lecture-20-2 (1033145)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Неочевидные причины разупрочнения сталей различного назначения

Аннотация

Описаны полученные авторами результаты исследования структуры стальных образцов на микро- и нано- уровнях с помощью Электронной микроскопии, Вторичной Ионной Масс Спектрометрии (ВИМС), Времяпролётной Вторичной Ионной Масс Спектрометрии (TOF SIMS), позволяющие сделать неочевидные выводы о характере и динамике процессов вызывающих охрупчивание сталей (на примерах Сталь 40, ШХ 40, Т15К6, 1Х18Н10Т, 09Г2ФБ, 10Г2ФБ ) в устройствах, изготовленных из этих сталей. при традиционном трении механизмов, при резании металла, прокатке и в процессах контактного взаимодействия на нано масштабном уровне. Показано, как процессы формирования кристаллической и атомарной структуры металла, связанные с процессом диффузии атомов водорода, концентрирующихся около сульфидных включений, влияют на эксплуатационные свойства сталей в соответствии с разработанной концепцией. Так, в частности, полученные результаты подтверждают созданную теорию сухого трения, предполагающую генерацию атомов водорода и его изотопов в зонах контакта с появлением их избыточной концентрации в материалах контактирующих пар, превышающей исходную в 100-300 раз.

Предпосылки исследования

Процессы, происходящие при так называемом сухом трении, представляют комплекс физико-химических процессов, природа которых разнообразна и вызывает дискуссии до сих пор. К таким явлениям относятся: процесс принудительного растворения сорбированного газа предсказанный в 1997 [1] и ряд других взаимодействий на электронно-ионном уровне, описанных различными авторами. Задачей данной публикации является оценка новых результатов, связанных с теорией наводораживания материалов пар трения, предполагающей генерацию водорода и его изотопов на поверхностах с последующим их растворением в материалах пар трения. Первый эксперимент состоял в том, чтобы экспериментально [2] получить прямые и косвенные доказательства образования водорода и его изотопов в процессе контакта поверхностей. По нашему мнению наилучшим методом обнаружения образованного водорода и его изотопов является метод ВИМС анализа, позволяющий качественно и количественно (при соответствующей калибровке) определить характер распределения атомов водорода растворенных в паре трения с точностью до 0.0001%.

Одним из первых результатов, показавших удивительно высокую концентрацию водорода, проникающего в материал трения из атмосферы, где, как известно, парциальное давление водорода составляет лишь: P_H2=4х10^-3 тор, представлен на рис.1.

Рис. 1. Распределение водорода по глубине в неподвижном кольце и шарике (N=24000 циклов).

Этот результат показывает, что концентрация растворенного водорода на глубине образца 0.1 мкм составляет С_H2=4х10²² ат/cм³, что на много порядков превышает концентрацию, которая должна была бы появится на этих глубинах согласно уравнению Сильверса [3].

Рис.2. Распределение дейтерия по глубине в неподвижном кольце, не участвовавшего в процессе трения, в рабочем шарике, после 2000 циклов, и рабочем шарике после 24000 циклов.

Первые удивительные результаты

Результат второго эксперимента [4], проводимого в вакууме, при котором парциальное давление дейтерия составляло P_D2=1х10^-1 тор, представлен на рис. 2. Мы видим, что результат показал ещё большее увеличение концентрации дейтерия растворяемого в процессе трения. При этом самым удивительным результатом этого эксперимента являлось то, что количество молекул дейтерия, растворённых в материале деталей шарикоподшипника при трении в атмосфере дейтерия, значительно превышало количество молекул дейтерия, находившихся в вакуумной камере, что на первый взгляд противоречит как закону растворения Сильвертса так и законам сохранения массы и энергии.

