316304不銹鋼的液固兩相射流沖蝕行為研究

中圖分類號(hào)G6430碩士學(xué)位論文題目316/304不銹鋼的液固兩相射流沖蝕行為研究學(xué)科專業(yè)熱能工程研究方向多相流動(dòng)與傳熱碩士生柳灝指導(dǎo)教師趙彥琳副教授二一七年六月單位代碼11414學(xué)號(hào)2014214043碩士學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明鄭重聲明本碩士學(xué)位論文是作者個(gè)人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他個(gè)人和集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得中國(guó)石油大學(xué)或者其它單位的學(xué)位或證書所使用過(guò)的材料。對(duì)本研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者和導(dǎo)師完全意識(shí)到本聲明產(chǎn)生的法律后果并承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任。作者簽名日期導(dǎo)師簽名日期碩士學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解中國(guó)石油大學(xué)（北京）學(xué)位論文版權(quán)使用的有關(guān)規(guī)定，使用方式包括但不限于學(xué)校有權(quán)保留并向有關(guān)部門和機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版；允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文；可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索。本學(xué)位論文屬于保密范圍，保密期限0年，解密后適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文作者如需公開(kāi)出版學(xué)位論文的部分或全部?jī)?nèi)容，必須征得導(dǎo)師書面同意，且須以中國(guó)石油大學(xué)（北京）為第一署名單位。作者簽名日期導(dǎo)師簽名日期摘要沖蝕磨損現(xiàn)象存在于水力機(jī)械、石油化工和核電站等許多工業(yè)環(huán)境中，是管材損壞和設(shè)備失效的主要原因之一。了解并掌握影響兩相流沖蝕條件的機(jī)理，對(duì)于如何降低因?yàn)闆_蝕腐蝕造成的管材等部件失效有著很重要的意義。本文研究目的在于發(fā)現(xiàn)不同條件下的多相流沖蝕規(guī)律，探究NACL溶液腐蝕對(duì)于樣品沖蝕磨損的影響。論文采用含沙射流對(duì)304/316不銹鋼進(jìn)行了24小時(shí)以上的長(zhǎng)時(shí)間沖蝕行為實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，沖擊角度為45時(shí)，不銹鋼的質(zhì)量損失最大，沖擊角度為75時(shí)，不銹鋼的質(zhì)量損失最小。316/304不銹鋼失重率一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但隨時(shí)間的推移增量變小。SEM結(jié)果表明，90沖擊下的樣品表面出現(xiàn)多個(gè)沖擊坑，斜角沖擊后會(huì)留下劃痕，角度越小劃痕越明顯，這與不同沖擊角度時(shí)不同的磨損機(jī)理有關(guān)。沖擊角較大時(shí)，石英砂顆粒對(duì)材料的破壞機(jī)理是以正碰為主，沖擊角較小時(shí)，顆粒對(duì)材料的破壞機(jī)理則是犁削作用。將兩種不銹鋼樣品經(jīng)過(guò)35WT的氯化鈉溶液浸泡不同時(shí)長(zhǎng)后再進(jìn)行沖蝕，發(fā)現(xiàn)304不銹鋼在90和60沖擊下失重率大幅增加，316不銹鋼失重率也有增加，但是增幅遠(yuǎn)小于304不銹鋼。樣品經(jīng)40和8035WT氯化鈉溶液處理后，失重率再次增加，但是304不銹鋼失重率增幅很小，316不銹鋼失重率增幅較大。關(guān)鍵詞沖蝕；失重率；304/316不銹鋼；沖擊角度；NACL溶液STUDYONEROSIONBEHAVIORSOF316/304STAINLESSSTEELBYSOLIDLIQUIDTWOPHASEFLOWJETIMPINGEMENTABSTRACTEROSIONWEAREXISTSINMANYENGINEERINGINDUSTRIESINCLUDINGHYDRAULICMACHINERY,PETROCHEMICALINDUSTRIES,NUCLEARPOWERSTATIONSANDSOON，WHICHPLAYSANIMPORTANTROLEINTHEPROCESSOFDEGRADATIONOFPIPEANDEQUIPMENTFAILUREITISVERYIMPORTANTTOUNDERSTANDANDGRASPTHEMECHANISMOFTWOPHASEFLOWEROSION,FORWHICHHELPINGTOREDUCETHEFAILUREOFTUBESANDOTHERCOMPONENTSCAUSEDBYEROSIONTHEPURPOSEOFTHISTHESISISTOFINDTHERULEOFMULTIPHASEFLOWEROSIONFORDIFFERENTCONDITIONS,ANDTOEXPLORETHEEFFECTOFNACLSOLUTIONCORROSIONONEROSIONOFTHESAMPLEINTHESIS,THE24HOURSLONGTERMEROSIONBEHAVIORSOF304STAINLESSSTEEL304SSAND316STAINLESSSTEEL316SSBYSANDWATERFLOWJETIMPINGEMENTWERESTUDIEDTHERESULTSHOWSTHATTHEWEIGHTLOSSOFTHESAMPLEREACHESAMAXIMUMVALUEAT45IMPACTANGLE,WHILEWHENTHEIMPACTANGLECOMESTO75,THEWEIGHTLOSSREACHESTHEMINIMUMTHEWEIGHTLOSSRATESOF316SS/304SSINCREASEWITHIN24HOURS,BUTTHEINCREMENTSDECREASEWITHTIMETHESEMPHOTOSSHOWTHAT,UNDERTHEIMPACTANGLEOF90,THEREARESEVERALIMPACTPOTHOLESONTHESURFACEOFTHESAMPLEHOWEVER,AFTERTHEIMPINGEMENTOFOTHERSMALLERANGLES,THESCRATCHESAPPEARONTHESURFACEOFTHESAMPLETHESMALLERTHEANGLES,THEMOREOBVIOUSTHESCRATCHESTHEPOSSIBLEREASONISRELATEDTOTHEDIFFERENTWEARMECHANISMSUNDERTHEDIFFERENTIMPACTANGLESWHENTHEIMPACTANGLEISLARGE,THEMAINDAMAGEMECHANISMCAUSEDBYTHEQUARTZSANDPARTICLESISTHEFRONTALCRASHHOWEVER,WHENTHEIMPACTANGLECOMESTOSMALLER,TOTHEMAINDAMAGEMECHANISMISPLOWINGTWOKINDSOFSTAINLESSSTEELSAMPLESWEREIMMERSEDIN35WTNACLSOLUTIONANDTHEEROSIONBEHAVIORSWERESTUDIEDTHERESULTSSHOWTHATTHEWEIGHTLOSSRATESOFTHE304SSINCREASESIGNIFICANTLYUNDERTHENORMALIMPACTINGAND60IMPACTINGTHEWEIGHTLOSSRATESOFTHE316SSALSOINCREASE,BUTTHEINCREMENTSAREMUCHLESSTHAN304SSTHEIMPINGEMENTOFTHESTAINLESSSTEELSAMPLESEXPERIMENTSWERECARRIEDOUTAFTERTHETREATMENTBYIMMERSINGIN35WTNACLSOLUTIONSUNDER40CAND80,RESPECTIVELYTHEWEIGHTLOSSRATESOFTWOKINDSOFSTAINLESSSTEELINCREASE,BUTTHEINCREMENTSOF304SSARELESSTHANTHEINCREMENTSOF316STAINLESSSTEELKEYWORDSEROSION；WEIGHTLOSSRATE；304/316STAINLESSSTEEL；IMPACTANGLE；NACLSOLUTION目錄碩士學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明I碩士學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書I摘要IIABSTRACTIII第1章緒論111沖蝕磨損的危害112沖蝕磨損的影響因素2121沖擊角度對(duì)材料沖蝕的影響2122沖擊速度對(duì)材料沖蝕的影響3123固體顆粒濃度和尺寸對(duì)材料沖蝕的影響413國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀514選題意義與研究?jī)?nèi)容6第2章液固兩相射流沖蝕實(shí)驗(yàn)821實(shí)驗(yàn)裝置822實(shí)驗(yàn)材料1023實(shí)驗(yàn)過(guò)程13第3章液固兩相射流沖蝕304/316不銹鋼的實(shí)驗(yàn)研究1531實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論15311304/316不銹鋼失重率和表面形貌表征15312沖擊速度對(duì)316不銹鋼失重的影響24313樣品失重率與石英砂顆粒尺寸變化的關(guān)系2532本章小結(jié)30第4章304/316不銹鋼在氯化鈉溶液中浸泡后的沖蝕行為3241影響金屬材料沖蝕的各因素的協(xié)同作用3242海水對(duì)不銹鋼材料的腐蝕原理34421不銹鋼在海水中的腐蝕行為34422氯離子對(duì)不銹鋼的腐蝕機(jī)理3543實(shí)驗(yàn)方法3644實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析36441氯化鈉溶液浸泡對(duì)沖蝕樣品失重率的影響36442不同溫度氯化鈉溶液浸泡對(duì)沖蝕樣品失重率的影響4345本章小結(jié)49第5章結(jié)論與展望5151結(jié)論5152展望52參考文獻(xiàn)53附錄A碩士期間發(fā)表論文情況58致謝59第1章緒論沖蝕磨損是指材料受到流體中小而松散的流動(dòng)粒子沖擊所造成的一種材料損耗現(xiàn)象或過(guò)程。沖蝕磨損現(xiàn)象是很普遍的，這種現(xiàn)象主要存在于水力機(jī)械、石油化工和核電站等許多工業(yè)環(huán)境中，在管材損壞和設(shè)備失效的過(guò)程中起到了很重要的作用。根據(jù)英國(guó)科學(xué)家EYRE的估算，沖蝕磨損占據(jù)工業(yè)中各類磨損造成經(jīng)濟(jì)損失的81。根據(jù)介質(zhì)可以把沖蝕磨損分為兩大類氣液噴砂型沖蝕和液流型沖蝕。流動(dòng)介質(zhì)中攜帶的第二相可以是固體顆粒、液滴或者氣泡。液固兩相流中，有的第二相物質(zhì)直接材料表面造成損傷，有的在材料表面上破裂后對(duì)其施加作用力，最后造成材料的破壞。氣固兩相流對(duì)材料的沖蝕磨損主要是以固體顆粒的沖擊磨損為主，液固兩相流對(duì)材料的沖蝕主要是以固體顆粒沖擊磨損、流體沖刷腐蝕以及兩者間的協(xié)同作用為主。固體顆粒沖蝕磨損是指高速流體攜帶大量尺寸在1000M以下的顆粒，以一定速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊，從而使材料發(fā)生耗損和破壞的一種現(xiàn)象或過(guò)程，其速度（液相）一般在30M/S以內(nèi)。固體顆粒撞擊到靶材表面上，一般都會(huì)對(duì)靶材造成沖蝕破壞，除非入射速度或顆粒的濃度尺寸低于某一臨界值。材料的沖蝕率會(huì)受到?jīng)_蝕條件的影響，沖蝕條件包括受入射流體的速度、角度、顆粒的尺寸和種類等，還包括材料的物理性質(zhì)。液固兩相流沖蝕磨損對(duì)管材、法蘭和彎頭等部件破壞作用較大，了解并掌握兩相流沖蝕腐蝕的影響因素及其協(xié)同作用的機(jī)理，對(duì)于如何降低因?yàn)闆_蝕腐蝕造成的管材等部件失效有著很重要的意義。論文的研究?jī)?nèi)容是研究304/316不銹鋼在不同沖蝕腐蝕條件下的失重率、沖蝕后的表面形貌以及固體顆粒對(duì)樣品失重率的影響。研究分析液固兩相流中由固相顆粒和流體，以及二者協(xié)同作用，在不同影響因素下，對(duì)金屬材料的沖蝕腐蝕行為。11沖蝕磨損的危害工程中沖蝕磨損的危害很大，而且比較常見(jiàn)。沖蝕磨損不僅是造成管材損壞或設(shè)備失效的重要原因之一，還會(huì)增加能源的消耗量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，能源的1/31/2消耗于摩擦和磨損?；痣姀S鍋爐水冷壁管的可靠性會(huì)直接影響電廠機(jī)組的有效運(yùn)行，但是水冷壁管會(huì)不可避免的被腐蝕和磨損，其中，就磨損部分而言，絕大部分的磨損是煙氣和灰分顆粒的沖蝕。沖蝕對(duì)水冷壁管的影響很大，首先會(huì)使管壁變薄，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般水冷壁厚度年平均損失在1MM左右，嚴(yán)重的可以達(dá)到56MM/YEAR，這就給電廠帶來(lái)了大量的臨時(shí)性檢修工作，造成大量損失；其次，水冷壁管會(huì)因?yàn)闆_蝕磨損造成突發(fā)性的爆管事故，這就直接影響了整個(gè)電廠的發(fā)電秩序，經(jīng)濟(jì)損失巨大，也會(huì)對(duì)社會(huì)秩序造成不良影響。