窩蝕Cavitationerosion的現(xiàn)象是液體中的氣泡在臨近固體表面破碎時(shí)

1、材料迤P皆（二）何主亮教授褊撰7中食蟲（Erosion）和富食蟲（Caviation）是水力ft械最主要t!害原因之一，在具有流I!流S&之 管路或械如渦輸蕖片、邦浦內(nèi)部、汽缸內(nèi)壁、管路接或角慮等，房期承受高速流H 之沖拳，且畤而帶有砂?；旌献饔孟?，非常容易造成管路或械H之油做揖害，使其工作畤限 或逋作效率降低。除了液中擎之外，固粒的街擎封材料表面造成磨揖的情況更懸殿重， 譬如空氟中砂廛封來行器渦輸?shù)渎菪∑钠迫?。因此藉由材料的沖就我伸號(hào)可以了解 材料械械特性典其沖食蟲行懸的信割系，有助於逗用之逾常材料逋用於沖食蟲琪境，減少工件失效 所厚致的揖失典危陂。一、U瞬目的：本K瞬的目的在於了解金H

2、材料的周USB粒7中擎（Solid impingment）典富食蟲 （Cavitation erosion中食蟲行比敕金H材料檄械性til化封其7中食蟲行懸的影U。二、mrtH#典使用材料：蕖品典材料：1 .石英砂2 .未熟慮理典淬火硬化至 HRC45彳爰的S45C碳金同平板就片（2 cm ）2.5 cm 0.2 cm）雨黜， 各五片。3 .未熟慮理典淬火硬化至HRC45彳爰的S45C碳螺幺系就片雨黜4 . 1000 ml 燎杯一（01.本所探用沖食蟲就后劍就片座之示意圄如圄1所示。倭器可段定之參數(shù)如下：片可調(diào)整沖擎角度090 （片典沖擎介II直方向之夾角，如圄 2所示，L懸沖 擎距離隹，中擎

3、角度），7中擎距離隹550mm,噴嘴（nozzle）口彳至：4mm如BI 3所示。砂救裝填慮沖融介送管 1沖食噓耨闌SIS片座及砂粒帶勤籃示意HImpact angle /Sand inside 2沖擎介II行迤方向典片夾角信在彳系之示意圄 3沖擎介1W俞送管路示意圄2.本所探用沖食噓耨闌S示意Bl如H 4所示 4本所使用之窗食蟲|SirtS三、mt方法1 .固im粒沖就片探用S45C碳材H, 一黜未余區(qū)任何熟慮理，一黜即舔區(qū)謾淬火硬化至表面硬 度HRC45。片外型加工成平板狀，平板SE度 20mm,迤行沖食蟲油瞬畤，爽聚在片 槽上，以防止副S如fi行畤的振勤造成就片髭勤或脫落。平板以金相法拋

4、光至面，以 便消除表面粗度封沖食蟲的影簪。固粒沖使用之參數(shù)如表1所示，所有參數(shù)固定，只改建街擎角度，以（察街擎角度封重量揖失的建化。Chevallier等人曾指出沖擎距離健寸沖食蟲速率亦有一定的影簪，若於相同沖食蟲僚件 下，沖擎靶材於不同沖擎距離隹下，其所承受之沖擎能量亦隨之建化，故沖食蟲速率亦有 所差H。而沖擎距離隹（L）封靶材施予的能量大小典噴嘴出口 口彳至（d）有信機(jī) 具信割系如下： 1.1T0L6.2d畤，靶材所承受之沖擎力典沖擎系統(tǒng)所提供的能量一致。2 .常6.2dL8d畤，懸沖擎能量減弱之樽換KIW。3材料迤P皆(二)3 .常8dL100d畤，靶材所承受之沖擎力懸 00而本噴嘴出口

5、口彳至懸 4mm,如H 3所示，IS定之沖擎距離隹 15mm,若以上 述明換算沖擎距離隹典靶材除承受沖擎能量之信舒系，可碓定本靶材所承受之能 量懸沖擎系統(tǒng)所提供之全部能量，故可符沖拳距離隹視懸控制建數(shù)，其不影簪沖擎系統(tǒng) 封靶材所提供之沖擎能量建化。表1本所使用之沖食蟲僚件使用 1m固醴撞拳沖食蟲沖擎流速(m/s)1507中擎角度(degree)15、30、45、60、75、907中擎距離隹(mm)157中擎介H石英砂粒砂流里(g/min)2 d0.5砂粒(石英砂)粒彳型(n m)50707中擎畤IW (min)152.富噓耨翕就片探用S45C碳材一黜未余區(qū)任何熟慮理，一黜即舔區(qū)謾淬火硬化至表面

