不同含沙量不同流速時(shí)材料的磨蝕失效特性.docx

1、表1試驗(yàn)用材料的化學(xué)成分及機(jī)械性能材章跳CSiMnCrNiMo<Ti>!Crl8Ni9Ti0.0120.0191.0018.18.61(0.47)ZG0Crl6Ni5Mo0.050.50.4515.05.00.6ZGCr-Mn-N材能f"MPa)4(MPa)點(diǎn)）HB!Crl8Ni9Ti3186134956183ZG0Crl6Ni5Mo70085017.560100274ZGCrMn-N916138013.52484.7370注：lCrl8N（9T：系威海鋼廠悖材評(píng).ZGOCrl6Ni5Mo由沈町禱造研究所提供'ZGCr-Nn-N由燕山大學(xué)提供,一、試驗(yàn)結(jié)果本次序試

2、驗(yàn)其分六組進(jìn)行，每種材料、每個(gè)流速均由兩個(gè)試件參與試驗(yàn)，磨蝕失重最取其平均值。1. 試驗(yàn)材料的磨蝕失效形貌觀測(cè)表明，材料的磨蝕形貌宏觀上為深深的凹槽狀磨蝕溝和魚鱗樣波紋組成。進(jìn)一步觀測(cè)發(fā)現(xiàn)魚鱗狀波紋的出現(xiàn)與流速和含沙量有關(guān)在低含沙量時(shí)，只有當(dāng)V>25m/s時(shí)才出現(xiàn)，當(dāng)含沙量S>22kg/m，后，整個(gè)試驗(yàn)流速范圍內(nèi)的試件均有魚鱗狀波紋的分布。顯微觀測(cè)表明，在試件的磨蝕面E.散布著典型的氣蝕沖擊凹坑、麻點(diǎn)。實(shí)測(cè)凹坑麻點(diǎn),具有0-1-U.5mm的尺度。顯微觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)，在宏觀上看似光滑的凹槽狀磨蝕溝內(nèi),有著明顯的泥沙劃擦磨損跡線.實(shí)測(cè)劃痕線寬一般為0.01-0.03mm,長(zhǎng)短不齊.但均順流

3、向發(fā)展，有的劃痕線一端具有較清晰的泥沙“射入”時(shí)的點(diǎn)狀凹坑，還觀測(cè)到“嵌入”材料內(nèi)的沖擊泥沙顆粒。上述現(xiàn)象說明，本次試驗(yàn)為典型的磨損氣蝕聯(lián)合作用，材料的損壞形貌特征和現(xiàn)場(chǎng)水輪機(jī)的損壞完全-致。氣蝕使材料表面粗糙、產(chǎn)生麻點(diǎn)，泥沙的磨損又將粗糙的表面“磨平”，如此反復(fù)作用，造成了材料的磨蝕損壞。停機(jī)觀測(cè)到的試件上的氣蝕凹坑和麻點(diǎn)，可能是在停機(jī)瞬間由氣蝕作用留下的標(biāo)記.而長(zhǎng)短不一的磨擦劃痕及“嵌入”材料表面的泥沙顆粒，則是泥沙磨損的有力證據(jù)。2. 試驗(yàn)材料的磨損失重量及磨蝕失重率圖1、圖2為本次試驗(yàn)的典型曲線.圖中橫坐標(biāo)為試驗(yàn)時(shí)間，以小時(shí)計(jì)，縱坐標(biāo)分別為材料的磨蝕失重量（以mg計(jì)，或磨蝕失重率（單位

4、為mg/min）.圖中的六條曲線.自下而上分別代表了前述六個(gè)流速。3. 三種材料磨蝕特性比校不同含沙fit不同流速時(shí)材料的磨蝕失敏特性不同含沙fit不同流速時(shí)材料的磨蝕失敏特性8)對(duì)三種材料進(jìn)行相對(duì)比?？梢钥闯?，其磨蝕失重比在某-含沙量下，無(wú)論流速如何變化，這一比值基本不變，說明起控制作用的是含沙量表2、表3,表4為部分結(jié)果，<1)試驗(yàn)條件?S=9.7kg/m4i=32.6/m；龍=2943.8r/min；p=0.102MPa；T=20.Oh試驗(yàn)材料：1Crl8Ni9Ti和ZGOC'rl6Ni5Mo表2!Crl8Ni9Ti和ZG(K'rl6NiSMo的磨蝕比試胎日斯馬成&

