СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR DETERMINING THE RELATIVE CAVITATION WEAR RESISTANCE OF METAL MATERIALS

Изобретение относится к области исследования металлов на износ, возникающий в результате гидроэрозионного воздействия, а именно к способам определения относительной износостойкости металлов при кавитационном воздействии и капельной эрозии.
Кавитационному изнашиванию подвергаются лопасти насосов, гидротурбин, гребных винтов, элементы гидротехнических сооружений, гидравлических систем и т.п. Износ материала можно оценивать по потерям его массы или объема за определенный промежуток времени; максимальной скорости уноса материала с изнашиваемой поверхности и другим характеристикам указанного параметра. Так как абсолютное значение износа зависит от условий эксплуатации (испытаний), то кавитационную износостойкость конкретного материала оценивают в относительных единицах, т. е. по отношению к другому материалу, принятому условно за эталон и испытанному в тех же условиях, что и исследуемый материал.
Известен способ определения относительной кавитационной износостойкости (кн. Козырева С. П. «Гидроабразивный износ металлов при кавитации». - М.: Машиностроение. - 1971. - С. 211-222), согласно которому относительную износостойкость определяют как отношение потери массы образца из эталонного сплава к потере массы образца из исследуемого сплава после испытаний сплавов в одних и тех же условиях в течение одинакового промежутка времени.
Недостатком способа является большая продолжительность испытаний.
Известен способ определения относительной кавитационной износостойкости (А.с. SU 1089487 A, МКИ  G01 N 17/00, опубл. 30.04.1984), в котором для сокращения времени проведения эксперимента кавитационное воздействие осуществляют до равенства шероховатостей образцов из исследуемого и эталонного сплавов, определяют скорость изнашивания образцов при этой шероховатости и находят отношение скоростей изнашивания эталонного и исследуемого сплава.
Недостаток аналога - неопределенность в критериях выбора значения параметра шероховатости, при котором необходимо сравнивать скорости изнашивания сплавов. При этом способ не обеспечивает существенного сокращения продолжительности опытов, так как требует в процессе испытаний периодических взвешиваний образцов и измерений шероховатости их поверхности.
К общим недостаткам рассмотренных аналогов относится то, что  они основаны на регистрации износа в процессе изнашивания. Однако кавитационное изнашивание металлических материалов имеет сложную кинетику и характеризуется наличием инкубационного периода - начального периода, когда потери материала с поверхности практически отсутствуют, а в поверхностных слоях идет накопление пластической деформации. В практике эксплуатации гидрооборудования, подверженного кавитационному изнашиванию, в большинстве случаев важно знать именно продолжительность инкубационного периода, потому как при обнаружении очагов кавитационного износа их или сразу устраняют, если имеют дело, к примеру, с гребными винтами, или изношенную деталь заменяют на новую, как, например, в случае с втулками цилиндров высокооборотных дизелей. А поэтому оценка относительной кавитационной износостойкости по потерям массы не является актуальной, и относительную износостойкость обосновано определять по отношению не потерь массы эталонного и исследуемого материалов, а по отношению их инкубационных периодов.
Из известных решений наиболее близким аналогом  к заявляемому изобретению (прототипом) по технической сущности и достигаемому результату является способ, изложенный в кн. Пылаева Н. И. и Эделя Ю. У. «Кавитация в гидротурбинах». - Л.: Машиностроение. - 1974. - С. 199-201.
Согласно прототипу два сплава - эталонный и исследуемый - испытывают на струеударном стенде  при одинаковой скорости вращения образцов до появления на образце начальных разрушений. За момент начала разрушения поверхности, т.е. окончания инкубационного периода предлагается принять время, соответствующее потере массы образца, равной 10 мг, при этом относительную износостойкость рассчитывают по формуле:
где ε - относительная износостойкость исследуемого сплава;  - критическое число ударов, соответствующее потере массы образца-эталона, равной 10мг;  - критическое число ударов, соответствующее потере массы образца-эталона.
