Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  2.3.3 Явление кавитации в объеме жидкой фазы

С явлением кавитации многие исследователи связывают достижение многих положительных эффектов (измельчение структуры, дегазация, повышение плотности, а также пластических свойств и ударной вязкости и пр.) при виброимпульсной обработке. Весьма высокие качественные показатели, базирующиеся на эффекте кавитации, достигнуты многими исследователями при ультразвуковой обработке сплавов [68,78,90,129]. Вместе с тем, в литературе практически отсутствуют данные, позволяющие количественно связать способы и режимы виброимпульсного воздействия, степень развития кавитации и конечные результаты обработки.

Обычно под явлением кавитации большинство авторов подразумевает возникновение и исчезновение каверн (замкнутых газовых полостей) в жидкости под воздействием возмущающих факторов [130-133]. Процесс возникновения и развития кавитации зависит от состояния жидкости, включая ее вязкость и наличие в ней твердых или газообразных примесей, а также от поля давления в зоне кавитации. Различают перемещающуюся, присоединенную, вихревую и вибрационную кавитацию.

Силы, вызывающие образование и схлопывание каверн при вибрационной кавитации, представляют собой непрерывные колебания давления с большой амплитудой. Эти колебания могут создаваться любой поверхностью, погруженной в жидкость, которая вибрирует в направлении нормали и создает волны давления в жидкости. Каверны не образуются до тех пор, пока амплитуда пульсаций недостаточно велика и давление не падает до давления насыщенного пара или ниже [130]. Образующиеся в местах разрыва маленькие полости могут пульсировать, не меняя содержания внутри объема парогазовой смеси или интенсивно расти за счет действия растягивающих напряжений колебательных волн, или же начинать смыкаться (схлопываться) под действием сжимающих напряжений колебательных волн, порождая мельчайшие "осколки" пузырьков и развивая большие локальные давления вблизи мест схлопывания.

Параметры колебаний, обеспечивающих начало и развитие кавитационных явлений, в первом приближении можно оценить из условия достижения пиковыми значениями давления жидкости в поле вибрационных сил величин, приближающихся к нулю [75,134]. Так, при виброобработке жидкости вместе с емкостью, выражение для условия начала кавитационных явлений в идеальной жидкости имеет следующий вид:

где f - частота колебаний, Гц; - амплитуда колебаний, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; П = 3,14.

Расчетные диаграммы, иллюстрирующие максимальные давления, возникающие в жидкости при вибрации формы и при вибрации погружаемым стержнем, представлены на рис. 2.5. (данные [75]). Несмотря на тот факт, что приведенные зависимости получены расчетным путем с определенным уровнем допущений, данные, относящиеся к количественным значениям порога кавитации, хорошо согласуются с результатами практических исследований, выполненных многими авторами. Конечно, для реальных жидкостей возможно заметное уменьшение порога кавитации в зависимости от наличия в них инородных примесей.

Диаграммы «амплитуда-частота», иллюстрирующие максимальные давления, возникающие в жидкости при вибрации отливки вместе с формой (а) и при вибрации погружаемым в расплав стержнем (б) – штриховкой обозначен расчетный порог кавитации по Дж. Кэмпбеллу

Рис. 2.5. Диаграммы «амплитуда-частота», иллюстрирующие максимальные давления, возникающие в жидкости при вибрации отливки вместе с формой (а) и при вибрации погружаемым в расплав стержнем (б) – штриховкой обозначен расчетный порог кавитации по Дж. Кэмпбеллу [73]

Некоторые исследователи предлагают определять порог кавитации приближенно по акустическому числу Маха (М), равному отношению колебательной скорости к скорости звука (Сзв) в жидкости [135]. Следовательно, для гармонических колебаний кавитация может развиваться при следующем условии:

Соответственно, при скорости звука для черных металлов около 4500 м/с порог кавитации (Га) находится в пределах 0,07... 0,7 м/с [130]. Обобщая рекомендуемые в литературе зависимости по определению порога кавитации, нельзя не отметить, что все они носят полу эмпирический характер и сводятся к определению либо значений максимального ускорения, либо значений максимальной скорости в процессе виброимпульсного воздействия с введением эмпирических поправочных коэффициентов на условия обработки [75, 94, 135-143]. Поэтому их сходимость с имеющимися практическими данными других исследователей оказывается далеко не всегда удовлетворительной. Причиной этому, видимо, может быть наличие неучтенных факторов, к числу которых относится условия выплавки и заливки, вязкость жидкости, а также наличие в расплаве большого количество твердых и газообразных примесей и пр. В целом примеси могут играть заметную роль в процессе образования, роста и схлопывания каверн, однако результаты, полученные разными экспериментаторами, часто не согласуются количественно и имеют большой разброс в каждой отдельно взятой совокупности данных. По всей видимости, определение показателей кавитационной прочности и кавитационного порога для промышленных сплавов следует осуществлять только комбинированным методом, используя эмпирические зависимости с соответствующей их корректировкой в ходе лабораторных и промышленных экспериментов в привязке к конкретным условиям и методам воздействия.

  2.3.3 Явление кавитации в объеме жидкой фазы
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