石油工業(yè)中沙總是會(huì)隨著產(chǎn)品流體（油和水）出現(xiàn)而出現(xiàn)，這是油氣工業(yè)的主要問(wèn)題，沙的產(chǎn)生引起沖蝕，在這過(guò)程中，由于反復(fù)的砂礫沖擊，材料從管路中移除，造成管路被侵蝕，被侵蝕的管路導(dǎo)致油氣工業(yè)的運(yùn)力出現(xiàn)問(wèn)題，而這能夠?qū)е履茉磽p失和環(huán)境問(wèn)題。核電站中機(jī)械部位受不同的老化機(jī)理作用，如流體沖蝕腐蝕、疲勞、腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和點(diǎn)蝕等。作為核電站運(yùn)行者，提供可靠的系統(tǒng)老化類型和位置很重要。在水力機(jī)械中，沖蝕磨損十分普遍和嚴(yán)重。當(dāng)水力機(jī)械的工作介質(zhì)中存在固體相時(shí)沖蝕磨損現(xiàn)象更為突出。所以沖蝕破壞對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)所造成的影響可見(jiàn)一斑，降低實(shí)際工程中的沖蝕破壞對(duì)于提高工業(yè)生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)工業(yè)設(shè)備壽命，降低工業(yè)運(yùn)行成本都具有相當(dāng)重要的意義。12沖蝕磨損的影響因素沖蝕率非常依賴于沖蝕腐蝕環(huán)境，比較重要的因素有材料硬度、沖擊速度、沖擊角度、固體顆粒濃度和尺寸等。影響沖蝕磨損的因素可以從固相、液相和材料本身三個(gè)方面進(jìn)行分析，其中，固相因素包括顆粒的濃度、粒徑大小、沖擊速度、沖擊角度和沖擊時(shí)間等方面；液相因素包括流體的物理性質(zhì)（流體粘度和溫度等）、溶液的PH值、緩蝕劑和溶液離子濃度等；材料本身對(duì)于沖蝕的影響主要體現(xiàn)在材料的硬度、表面處理工藝和熱處理技術(shù)等。121沖擊角度對(duì)材料沖蝕的影響沖擊角度是通過(guò)影響材料表面電流密度的變化來(lái)影響材料的沖蝕率的2。一般而言，相對(duì)于法向沖擊，斜角情況下電流上升的大，上升時(shí)間長(zhǎng)。失重值證明，沖蝕率和沖蝕腐蝕率的最大值，都在斜角范圍40到50之間達(dá)到，并且在所有的角度下，沖蝕腐蝕率要高于同角度下的沖蝕率3。以碳鋼為例，相對(duì)于法向沖擊，斜角沖擊的影響更大，尤其是斜角范圍在40到50之間，碳鋼的沖蝕率最高。沖擊角度也會(huì)影響材料的沖蝕和化學(xué)腐蝕的協(xié)同效應(yīng)，這個(gè)協(xié)同效應(yīng)會(huì)隨著傾斜角度的增大而增強(qiáng)。并不是在所有情況下碳鋼的腐蝕率都隨著沖擊角的增大而增大，比如在油砂中碳鋼的腐蝕率會(huì)隨著沖擊角的上升而降低。隨著碳鋼在原油中暴露的時(shí)間的延長(zhǎng)，其沖蝕程度相比于化學(xué)腐蝕來(lái)得劇烈，在油層水中，沖蝕和腐蝕對(duì)材料造成的損失貢獻(xiàn)相似4。不同材料在不同的沖擊角度的作用下，沖蝕率隨沖擊角度的變化也不完全一樣。X65鋼管的微觀結(jié)構(gòu)是鐵酸鹽和馬氏體構(gòu)成。經(jīng)過(guò)熱處理之后，和碳鋼在同樣的沖蝕環(huán)境下，其腐蝕率隨著沖擊角的升高而升高，達(dá)到30時(shí)沖蝕率達(dá)到最大，在沖角上升到90的過(guò)程中會(huì)逐漸變小，而且X65鋼的侵蝕表面形貌在30和90的情況下很相似，都是由上百個(gè)坑洞和薄片組成5。對(duì)于表面形態(tài)的形成和質(zhì)量移除而言，最重要的機(jī)理是碰撞作用和犁削作用6。在法向沖擊條件下，顆粒的碰撞造成了大范圍的坑洞，然而在30沖擊的條件下，長(zhǎng)劃痕會(huì)變成主要的形態(tài)，這是由于顆粒的犁削作用。材料局部腐蝕的演化取決于沖擊角度，沖擊角度不同會(huì)造就切應(yīng)力和正壓力的聯(lián)合作用7。在流速一定的前提下，沖擊角度在材料的沖蝕腐蝕行為中，對(duì)材料表面形貌的成形起到了重要的作用。122沖擊速度對(duì)材料沖蝕的影響現(xiàn)有對(duì)于沖擊速度對(duì)材料沖蝕影響的研究，往往是和沖擊角度等其他因素結(jié)合起來(lái)研究并分析的。沖蝕機(jī)理的支配性因素一定會(huì)明顯的依賴于不同的沖擊角度和沖擊速度。常用沖蝕率來(lái)表示粒子對(duì)材料的沖蝕程度，粒子沖擊速度和材料沖蝕率關(guān)系式如公式1111NEKV式中，E為沖蝕率；V為沖擊速度；N為速度指數(shù)；K是和顆粒銳度有關(guān)的常數(shù)。在低沖擊角度和低顆粒給進(jìn)速度的情況下，最主要機(jī)理為顆粒對(duì)材料的犁削作用，在低沖擊角和高顆粒給進(jìn)速度的條件下，材料的移除和切向破壞則占據(jù)決定性地位。在高顆粒給進(jìn)速度的條件下，速度指數(shù)會(huì)隨著沖擊角的上升而下降。這是因?yàn)殡S著沖擊角度的上升，粗糙顆粒嵌入了材料中，而且在后來(lái)的沖蝕中起到了阻礙的作用8。因此，在這樣的條件下，速度指數(shù)就由沖蝕機(jī)理決定了。在低顆粒給進(jìn)速度條件下，大多數(shù)沖擊都是彈性沖擊，而且不會(huì)對(duì)沖蝕率有貢獻(xiàn)。這就造成了沖蝕率幾乎不依賴于沖擊角。所以，沖蝕率在高速?zèng)_擊下才會(huì)依賴沖擊角度。材料硬度是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，在關(guān)聯(lián)方程中，是沖擊速度和沖擊角度的參變量。這一點(diǎn)在對(duì)鋁合金、銅合金、碳鋼和不銹鋼這幾種材料的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)被證實(shí)了。沖擊速度和顆粒尺寸是彼此獨(dú)立的，這就意味著顆粒尺寸不會(huì)影響沖蝕破壞的沖擊速度變量，沖擊速度也不會(huì)影響顆粒尺寸，但是沖擊速度卻有可能被顆粒的其他物理性質(zhì)比如材料的硬度所影響9。沖擊速度還會(huì)對(duì)沖蝕破壞和電化學(xué)腐蝕破壞的協(xié)同作用產(chǎn)生影響。沖擊速度高，材料表面電位很低的時(shí)候，沖蝕將會(huì)主導(dǎo)材料的退化；沖擊速度比較低，材料表面電位很高的時(shí)候，化學(xué)腐蝕在材料退化過(guò)程中將占據(jù)主導(dǎo)地位。材料的沖蝕腐蝕過(guò)程取決于材料電位和流體的流速。由正碰引起的沖蝕磨損，很依賴于沖擊速度和顆粒尺寸10。沖蝕率是隨著沖擊速度的上升而上升的。氧化鋁和水的固液兩相流體沖擊不銹鋼的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始沖蝕率很高，然后會(huì)逐漸降低，這個(gè)過(guò)程會(huì)持續(xù)到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。表面粗糙度也會(huì)隨著沖擊速度和試驗(yàn)時(shí)間的上升而上升。沖蝕機(jī)理包括兩種，剪切沖蝕機(jī)理和塑性形變。