综述性报告Word文档下载推荐.docx
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Table1Chemicalcompositionof6061（wt%）
名称
Cu
Si
Fe
Mn
Mg
Zn
Cr
Ti
Pb
Bi
Al
6061
0.15-0.4
0.4-0.8
0.7
0.15
0.8-1.2
0.25
0.04-0.35
0.15
/
余量
2空蚀现象简介
2.1空蚀的定义及领域
空蚀（Cavitation）是指由于液体内部压力的起伏引起液体蒸汽以及溶于液体中的气体的形核、生长及溃灭的空化过程所造成的损害,又称为汽（气）蚀[2]。
在空化所有的作用中空蚀是最引人关注的。
从十九世纪后期在螺旋桨叶片上发现空蚀现象以来,空蚀的理论及内涵已经有了很大的发展。
随着科技的进步,涉及空蚀的领域也越来越多,例如化工、发电、原子能、宇航甚至生物学和医学等,空蚀成为这些领域遇到的难题之一[3]。
为解决这一难题，人们曾开展大量的研究工作，试图寻找合适的解决办法，除优化过流部件的结构外，设计和开发适合的抗空蚀金属材料是另一条重要的解决空蚀的方法[4]。
2.2空蚀的基本原理
空泡形成需从几个物理现象来解释。
第一个是沸点与压强的关系：
水的沸点随压强的降低而降低。
我们知道烧开水时，水在标准大气压下（1个大气压相当于101325Pa），温度达到100℃。
水就会沸腾，但是如果在海拔6000多米的高原，水温只要到达80℃左右就可以沸腾了。
在压强达到198490Pa时，即约不到两个大气压时，水到120℃才开，这个压强差不多是普通高压锅的压强。
这是由于空气气压不同导致其沸点不同，气压越大沸点越高，．气压越小沸点越低。
同样深压在海底的水它的沸点也会随着其周围的压强变化而变化。
不同温度下，水沸腾的压强是不同的，这个压强称为饱和蒸气压，也称蒸气压。
根据Goff-Grattch饱和水汽压公式计算出的水在不同温度之下的饱和蒸气压，如表l所示。
由下表可知，在压强为2338．1Pa时，
水在20℃就沸腾了，这是常温下的沸腾现象。
表1不同温度下的饱和蒸气压
温度/℃
20
40
60
80
100
120
蒸汽压/pa
600.66
2338.1
7381.2
14934
47377
101325
198490
第二是是压强与流速的关系：
液体的压强随着液体的流速增大而减小。
根据伯努利原理，流体中流速大的地方压强小，这个理论我们在日常生活中就可以见到，我们在倒啤酒的时候，如果用直冲的方式倒，就会产生很多泡沫，如果啤酒沿着倾斜的杯壁缓慢倒人，产生的气泡就会很少。
这是因为直冲的啤酒产生较大的动量，杯中的啤酒速度差加大，易产生流速，使杯中的液体压强减少，溶解在液体中的气体得到释放产生气泡，而斜入式产生的流速小压强变化小，所以产生的气泡少。
解释了以上的原理，我们对空泡产生的条件有了一定的认识。
高速行驶的船舶在航行过程中，由于船体对水的作用，提高水的流速，加之船体迅速离开后海水还来不及填补，导致该区域的压力骤减，由于压力的降低，该区域的海水形成蒸汽气泡，导致该区域的海水出现沸腾现象，形成空泡。
同样，高速旋转的螺旋桨也加速船尾的水体流速，加之大体积的螺旋桨的高速如此周而复始，螺旋桨在旋转的时候带动周围的液体高速流动，由于大量的液体是从正面甩出去了，周围的液体来不及补充进来。
所以在螺旋桨的背面就形成一定的真空，这时液体发生沸腾并伴有空气从水中溢出来，在背面形成空泡。
由于以上因素的影响，船体和螺旋桨区域形成了大量的空泡。
