Учебная работа. Исследование влияния ультразвука на коррозионно-механическое изнашивание

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

исследование влияния ультразвука на коррозионно-механическое изнашивание

исследование
ВЛИЯНИИЯ УЛЬТРАЗВУКА НА КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ИЗНАШИВАНИЕ

Как показали исследования
[1], влияние ультразвука на коррозионно-механическое изнашивание,
представляющее собой коррозионное разрушение поверхности металла при
одновременном наложении механических воздействий (удельной нагрузки и скорости
скольжения), складывается из целого ряда факторов. Ультразвуковые колебания в
силу своих специфических особенностей могут существенно влиять на скорость
диффузионных процессов, а также на структуру пассивирующих слоев, препятствующих
разрушению металла. В большинстве работ наблюдалась интенсификация диффузионных
процессов в железе под действием ультразвука большой мощности [2]. характер
воздействия ультразвука и причины ускорения диффузии под его влиянием еще не
объяснены. Авторы работы [3] связывают влияние ультразвука на структуру
пассивирующих слоев с нарушением сплошности пленки в следствии воздействия на
поверхность пассивного металла образующихся в растворе кавитационных полостей.
В научной литературе мало внимания уделялось экспериментальным разработкам по выяснению
воздействия ультразвука на коррозионно-механическое разрушение сталей.

В настоящей работе
проводится анализ влияния механической нагрузки и акустической эмиссии на
скорость коррозионно-механического разрушения стали в водном растворе серной
кислоты. Взаимное влияние различных факторов на микроуровне затрудняет изучение
коррозионно-механических процессов. Одним из методов, используемых в трении и износе,
является рассмотрение влияния отдельных факторов на скорость суммарного
процесса.

В наших экспериментах
применялась стальная проволока (сталь У8А). сначала, для снятия поверхностных
напряжений и дефектов, возникающих при вытяжке, проволоку отжигали в вакууме
(10-3 Торр) при температуре 760ОС в течение двух часов,
затем охлаждали ее до комнатной температуры. Непосредственно перед погружением
в реактор проволоку выдерживали в течение 5-10 сек в концентрированной азотной
кислоте и промывали дистиллированной водой. В качестве водного электролита
использовалась серная кислота химически чистая.

Для изучения кинетики
взаимодействия стали с водным раствором серной кислоты использовали омический
метод, который заключался в измерении электрического сопротивления образца
проволоки с помощью электронного вольтметра при его растворении в результате
коррозионно-механического разрушения.

Установка для
исследования процессов растворения металла (рис.1) состояла из реакционной
ячейки специальной конструкции (2), измерительной схемы, обеспечивающей
непрерывную регистрацию электросопротивления растворяемого образца и системы
возбуждения ультразвуковых колебаний. Реакционная ячейка представляла собой
стеклянный сосуд с тремя отверстиями, в котором поддерживалась задаваемая
температура с помощью термостата, и была снабжена электромагнитной мешалкой
(1), частота вращения которой определялась посредством электронного тахометра
ТЭ-7 и варьировалась в пределах от 900 до 1200 об/мин. Механическое нагружение
проволоки регистрировалось при помощи динамометра, присоединенного к одному
концу проволоки; другой конец прикреплялся к микрометрическому винту. Водный
раствор кислоты, предварительно нагретый до температуры эксперимента заливали в
реактор при включенной мешалке. Измерительная схема состояла из электронного
вольтметра В7-34А (9).

Система возбуждения
ультразвуковых колебаний частотой 125 кГц включала генератор синусоидальных
сигналов RFT 03 005 (11), усилитель мощности LV-103 RFT (12), осциллограф
С1-112А (10) и акустический волновод с пьезокерамическим кристаллом (5).

Выбор частоты объясняется
ее обнаружением в спектре акустических колебаний (100-140 кГц).

Экспериментальные
исследования состояли из трех частей: расчета энергии активации по уравнению
Аррениуса; анализа влияния механических нагрузок на процесс растворения
металлических образцов и анализа влияния ультразвука на скорость коррозии
стали.

Для определения энергии
активации процесса растворения стали в серной кислоте были проведены
эксперименты при различных температурах электролита (50, 60, 70, 80 ОС).
Зависимость скорости коррозии ()от температуры выражается
уравнением вида [4]:

,
(1)

 —
скорость изучаемого процесса растворения стали, гсм-2мин-1;  — предэкспоненциальный множитель зависящий
от механических свойств материала; Е — энергия активации; Т — термодинамическая
температура, 0К; R —
универсальная газовая постоянная, Дж/мольК.

