donstuAdvanced Engineering Research (Rostov-on-Don)Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)2687-1653Don State Technical University10.23947/1992-5980-2017-17-2-56-69donstu-150Research ArticleMACHINE BUILDING AND MACHINE SCIENCEМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕTo problem of hydrogen embrittlement of steel at droplet impingement erosionК проблеме водородного охрупчивания стали при каплеударной эрозииКудряковОлег ВячеславовичKudryakovOleg V.kudryakov@mail.ruВаравкаВалерий НиколаевичVaravkaValery N.varavkavn@gmail.comИрхаВладимир АлександровичIrkhaVladimir A.v-irx@rambler.ruМоисееваИрина ВикторовнаMoiseevaIrina V.irisena@mail.ruДонской государственный технический университетРоссияDon State Technical UniversityRussian FederationЮжно-Российский государственный политехнический университетРоссияPlatov South-Russian State Polytechnic UniversityRussian Federation2017130720181725669Copyright © Kudryakov O.V., Varavka V.N., Irkha V.A., Moiseeva I.V., 20172017Кудряков О.В., Варавка В.Н., Ирха В.А., Моисеева И.В.Kudryakov O.V., Varavka V.N., Irkha V.A., Moiseeva I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/view/150

Introduction. The work is devoted to the problem of the hydrogen saturation of steel parts skin at their high-speed impacts with a water-drop flow. A hypothesis of the water molecules dissociation at high-speed drop impacts was suggested in a number of papers. This hypothesis was confirmed by some experimental data. The effect of this dissociation is hydrogen embrittlement of the metal surface layer. The work objective is the calculation and experimental verification of the given mechanism of the erosion destruction of the steel surface. Materials and Methods. Energy equations of various ways of the water molecules dissociation are considered for the calculation-analytical estimates. The Tate and van der Waals equations are used with allowance for the change in the phase states of water at impact. Experimental data are obtained on the basis of spectral analysis using visible monochromatic (qualitative analysis) and infrared (quantitative analysis) emissions. Research Results. An improved calculation apparatus is proposed to determine the energy level of the water molecules dissociation and free hydrogen release with account for the compressibility of water at achievable impact speeds. The results of spectral studies of bubble tracks formed on the experimental steel samples under the bench erosion tests are presented. The spectral analysis shows that the tracks are composed of air bubbles. Free hydrogen is not detected in them. Discussion and Conclusions. The calculated and experimental data obtained in this paper do not give grounds for confirming the hypothesis of hydrogen dissociation under the water-drop impacts with a steel surface in the impact velocity range of 200-600 m / s. Therefore, the mechanism of hydrogen embrittlement, apparently, should be excluded from the number of additive components of the droplet impingement erosive wear.

Введение . Работа посвящена проблеме насыщения водородом поверхностного слоя стальных изделий при их высокоскоростных соударениях с воднокапельным потоком. В ряде публикаций высказывалась гипотеза о диссоциации молекул воды при высокоскоростных капельных соударениях. Некоторые экспериментальные данные говорили в пользу этой гипотезы. Следствием такой диссоциации является водородное охрупчивание поверхностного слоя металла. Целью работы являлась расчетно-экспериментальная проверка указанного механизма эрозионного разрушения стальной поверхности. Материалы и методы . Для расчетно-аналитических оценок рассмотрены энергетические уравнения различных путей диссоциации молекул воды. Использованы уравнения Тэйта и Ван-дер-Ваальса с учетом изменения фазовых состояний воды при соударении. Экспериментальные данные получены на основе спектрального анализа с использованием видимого монохроматического (качественный анализ) и инфракрасного (количественный анализ) излучений. Результаты исследования . Предложен усовершенствованный расчетный аппарат для определения энергетического уровня диссоциации молекул воды и выделения свободного водорода с учетом сжимаемости воды при реально достижимых скоростях соударений. Представлены также результаты спектральных исследований пузырьковых треков, формирующихся на экспериментальных стальных образцах при стендовых эрозионных испытаниях. Спектральный анализ показал, что треки составлены из пузырьков воздуха. Свободный водород в них не обнаружен. Обсуждение и заключения . Полученные в работе расчетно-экспериментальные данные не дают оснований для подтверждения гипотезы о диссоциации водорода при водно-капельных соударениях со стальной поверхностью в диапазоне скоростей соударения 200-600 м/с. Поэтому механизм водородного охрупчивания, по-видимому, должен быть исключен из числа аддитивных компонентов каплеударного эрозионного износа.

