ИССЛЕДОВАНИЕВЛИЯНИИЯ УЛЬТРАЗВУКА НА КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ИЗНАШИВАНИЕ
Как показали исследования[1], влияние ультразвука на коррозионно-механическое изнашивание,представляющее собой коррозионное разрушение поверхности металла приодновременном наложении механических воздействий (удельной нагрузки и скоростискольжения), складывается из целого ряда факторов. Ультразвуковые колебания всилу своих специфических особенностей могут существенно влиять на скоростьдиффузионных процессов, а также на структуру пассивирующих слоев, препятствующихразрушению металла. В большинстве работ наблюдалась интенсификация диффузионныхпроцессов в железе под действием ультразвука большой мощности [2]. Характервоздействия ультразвука и причины ускорения диффузии под его влиянием еще необъяснены. Авторы работы [3] связывают влияние ультразвука на структурупассивирующих слоев с нарушением сплошности пленки в следствии воздействия наповерхность пассивного металла образующихся в растворе кавитационных полостей.В научной литературе мало внимания уделялось экспериментальным разработкам по выяснениювоздействия ультразвука на коррозионно-механическое разрушение сталей.
В настоящей работепроводится анализ влияния механической нагрузки и акустической эмиссии наскорость коррозионно-механического разрушения стали в водном растворе сернойкислоты. Взаимное влияние различных факторов на микроуровне затрудняет изучениекоррозионно-механических процессов. Одним из методов, используемых в трении и износе,является рассмотрение влияния отдельных факторов на скорость суммарногопроцесса.
В наших экспериментахприменялась стальная проволока (сталь У8А). Сначала, для снятия поверхностныхнапряжений 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 погружениемв реактор проволоку выдерживали в течение 5-10 сек в концентрированной азотнойкислоте и промывали дистиллированной водой. В качестве водного электролитаиспользовалась серная кислота химически чистая.
Для изучения кинетикивзаимодействия стали с водным раствором серной кислоты использовали омическийметод, который заключался в измерении электрического сопротивления образцапроволоки с помощью электронного вольтметра при его растворении в результатекоррозионно-механического разрушения.
Установка дляисследования процессов растворения металла (рис.1) состояла из реакционнойячейки специальной конструкции (2), измерительной схемы, обеспечивающейнепрерывную регистрацию электросопротивления растворяемого образца и системывозбуждения ультразвуковых колебаний. Реакционная ячейка представляла собойстеклянный сосуд с тремя отверстиями, в котором поддерживалась задаваемаятемпература с помощью термостата, и была снабжена электромагнитной мешалкой(1), частота вращения которой определялась посредством электронного тахометраТЭ-7 и варьировалась в пределах от 900 до 1200 об/мин. Механическое нагружениепроволоки регистрировалось при помощи динамометра, присоединенного к одномуконцу проволоки; другой конец прикреплялся к микрометрическому винту. Водныйраствор кислоты, предварительно нагретый до температуры эксперимента заливали вреактор при включенной мешалке. Измерительная схема состояла из электронноговольтметра В7-34А (9).
Система возбужденияультразвуковых колебаний частотой 125 кГц включала генератор синусоидальныхсигналов RFT 03 005 (11), усилитель мощности LV-103 RFT (12), осциллографС1-112А (10) и акустический волновод с пьезокерамическим кристаллом (5).
Выбор частоты объясняетсяее обнаружением в спектре акустических колебаний (100-140 кГц).
Экспериментальныеисследования состояли из трех частей: расчета энергии активации по уравнениюАррениуса; анализа влияния механических нагрузок на процесс растворенияметаллических образцов и анализа влияния ультразвука на скорость коррозиистали.
Для определения энергииактивации процесса растворения стали в серной кислоте были проведеныэксперименты при различных температурах электролита (50, 60, 70, 80 ОС).Зависимость скорости коррозии (/>)оттемпературы выражается уравнением вида [4]:
/>, (1)
/> - скорость изучаемого процессарастворения стали, г/>см-2мин-1; /> - предэкспоненциальныймножитель зависящий от механических свойств материала; Е — энергия активации; Т- термодинамическая температура, 0К; R — универсальная газовая постоянная, Дж/моль/>К.