速度一定的條件下，沖擊角度高的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生塑性形變，沖擊角度低的時(shí)候會(huì)發(fā)生剪切作用。但是沖蝕率方程11中的速度指數(shù)N卻會(huì)隨著顆粒沖擊角度的上升而下降。這就表明速度指數(shù)的值是由沖蝕機(jī)理決定的，而不是速度指數(shù)決定沖蝕機(jī)理。這可能是由于以下兩個(gè)原因顆粒之間的干擾，這阻止了其他顆粒到達(dá)樣品表面；粗糙顆粒的嵌入，這保護(hù)了材料表面被進(jìn)一步侵蝕。低速條件下，大多數(shù)沖擊都是彈性沖擊，這種沖擊不會(huì)對(duì)材料沖蝕率有太大的貢獻(xiàn)，這就造成了低速條件下沖蝕率幾乎不依賴于沖擊角。123固體顆粒濃度和尺寸對(duì)材料沖蝕的影響影響材料失重的除了速度之外，還有固體顆粒的濃度和尺寸。碳鋼的腐蝕率未必隨著固體顆粒濃度的上升而上升的，實(shí)驗(yàn)表明11，在固液兩相沖蝕條件下，評(píng)價(jià)中國(guó)舟山地區(qū)海泥對(duì)碳鋼和低合金鋼的影響。結(jié)果顯示，在24WT的氯化鈉溶液中，隨著海泥含量的上升，碳鋼的沖蝕腐蝕率反而下降，與之相反，如果添加石英砂，沖蝕腐蝕率會(huì)隨著石英砂含量的上升而上升。從結(jié)果上看，粒度極小66M的海泥對(duì)沖蝕腐蝕率有一定抑制作用。由此可見(jiàn)，顆粒濃度的上升并不都能提高沖蝕腐蝕率，要提高沖蝕腐蝕率，除了提升固體顆粒濃度外，固體顆粒的尺寸還必須滿足一定條件。實(shí)驗(yàn)表明12，泥漿中加入75M以下尺寸顆粒時(shí)，會(huì)降低沖蝕磨損作用，這個(gè)現(xiàn)象可能是由于小尺寸顆粒提高了流體粘度，降低了湍流程度，部分降低了沖擊速度造成的。流體內(nèi)顆粒濃度的影響是多樣化的，在達(dá)到鈍化電勢(shì)和氧化膜形成之前，活躍的溶解區(qū)域的沖蝕率的上升是由于固體顆粒濃度的上升。沖蝕率的變化和靶材的種類也有關(guān)系，相同顆粒濃度下，不同的靶材如鐵、鎳、鋁和銅等，都因?yàn)橛兄煌挠捕取⑩g化區(qū)和密度，而導(dǎo)致了沖蝕率的不同。GIRISHRDESALE等人13在對(duì)鋁合金的沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，磨損腐蝕隨著平均顆粒尺寸上升而上升。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了沖擊顆粒存在著臨界動(dòng)能，所謂臨界動(dòng)能，就是指在顆粒的沖擊下，能夠引發(fā)沖蝕現(xiàn)象的最小動(dòng)能值。對(duì)固液兩相流體來(lái)說(shuō)，若固體顆粒的尺寸上升，雖然會(huì)導(dǎo)致在流體中顆粒的濃度降低，但是卻能夠提高顆粒的動(dòng)能值，所以一般而言，顆粒越大，沖蝕現(xiàn)象也就越嚴(yán)重，然而，高于沖蝕率臨界值時(shí)，沖蝕腐蝕率就和顆粒尺寸無(wú)關(guān)了。堿性溶液中，顆粒尺寸區(qū)間在50M至100M內(nèi)時(shí)，顆粒的尺寸對(duì)于樣品沖蝕腐蝕率產(chǎn)生了重要的影響，如果顆粒尺寸在100M之上，依賴性又會(huì)降低14?？傊?，顆粒尺寸和顆粒濃度對(duì)材料的沖蝕都有影響，只是顆粒濃度的增加并不總是伴隨著沖蝕率的增加，如果沖蝕率也同時(shí)增加，那么顆粒尺寸就需要滿足一定條件，顆粒平均粒徑至少應(yīng)該在75M以上。顆粒尺寸如果太小，那么沖蝕率還有可能下降。顆粒的動(dòng)能也是影響沖蝕率的因素之一。提高顆粒的尺寸雖然能夠?qū)е铝黧w內(nèi)顆粒濃度降低，但是卻提高了顆粒動(dòng)能，所以提高顆粒尺寸會(huì)提高沖蝕率。13國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的沖蝕方面的研究，有很多偏重于沖蝕機(jī)理的研究。沖蝕機(jī)理有很多，比如微切削理論15、變形磨損理論16和彈塑性壓痕破裂理論等等。MENG17總結(jié)了比較有影響力的理論模型有28種，但是這些理論均有其明確的適應(yīng)范圍，有的只能解釋某種沖蝕現(xiàn)象。所以沖蝕理論的發(fā)展還有很大的提升空間。不同于塑性材料的固體顆粒沖蝕機(jī)理，對(duì)于脆性材料的沖蝕機(jī)理還是有比較廣泛的認(rèn)同的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，脆性材料的沖蝕是由于形成裂縫18。當(dāng)顆粒撞擊脆性材料表面，材料表面將產(chǎn)生側(cè)向和放射向的裂痕。后續(xù)的沖擊會(huì)造成裂痕生長(zhǎng)。這些裂痕會(huì)將材料表面分割成很多小塊，這些小塊可以被其他沖擊表面的顆粒移除。顆粒之間的相互作用會(huì)影響沖蝕模型的精度。大多數(shù)模型都忽略顆粒之間的相互作用。但是在泥漿沖蝕中，顆粒之間的相互作用能夠影響樣品沖蝕率的數(shù)量級(jí)?？茖W(xué)家們提出了不同的機(jī)理以解釋沖蝕速率和沙粒濃度的關(guān)系。這些理論指出，在砂濃度比較高的情況下，當(dāng)顆粒從壁面被彈回的時(shí)候，顆粒會(huì)撞擊正在向壁面移動(dòng)的顆粒，并且將它們減速。這種現(xiàn)象被命名為“屏蔽”19。因此，沖蝕磨損還取決于流動(dòng)條件和幾何條件，更高濃度的沙可能會(huì)降低沖蝕速率。影響沖蝕的因素有很多，比如沖擊角度、速度、流體的物理性質(zhì)、侵蝕藥劑的物理性質(zhì)、靶材的物理性質(zhì)甚至是零部件的幾何形狀，都能夠影響沖蝕率和沖蝕速率。固體顆粒的形狀能夠?qū)_蝕的量級(jí)產(chǎn)生很明顯的影響。SALIK20等人認(rèn)為，通過(guò)改變固體顆粒的形狀，可以改變沖蝕率的量級(jí)。對(duì)此LEVY和CHIK21有著相同的看法。他們使用了兩種不同的形狀的顆粒，圓顆粒和銳顆粒。沖蝕實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，有棱角的顆粒的沖蝕率，是圓顆粒沖蝕率的四倍。HUTCHINGS22等人認(rèn)為，最大沖蝕率下的沖擊角度是由顆粒形狀決定的，而且不同的顆粒形狀會(huì)導(dǎo)致不同的最大沖蝕角。顆粒尺寸是影響沖蝕率的另一個(gè)重要因素。TILLY的沖蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，沖蝕率和顆粒尺寸之間滿足某種函數(shù)關(guān)系，數(shù)據(jù)指出，當(dāng)顆粒高于100M的時(shí)候，沖蝕率幾乎不依賴于顆粒尺寸23。GANDHI和BORSE24研究了30和90之下，顆粒尺寸對(duì)鑄鐵沖蝕率的影響。他們發(fā)現(xiàn)，顆粒尺寸和沖蝕率之間存在一種線性關(guān)系。這個(gè)線性關(guān)系也被其他的科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)25。這些結(jié)果的出現(xiàn)是基于一個(gè)事實(shí)顆粒的沖擊速度不是個(gè)常數(shù)，而是隨著顆粒尺寸在變化，尤其是當(dāng)顆粒被流體所攜帶的時(shí)候。