каплеударная эрозиякавитациядиссоциация молекул водыводородное охрупчивание сталиспектральный анализdroplet impingement erosioncavitationdissociation of water moleculeshydrogen embrittlement of steelspectrographic analysisReferencesVaravka, V. N. Multilayered Nanocomposite Coatings for Anti-Erosive Protection. Chapter 5 / V. N. Varavka, O. V. Kudryakov, A. V. Ryzhenkov // Piezoelectrics and Nanomaterials: Fundamentals, Developments and Applications / ed. I. A. Parinov. - New-York : Nova Science Publishers, 2015. - P. 105-132.Varavka, V.N., Kudryakov, O.V., Ryzhenkov, A.V. Multilayered Nanocomposite Coatings for Anti-Erosive Protection. Chapter 5. Piezoelectrics and Nanomaterials: Fundamentals, Developments and Applications. I.A. Parinov, ed. New- York: Nova Science Publishers, 2015, pp. 105–132.Моделирование усталостной компоненты процесса деградации металлической поверхности в условиях воздействия двухфазного потока / В. Н. Варавка [и др.] // Интегрированные виброволновые технологии в машиностроении, металлообработке и других отраслях : сб. тр. Междунар. науч. симпоз. - Ростов-на-Дону : Изд. центр ДГТУ, 2015. - С. 325-330.Varavka, V.N., et al. Modelirovanie ustalostnoy komponenty protsessa degradatsii metallicheskoy poverkhnosti v usloviyakh vozdeystviya dvukhfaznogo potoka. [Modeling of fatigue component of metal surface degradation process under conditions of two- phase flow.] Integrirovannye vibrovolnovye tekhnologii v mashinostroenii, metalloobrabotke i drugikh otraslyakh: sb. tr. Mezhdunar. nauch. simpoz. [Integrated vibro-wave technologies in machine building, metalworking and other industries: Proc. Int. Acad. Symposium.] Rostov-on-Don: DSTU Publ. Centre, 2015, pp. 325–330 (in Russian).Особенности процессов деградации поверхности металлических материалов при жидкокапельном ударном воздействии / О. В. Кудряков [и др.] // Материалы и технологии XXI века : сб. статей ХIV Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2016. - С. 27-31.Kudryakov, O.V., et al. Osobennosti protsessov degradatsii poverkhnosti metallicheskikh materialov pri zhidkokapel'nom udarnom vozdeystvii. [Features of surface degradation of metallic material surfaces under liquid droplet impact.] Materialy i tekhnologii XXI veka: sb. statey KhIV Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Materials and technologies of the XXI century: Proc. Int. Sci.-Tech. Conf.] Penza: Privolzhskiy Dom znaniy, 2016, pp. 27–31 (in Russian).Матюшенко, В. Я. Износостойкость наводороженных металлов / В. Я. Матюшенко // Исследование водородного износа. - Москва : Наука, 1977. - С. 24-27.Matyushenko, V.Ya. Iznosostoykost' navodorozhennykh metallov. [Wear resistance of hydrogen-charged metals.] Issledovanie vodorodnogo iznosa. [Investigation of hydrogen wear.] Moscow: Nauka, 1977, pp. 24–27 (in Russian).Маргулис, М. А. Основы звукохимии (химические реакции в акустических полях) / М. А. Маргулис. - Москва : Высшая школа, 1984. - 272 с.Margulis, М.А. Osnovy zvukokhimii (khimicheskie reaktsii v akusticheskikh polyakh). [Fundamentals of sound chemistry (chemical reactions in acoustic fields).] Moscow: Vysshaya shkola, 1984, 272 p. (in Russian).