空泡在低压区形成后，随着流动流到高压区的船舵部位，在那里压力增高，空泡无法存在，伴随着水流到达舵叶表面的空泡开始闭合破灭。
如此周而复始，大量空泡伴随水流不断轰击舵叶，给舵叶造成气蚀伤害。
由于空蚀涉及流动动力学条件、机械冲击、过流部件材料种类与成分以及材料表面与液体的电化学交互作用等诸多方面，其损伤机理相当复杂，对于不同的材料、不同的实验条件，往往得到不同的结论。
存在以下几种空蚀损伤机理。
（1）冲击波机制[2]
液体内局部压力的起伏而引起蒸汽泡的形核、生长及溃灭的过程会导致空蚀的产生。
当液体内的静压力突然下降到低于同一温度下液体的蒸汽压时，在液体内就会形成大量的空泡，而空泡群进入较高压力的位置时，空泡就会溃灭，空泡的溃灭使气泡内所储存的势能转变成较小体积内流体的动能，使流体内形成流体冲击波。
这种冲击波传递给流体中的金属构件时，会使构件表面产生应力脉冲和脉冲式的局部塑性变形。
流体冲击波的反复作用使金属材料表面出现空蚀坑。
（2）微射流机制[5]
由于液体中压力的降低而产生了大量的空泡，空泡在金属材料边壁附近或与边壁接触的情况下，由于空泡上下壁角边界的不对称性，故在溃灭时，空泡的上下壁面的溃灭速度是不同的。
远离壁面的空泡壁将较早地破灭，而最靠近材料表面的空泡壁将较迟地破裂，于是形成向壁的微射流,其速度可达100～400m/s。
此微射流在极短的时间内就完成对金属表面的定向冲击，所产生的应力相当于水锤作用。
（3）热效应机制
气泡溃灭时产生很高的温度，这一高温作用到过流部件表面，使材料表层发生相变或产生其他现象，影响空蚀过程。
磨蚀过程中空蚀区出现大量金属球状物的事实支持现行的热作用理论，气泡溃灭时产生的温度，在过流部件表面达到材料熔点，使其熔化，在表面张力作用下凝固成球状物，在空蚀坑内涡旋水流的推动下旋转研磨成光滑球体。
空蚀试验时常常见到发光现象，是溃灭气泡中的水蒸汽或其他气体达到高温所致。
（4）电化学机制
空蚀过程中，由于局部高温在金属中形成热电偶，形成微电池，引起金属的电化学腐蚀。
采用电火花放电装置产生气泡，采用电化学技术检测气泡溃灭作用于金属表面引起的电极电位变化表明，空蚀过程中，金属表面存在着空蚀区和非空蚀区的电偶作用，形成电化学电偶电池，加强汽泡溃灭对金属局部的力学破坏作用。
由于气泡溃灭所形成的剧烈的力学作用使得合金的局部表面产生塑性变形，甚至表面膜受损，露出新鲜无膜的金属表面，在金属表面形成腐蚀电偶作用，同时，腐蚀点的形成造成局部应力集中，加强气泡溃灭对金属局部的力学破坏作用。
（5）其他观点
在大量涉及到空蚀作用下材料损伤特性的文献中，关于空蚀的损伤机理众说纷纭，莫衷一是，有时甚至相互矛盾。
在研究和对比不同材料的空蚀机理时，应特别关注实验所采用的方法，因为对不同的空蚀实验方法得到的空蚀损伤机理往往并不相同，空蚀实验尤其是超声振动实验与实际流体中产生的空蚀条件存在较大差距[7]。
2.3空蚀的发生过程
大家普遍认同是根据累积空蚀失重-空蚀时间曲线可以把空蚀过程大致分为以下四个阶段[10]。
对于不同的材料，气蚀各个时期的长短是不同的，就是同一种材料，采用相同的加工方法，若采用不同的实验方法，得到的结果也不尽相同，可以预见，延长材料的孕育期，就可提高材料的抗气蚀寿命，因此如何延长材料的气蚀孕育期，一直是气蚀研究的重点内容[6]。
（1）气蚀的起始阶段，即孕育期（Incubationperiod）：
在此阶段，材料没有损失或损失很少，表面产生了少量的塑性变形。
在大多数气蚀条件下均可以观察到这一阶段。
孕育期的长短依赖于材料的性能和气蚀的强度。
（2）气蚀上升期（Accumulationperiod）：