流體的物理性質(zhì)也會(huì)對(duì)材料沖蝕率產(chǎn)生影響。很多學(xué)者都在研究流體性質(zhì)對(duì)于顆粒行為的影響26。流體通過(guò)影響當(dāng)?shù)仡w粒濃度來(lái)影響沖蝕率，較高的當(dāng)?shù)仡w粒濃度就意味著更多的顆粒之間的相互作用，而它們之間的屏蔽作用也被CHEN27觀察到了。顆粒和壁面之間的相互作用可以直接影響到流體邊界層。CLARK和BURMEISTER28提出了一種壓膜模型，這種模型包括了液體邊界層對(duì)顆粒的影響。14選題意義與研究?jī)?nèi)容鑒于沖蝕磨損對(duì)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的巨大破壞作用，有必要對(duì)工程中常用的304不銹鋼和316不銹鋼的沖蝕磨損性能進(jìn)行研究，提出減少?zèng)_蝕磨損的方法，以降低工程中的材料損失和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。液固兩相流沖蝕磨損對(duì)于管材等部件破壞作用較大，了解并掌握兩相流沖蝕腐蝕的影響因素和協(xié)同作用機(jī)理，對(duì)如何降低因?yàn)闆_蝕腐蝕造成的管材等部件失效具有重要的意義。本文研究的目的是為了分析液固兩相流中有固體顆粒和流體以及二者協(xié)同作用產(chǎn)生的不同影響因素下，金屬材料的沖蝕腐蝕行為。采用砂水兩相高速射流，研究其對(duì)不銹鋼（304不銹鋼和316不銹鋼）的沖蝕腐蝕行為，具體內(nèi)容包括兩部分固相影響因素和經(jīng)NACL溶液處理后樣品的沖蝕行為，內(nèi)容如下（1）不同沖擊角度和沖擊速度對(duì)材料沖蝕腐蝕行為的影響，對(duì)比材料的質(zhì)量損失、失重率和表面形貌變化。（2）不同顆粒粒徑分布對(duì)材料沖蝕腐蝕情況的影響，對(duì)比沖蝕前后顆粒粒徑分布的變化和金屬材料失重情況。（3）樣品在沖擊之前首先用35WTNACL溶液浸泡24小時(shí)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與未經(jīng)鹽溶液處理的沖擊樣品進(jìn)行對(duì)比。（4）將樣品浸入不同濃度的溶液，進(jìn)行相同時(shí)間進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果的不同。（5）將樣品經(jīng)不同溫度的35WTNACL溶液浸泡相同時(shí)間后，進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果的不同。第2章液固兩相射流沖蝕實(shí)驗(yàn)21實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)使用的金屬材料是304不銹鋼和316不銹鋼，使用石英砂水兩相流體進(jìn)行沖擊，固體顆粒使用4060目的石英砂，石英砂的質(zhì)量濃度為05，流體出口速度1026M/S，噴口距離樣品表面50MM，噴嘴出口直徑為15MM。沖擊角度為90、75、60和45。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)每進(jìn)行兩個(gè)小時(shí)就取下樣品進(jìn)行稱重和表面形貌的拍照與分析。樣品在稱重和拍照之前，使用超聲波清洗儀進(jìn)行清洗。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的泵為FP增強(qiáng)聚丙烯耐腐蝕離心泵，其具體參數(shù)如表21所示。表21離心泵參數(shù)表TABLE21CENTRIFUGALPUMPPARAMETERS型號(hào)進(jìn)口出口流量揚(yáng)程轉(zhuǎn)速吸程功率10240MM32MM125M3/H20M2900R/MIN65M15KW樣品臺(tái)架是放在有機(jī)玻璃罩內(nèi)，實(shí)驗(yàn)所用的樣品就放置在樣品臺(tái)架上，樣品臺(tái)架放置在有機(jī)玻璃罩內(nèi)，樣品臺(tái)角度可以調(diào)節(jié)，如圖21。兩相射流管路裝置如圖22所示。圖中1、有機(jī)玻璃罩；2、離心泵；3、電磁流量計(jì)；4、閥門；5、有機(jī)玻璃管；6、噴頭。實(shí)驗(yàn)所用的樣品是304/316不銹鋼，直徑為15MM，厚度為2MM。圖21樣品臺(tái)架示意圖FIG21SKETCHMAPOFSAMPLERACK圖22沖蝕實(shí)驗(yàn)管路圖FIG22EROSIONTESTPIPELINEDIAGRAM22實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的固體顆粒是石英砂，實(shí)驗(yàn)樣品是304/316不銹鋼。石英砂物理性質(zhì)如表22，石英砂初始粒徑分布如圖23，304/316不銹鋼成分百分含量如表23，樣品機(jī)械性能如表24。表22石英砂物理性質(zhì)表TABLE22PHYSICALPROPERTIESOFQUARTZSAND分子式分子量含量粒度（目）不揮發(fā)物灼燒失重氯化物FESIO26008994060021500010002123445601011101010246810M圖23石英砂原樣粒徑分析結(jié)果FIG23PARTICLESIZEANALYSISOFQUARTZSAND表23實(shí)驗(yàn)樣品成分百分含量表TABLE23PERCENTAGEOFSAMPLECOMPOSITIONCSIMNNICRSPMOFE304003031610918400100368733160050414112176002002256681表24樣品機(jī)械性能表TABLE24SAMPLEMECHANICALPROPERTIES屈服強(qiáng)度MPA抗拉強(qiáng)度MPA延伸率維氏硬度HV布氏硬度HB3045876164520018731655061942200187不銹鋼按照金相組織結(jié)構(gòu)的不同可以劃分成奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體鐵素體雙相不銹鋼和馬氏體不銹鋼幾種類型。奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有穩(wěn)定的奧氏體組織的不銹鋼。無(wú)磁性而且具有高韌性和塑性是奧氏體不銹鋼的顯著優(yōu)點(diǎn)，但這種不銹鋼強(qiáng)度較低，無(wú)法通過(guò)相變加以強(qiáng)化，僅能通過(guò)冷加工進(jìn)行強(qiáng)化。由于奧氏體不銹鋼具有良好的綜合性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。比如腐蝕性工業(yè)環(huán)境，海洋環(huán)境，外科手術(shù)器材，紙漿和造紙用設(shè)備熱交換器和沿海區(qū)域管道等等。鐵素體不銹鋼是在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不銹鋼，這類不銹鋼具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)。鐵素體不銹鋼的突出優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)大，膨脹系數(shù)小，抗氧化性好和抗應(yīng)力腐蝕性能好，但是這類鋼也有很明顯的缺點(diǎn)，鐵素體不銹鋼的塑性差、焊后塑性和耐蝕性明顯不足。不銹鋼的金相組織中若含有奧氏體和鐵素體組織各約一半，此類鋼被稱為奧氏體鐵素體雙相不銹鋼。該類鋼兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，還具備一些這兩種不銹鋼不具備的特點(diǎn)。奧氏體鐵素體雙相不銹鋼塑性、韌性和耐晶間腐蝕性能和焊接性能比鐵素體更高，且無(wú)室溫脆性，其強(qiáng)度、耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕的能力與奧氏體不銹鋼相比更高。雙相不銹鋼還具有優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕性能。馬氏體不銹鋼是一類可硬化的不銹鋼。淬火后硬度較高，不同回火溫度具有不同強(qiáng)韌性組合，主要用于蒸汽輪機(jī)葉片、餐具和外科手術(shù)器械。根據(jù)化學(xué)成分的差異，馬氏體不銹鋼可分為馬氏體鉻鋼和馬氏體鉻鎳鋼兩類。根據(jù)組織和強(qiáng)化機(jī)理的不同，還可分為馬氏體不銹鋼、馬氏體和半奧氏體（或半馬氏體）沉淀硬化不銹鋼以及馬氏體時(shí)效不銹鋼等。304不銹鋼是不銹鋼中常見(jiàn)的一種材質(zhì)，是一種通用性的不銹鋼，是按照美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)出來(lái)的不銹鋼的一個(gè)牌號(hào)，密度為7930KG/M3。耐高溫上限800，低溫下限196。304不銹鋼加工性能和可焊性好，韌性高，具有良好的耐腐蝕性、耐熱性和低溫強(qiáng)度，沖壓、彎曲等熱加工性好，無(wú)熱處理硬化現(xiàn)象。它廣泛地用于制作要求良好綜合性能（耐腐蝕和成型性）的設(shè)備和機(jī)件，比如工業(yè)和家具裝飾行業(yè)和食品醫(yī)療行業(yè)等。304不銹鋼在某些特定情況下會(huì)出現(xiàn)被破壞的現(xiàn)象，主要有這幾個(gè)因素的影響1氯離子，氯離子的廣泛的存在于食鹽、汗跡和海洋中。304不銹鋼在氯離子存在的環(huán)境下腐蝕速率很快，甚至超過(guò)普通的低碳鋼。所以304不銹鋼不能應(yīng)用在海洋環(huán)境中。2固溶處理，合金元素沒(méi)有熔入基體，導(dǎo)致基體組織合金含量太低，抗腐蝕性能差。3晶間腐蝕，從金相學(xué)角度分析，因?yàn)?04不銹鋼含有鉻而使表面形成很薄的鉻膜，這個(gè)膜隔離開(kāi)氧氣與304不銹鋼內(nèi)部，以起到防腐蝕的作用。為了保持不銹鋼所固有的耐腐蝕性，304不銹鋼CR含量必須在12以上。當(dāng)304不銹鋼用于需要焊接的場(chǎng)合，較低的碳含量使得在靠近焊縫的熱影響區(qū)中所析出的碳化物減至最少，而碳化物的析出可能導(dǎo)致不銹鋼在某些環(huán)境中產(chǎn)生晶間腐蝕（焊接侵蝕）。4沖蝕腐蝕協(xié)同作用。承上所述，304不銹鋼含有鉻而使表面形成很薄的鉻膜，當(dāng)固體顆粒沖擊304不銹鋼表面，將這層鉻膜移除后，不銹鋼內(nèi)部的金相組織暴露在空氣中，加上環(huán)境中的氧氣和可能存在的氯離子等腐蝕因素，就加強(qiáng)了304不銹鋼的破壞程度，最終造成材料失效。316不銹鋼是含CR和NI均較高的奧氏體不銹鋼它是在高鉻不銹鋼中添加適當(dāng)?shù)逆嚕ㄦ嚨馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)為825）而形成的，其密度為8030KG/M3具有奧氏體組織的不銹鋼。316不銹鋼因添加MO，使其耐蝕性和高溫強(qiáng)度有較大的提高，耐高溫可達(dá)到1200到1300，可在苛刻的條件下使用，是繼304不銹鋼之后第二種得到廣泛應(yīng)用的不銹鋼種，主要應(yīng)用于食品工業(yè)和外科手術(shù)器材，由于其良好的耐腐蝕性能，還可以應(yīng)用在海洋和侵蝕性工業(yè)環(huán)境中。316不銹鋼雖然屬于耐酸耐堿材料，但是并不絕對(duì)，在強(qiáng)酸強(qiáng)堿或高溫條件下還是能夠?qū)Σ牧袭a(chǎn)生破壞，沖蝕磨損也會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生破壞作用，兩者協(xié)同作用會(huì)彼此加劇，加速材料的失效。表25為樣品破壞原因列表。表25304/316不銹鋼破壞原因表TABLE25REASONSOFDAMAGEOF304SSAND316SS名稱304不銹鋼316不銹鋼破壞原因氯離子氯離子固溶處理沖蝕磨損破壞晶間腐蝕沖蝕腐蝕協(xié)同破壞沖蝕腐蝕協(xié)同破壞應(yīng)用環(huán)境使用溫度196至800耐高溫1200至1300應(yīng)用領(lǐng)域食品級(jí)不銹鋼，耐大氣腐蝕，板式換熱器，化學(xué)，食品工業(yè)，農(nóng)業(yè)，船舶部件（不直接接觸海洋環(huán)境）腐蝕性工業(yè)環(huán)境，海洋環(huán)境，外科手術(shù)器材，紙漿和造紙用設(shè)備熱交換器、沿海區(qū)域管道，閥體、閥座、螺母、閥桿23實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，先用砂紙打磨好樣品邊緣，去掉加工時(shí)留下的鐵銹，然后部分樣品使用超聲波清洗儀清洗三分鐘后，用電子天平稱重，稱重三次取平均值，記為樣品的初始質(zhì)量M0，電子天平精度為01MG。使用金相顯微鏡（500X）拍照并保存照片，用真空包裝袋裝好，最后用真空包裝機(jī)將包裝袋抽成真空保存?zhèn)溆?，貼上標(biāo)簽，在標(biāo)簽上記錄下樣品原始信息，如牌號(hào)和初始質(zhì)量等。另一部分樣品打磨好以后浸入35WTNACL溶液中，浸泡時(shí)間為05小時(shí)、1小時(shí)和24小時(shí)等等，樣品浸泡完成后，放入超聲波清洗儀清洗七分鐘，洗掉樣品表面的鈉離子和氯離子后，使用電子天平稱重三次取平均值，最后用真空包裝機(jī)將裝好的樣品抽真空保存，貼好標(biāo)簽，記錄好樣品原始信息，如牌號(hào)、初始質(zhì)量和浸泡時(shí)長(zhǎng)等，備用。至此樣品準(zhǔn)備完成。水循環(huán)系統(tǒng)中水量最大約為38L，實(shí)驗(yàn)需要石英砂190G。為保證沖蝕過(guò)程砂水混合均勻，需要等到離心泵運(yùn)行開(kāi)始后，再將石英砂倒入水中。系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)始的時(shí)候，記錄電磁流量計(jì)的讀數(shù)，每十分鐘記錄一次，用以確定整個(gè)過(guò)程中水的平均流速。實(shí)驗(yàn)每隔兩個(gè)小時(shí)停止一次，取下樣品并且稱重拍照，記錄樣品的失重率和金相顯微鏡照片，每次稱重之前，使用超聲波清洗儀清洗七分鐘，部分樣品做SEM。