Завилопуло, А. Н. Ионизация молекул азота, кислорода, воды и двуокиси углерода электронным ударом вблизи порога / А. Н. Завилопуло, Ф. Ф. Чипеев, О. Б. Шпеник // Журнал технической физики. - 2005. - Т. 50, вып. 4. - С. 402-407.Zavilopulo, A.N., Chipev, F.F., Shpenik, O.B. Ionizatsiya molekul azota, kisloroda, vody i dvuokisi ugleroda elektronnym udarom vblizi poroga. [Ionization of nitrogen, oxygen, water, and carbon dioxide molecules by near-threshold electron impact.] Technical Physics, 2005, vol. 50, iss. 4, pp. 402-407 (in Russian).Международная база данных атомных и молекулярных констант NIST [Электронный ресурс] / U. S. Secretary of Commerce on behalf of the United States of America ; NIST Standard Reference Database. - Режим доступа: http://www.webbook.nist.gov (дата обращения: 15.01.16).Mezhdunarodnaya baza dannykh atomnykh i molekulyarnykh konstant NIST. [NIST International database of atomic and molecular constants.] U. S. Secretary of Commerce on behalf of the United States of America; NIST Standard Reference Database. Available at: http://www.webbook.nist.gov (accessed: 15.01.16) (in Russian).Чижов, А. В. Численное исследование высокоскоростного взаимодействия капли жидкости с преградой : автореф. дис.. канд. тех. наук / А. В. Чижов. - Санкт-Петербург : СПбГТУ, 1998. - 18 с.Chizhov, A.V. Chislennoe issledovanie vysokoskorostnogo vzaimodeystviya kapli zhidkosti s pregradoy : avtoref. dis ... kand. tekh. nauk. [Numerical investigation of high-speed of liquid drop – obstacle interaction: Cand.Sci. (Eng.) diss., author’s abstract.] St. Petersburg: SPbGTU, 1998, 18 p. (in Russian).Чижов, А. В. Высокоскоростной удар капли о преграду / А. В. Чижов, А. А. Шмидт // Журнал технической физики. - 2000. - Т. 70, вып. 12. - С. 18-26.Chizhov, A.V., Schmidt, A.A. Vysokoskorostnoy udar kapli o pregradu. [Impact of a high-velocity drop on an obstacle.] Technical Physics, 2000, vol. 45, iss. 12, pp. 1529-1537 (in Russian).Computational study of High-speed liquid droplet impact / K. K. Haller [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2002. - Vol. 92, № 5. - Р. 2821-2828.Haller, K.K., et al. Computational study of high-speed liquid droplet impact. Journal of Applied Physics, 2002, vol. 92, no. 5, pp. 2821–2828.Физические величины. Справочник / под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. - Москва : Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.Grigoryev, I.S., Meylikhov, E.Z., eds. Fizicheskie velichiny. Spravochnik. [Physical Quantities. Reference book. ] Moscow: Energoatomizdat, 1991, 1232 p. (in Russian).Рид, Р. Свойства газов и жидкостей. Справочное пособие / Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд / пер. с англ. под ред. Б. И. Соколова. - Ленинград : Химия, 1982. - 592 с.Rid, R., J.M. Prausnitz, Sherwood, T. Svoystva gazov i zhidkostey. Spravochnoe posobie. [The properties of gases and liquids. Handbook.] Sokolov, B.I., ed. Trans. from Engl. Leningrad: Khimiya, 1982, 592 p. (in Russian).Сущинский, М. М. Спектры комбинационного рассеяния молекул и кристаллов / М. М. Сущинский. - Москва : Наука, 1969. - 300 с.Sushchinskiy, М.