Третьим экспериментом, показавшим большое увеличение концентрации водорода, растворяемого в процессе трения, было исследование результатов взаимодействия пылинок и молекул потока газа со стенкой трубы.[5]. Общая физическая картина этого взаимодействия по нашему мнению, на нано масштабном уровне, аналогична описанным выше процессам трения и также сопровождается растворением сорбированных на внутренней поверхности трубы газов (водорода и дейтерия) в металле трубы, вызывающих «водородную болезнь» с результатами, подобными изображённому на рис. 3 .

Рис.3 Вид разрушения трубы газопровода в околосварной зоне, наиболее подверженной открытому взаимодействию с потоком газа и пылинок.

Авторами было выдвинуто предположение о том, что наводораживание металла трубопровода при течении потока газа внутри трубопровода, имеющего химический состав указанный в Табл. 2, может происходить по той же физической схеме [1], которая имеет место при «обычном сухом» трении металлических поверхностей.

Табл.2. Химический состав стали магистральных газопроводов

Так как процесс контакта пылинок газа с трубой происходит на микроуровне, а масштабы процессов сорбции, диссоциации молекул газов на атомы на поверхностях, происходящие на нано уровне кажутся незначительными, то наводораживание металла трубопровода по этой причине выглядит неочевидным. Кроме того из справочной литературы [6] мы знаем, что процессы растворения и диффузии атомов протекают медленно, т.к. зависят от скорости и коэффициента диффузии D. Используя уравнение нестационарной диффузии мы можем рассчитывать значение концентрации водорода на глубине х по истечении времени t С(х, t):

(1)

(1)

При этом на поверхностях трения, согласно [1] сохраняется постоянная концентрация С₀, не зависящая от времени С(0, t). = С₀ . В обычных атмосферных условиях металлургам и технологам, имеющих дело с большими температурами, давлениями, концентрациями присадок к металлу эта величина по атмосферному водороду С_0Н (учитывая, что парциальное давление атмосферного водорода в 8 раз меньше, чем давление атмосферного гелия), кажется не играющей существенной роли. Согласно излагаемой концепции, результатам простейших физических расчётов и экспериментальным данным это глубокое заблуждение ортодоксальных практиков, т.к. эта величина в первом монослое сорбированных газов (воды, водорода) составляет С_0Н = 10²³ - 10²⁴ ат/см³, при исходной концентрации водорода в толще металла исследованных образцов С_Н = 10¹⁷ - 10¹⁹ ат/см³ , т.е. на 4-7 порядков (!) больше. Напомним, что расчётная толщина этого слоя (монослоя) составляет 3 х10^-7мкм, что большинству практиков также кажется не играющим существенной роли.

Для развития уже полученных результатов [5] была выполнена экспериментальная проверка [6] высказанной гипотезы на примере магистральных трубопроводов. Для этого из околосварной зоны грубы был вырезан образец, представленный на Рис. 4. Марка стали образца и её состав приведены в табл. 2.

Рис. 4. Вид образца из околосварной зоны магистрального трубопровода, после 20 лет службы(слева) и схема его поперечной разделки при толщине H=20 мм.

Рис 5. Схема разделки исходного образца на «доли» (Направления вертикальной резки показаны тонкими линиями.. Размеры «окончательного» образца: l =24мм, ширина h=10мм, толщина δ=3мм

Задача проверки высказанной гипотезы на примере трения нано размерных пылинок со стенкой трубы состояла в том, чтобы экспериментально увидеть результаты этого процесса не только на уровне 1-2 мкм, как это было показано на Рис.1 и,2, но и по всей толщине трубы магистрального тазопровода, т.е. на глубине до 30 мм. Поскольку методы ВИМС (SIMS, TOF SIMS) анализа не позволяют исследовать глубины более 5-10 мкм (что требует 4-20 часов непрерывной работы), то разделка исходного образца трубопровода, Рис.4, выполнялась на фрезерном станке по схеме Рис.5, Результаты ВИМС анализа для набора образцов представлены на рис.6.