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每隔一段時(shí)間會(huì)從管路內(nèi)取一些石英砂做粒徑分析并拍照。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水溫會(huì)升高，最高溫度為50，但是在這種溫度條件下，對(duì)材料的磨損影響很小，可以忽略不計(jì)29。第3章液固兩相射流沖蝕304/316不銹鋼的實(shí)驗(yàn)研究在工業(yè)上，金屬材料的沖蝕磨損是一種很廣泛的現(xiàn)象。沖蝕磨損是指材料受到流體中小而松散的流動(dòng)粒子沖擊所造成的一種材料損耗現(xiàn)象或過(guò)程。影響不銹鋼材料失重率的因素有很多，如沖擊角度、速度、顆粒的濃度和尺寸以及作用時(shí)間等等。在這些因素的單獨(dú)或共同作用下，金屬材料的沖蝕行為機(jī)理也不相同。本章研究304不銹鋼和316不銹鋼在液固兩相射流中的沖蝕磨損行為。主要通過(guò)樣品的失重率、質(zhì)量損失和表面形貌變化來(lái)分析沖擊速度、沖擊角度、兩相流中顆粒濃度和顆粒尺寸等因素對(duì)沖蝕行為的影響。每隔兩小時(shí)記錄材料的質(zhì)量損失，計(jì)算材料的失重率，通過(guò)掃描電鏡SEM觀察沖蝕前后304/316不銹鋼的表面形貌變化和石英砂的顆粒尺寸變化，通過(guò)SEM圖片分析不同沖擊角度下樣品的沖蝕坑洞的寬長(zhǎng)比以及石英砂顆粒的寬長(zhǎng)比，來(lái)分析沖蝕磨損的機(jī)理。31實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析311304/316不銹鋼失重率和表面形貌表征本節(jié)通過(guò)測(cè)量并計(jì)算兩種不銹鋼樣品在不同沖蝕時(shí)間下的失重率。觀察不同沖蝕條件下獲得的SEM圖片，分析了不同沖擊角度對(duì)樣品沖蝕后表面形貌的影響。失重率定義為樣品質(zhì)量損失與原始樣品質(zhì)量之比3100/EM式中，E為失重率；M0為樣品沖擊前的質(zhì)量，G；M為樣品沖蝕后的質(zhì)量，G。另外，沖蝕率也可以表示出樣品失重的嚴(yán)重程度，沖蝕率計(jì)算如公式32320SE式中，E為沖蝕率；M0為樣品質(zhì)量損失，G；MS為固體顆粒消耗量，G。沖蝕率表示樣品質(zhì)量損失和造成該量損失所消耗的固體顆粒質(zhì)量之比，失重率表示的是樣品質(zhì)量損失和樣品初始質(zhì)量之比。兩者都可以表示樣品磨損的嚴(yán)重程度。圖31是316不銹鋼在沖擊速度為1026M/S、不同沖擊角度下，質(zhì)量濃度為05的沙水兩相流體中沖蝕不同時(shí)間的失重率變化趨勢(shì)圖。從圖上可以看出，316不銹鋼在45條件下的失重率是最高的，而且增長(zhǎng)比較快，45到60之間，其失重率下降的很快。90、75和60條件下的失重率相對(duì)比較小且增長(zhǎng)比較慢，尤其是在75沖擊下，失重率最小且增長(zhǎng)最慢。從趨勢(shì)上看，沖蝕結(jié)果比較符合已有的文獻(xiàn)記載3032。材料延展性上升會(huì)影響其失重率，這是因?yàn)榱黧w沖擊角度函數(shù)出現(xiàn)了變化，而后，失重率最大值點(diǎn)將會(huì)向較小的角度移動(dòng)。根據(jù)已有文獻(xiàn)的記載，316不銹鋼的沖蝕率在40到50之間達(dá)到最大33。316不銹鋼在45沖擊作用下失重率是在75下的4倍。這可能是由于不銹鋼的特性所造成的，316不銹鋼有一種微觀特性，即面心立方格子結(jié)構(gòu)，其滑移面角度大約介于40到45之間34。這可能就是導(dǎo)致材料在45左右時(shí)更容易被移除的原因之一。還有一種可能，就是沖擊角在45左右時(shí)，幾乎所有的顆粒都到達(dá)了材料表面，顆粒的回彈和相互碰撞的現(xiàn)象不是非常明顯35、36。90沖擊角下沖擊18個(gè)小時(shí)之后，樣品的質(zhì)量損失趨于平緩，幾乎不再發(fā)生變化。75沖擊下樣品的質(zhì)量損失最小，而且其變化最緩慢。但是沖擊24小時(shí)后，樣品的質(zhì)量損失仍然在增加，沒(méi)有出現(xiàn)失重量幾乎不變的現(xiàn)象。60沖擊下，樣品的質(zhì)量損失介于90和75之間，在沖蝕24小時(shí)后，失重量依然呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能和磨損機(jī)理以及金屬材料的屬性有關(guān)。在90沖擊下，顆粒完全正碰在材料表面，當(dāng)顆粒和壁面呈現(xiàn)一定角度的時(shí)候，顆粒會(huì)對(duì)壁面產(chǎn)生犁削作用，從而產(chǎn)生切向應(yīng)力。不銹鋼的沖蝕作用是由兩部分作用造成的，流體的剪切應(yīng)力和固體顆粒的機(jī)械應(yīng)力。所以切應(yīng)力和正應(yīng)力之間存在一種相互關(guān)系，這種關(guān)系可以影響材料的失重量。在高角度條件下，正應(yīng)力占據(jù)支配地位，隨著角度的降低，切應(yīng)力會(huì)逐漸占據(jù)支配地位。通常來(lái)說(shuō)，犁削作用可能對(duì)樣品的沖蝕磨損產(chǎn)生更大的影響，但在大角度沖擊下犁削作用對(duì)樣品失重的影響比較弱。由于SEM所拍攝的沖擊樣品角度均較大，因此當(dāng)在60沖擊角下，正應(yīng)力明顯減小時(shí)，對(duì)材料表面的沖蝕變?nèi)?，?dǎo)致樣品的質(zhì)量損失減小。然而，只要沖擊角度小于90，就存在一定的犁削作用，液固兩相流中較小的顆粒也能夠造成材料表面的磨損，因此在小于90沖擊時(shí)，需要更長(zhǎng)的時(shí)間樣品的質(zhì)量損失才能逐漸趨緩，并基本保持不變。不同角度下316不銹鋼失重率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖31所示。02468102146182024604608102140618907564/G/H圖31不同角度沖擊下316不銹鋼失重率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)FIG31THECHANGEOFWEIGHTLOSSRATEOF316STAINLESSSTEELATDIFFERENTIMPACTANGLES圖32中各圖是沖蝕過(guò)后316不銹鋼的SEM照片。三張照片中所顯示的樣品沖蝕形貌各不相同。90下沖蝕形貌像是坑洞；75下沖蝕形貌類似劃痕，60下劃痕比75更加明顯。造成不同表面磨損形貌的原因就在于沖蝕角度不同所造成的磨損機(jī)理不同。法向沖擊之后的樣品表面會(huì)產(chǎn)生洞穴式損傷，斜角沖擊之后的樣品表面產(chǎn)生是劃痕。而且從照片看，角度越高，坑洞的密度相對(duì)越小。不同沖擊角下的樣品照片，沖蝕形貌有著很明顯的區(qū)別。沖擊角60及以上時(shí)，樣品表面劃痕很少或沒(méi)有。這就表明了不同的沖擊角度有著不同的磨損機(jī)理。沖蝕機(jī)理包括兩種，剪切沖蝕機(jī)理和塑性形變。沖擊角度高的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生塑性形變，沖擊角度低的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生剪切37。