6、硬度 HRC45。就片外型加工成螺狀，螺gOg直彳至12.62mm,螺牙的部份在富噓耨如寺，B箱在振謾!g (Horn)的母牙慮，以防止制!如fi行畤的超音波振勤造成就片髭勤或脫落。螺面以砂紙研磨，或用氧化金目粉拋光至面，以便消除表面粗度封窗蟲的影簪。舍蟲油瞬在自來水中迤行，超音波生器規(guī)格懸率20 kHz、振幅湖整在50 Nm。行分懸0-15分金童、15-30分金童、30-45分金童、45-60分金童四他IP皆段，畤IW 60 分金童，片每隔15分金童即取下以18子式天平量測(cè)重量揖失。表 2修件。表2篇食蟲所使用的僚件振幅(Nm)50率(kHz)20畤 IW (min)0、15、30、45、6

7、0富做猿境(900 ml)自來水四、原理固(粒畫擎行懸沖食蟲封材料所造成之揖害，多半懸砂粒沖擎所致，其沖擎行懸如圄5所示，曾在材料表面造成弧狀凹痕(crater)之形!18。而影簪材料沖做速率之因素，褚如：沖擎砂粒之形 熊、尺寸、速度、流量及受沖擎材料本身之性II等，以下符一一SA述。材料的沖食蟲械橫，可SS納懸延性沖食蟲及脆性沖食蟲雨槿模式，一般而言，若沖做砂粒 是以微切削(micro-cutting)、IS挖(scratching滸塑性建形的方式迤行材料的消耗，是懸延 性沖食蟲；一般金JB工渠材料的沖食蟲多懸此槿型式。若耗揖是由撞擎鷹力引起的微裂觸 (micro-crack), 或伴隨裂觸

8、的延伸謾程所造成，JWJB於脆性沖食蟲，陶瓷、碳化物、氧化 物等硬脆材料的沖食蟲通常JB此。延性沖食蟲最早由孥者Finnie提出，他指出多角狀砂粒高速彳薊擎材料表面畤，砂 粒之突出角刃曾以圄6(a)所示刀具切削之方式，造成材料的沖食蟲揖耗，17中做強(qiáng)度典街 擎角度、砂H、砂形及靶材性彳系密切。在低角度(45度)下，此槿沖食蟲械情亦可能彝生在伸房率僮12%的低延性材料。常街擎角度建大畤，作用在材料表面的鷹力型熊，曾由低街擎角度之斜向剪切鷹力 懸主的模式逐漸樽建成反覆作用的正向屋鷹力，此畤沖食蟲不再藉罩一的械情彝生，而是 以局部塑性建形的方式，31生所滑的堤形磨耗(deformation wear

9、)。Bellman曾以金同珠封金日II靶材迤行覃擎7中食蟲就(single impact test),以覲察延性材料的堤形磨耗謾程，結(jié)果 臃W!出州中(extrusion)奧鍛H (forging)是ft形磨耗主要榭t ；常高速砂粒以某斜角度 街擎材料表面畤，若街擎黑占所承受的鷹力超謾材料的降伏強(qiáng)度，符迫使街擎黑占四周彝生 塑性堤形，形成弧狀凹痕(crater),凹痕出琨因作用而形成突起的屑片(chips), M 6(c)、懸此一之示意Bl,此屑片受到彳1Hs砂粒不IB地撞擎，或因硬化5材料迤P皆(二)沖蟲而脆斷或被砂粒直接切除，造成材料的耗揖。故延性材料受砂粒沖食蟲之主要行懸模式懸 切削典塑

10、性燮形的交互作用。 5周粒沖擎材料表面示意H 6數(shù)槿常見之砂粒沖擎型熊微切削(b)表面裂微：伸和鍛屋(d)微裂微：(e)疲勞屑片 伸突起屑片逋撞拳下，材料表唇因金JB疲勞而出琪薄板狀屑片(thin platelets)是造成材料沖食蟲的另一械橫，MBI 6(e),造槿械橫在球狀砂粒及高角度沖食蟲下最明或典材料性U有 敕大修日建：一般而言，費(fèi)差能(stacking fault energy)高的延性材料，在砂粒撞擎下，表唇 差排密度增加快速，且彝生加工硬化的效果，使其建得硬脆，加速疲勞裂觸及屑片的形 成，提高斷裂錄隔隹的速率。脆性沖食蟲一般彝生在硬度敕高的脆性材料，衡擎砂粒的硬度可能相封低於靶材