Энергия активацииопределялась из зависимости константы скорости от температуры. Для этого (1)представляли так:
/>/>/>/>/>, (2)
Откладывая на графике(рис.2) экспериментальные значения /> по осиординат и 1/Т по оси абсцисс, получаем серию точек, лежащих в пределах точностиэксперимента на одной прямой. Тангенс угла наклона этой прямой равен (E/R), деленному на отношение масштабов по оси ординат и оси абсцисс.
Следовательно, E = R/>tg/>/>, умноженному на отношение масштабовпо оси ординат и оси абсцисс. Погрешность при расчетах энергии активации составляла±1,5 ккал/моль.
Для изучения влияниямеханической нагрузки на коррозионное поведение металла была проведена серияэкспериментов в интервале прикладываемых нагрузок от 70 Н до 100 Н.Предварительные эксперименты в более широком диапазоне механических нагрузокпоказали, что при наложении нагрузок более до 100 Н происходит пластическаядеформация проволоки и механохимический эффект монотонно увеличивается.Приложение нагрузок свыше 100 Н приводило к разрыву проволоки. Из данных, представленныхв таблице, следует, что при увеличении нагрузки до 100 Н происходит снижениеэнергии активации на 3,9 ккал/моль, по сравнению с исходной энергией активацией(без нагрузки).
На основании полученныхданных было предложено эмпирическое уравнение для расчета зависимостиэффективной 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 — приложеннаянагрузка, МПа; Кэ — эмпирический коэффициент, полученный врезультате обработки экспериментальных данных. В наших исследованияхкоэффициент составил Кэ=0,995 в интервале нагрузок (70 — 100 МПа).
С целью изучения влиянияультразвукового воздействия на скорость коррозии на модельной системепроводились эксперименты без механического нагружения на проволоку. и приодновременном наложении статической нагрузки величиной 70 Н. Из табличныхданных следует, что при отдельном влиянии ультразвука на систему скоростькоррозии возрастает, но в меньшей степени, чем под влиянием только механическойнагрузки. Одновременное воздействие ультразвука и механической нагрузки приводитк увеличению скорости коррозии и снижению энергии активации до 15,7ккал/моль.
Таким образом,исследование кинетических закономерностей коррозионно-механического поведениямодельной системы сталь У8А — серная кислота показали, что наложениемеханической нагрузки и ультразвука повышает скорость коррозионно-механическогоразрушения металла, причем при одновременном воздействии нагрузки и ультразвукадостигается максимальное увеличение скорости коррозионно-механическогоразрушения и происходит уменьшение энергии активации процесса. Расчетзависимости эффективной энергии активации процесса от приложенной нагрузки с достаточнойстепенью точности можно проводить по эмпирическому уравнению (3).
ЛИТЕРАТУРА
1. Алтухов В.К.,Маршаков И.Н. Изучение кинетики электрохимических реакций в ультразвуковомполе. // 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. Работыкафедры физики, 1959. Т. 73. С.137.
4. Кнорре Д.Г.,Крылова Л.Ф., Музыкантов В.С. Физическая химия. М., 1981. 326с.
Приложение
/>
Рис. 1. Схемаэкспериментальной установки: 1 — электромагнитная мешалка; 2 — проволочныйобразец; 3 — термостатируемая реакционная ячейка; 4 — термометр; 5 — акустическийволновод с пьезокерамическим кристаллом; 6 — реакционная среда; 7 — зажимтестера механических испытаний; 8 — пробка из кислотостойкой резины; 9 — вольтметр; 10 — осциллограф; 11 — генератор; 12 — усилитель.
/>/>
Рис.2. Зависимостьскорости коррозии стали в серной кислоте от температуры: 1- без нагрузки; 2 — нагрузка 70Н; 3 — нагрузка 100Н; 4 — без нагрузки плюс ультразвук; 5 — нагрузка70Н плюс ультразвук
Таблица.
Энергетическиехарактеристики процессаВоздействие на образец
Стационарная скорость, г/>см-2/>мин-1
Е АКТ
ккал/моль Предэкспо-нента.
температура эксперимента, ОС 50 60 70 80 - 0,444 1,134 2,734 6,008 21
1,2/>109 70 Н 0,707 1,672 3,247 7,242 17,4
4,4/>107 100 Н 0,939 2,011 3,469 8,762 16;9
3,7/>107 Ультразвук 0,629 1,662 2,998 6,795 17,4
4,6/>107 70 Н и ультразвук 1,106 2,457 5,267 10,028 15,7
2,4/>107