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 760^ОС 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 поведение металла была проведена серия экспериментов в интервале прикладываемых нагрузок от 70 Н до 100 Н. 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:

Е_АКТ = Е^О_АКТ - К_э Р, (3)

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

С целью изучения влияния ультразвукового воздействия на скорость коррозии на модельной системе проводились эксперименты без механического нагружения на проволоку. и при одновременном наложении статической нагрузки величиной 70 Н. Из табличных данных следует, что при отдельном влиянии ультразвука на систему скорость коррозии возрастает, но в меньшей степени, чем под влиянием только механической нагрузки. Одновременное воздействие ультразвука и механической нагрузки приводит к увеличению скорости коррозии и снижению энергии активации до 15,7ккал/моль.

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

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

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

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

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