11、。 在此情況下，材料的沖食蟲不再以切削或大量塑性燮形的方式迤行，而是砂粒高速撞拳靶 材表面畤，因能量樽移而形成高彳薊擎鷹力埸，使硬脆靶材在彳薊擎黑占附近形成微裂微:，如 6(b)所示。即使在撞拳能量敕低畤，受逋性之彳薊擎，也一檬曾在材料表面或次表面 形成疲勞裂微:，如H 6(d),造雨槿裂微:的模式懸脆性沖食蟲之主要械橫。上述裂觸在重褪鷹力作用下，向四方延伸或彼此交最彳爰醇致材料的錄陶隹。至 於脆性沖食蟲量的大小，目前尚未建立有效可靠的言十算模式，但利用彈性碰撞理謫可厚得 撞拳黑占四周的力分怖情況，式(1)懸脆性材料在90度角彳薊擎下，沿著接斶面彳至向引彝 的鷹力言十算式：1 _ .12 i

12、_ .12ar =0.187(1-2k2 Jp1/5V1/5(L_J_ + L_Z2)/5 (1)EiE2其中r懸彳至向J8力，p、V、n 1、E1分別懸砂粒之密度、速度、帕松比(poissons ratio)、彈性模數(shù)(elastic modulus);仙2、E2刖懸靶材之帕松比及彈性模數(shù)。由式(1)雖隹瓢法得知材料的沖食蟲速率，但它St示封於脆性材料的沖食蟲速率，材料彈性模 數(shù)提供負(fù)向作用(negative effect),帕松比刖提供一正向作用(positive effect),此結(jié)果典K精果吻合，因懸高彳薊擎角度下，沖觸速率隨材料硬度增加，有逐漸增高的趣勢(shì)。 影簪材料沖食蟲速率的因素非

13、常多且褪親隹，If除情況下，沖食蟲速率決定於各因素之粽合效 B, 一般可符適些因素SS納懸三大JB：(1)彳薊擎型式:如沖擎角度、沖擎速度。(2)砂粒性it：包括形狀、大小、密度及濾度。(3)靶材性U：材料18微結(jié)橫、硬度、延勒性、加工硬化性、殘留J8力、表面狀況等。在有文獻(xiàn)中，封各IKS因素典沖食蟲速率的信割系已有了定性或定量上的結(jié)謫，瞭 解適些信制彳系有助於掌握正碓的逐材方向，jtiS言十更有效率的抗沖食蟲系統(tǒng)，密就其中 重要因素封沖食蟲的影簪概述如下：(1)沖拳角度沖擎角度封沖做速率的影簪曾因靶材性U不同而有K著的差H, 716示在不同沖擎角度下，碳金解 硬化金解 陶瓷、聚合物四槿性II

14、迥累的材料沖食蟲速率受沖擎角度之影 簪情形。其中延性材料如碳金時(shí)在沖擎角懸30度畤有最大沖觸速率，因懸延性材料在低角度高速度彳薊擎下，有利於切削或伸等延性沖食蟲械情的迤行；而脆性材料如陶瓷， 因是藉撞拳鷹力引彝微裂觸懸其耗揖械橫，故最大沖食蟲速率彝生在具有最大沖擎能畤，7材料迤P皆（二）即常沖擎角度懸90度畤之情況下，而在低角度沖H畤，材料耗揖量甚低。至於彈性模 數(shù)敕低的聚合物JW出琪典脆性材料完全相反的結(jié)果，於 90度沖擎下襄乎不彝生揖耗。(2)沖擎速度不謫延性材料或脆性材料，砂粒沖擎速度的提高均曾使沖食蟲量增加，一般雨 者存在著以下的信割系式：& =KVn其中沖食蟲速率，V:沖擎速度，K:

15、常數(shù)，n值刖典材料性II有信機(jī) 在延性材料中 ： n介於22.5;而脆性材料封沖擎速度敕懸敏感，n值可高連6,圄8 明此一垣象。(3)砂粒大小一般情況下，靶材之沖做速率典砂粒大小成正比系，但常砂粒大於某一陶界粒彳至 畤，K慳寸沖食蟲影簪不大，Ruff等人曾金性寸延性材料做系列研究，樊琪此一陶界值余勺懸 120130仙m。止匕外，不同砂粒粒彳至下的7中食蟲，11r改建脆性材料的7中食蟲Wf,例如以敕 大粒彳至(120150 mesh砂粒沖擎玻璃或全硬化金解寺，1r出琪脆性沖食蟲型熊，但以敕小 粒彳至(1000 mesh以上)砂粒沖擎畤，JW耗揖型熊樽建成延性沖食蟲。由此攫得的另一結(jié)謫： 脆性材料

