивостей металевої поверхні, зокрема, твердості, схильність матеріалу до деформаційного зміцнення визначається кінетикою зміни твердості і глибиною наклепу. Аустеніт, внаслідок особливостей будівлі його кристалічних ґрат, зміцнюється при кавітаційному зносі більш інтенсивно, ніж ферит. Тому розвиток руйнування - втрати маси - наростає повільніше в аустеніті, що з розвитком деформаційного зміцнення підвищує опір ерозії. У той же час у роботі [26] відзначається, що метали, які мають однотипні кристалічні ґрати, по-різному сприймають і накопичують пластичну деформацію. Так, зміцнення нікелю і міді наростає майже миттєво і швидко досягає насичення, у той час як зміцнення золота відбувається поступово, розтягуючись на більш тривалий час [26].
Питанням зв'язку механічних властивостей з кавітаційної стійкістю присвячений ряд робіт [1, 43, 53, 109...115]. У деяких з них були зроблені спроби пов'язати кавітаційну стійкість із твердістю і межею міцності матеріалу. При цьому вважали, що ніж вище ці показники, тим більше стійкість. Дійсно, в окремих випадках спостерігається досить чітка залежність кавітаційної стійкості від твердості, як це спостерігається, наприклад, для відпалених вуглецевих сталей [22].
При однаковій твердості чавунів і сталей стійкість сталей вище [4, 26]. Аустенітна сталь Х18Н9Т має значно більш високу стійкість у порівнянні з відпаленою вуглецевою сталлю, що містить 0,56 % вуглецю, хоча ці сталі мають приблизно однакову твердість [26]. Зі сказаного можна укласти, що підвищення кавітаційної стійкості з ростом твердості спостерігається тільки в межах одного класу матеріалів, наприклад, вуглецевих сталей [1, 4, 22, 26]. Також відсутня пряма залежність між кавітаційної стійкістю з однієї сторони і межами міцності і плинності матеріалів з іншої сторони. Так, наприклад, сталь 40 і леговані конструкційні сталі, після відпуску при 773К, мають приблизно однакову стійкість, у той час як межа міцності і плинності легованих сталей перевершує в два рази величини цих характеристик для вуглецевої сталі [26].
Відсутність прямої залежності між кавітаційної стійкістю і механічними властивостями сталей і сплавів зв'язана з тим, що в умовах кавітаційного впливу визначальними факторами руйнування є не усереднені механічні характеристики всього об'єму, а властивості окремих структурних складових, що визначають опір руйнуванню матеріалів при даному специфічному мікроударному впливі, локалізованому як у межах окремих структурних складових, так і в межах окремих зерен.
У ряді робіт [43, 69, 110...117] були початі спроби зв'язати опір різних матеріалів мікроударному руйнуванню з різними комбінаціями властивостей міцності і пластичності. Так, у роботах [110, 111] пропонувалося використовувати як універсальний параметр, що визначає кавітаційну стійкість матеріалу, енергію деформації. Величина питомої енергії деформації може бути обчислена за площею, розташованою під кривою на діаграмі розтягання (стиску) даного матеріалу. Такий підхід ставиться під сумнів у роботі [26], де відзначається, що мідь, латунь і нержавіюча сталь мають приблизно однакову кавітаційну стійкість, у той час як значення питомої енергії деформації відрізняються в них приблизно в чотири рази. У деяких роботах [8, 13, 22, 26] звертається особлива увага на тривалість інкубаційного періоду (?інк) нагромадження ушкоджень, протягом якого ерозія матеріалів незначна, або зовсім відсутня. Було встановлено, що кавітаційностійкі