Рис.6. Результаты ВИМС анализа образцов, вырезанных из трубопровода, в соответствии с рис. 5.

Правая часть диаграмм, представленных на рис.6 соответствуют концентрации водорода, успевшего диффундировать сквозь металл трубопровода на глубину Х= 0.005- 25 мм (т.е. почти на всю толщину трубы) в результате трения газа о стенку трубы. Левая же часть диаграмм, представленных на Рис.6 (на рис.7 она отделена) соответствуют распределению концентраций водорода, как результату резания материала трубы на образцы, т.е. левая часть графиков является результатом «наслоения» дополнительной и ускоренной диффузии водорода в металл образца на глубины Х=0-2 мкм в процессе резки трубы на образцы.

Сопоставление левых частей графиков на рис.7 или Рис. 6 с диаграммами на рис. 1 и 2 ясно показывает, что процесс резания является эффективным процессом трения, дающим как и «классическое» трение, увеличение концентрации водорода на 2-3 порядка на глубине 1-2 микрона согласно уравнению (1),

Рис.7. Результаты ВИМС анализа образцов, вырезанных из трубопровода, в соответствии с рис.6

Рис.8. Диаграмма расчетного распределения концентрации водорода С_н (х), по глубине Х после 20 лет эксплуатации. Цифрами (относительной индексации) показано расположение поверхностей образцов в соответствии со схемой рис.5.

На рис. 8 представлена диаграмма расчетного распределения концентрации водорода С_н (х), растворенного в стенке трубы по глубине Х после 20 лет эксплуатации. Точки (треугольники) на диаграмме соответствуют результатам правых частей диаграмм (Рис.6,7), соответствующих концентрации водорода, успевшего диффундировать в результате трения газа о стенку трубы на глубину Х= 0.005- 20 мм за период эксплуатации. Координаты экспериментальных точек показывают хорошее совпадение теоретических и расчётных результатов

Некоторые результаты и факты, противоречащие традиционной физике

Идея четвёртого эксперимента состояла в том, что бы экспериментально получить не только косвенные, но и прямые доказательства образования новых атомов водорода и его изотопов, в частности трития, в материалах пары трения на примере резания металла (как разновидности процесса трения). В описываемом эксперименте[7] проведённом 10.06.2008, на кафедре резания (МТ-2) МГТУ для оценки физических особенностей «сухого трения» при экстремальных параметрах процесса (т.е. при резании) проводилось измерение уровня рентгеновского и гамма излучений в процессе резания, которое сопоставлялось с фоновыми уровнями. Оборудование: токарный станок, токарный резец с пятигранной пластиной Т15К6, радиометр-дозиметр МКС-01Р. Параметры эксперимента: скорость резания V=72,2 м/мин, подача S₀=0.2 мм/об, частота вращения шпинделя N=315мин^-1,глубина резания , t=1 мм, . материал заготовки: сталь 40.

Таблица 3. Показания измерительных приборов при эксперименте

А) Гамма излучение

Б) Рентгеновское излучение

Как показывают результаты эксперимента, представленные в табл.3 экстремальный процесс «сухого трения» (процесс резания) вызывает гамма-излучение, превышающее фоновое гамма- излучение в 1,1 -1,9 раз, тот же процесс вызывает рентгеновское излучение, превышающее фоновое излучение в 1,2 раза. Полученные результаты позволяют расчётным путём подойти к определению количества молекул трития и концентрации этих молекул, образовавшихся в материале «пары трения», т.е. в материале резца и снятой резцом стружки. Авторы предпочли экспериментально определить это количество. Анализ был выполнен на установке TOF SIMS-5 в г. Черноголовка. На рис. 9 представлен график зависимости количества атомов трития от глубины травления (проникновения первичного ионного луча в образец)на базовой поверхности резца, не участвующей в резании.

Рис.9. Зависимость концентрации атомов трития от глубины травления на базовой поверхности резца

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций