ДОСЛІДЖЕННЯ Вплив
ультразвуку на корозійно-механічне зношування
Як показали дослідження [1], вплив ультразвуку на корозійно-механічне зношування, що представляє собою корозійне руйнування
поверхні металу при одночасному накладення механічних впливів (питомого навантаження і швидкості ковзання), складається з цілого ряду чинників.
Ультразвукові коливання в силу своїх специфічних особливостей можуть істотно впливати на швидкість дифузійних
процесів, а також на структуру пасивуючих шарів, що перешкоджають руйнування металу. У більшості робіт спостерігалася інтенсифікація дифузійних процесів у залозі під дією ультразвуку великої потужності [2].
Характер впливу ультразвуку і причини прискорення дифузії під його впливом ще не пояснені. Автори
роботи [3] пов'язують вплив ультразвуку на структуру пасивуючих шарів з порушенням суцільності плівки в слідстві впливу на поверхню пасивного металу утворюються в розчині кавітаційних порожнин. У науковій літературі мало уваги приділялося експериментальних розробок щодо з'ясування впливу ультразвуку на корозійно-механічне руйнування сталей.
У даній роботі проводиться аналіз впливу механічного навантаження та акустичної емісії на швидкість корозійно-механічного руйнування стали у водному розчині сірчаної кислоти. Взаємний вплив різних чинників на мікрорівні ускладнює вивчення корозійно-механічних процесів. Одним з методів, що використовуються в терті і знос, є розгляд впливу окремих факторів на швидкість сумарного
процесу.
У наших експериментах застосовувалася сталевий дріт (сталь У8А). Спочатку, для зняття поверхневих напруг і дефектів, що виникають при витяжці, дріт відпалювали у вакуумі (10
-3 торр) при температурі 760
О С протягом двох годин, потім охолоджували її до кімнатної температури. Безпосередньо перед зануренням в реактор дріт витримували протягом 5-10 сек в концентрованої азотної кислоти і промивали дистильованою водою. В якості водного
електроліту використовувалася
сірчана кислота хімічно чиста.
Для вивчення кінетики взаємодії сталі з водним розчином сірчаної кислоти використовували омічний метод, який полягав у вимірі електричного опору зразка дроту за допомогою
електронного вольтметра при його розчиненні в результаті корозійно-механічного руйнування.
Установка для дослідження процесів розчинення металу (рис.1) складалася з реакційної осередку спеціальної конструкції (2), вимірювальної схеми, що забезпечує безперервну реєстрацію електроопору растворяемого зразка і системи збудження
ультразвукових коливань. Реакційна осередок представляла собою скляну посудину з трьома отворами, в якому підтримувалася задається температура за допомогою
термостата, і була забезпечена електромагнітної мішалкою (1), частота обертання якої визначалася за допомогою електронного тахометра ТЕ-7 і варіювалася в межах від 900 до 1200 об / хв. Механічне навантаження дроту реєструвалося за допомогою динамометра, приєднаного до одного кінця дроту; інший кінець прикріплювався до мікрометричного гвинта. Водний розчин кислоти, попередньо нагрітий до температури експерименту заливали в реактор при включеній мішалці. Вимірювальна схема складалася з електронного вольтметра В7-34А (9).
Система збудження ультразвукових коливань частотою 125 кГц включала генератор синусоїдальних
сигналів RFT 03005 (11),
підсилювач потужності LV-103 RFT (12), осцилограф С1-112А (10) і акустичний хвилевід з п'єзокерамічним
кристалом (5).
Вибір частоти пояснюється її виявленням в спектрі акустичних коливань (100-140 кГц).
Експериментальні дослідження складалися з трьох частин: розрахунку енергії активації за рівнянням Арреніуса; аналізу впливу механічних навантажень на
процес розчинення металевих зразків та аналізу впливу ультразвуку на швидкість корозії сталі.
Для визначення енергії активації процесу розчинення сталі в сірчаної кислоті були проведені експерименти при різних температурах електроліту (50, 60, 70, 80
О С). Залежність швидкості корозії (
) Від температури виражається рівнянням виду [4]:
, (1)
- Швидкість досліджуваного процесу розчинення сталі, г
см
-2 хв
-1; - Предекспоненціальний множник залежить від механічних властивостей матеріалу; Е -
енергія активації; Т - термодинамічна температура,
0 К; R - універсальна газова стала, Дж / моль
К.
Енергія активації визначалася із залежності константи швидкості від температури. Для цього (1) представляли так:
, (2)
Відкладаючи на графіку (рис.2) експериментальні значення
по осі ординат і 1 / Т по осі абсцис, одержуємо серію крапок, що лежать в межах точності експерименту на одній прямій. Тангенс кута нахилу цієї прямої дорівнює (E / R), поділеному на ставлення масштабів по осі ординат і осі абсцис.