Недостатками указанного способа являются: сравнительно  большая продолжительность испытаний (в зависимости от режима испытаний и кавитационной стойкости испытываемых материалов продолжительность может составлять от нескольких часов до нескольких сот часов) и невысокая достоверность получаемых результатов из-за отсутствия четкого критерия появления начальных разрушений ( в зависимости от режима испытаний и кавитационной стойкости сплава потери массы равные 10 мг могут соответствовать разным стадиям кавитационного изнашивания - инкубационному периоду, стадии максимальной скорости изнашивания или стадии уменьшающейся скорости изнашивания).
Заявляемый способ позволяет быстрее и точнее определить относительную кавитационную износостойкость материалов.
R
t
t
R
R
a
0
k
k
a
k
a
Для достижения указанного результата используется следующая совокупность существенных признаков: в способе определения относительной кавитационной износостойкости металлических материалов, основанном также как и прототип, на определении продолжительностей инкубационного периода кавитационного изнашивания материала-эталона и исследуемого материала и расчета их отношения, в отличие от прототипа предварительно определяют значения среднего арифметического отклонения профиля исходной поверхности () образцов из материала-эталона и исследуемого материала, затем испытывают образцы материала-эталона и исследуемого материала в одинаковых условиях кавитационного воздействия в течение времени  в пределах инкубационного периода каждого материала, причем выбранная продолжительность  может быть различной для материала-эталона и исследуемого материала, измеряют значения () среднего арифметического отклонения профиля поверхности образцов после испытаний, определяют значения скорости увеличения параметра  для исследуемого материала и значение  - для материала-эталона по выражению  и рассчитывают относительную износостойкость исследуемого материала по формуле
Сущность способа заключается в том, что в отличие от прототипа он базируется на следующих выявленных особенностях процессакавитационного изнашивания:
R
t
R
t
a
a
1) линейном характере графика зависимости высотного параметра шероховатости  - среднего арифметического отклонения профиля - изнашиваемой поверхности от продолжительности  кавитационного изнашивания в пределах инкубационного периода. Линейность зависимости () в пределах инкубационного периода, в свою очередь, позволяет определить скорость увеличения шероховатости согласно следующему выражению:
где  - скорость увеличения среднего арифметического отклонения профиля поверхности в пределах инкубационного периода;
R
t
a
k
k
() - среднее арифметическое отклонение профиля поверхности после продолжительности  кавитационного воздействия в пределах инкубационного периода, т. е. достаточно измерить шероховатость изношенной поверхности в какой-то один момент времени в пределах инкубационного периода;
R
t
a
0
k
() - значение среднего арифметического отклонения профиля исходной поверхности, т. е. до начала кавитационного воздействия ( = 0),
2) сильной корреляции между продолжительностью инкубационного периода кавитационного изнашивания металлического материала и скоростью увеличения шероховатости его поверхности при кавитационном воздействии в пределах инкубационного периода, выражаемой зависимостью степенного вида:
где const - постоянная, значение которой одинаково для всех сплавов, испытываемых в одинаковых условиях.
С учетом приведенных обстоятельств для определения относительной кавитационной износостойкостиисследуемого материала необходимо располагать следующими данными:
R
a
0
- значениями среднего арифметического отклонения профиля исходной, т. е. до начала кавитационного воздействия, поверхности () материала-эталона и исследуемого материала;
R
t
t
< t
a
k
k
k
инк
- значениями среднего арифметического отклонения профиля поверхности () материала-эталона и исследуемого материала после продолжительности  кавитационного воздействия в пределах инкубационного периода, т. е. .
Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - более быстрое и точное определение относительной кавитационной износостойкости материалов - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области исследования металлов на износ не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».
M
t
R
t
a
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 и 2 представлены результаты испытаний эталонного и исследуемого материалов (для каждого материала соответственно показаны две зависимости: Δ() - зависимость потери массы от продолжительности кавитационного воздействия и () - зависимость среднего арифметического отклонения профиля от продолжительности кавитационного воздействия).
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
1. Подготавливают образцы исследуемого материала и материала-эталона, шлифуя и полируя их в одинаковых условиях, так, чтобы исходная шероховатость поверхности была одинаковой.
R
a
0
2. Измеряют значения () среднего арифметического отклонения профиля поверхности образцов перед кавитационным воздействием.
t
k
3. Испытывают образцы на МСВ (магнитострикционном вибраторе) в одинаковых условиях в течение произвольного промежутка времени , который может быть разным для исследуемого материала и материала-эталона, но не превышающим для каждого материала продолжительность его инкубационного периода.
