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?脆性陶瓷噴嘴材料的沖蝕理論

   對脆性陶瓷噴嘴材料沖蝕磨損機理的研究，一般是將彈塑性力學應用到沖蝕破壞過程中，利用顆粒沖擊材料表面后在彈塑性損傷區(qū)產生的殘余應力的變化過程來分析各種裂紋的形成和擴展。沖蝕顆粒作用于脆性陶瓷噴嘴材料，在被沖蝕表面形成壓痕，壓痕周圍產生一定的塑性區(qū)。由于碰撞過程受環(huán)境以及顆粒和壁面材料等因素的影響，進行精1確的理論計算相當困難，且目前尚無這方面的詳細實驗數(shù)據。隨沖擊能量的增大，塑性區(qū)尺寸也將增大，當達到定值時，首先在應力集中1大的塑性區(qū)底部形成圖所示的中央徑向裂紋，隨著沖擊能量的逐漸增大，徑向裂紋逐漸擴展。

壓痕應力場可以分解為彈性應力場和殘余應力場兩部分，彈性應力場隨硬質點載荷的去除而去除，而殘余應力場是由壓痕塑性區(qū)與其周圍的彈性區(qū)不匹配所造成的。在殘余應力場的作用下，質點載荷的去除過程中在壓痕周圍形成輻射狀的橫向裂紋。碳化硅噴嘴是一種新陶瓷材料，具有耐高溫（1380℃）、抗1氧1化、高強度、耐極冷極熱、抗熱震性好、高溫變小、熱傳導性好、耐磨、耐腐蝕等特點。卸載過程中產生橫向裂紋主要是因為原來的壓應力場轉換為張應力場，形成橫向裂紋是材料表面碎裂和導致脆性材料沖蝕發(fā)生的主要原因。

?圓柱形直孔陶瓷噴嘴應力分析

（1）網格劃分

圓柱形直孔陶瓷噴嘴的網格劃分示意圖，將噴嘴沿軸線縱剖，在噴嘴網格劃分壁厚與長度所形成的矩形中(6mm×30mm)劃分6 ×15的網格。

(2)邊界條件

采用尺寸為中20mm×中8mm×30mm的噴嘴，60 目SiC磨料。B4C/(W,TiC)陶瓷噴嘴材料的彈性模量E=410GPa， 泊松比vt=0.2;SiC 磨料的彈性模量ED=475GPa，泊松比vp=0.142，密度為3.150g/cm3；噴嘴的兩個端面添加約束；在噴嘴入口端面施加均布壓力載荷， 內孔施加坡度壓力載荷。載荷的大小按速度的不同由式(5-3) 計算。圓柱形直孔噴嘴邊界條件施加，X軸表示噴嘴軸線所在的位置，三角符號表示約束，施加載荷和約束的長方形表示噴嘴縱剖截面。對各種材料的噴嘴宏觀特征研究發(fā)現(xiàn)，從噴嘴入口端面至噴砂嘴長度約1/3處，沖蝕磨損嚴重,而中間部分磨損較輕，出口處的磨損較中間區(qū)域又有所增加。

?陶瓷噴嘴沖蝕過程中應力的有限元分析

     陶瓷材料的沖蝕磨損機理一直是許多學者研究的課題。材料的破壞，歸根結底取決于其所受的應力狀態(tài)。為研究陶瓷噴嘴的沖蝕磨損機理，對噴嘴在磨料顆粒沖蝕作用下的應力狀態(tài)進行有限元分析。

     要建立有限元分析模型，首先要確定合適的單元類型。依據陶瓷噴嘴在工作時的受力狀態(tài),為了獲得比較高的計算精度,本研究采用三維實體單元進行離散分網。選擇對的噴嘴不僅可以提高工作的效率，還能夠帶來更多時間、經濟的節(jié)省。將實體模型離散成若干個形狀簡單的單元 , 然后進行應力分析，利用平衡條件和連續(xù)條件，后將各個單元拼裝成整體結構。

?各種材料的噴嘴沖蝕磨損的比較總結

    采用不同粒度的白剛玉、棕剛玉和SiC磨料對B4C陶瓷、B4C/(W,Ti)C陶瓷、Al2O3/(W,Ti)C陶瓷、YG8和YT15硬質合金、45#淬火鋼和鑄鐵  (HT15-33)等不同材料的噴嘴進行系統(tǒng)的沖蝕磨損試驗,結果表明，噴嘴的抗沖蝕磨損的能力由強到弱的順序依次是：B4C陶瓷、B4C/(W,Ti)C 陶瓷、Al2O3/(W,Ti)C陶瓷、YG8和YT15硬質合金、鑄鐵(HT1533)、45#淬火鋼。磨料的沖蝕能力由強到弱順序為SiC、白剛玉和棕剛玉，這說明磨料硬度對沖蝕磨損率起著重要作用。對各種材料的噴嘴宏觀特征研究發(fā)現(xiàn)，從噴嘴入口端面至噴砂嘴長度約1/3處，沖蝕磨損嚴重,而中間部分磨損較輕，出口處的磨損較中間區(qū)域又有所增加。依據前述噴砂工作原理，陶瓷噴嘴在工作過程中，磨料顆粒對其入口端面和內壁都具有沖蝕作用。噴嘴入口和出口磨損表面的形狀存在很大的差異。磨料在進入噴嘴前與氣流的混合不均勻是造成入口磨損表面形狀不規(guī)則的主要原因。