5、#39;、流時(shí)20m/s25m/s3Hm/s33m/s37m/s40m/s93.142.Oh1.641.401.251.611.46I.4955.0hl.jn1.261.151.291-281.2367.Oh1.511.261.181.341.311.3179.Oh1.46J.271.181.361.321.36S11.Oh1.42.231.161.291.291.30914.Oh1.41l.?41.181.291.321.371117.Oh1.391.211.171.231.261.281220.Oh1.1.241.201.2?1.251.2912試驗(yàn)條件:5=21-8<21-2)kg

6、/m,；32.9(30.6也m；"=2937(2938)r/min；/>=0.102MPa；T=20.Oh.32水力發(fā)電學(xué)報(bào)試驗(yàn)材料：ICr18Ni9Ti.ZGGCr16Ni5Mo和ZGr-Mn-N三種材料的磨蝕重量比實(shí)測(cè)如表3、表4所示。表3K?rl8M9Ti、ZG0Crl6NiMo的磨蝕重量比試驗(yàn)F1期磨性''、流速時(shí)2fm/s3Um/j»33m/s37m/s4umz93.11.252.Hh1.251231.2G1.281.201.31305.Oh1.101131.14:1.211.161.2012.1S.Oh1.1510L191.171.1&am

7、p;1.2611."h1.131121.201.221.191.27311.Oh1.1611.221.161.15L2S417.Oh1.131141.171.221.161.2fi520.OhL151：51.201.2u1.161.25表4lCr!8Ni9Tl和ZGOCr-Mn-N的磨蝕尤量比試驗(yàn)日堀磨F'流2Cm/s25m3Cm/s33mXs37tn/s40m/s92.12.142.Oh2.U1.85l.yL851.671.63155.Oh】.時(shí)1.7b1.661.611.421.3617A.rh1.851M1.7<i1.671.561.4919】1.0h1.X11.

8、731.691.661.491.442814.<ih1.821.781.7"1.651.411.412917.Oh1.Ro).791.751.631.391.423D20.1.831.791.741.661.461.444. 泥沙級(jí)配及中值粒徑的變化由于試驗(yàn)中嚴(yán)密地監(jiān)測(cè)和及時(shí)更換泥沙.故保證了在整個(gè)試驗(yàn)過程中泥沙級(jí)配的基本不變，對(duì)每組試驗(yàn)?zāi)嗌车膶?shí)測(cè)值示于圖3。由圖看出，在整個(gè)試驗(yàn)過程中.泥沙級(jí)配變化甚微其中值粒徑最大為33.頃m,最小*30.6pm,差7.5*。平均粒徑變化最大茬值為8.2%?？梢哉J(rèn)為,本次試盼基本是在同一級(jí)配泥沙下進(jìn)行的粒徑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。統(tǒng)一-粒

9、徑可取平均值為其代表，即d>=S2.2/znio,三、試駿結(jié)果分析由圖1一圖2可以看出,所有試驗(yàn)材料的磨蝕失重均隨流速的增大而增大，隨含沙不同苫沙缺下同流建時(shí)村容的磨蝕失效檢性不同苫沙缺下同流建時(shí)村容的磨蝕失效檢性830.01二，SQZ二3x2、0.050(U0.1)3o.020.005n.003<31(11圖3試胎泥沙級(jí)配前線量的增加而加重，隨試驗(yàn)時(shí)間的延續(xù)而增加：2. 圖1、圖2表明.材料的磨失重量與時(shí)間的關(guān)系基本上成正比.其方次變化為U.9-1.067.于1次方。這和有美文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)論是一致的二七材料的磨蝕失重率不隨時(shí)間的變化而變化°至于V37m/s.T>5.

10、Oh時(shí)曲線呈上升趨勢(shì).觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，是由于試件在高流速時(shí).隨試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)（大干5.0小時(shí)），有非試驗(yàn)面遭受磨蝕損壞所致.其磨蝕失重率當(dāng)以T<5.Oh計(jì)算°在一定的含沙量和一定的流速時(shí)材料的磨蝕失重率為一常數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果,無(wú)論對(duì)試驗(yàn)本號(hào)還是現(xiàn)場(chǎng)對(duì)材料磨蝕損壞的計(jì)算.都有者重要的參考價(jià)值，作為室內(nèi)試驗(yàn).它可以大大縮短試驗(yàn)周期.對(duì)于現(xiàn)場(chǎng).它可以通過一定時(shí)間的一伙測(cè)定而推算出材料在未來(lái)的磨蝕失重最，當(dāng)然.這一結(jié)果應(yīng)該再通過大量的試驗(yàn)亍以證實(shí)。3. 磨蝕失重量與流速的關(guān)系圖示表明，材料的磨迎失重量及磨蝕失重率隨流速的增大呈幕函數(shù)增加.其方次變化為2.G-3.5次方。這一結(jié)果與有關(guān)文獻(xiàn)dw：的分