16、沖食蟲速率封砂粒大小的敏感度速高於延性材料。(4)砂粒形狀砂粒形狀封沖食蟲的影簪典沖拳角度有信機(jī)在相同粒彳至、II量、速度的情況下，球狀 K粒在90度高角度下的沖做強(qiáng)度敕不祝刖多角形!(粒懸大，同檬的，多角形K粒在低 角度下的沖食期金度JW敕懸明Sh適槿琪象往往封沖食蟲結(jié)果有很大的影簪，以圄 9懸例, 碳化物含量敕多的白口ftWS,雖隹然硬度敕高，其封球狀砂粒的抗沖食蟲性反弱於碳化物含 量敕低的白口ftWS,但面封多角狀砂粒沖做畤，JW出琪完全相反的結(jié)果。9nHQKTE 7不同材II下，沖擎角度封沖食蟲速率之影簪a ：碳金毗B：硬化金毗T ：陶瓷，6：聚合物araR nBCLLUBrittle

17、 CeramicsDuctile MetalsImpact Velocity 8延性材料典脆性材料之沖食蟲速率典沖擎速度的信割系g m3 9砂粒形憩封不同含碳量(9.5vol.%及31.2vol.%)白口好中食蟲之影簪,上I懸彳薊擎角30下H懸彳薊擎角90(5)砂粒硬度Richardson曾封砂粒硬度封沖食蟲速率的影簪做成下列結(jié)謫：常砂粒硬度超謾被沖食蟲 靶材之表面硬度畤，砂粒硬度建化封靶材沖做速率的影簪不大，僮常砂粒硬度低於表面 硬度或某一硬脆相之硬度畤，砂粒硬度封7中做速率的影簪才敕16著。另外，硬度敕低的 砂粒，因在高速?zèng)_擎畤具有高勤能，所以封硬II靶材一檬曾造成殿重的油做揖耗。母蟲富蟲

18、(Cavitation erosion)的垣象是液I1中的氟泡在陶近固I1表面破碎畤造成材料逐 漸流失的謾程。在液醴屋力建化質(zhì)烈或液流累稹援勤的狀熊下，醇致液H內(nèi)部分屋力低 於液醴蒸氟屋畤，液H曾蒸彝形成氟泡，氟泡再因懸液H屋力驟增而瞬向內(nèi)陷縮 破裂(Collapse),陷縮謾程生彳薊擎波(Shock wave),封材料造成第一波的攻擎，接著原 本在氟泡周凰的液醴向內(nèi)奔馳，形成微噴射液流(Micro liquid jet)彳#在附近的材料 表面，此彳薊擎鷹力高連數(shù)百到1000 MPa,液流速度亦可連到100-400 m/s,足以造成材 料表面生破裂或是塑性堤形。而固醴表面有微缺陷存在畤，更是容

19、易生液流累稹援 勤之虞，遇而彳復(fù)始，破壤逐SfiS大。材料迤P皆（二）直接破壤21一 10 械作用力下的富食蟲揖害示意BI富蟲揖害常彝生在淌輸蕖片、輸船螺旋槃、K浦蕖片、超音波振謾元件、及其它 高速流醴流謾的表面和屋力建化趣大的表面如管路 。常液醴的屋力突然下降JW在常溫就 曾有沸J的垣象。假段有一中空圄柱裝滿水，柱1B由一聚密活塞屋著。?；钊蝗簧蠒N 畤，水立刻蒸彝生氟泡。再活塞JK1,水的屋力建大，氟泡又立刻被滋。抽水K浦 或螺旋槃蕖片就是高速重覆造槿勤作的元件。如果械械元件所面陶的液H琪境沒有腐食蟲性，JW械械元件的流失速率典流醴力孥的 各定率有信機(jī) 亦即典液醴的黏滯性、流速、蒸氟屋等有

20、信乳 液H溫度是一他重要的參 數(shù)，大多數(shù)材料的揖失速率自液醴凝固黑占起隨液H溫度增加而增加，謾了凝固黑占典沸黑占 中溫度彳爰，揖失速率K始下降，如圄 11所示，道此乃在低溫畤，液醴黏滯性典表面 張力敕高，接著隨液H溫度上升，黏滯度典表面5M力下降，或促使液醴蒸彝形成氟泡。 常溫度接近沸黑占畤，JW因懸熟勤力孥的信割系使富食蟲減少。在高溫下，氟泡形成畤，周凰 液11釋出潸熟，醇致氟泡內(nèi)氟屋下降，造成氟泡的大被延而氟醴溶解量亦隨液H 溫度增加而提高，使氟泡堤多或昇高液H封某些材料的腐食蟲性。如果液H琪境懸腐食蟲 性，JW械械元件曾同畤承受械械力和化孥或ft化孥腐食蟲反鷹的作用。1HS械元件不具耐 食蟲的特性畤，在械械典化孥曼重的破壤作用下，械械元件的II量流失速率很可能數(shù)倍於 械械元件在非腐食蟲性液醴的流失速率。大部份富蟲作用的琪境皆懸道槿情形。ii材料迤P皆（二）nHQXttTemperature 11篇做速率典液H溫度系常琪境