90沖擊后的樣品照片上顯示，這是個(gè)很典型的撞擊坑。這種撞擊坑是石英砂顆粒沖擊表面時(shí)移除部分表面材料所導(dǎo)致的。這種剪切機(jī)理被描述為顆粒把樣品表面打磨成有缺口的形狀，然后讓后來(lái)到達(dá)樣品表面的尖銳顆粒撞擊壁面，將壁面材料移除，形成坑洞38。75沖擊后樣品照片形貌是不太明顯的劃痕。這種痕跡的產(chǎn)生是由于顆粒出現(xiàn)了切向作用力，但是相比于法相作用力還是比較小，所以劃痕并不明顯。60沖擊后的樣品照片中顯示，此時(shí)的樣品劃痕就比較明顯了。高角度下的晶粒被破壞后的形貌，像是被打碎一樣，沖蝕形貌呈現(xiàn)出一個(gè)個(gè)坑洞，但是60下晶粒被破壞后的形貌，則更像是被打磨過(guò)。這是由于此時(shí)顆粒對(duì)樣品壁面的切向作用力進(jìn)一步加大的原因所導(dǎo)致。樣品的失重率只能表示樣品失重的相對(duì)比率，樣品質(zhì)量損失的絕對(duì)值可以直觀的表示樣品表面沖蝕磨損后損失的嚴(yán)重程度。A316不銹鋼90沖擊4小時(shí)SEM照片B316不銹鋼75沖擊4小時(shí)SEM照片326M302M304M186M148M10M86M221MC316不銹鋼60沖擊4小時(shí)SEM照片圖32不同角度下316不銹鋼沖蝕SEM圖片F(xiàn)IG32316STAINLESSSTEEL4HOURS60IMPACTSEMPHOTOGRAPH圖33是316不銹鋼在不同角度下的質(zhì)量損失。從圖35上可以看出樣品的質(zhì)量損失雖然有所起伏，但是總的趨勢(shì)卻是持續(xù)走低，而且隨著時(shí)間的推移，樣品的質(zhì)量損失下降的也比較明顯。其中在沖擊角度為45的情況下，質(zhì)量損失初始值很高，下降的也最快，75的條件下初始質(zhì)量損失最低，變化也相對(duì)不太明顯。這是由于沖擊角不同，顆粒對(duì)樣品表面的破壞機(jī)理也不一樣所導(dǎo)致的。024681021461820246012034056078907564/G/H圖33不同沖擊角度下316不銹鋼質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化FIG33LOSSOFWEIGHTOF316STAINLESSSTEELATDIFFERENTIMPACTANGLES圖34是316不銹鋼在24小時(shí)內(nèi)，不同沖擊角度下質(zhì)量損失的累計(jì)值?？梢钥闯?5條件下質(zhì)量損失最低，45條件下質(zhì)量損失最高，是75下質(zhì)量損失的約4倍，和失重率數(shù)據(jù)基本一致。樣品質(zhì)量損失圖和樣品失重率圖共同說(shuō)明了在沖擊角度為75時(shí)樣品的所受到的沖蝕磨損程度最淺，而45條件下樣品收到的沖蝕磨損最嚴(yán)重?？梢哉f(shuō)明相同條件下，純顆粒正碰作用帶給樣品的傷害要小于犁削作用，兩者在大沖擊角作用下，以正碰為主導(dǎo)，在小沖擊角作用下，以犁削作用為主導(dǎo)。而隨著犁削作用逐步占據(jù)主導(dǎo)，樣品的質(zhì)量損失和失重率越來(lái)越大。00102030405/G45607590圖34不同角度沖擊24H后316不銹鋼質(zhì)量損失FIG34WEIGHTLOSSOF316STAINLESSSTEELATDIFFERENTIMPACTANGLESAFTER24HOURSIMPACT304不銹鋼失重率如圖35所示，從圖35可以看出，304不銹鋼的失重率在沖擊角度60的條件下達(dá)到最大。經(jīng)過(guò)24小時(shí)沖擊后，304不銹鋼在60沖擊角度下的失重率是75下的失重率的6倍。45和60沖擊角條件下，304不銹鋼失重率遠(yuǎn)高于90沖擊角，其中60條件下失重率最高，而且失重率一直在上升，沒(méi)有出現(xiàn)趨緩的跡象。024681021461820246050101502025907564/G/H圖35不同角度下304不銹鋼失重率隨時(shí)間的變化FIG35THECHANGEOFWEIGHTLOSSRATEOF304STAINLESSSTEELATDIFFERENTANGLESWITHTIME圖36是不同角度下304不銹鋼質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。和316不銹鋼一樣，隨著時(shí)間的推移質(zhì)量損失總體上逐漸變小。45沖擊角下質(zhì)量損失變化比較劇烈，90沖擊角下質(zhì)量損失變化平緩。024681021461820246012034056078907564/G/H圖36不同角度下304不銹鋼質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化FIG36CHANGEOFWEIGHTLOSSOF304STAINLESSSTEELATDIFFERENTANGLESWITHTIME圖37中兩幅圖分別是在90和45下316不銹鋼和304不銹鋼失重率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，沖擊角度為45時(shí)，304不銹鋼和316不銹鋼的失重率相差不大。沖擊角度為90時(shí)，316不銹鋼失重率是304不銹鋼的2倍，這是由于沖擊角度不同造成的材料磨損機(jī)理不同所導(dǎo)致的。在45沖擊的條件下，顆粒對(duì)壁面產(chǎn)生了犁削作用；90沖擊的條件下磨損機(jī)理發(fā)生了改變，顆粒對(duì)壁面產(chǎn)生正碰。由于316不銹鋼樣品中鉻元素的含量比304不銹鋼樣品少08的原因，雖然樣品的硬度相同，但是耐磨性能卻有所差別39。耐磨性是指抵抗摩擦作用的能力，影響這種能力的因素有很多，鋼的成分、組織和物理性能如硬度和韌性等40。當(dāng)顆粒和壁面發(fā)生正碰時(shí)，提高材料硬度對(duì)樣品耐磨性的提升不明顯，當(dāng)顆粒和壁面發(fā)生切入式磨損時(shí)，提高材料硬度可以比較明顯的提高材料的耐磨性能41。在45沖擊下304不銹鋼的失重率高于316不銹鋼，是因?yàn)樵趦烧哂捕认嗤臈l件下，316不銹鋼中的鉻含量較高，沖擊韌性提高，耐磨性也隨之提高42；經(jīng)過(guò)24小時(shí)沖擊后，316不銹鋼在45沖擊角度下的失重率比90下的失重率高出8506。0246810214618202460460810214061830416G/HA45沖擊角024681021461820246020406080130416/G/HB90沖擊角圖37相同角度下316/304不銹鋼失重率隨時(shí)間的變化FIG37THEWEIGHTLOSSRATEOF316/304STAINLESSSTEELWITHTIMEUNDERTHESAMEANGLE圖38是顆粒碰撞壁面的示意圖，從圖38可以看出，顆粒和壁面呈現(xiàn)一定角度的條件下，其速度可以分為法向速度和切向速度。當(dāng)顆粒和壁面垂直的時(shí)候，就只有法向速度。當(dāng)速度相同的時(shí)候，垂直沖擊的法向速度就高于斜角沖擊，而斜角沖擊的切向速度要高于垂直沖擊。所以不同沖擊角度下，失重率的不同可能是由于這個(gè)原因所導(dǎo)