11、析相一致,一股認(rèn)為,單純的氣蝕損壞與流速呈6-14次方關(guān)系單純的泥沙磨損與流速呈23次方關(guān)系，嘴損和氣蝕聯(lián)合作用時(shí).其方次在？一G之間。盡管在磨蝕作用下材料的失重量和失重率與流速的方次并不太高.但其嚴(yán)重程度卻是單純的泥沙磨損和單純的氣蝕所不能相比的。文獻(xiàn)2的試驗(yàn)認(rèn)為是1«14：16,而本次試驗(yàn)的結(jié)果.要比這一比值大得多（見后）：對(duì)于材料的磨蝕來(lái)講.是否存在一1、'臨界流速”的問題文獻(xiàn)2試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速大于2Dm/s時(shí)磨蝕加劇.本次試驗(yàn)的結(jié)果是：當(dāng)流速大于25m/s后.磨蝕量增大.這一變化與含沙量無(wú)關(guān)<4. 磨蝕失重量與流體中泥沙含量的關(guān)系眾多的研究3心都認(rèn)為.流體中的泥沙

12、對(duì)磨蝕損壞有促進(jìn)和,抑制”作用.文獻(xiàn)提供了眾多試驗(yàn)的“監(jiān)界含沙魚.值，其范圍為S=2.Okg/m，一128kg/m筆者參加的試驗(yàn)。.當(dāng)S=。一8kgm時(shí).泥沙促進(jìn)磨迎,S=8-40kg/m時(shí)磨蝕最為嚴(yán)重.S=40一170kg/時(shí)磨蝕明顯減輕,泥沙起“抑制”作用,5>170kg/zn磨蝕損壞甚至輕于單純氣蝕損壞°這一結(jié)論是用黃銅在磁致伸縮儀上試驗(yàn)取得的。本次在轉(zhuǎn)盤上試驗(yàn).在試驗(yàn)的含沙量范圍(S=10-10nkg/n?)內(nèi).三種材料的磨蝕失重量與含沙量大體是呈正比關(guān)系，單因素回歸顯示，其方次變化為0.9541.139。說明在此含沙量段內(nèi).材料的磨濁一直受泥沙的“促進(jìn)"損壞

13、.未發(fā)現(xiàn)突變點(diǎn).根據(jù)文獻(xiàn)5的資料也許這一“臨界含沙量”要大于S=lOOkg/m1才會(huì)出現(xiàn)°5. 磨蝕損壞與單純氣蝕損壞比較單純磨損、單純氣蝕對(duì)材料的損壞已有大量的試驗(yàn)結(jié)果.氣蝕和磨損聯(lián)合作用的試驗(yàn)甚少,僅在文獻(xiàn)'心戶)中見到.且結(jié)論不一。一股報(bào)道磨蝕損壞量是單純磨損或氣蝕損壞的十幾倍至數(shù)十倍,而在本裝置上試驗(yàn)的結(jié)果要大得多,如表5所示。«5三種材料的氣蝕和磨蝕損壞材料名稱純氣蝕損壞磨蝕損耳(mg)比值(磨蝕失柬5T氣蝕笑重最)10rl8Xj9Ti87.7326537ZG，Cr16Ni5M。19.22610136ZGr-Mn-N4.72266482汪，：魏弋蝕試驗(yàn)條件

14、：了=45皿辦，T-24小時(shí)磨蝕試驗(yàn)條件.V=40rn/>,S21.18kg.-mT=»20小時(shí)由表可以看出.盡管氣蝕試驗(yàn)時(shí)的流速高于磨蝕試驗(yàn)，且時(shí)間也長(zhǎng)，但磨蝕損壞的失重量仍為氣蝕的幾十倍至數(shù)百倍。同時(shí),由單純氣蝕看,三種材料的抗氣蝕能力差別甚大，其失重比為：88:19:5,相差47倍，而在磨蝕工況下.儀相差1.2-1.4倍，說明在磨蝕作用時(shí)，三種不銹鋼的抗磨蝕能力相差不大。另外，由試驗(yàn)結(jié)果也可以看到,抗氣蝕性能好的材料抗磨蝕性能也好,其優(yōu)劣順序是一致的。6. 三種材料抗磨蝕性能的定量比較山表2、表3可以看到,隨著含沙址及試驗(yàn)時(shí)段的不同,三種材料抗磨蝕能力也不盡相同，其平均相