在这一阶段，随着气蚀暴露时问的延长，材料失重迅速增加，即在孕育期之后材料开始吸收越来越多的冲击能量，导致表面加工硬化和冲击加强，使得材料失重率迅速增加，这一时期主要受材料的加工硬化机制控制。
在这一阶段，气蚀坑遍布整个表面。
（3）稳定期（Stationaryperiod）：
即气蚀率恒定期，可观察到气蚀率保持一个恒定的值，这一时期与与材料表面的均匀冲击加工硬化有关，气蚀率达到最大值，导致曲线上出现峰值。
对于不同的材料，这一时期有长有短。
（4）下降期（Attenuationperiod）：
在稳定期之后，气蚀率开始下降。
在下降期，气蚀速率迅速下降或出现波动，气蚀率的降低与靠近粗糙表面的汽泡溃灭压力的减小、气体进入充满流体的蚀坑造成的缓冲作用及气蚀区气体在液体中的扩散有关。
这一时期的初始特征是在测试材料表面形成了孤立的深坑。
2.4空蚀试验方法和空蚀程度表示方法
常用的研究空蚀的试验方法有以下几种[7]：
（1）文丘利管空蚀它是利用文丘利管的喉部收缩，增大流速，产生空化，从而对物体表面产生空蚀破坏。
（2）磁激振荡空蚀利用纵向共振镍管的磁激振荡或高频压电晶体产生高频微幅振荡来产生空化，对试件产生空蚀。
（3）超声波振动空蚀将超声波的压力脉冲作影响金属材料空蚀的主要因素及影响规律用于水体，产生振动，引起局部压力降低而产生空化使试件发生空蚀破坏。
（4）旋转圆盘空蚀利用在厚度方向上开有分布小孔或附有突体的转盘在液体中高速旋转,在小孔或突体后部产生尾流空化,对嵌于盘面的试件产生空蚀破坏。
除上述几种常见的空蚀试验方法之外,还有高速射流冲击试验、水滴冲击试验、往复式活塞型空蚀试验等。
空蚀程度衡量方法主要有以下几种[8]:
（a）失质法用试验材料在试验前后的质量损失率来衡量。
（b）失体法用试验材料在试验前后的体积损失率来衡量。
（c）面积法用受空蚀失去的涂层面积与总涂层面积的比值来衡量。
（d）深度法用试验材料表面受空蚀破坏的深度来衡量.
（e）蚀坑法用空蚀后单位时间单位面积的麻点数（即空蚀麻点率）来衡量。
（f）时间法用单位面积失去单位质量所需的时间来衡量。
（g）同位素法在试件上涂上放射性同位素保护层,通过测定空蚀后水中放射性的大小来衡量。
上述各种方法中,以失质法应用最普遍,国内外许多重要成果及规律都是基于该法得到的.
2.5空蚀研究的进展
由于空蚀问题比较复杂,空蚀程度的影响因素较多,目前还没有一个比较成熟的定论,现仅将有关研究结果进行总结。
（1）水质的影响
由于天然水中含有大量的微粒和未溶解的微气泡，极易构成细小的水气相间的分界面,这就为空化提供了前提条件，所以汛期的水流、挟沙的水流和钻井泥浆较清水更易于空化。
（2）液体物性的影响
液体物性影响分为四个方面。
饱和蒸汽压强的影响：
在水、苯等4种液体中,用铝试件所做的空蚀试验表明,当蒸汽压强相同时,空蚀量几乎相同；
表面张力的影响：
表面张力将加速空泡的压缩过程,当空泡溃灭时,液体的表面张力愈大,空泡溃灭的压强也愈大,相应地其所造成的壁面材料的空蚀破坏也愈严重；
液体粘性的影响：
液体粘性对空泡的溃灭速度有明显的减慢作用,粘性愈大,空泡溃灭过程愈缓慢,溃灭压强也愈小,因而试件的空蚀破坏也变轻；
液体密度及压缩性的影响：
当液体密度增加、压缩性减小时,试件的空蚀破坏有加重的趋势。
试验得出,空蚀破坏量与液体中的音速和密度的乘积间存在指数关系。
对钻井泥浆之类的液体而言,表面张力影响不大，粘滞度对空蚀过程没有实质
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