Отже, E = R
tg
, Помноженому на ставлення масштабів по осі ординат і осі абсцис. Похибка при
розрахунках енергії активації становила ± 1,5 ккал / моль.
Для вивчення впливу механічного навантаження на корозійне поведінку металу була проведена серія експериментів в інтервалі прикладаються навантажень від 70 Н до 100 Н. Попередні експерименти в більш широкому діапазоні механічних навантажень показали, що при накладенні навантажень більш до 100 Н відбувається пластична деформація дроту і механохімічний ефект монотонно збільшується. Додаток навантажень понад 100 Н призводило до розриву дроту. З даних, представлених у
таблиці, випливає, що при збільшенні навантаження до 100 Н відбувається зниження енергії активації на 3,9 ккал / моль, у порівнянні з вихідною
енергією активацією (без навантаження).
На підставі отриманих даних було запропоновано емпіричне рівняння для розрахунку залежності ефективної енергії активації від прикладеного навантаження:
Е
АКТ = Е
Про АКТ - До
е. Р, (3)
Е
АКТ - ефективна
енергія активації корозійно-механічного зношування; Е
Про АКТ -
енергія активації процесу без механічного навантаження; Р - прикладене навантаження, МПа; До
е - емпіричний коефіцієнт, отриманий в результаті обробки експериментальних даних. У наших дослідженнях коефіцієнт склав До
е = 0,995 в інтервалі навантажень (70 - 100 МПа).
Із метою вивчення впливу ультразвукового впливу на швидкість корозії на модельній системі проводилися експерименти без механічного навантаження на дріт. і при одночасному накладення статичної навантаження величиною 70 Н. З табличних даних випливає, що при окремому вплив ультразвуку на систему швидкість корозії зростає, але в меншому ступені, ніж під впливом тільки механічного навантаження. Одночасний вплив ультразвуку та механічного навантаження призводить до збільшення швидкості корозії і зниження енергії активації до 15,7 ккал / моль.
Таким чином, дослідження кінетичних закономірностей корозійно-механічного поводження модельної системи сталь У8А - сірчана кислота показали, що накладення механічного навантаження та ультразвуку підвищує швидкість корозійно-механічного руйнування металу, причому при одночасному впливі навантаження та ультразвуку досягається максимальне збільшення швидкості корозійно-механічного руйнування і відбувається зменшення енергії активації процесу.
Розрахунок залежності ефективної енергії активації процесу від прикладеного навантаження з достатнім ступенем точності можна проводити по емпіричному рівнянню (3).
ЛІТЕРАТУРА
1. Алтухов В.К., Маршак І.М. Вивчення кінетики електрохімічних реакцій в ультразвуковому полі. / / Нові
методи дослідження корозії металів, М.:
Наука, 1973. С.183-188.
2. Абрамов О.В. Електрохімічні та електрофізичні методи обробки, НДІ МАШ, 1969. N5-6. С.77.
3. Кукоз Ф.І., Скалозуб М.Ф. / / Праці Новочеркаського політехнічного інституту.
Роботи кафедри фізики, 1959. Т. 73. С.137.
4. Кнорре Д.Г., Крилова Л.Ф., Музикантів В.С.
Фізична хімія. М., 1981. 326с.
Додаток
Рис. 1. Схема експериментальної установки: 1 - електромагнітна мішалка, 2 - дротовий зразок; 3 - термостатіруемая реакційна осередок; 4 - термометр, 5 - акустичний хвилевід з п'єзокерамічним кристалом; 6 - реакційна середовище; 7 - затиск тестера механічних випробувань; 8 - пробка з кислотостійкої гуми ; 9 - вольтметр; 10 - осцилограф; 11 - генератор; 12 - підсилювач.
Рис.2. Залежність швидкості корозії сталі в сірчаної кислоти від температури: 1 - без навантаження; 2 - навантаження 70Н; 3 - навантаження 100Н; 4 - без навантаження плюс
ультразвук, 5 - навантаження 70Н плюс ультразвук
Таблиця.
Енергетичні характеристики процесу
Вплив на зразок
| Стаціонарна швидкість, м см -2 хв -1
| Е АКТ ккал / моль
| Предекспо-ненту.
|
| температура експерименту, О С
| | |
| 50
| 60
| 70
| 80
| | |
-
| 0,444
| 1,134
| 2,734
| 6,008
| 21
| 1,2 10 вересня
|
70 Н
| 0,707
| 1,672
| 3,247
| 7,242
| 17,4
| 4,4 10 липня
|
100 Н
| 0,939
| 2,011
| 3,469
| 8,762
| 16; 9
| 3,7 10 липня
|
Ультразвук
| 0,629
| 1,662
| 2,998
| 6,795
| 17,4
| 4,6 10 липня
|
70 Н і ультразвук
| 1,106
| 2,457
| 5,267
| 10,028
| 15,7
| 2,4 10 липня
|