15、對(duì)比值列于表6。表6三種射料的相對(duì)抗磨蝕能力材料名稱S=9.TOkg/m5S=21.18kg/xn'S=40,94kg/ni'S=99.40kg/m:iCrlfiNi9Ti1.001.001.001.00ZGOCrl6Ni5Mo1.311.181.141.20ZGCr-Mn-N1.661.66表5說明.在本次試驗(yàn)條件下.ZG0Crl6Ni5Mo的抗磨蝕能力較lCrl8Ni9Ti提高約14蠟一30%,ZGCr-Mn-N校lCrl8Ni9Ti提高約66%,這一結(jié)果，與筆者在三門峽電站2號(hào)機(jī)葉片上所做現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果是一致的，7. 三種材料磨蝕失效的數(shù)學(xué)模型磨蝕失重量與流速、含沙量、時(shí)

16、間的關(guān)系如下：不同含沙雖不同流速時(shí)材料的麝蝕失饋特性85W,=AS"T式中：為磨蝕失重量，kg/mA為與材料性能、泥沙特性、介質(zhì)溫度、試件面積等有關(guān)的系數(shù)；V為含沙流體的相對(duì)速度.m/sE為速度方次；S為含沙流體的含沙量,kg/m成為含沙量方次；丁為磨蝕時(shí)間，hM為時(shí)間方次。二種試驗(yàn)材料磨蝕失效數(shù)學(xué)模型的系數(shù)、方次列于表7。«7材料磨蝕失重敷學(xué)模型的系敗、方次材料名稱Amnk!Crl8N>9TiI,595、IO-43.06b1.0010.933ZGOCrI6Ni5Mo7.992X10-*3.U9I1.000表7顯示，在本次試驗(yàn)條件下.磨蝕失重量與流速約呈3次方關(guān)系.與

17、含沙所及時(shí)間約呈1次方關(guān)系，因材料不同其系數(shù)肓一定差異。文獻(xiàn)：3在沖擊裝置上試驗(yàn),不僅系數(shù)不同,且流速的方次亦隨含沙量的不同而變化，其范圍為4-9.5次方,這一現(xiàn)象在本次試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)。四、小結(jié)在本試驗(yàn)條件下.可得到如下認(rèn)識(shí)：1-iCr18Ni9TiZGOCr16Ni5Mo.ZGCr-Mn-N三種材料,其磨蝕失重與流速約呈3次方.與含沙量及時(shí)間約呈1次方變化。2. 當(dāng)流速大于25m/s時(shí).材料磨蝕量加劇。3. 材料的磨蝕失重率在流速與含沙最均一定時(shí)為-常數(shù)，4. ZGCr-Mn-N的抗磨蝕能力為lCr!8Ni9Ti的I.6倍ZGOCr16Ni5Mo的抗磨蝕能力為lCrl8Ni9Ti的b141.

18、31倍，5. 材料的磨蝕失效比單純氣蝕失效約大數(shù)十倍至數(shù)百倍。參考文獻(xiàn)1何筱奎.兩種氣蝕試驗(yàn)設(shè)備的試酸結(jié)果,水機(jī)磨蝕,1986年第1期。：2丁賢文.多沙河流水輪機(jī)出水邊相對(duì)流速與騰蝕關(guān)系的探討.水機(jī)磨蝕，1988年1月：3C.n.科茲列失，劉燕生、褚德珊譯氣蝕與水力磨損，長(zhǎng)春科技書刊發(fā)行中心,1987年12月°4何筱奎,含沙空化流場(chǎng)中材料的損壞特性，水機(jī)磨蝕，1990年，5程則久.我國(guó)水機(jī)磨蝕機(jī)理研究新動(dòng)態(tài)及減輕睛蝕損壞的肓效途徑.水機(jī)磨蝕，1990年。AbrasionFailureofMaterialunderDifferentSandContentsandFlowVelocitiesHeXiaokuiWaterResourcesResearchInstitute«YelltnvRiverWaterResourcesCommitteeZhengzhou450003)AbstractAnexperimentalresearchofabrasionfailurecharacteristicswa&undertakenontheNCAspinningcavitationdevicewiththreekindsofmaterials,using