М. Spektry kombinatsionnogo rasseyaniya molekul i kristallov. [Spectra of Raman scattering of molecules and crystals.]. Moscow: Nauka, 1969, 300 p. (in Russian).Демтредер, В. Лазерная спектроскопия: основные принципы и техника эксперимента / В. Демтредер ; пер. с англ. под ред. И. И. Собельмана. - Москва : Наука, 1985. - 608 с.Demtroder, W. Lazernaya spektroskopiya: osnovnye printsipy i tekhnika eksperimenta. [Laser spectroscopy: basic principles and experimental technique.] Sobelman, I.I., ed., Trans. from Engl. Moscow: Nauka, 1985, 608 p. (in Russian).Бёккер, Ю. Спектроскопия / Ю. Бёккер ; пер. с нем. Л. Н. Казанцевой ; под ред. А. А. Пупышева, М. В. Поляковой. - Москва : Техносфера, 2009. - 528 с.Becker, J. Spektroskopiya. [Spectroscopy.] Kazantseva, L.N., Trans. from German; Pupysheva, A.A., Polyakova, M.V., eds. Moscow: Tekhnosfera, 2009, 528 p. (in Russian).Смит, А. Прикладная ИК-спектроскопия: основы, техника, аналитическое применение / А. Смит ; пер. с англ. Б. Н. Тарасевича ; под ред. А. А. Мальцева. - Москва : Мир, 1982. - 328 с.Smith, А. Prikladnaya IK-spektroskopiya: osnovy, tekhnika, analiticheskoe primenenie. [Applied IR-spectroscopy: basics, technique, and analytical application.] Tarasevich, B.N., Trans. from Engl.; Maltsev, A.A., ed. Moscow: Mir, 1982, 328 p. (in Russian).Варавка, В. Н. Закономерности износа стали при воздействии дискретного водно-капельного потока. Часть 1. Начальная стадия каплеударной эрозии / В. Н. Варавка, О. В. Кудряков // Трение и износ. - 2015. - Т. 36, № 1. - С. 89-99.Varavka, V.N., Kudryakov, O.V. Zakonomernosti iznosa stali pri vozdeystvii diskretnogo vodno-kapel'nogo potoka. Chast' 1. Nachal'naya stadiya kapleudarnoy erozii. [Regularities of steel wear under the impact of discreet waterdroplet stream. Part I: Initial stage of droplet-impingement erosion.] Journal of Friction and Wear, 2015. — vol. 36, iss. 1, pp. 71–79 (in Russian).Варавка, В. Н. Закономерности износа стали при воздействии дискретного водно-капельного потока. Часть 2. Стадия развитой каплеударной эрозии / В. Н. Варавка, О. В. Кудряков // Трение и износ. - 2015. - Т. 36, № 2. - С. 201-212.Varavka, V.N., Kudryakov, O.V. Zakonomernosti iznosa stali pri vozdeystvii diskretnogo vodno-kapel'nogo potoka. Chast' 2. Stadiya razvitoy kapleudarnoy erozii. [Regularities of steel wear under the impact of discreet water-droplet stream. Part II: Stage of the developed droplet-impingement erosion.] Journal of Friction and Wear, 2015, vol. 36, iss. 2, pp. 153-162 (in Russian).Кудряков, О. В. Механизмы и закономерности деградации поверхности стали на стадиях развитой каплеударной эрозии / О. В. Кудряков, В. Н. Варавка // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2015. - № 2. - С. 100-112.Kudryakov, O.V., Varavka, V.N. Mekhanizmy i zakonomernosti degradatsii poverkhnosti stali na stadiyakh razvitoy kapleudarnoy erozii. [Mechanisms and laws of steel surface degradation during the stages of developed droplet erosion.] J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2015, vol. 9, iss. 1, pp. 203–214 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.