R
a
k
4. Измеряют значения () среднего арифметического отклонения профиля поверхности образцов после испытаний.
5. Определяют по формуле (1) значения для сравниваемых материалов.
6. Определяют согласно формуле (2) относительную износостойкость исследуемого материала по формуле:
t
инк
э
() - продолжительность инкубационного периода материала, выбранного за эталон;
t
инк
i
() - продолжительность инкубационного периода исследуемого материала;
- скорость увеличения среднего арифметического отклонения профиля поверхности исследуемого материала в пределах инкубационного периода;
- скорость увеличения среднего арифметического отклонения профиля поверхности материала-эталона в пределах инкубационного периода.
R
R
R
t
R
a
a
0
a
0
k
a
k
Для проведения исследований были выбраны: в качестве исследуемого образца титановый сплав ВТ5Л, за эталон - силумин АК12пч. После шлифования и полирования поверхности образцов из сплавов ВТ5Л и АК12пч провели измерения их шероховатости - определили среднюю арифметическую высоту профиля  (ИСО 4287-1:1984): для сплава ВТ5Л исходное значение () = 0,103 мкм, а для сплава АК12пч () = 0,281 мкм. Затем провели испытания сплавов на кавитационный износ. Испытания проводили на ультразвуковом магнитострикционном вибраторе (МСВ) в пресной воде при частоте и амплитуде  колебаний торца концентратора МСВ равных 22 кГц и 28 мкм соответственно. Образцы из сплава ВТ5Л испытывали в течение = 30 мин. И после испытаний значение среднего арифметического отклонения профиля поверхности составило () = 0,394 мкм. Соответственно скорость увеличения шероховатости образцов титанового сплава составила по выражению (1):
t
R
k
a
k
В свою очередь, образцы из сплава АК12пч испытывали в течение = 1 мин. И после испытаний значение среднего арифметического отклонения профиля поверхности составило () = 1,195 мкм. Соответственно скорость увеличения шероховатости образцов силумина составила по выражению (1):
Относительную износостойкость рассчитали по формуле (3):
M
t
R
t
R
t
t
t
a
a
инк
i
инк
э
На фиг. 1 и 2 продемонстрированы результаты испытаний соответственно титанового сплава ВТ5Л и силумина АК12пч на ультразвуковом МСВ в пресной воде при амплитуде колебаний торца концентратора равной 28 мкм. Для каждого сплава показаны две зависимости: а) зависимость потерь массы от времени испытаний Δ() и б) зависимость среднего арифметического отклонения профиля поверхности от времени испытаний (). Продолжительность инкубационного периода определяли по положению первой точки перелома на графике () [см. статьи: Цветков Ю.Н., Горбаченко Е.О. Исследование кавитационного изнашивания сталей методом измерения профиля поверхности // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2015. - Т. 81. - №11. - С. 62-65; Цветков Ю.Н., Горбаченко Е.О. Испытание сталей на кавитационное изнашивание с применением метода измерения профиля поверхности // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2017. - Т. 83. - №7. - С. 54-57; Горбаченко Е.О., Цветков Ю.Н. Кинетика изменения профиля поверхности алюминиевых бронз при кавитационном изнашивании // Трение и износ. - 2018. — Том 39. - № 3. - С. 277-282]. Как видно из фиг. 1, для сплава ВТ5Л продолжительность инкубационного периода составила () = 69 мин. Для сплава АК12пч (фиг. 2) () составила 3 мин. Таким образом, кавитационная износостойкость сплава ВТ5Л по отношению в силумину АК12пч равна:
Как видно, полученное значение с достаточной для практики точностью совпадает с определенным выше по отношению значений скоростей увеличения среднего арифметического отклонения профиля поверхности сравниваемых материалов в пределах их инкубационного периода.
Описанное изобретение разработано специалистами кафедры технологии судоремонта ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» и проверено в лабораторных условиях. Проведенные исследования показали хороший результат, подтвердивший возможность использования изобретения для определения кавитационной износостойкости лопастей насосов, гидротурбин, гребных винтов, элементов гидротехнических сооружений, гидравлических систем и другого гидрооборудования.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «промышленная применимость».