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).
З 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 поведінки 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
Алтухов В.К., Маршак І.М. Вивчення кінетики електрохімічних реакцій в ультразвуковому полі. / / Нові методи дослідження корозії металів, М.: Наука, 1973. С.183-188.
Абрамов О.В. Електрохімічні та електрофізичні методи обробки, НДІ МАШ, 1969. N 5-6. С.77.
Кукоз Ф.І., Скалозуб М.Ф. / / Праці Новочеркаського політехнічного інституту. Роботи кафедри фізики, 1959. Т. 73. С.137.
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 |