Энергия активации
определялась из зависимости константы скорости от температуры. Для этого (1)
представляли так:

, (2)

Откладывая на графике
(рис.2) экспериментальные значения  по оси ординат и 1/Т по
оси абсцисс, получаем серию точек, лежащих в пределах точности эксперимента на
одной прямой. Тангенс угла наклона этой прямой равен (E/R), деленному на
отношение масштабов по оси ординат и оси абсцисс.

следовательно, E = Rtg, умноженному на отношение масштабов
по оси ординат и оси абсцисс. Погрешность при расчетах энергии активации составляла
±1,5 ккал/моль.

Для изучения влияния
механической нагрузки на коррозионное предварительные эксперименты в более широком диапазоне механических нагрузок
показали, что при наложении нагрузок более до 100 Н происходит пластическая
деформация проволоки и механохимический эффект монотонно увеличивается.
Приложение нагрузок свыше 100 Н приводило к разрыву проволоки. Из данных, представленных
в таблице, следует, что при увеличении нагрузки до 100 Н происходит снижение
энергии активации на 3,9 ккал/моль, по сравнению с исходной энергией активацией
(без нагрузки).

На основании полученных
данных было предложено эмпирическое уравнение для расчета зависимости
эффективной энергии активации от приложенной нагрузки:

ЕАКТ = ЕОАКТ
— Кэ Р, (3)

ЕАКТ —
эффективная энергия активации коррозионно-механического изнашивания; ЕОАКТ
— энергия активации процесса без механического нагружения; Р — приложенная
нагрузка, МПа; Кэ — эмпирический коэффициент, полученный в
результате обработки экспериментальных данных. В наших исследованиях
коэффициент составил Кэ=0,995 в интервале нагрузок (70 — 100 МПа).

таким образом,
исследование кинетических закономерностей коррозионно-механического поведения
модельной системы сталь У8А — серная кислота показали, что наложение
механической нагрузки и ультразвука повышает скорость коррозионно-механического
разрушения металла, причем при одновременном воздействии нагрузки и ультразвука
достигается максимальное увеличение скорости коррозионно-механического
разрушения и происходит уменьшение энергии активации процесса. Расчет
зависимости эффективной энергии активации процесса от приложенной нагрузки с достаточной
степенью точности можно проводить по эмпирическому уравнению (3).

ЛИТЕРАТУРА

1. 
Алтухов В.К.,
Маршаков И.Н. изучение кинетики электрохимических реакций в ультразвуковом
поле. // новые методы исследования коррозии металлов, М.: Наука, 1973.
С.183-188.

2. 
Абрамов О.В.
электрохимические и электрофизические методы обработки, НИИ МАШ, 1969. N5-6. С.77.

3. 
Кукоз Ф.И.,
Скалозубов М.Ф. // Труды Новочеркасского политехнического института. работы
кафедры физики, 1959. Т. 73. С.137.

4. 
Кнорре Д.Г.,
Крылова Л.Ф., Музыкантов В.С. Физическая химия. М., 1981. 326с.

приложение

Рис. 1. Схема
экспериментальной установки: 1 — электромагнитная мешалка; 2 — проволочный
образец; 3 — термостатируемая реакционная ячейка; 4 — термометр; 5 — акустический
волновод с пьезокерамическим кристаллом; 6 — реакционная среда; 7 — зажим
тестера механических испытаний; 8 — пробка из кислотостойкой резины; 9 —
вольтметр; 10 — осциллограф; 11 — генератор; 12 — усилитель.

Рис.2. Зависимость
скорости коррозии стали в серной кислоте от температуры: 1- без нагрузки; 2 —
нагрузка 70Н; 3 — нагрузка 100Н; 4 — без нагрузки плюс ультразвук; 5 — нагрузка
70Н плюс ультразвук

Таблица.

Энергетические
характеристики процесса

Воздействие на образец

Стационарная скорость,гсм-2мин-1

Е АКТ

ккал/моль

Предэкспо-нента.

температура эксперимента, ОС

50

70

80

 0,444

 1,134

 2,734

 6,008

 21

1,2109

 70 Н

 0,707

 1,672

 3,247

 7,242

 17,4

 4,4107

100 Н

 0,939

 2,011

 3,469

 16;9

 3,7107

Ультразвук

 0,629

 1,662

 2,998

 6,795

 17,4

 4,6107

70 Н и ультразвук

 1,106

 2,457

 5,267

10,028

 15,7

 2,4107

Учебная работа. Исследование влияния ультразвука на коррозионно-механическое изнашивание