К проблеме водородного охрупчивания стали при каплеударной эрозии

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 эрозия, кавитация, диссоциация молекул воды, водородное охрупчивание стали, спектральный анализ, droplet impingement erosion, cavitation, dissociation of water molecules, hydrogen embrittlement of steel, spectrographic analysis

1. Varavka, 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.

2. 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.

3. 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.

4. Матюшенко, В. Я. Износостойкость наводороженных металлов / В. Я. Матюшенко // Исследование водородного износа. - Москва : Наука, 1977. - С. 24-27.

5. Маргулис, М. А. Основы звукохимии (химические реакции в акустических полях) / М. А. Маргулис. - Москва : Высшая школа, 1984. - 272 с.

6. 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.

7. 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).

8. 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.

9. 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.

10. Computational study of High-speed liquid droplet impact / K. K. Haller [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2002. - Vol. 92, № 5. - Р. 2821-2828.

11. Физические величины. Справочник / под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. - Москва : Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

12. 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.

13. Сущинский, М. М. Спектры комбинационного рассеяния молекул и кристаллов / М. М. Сущинский. - Москва : Наука, 1969. - 300 с.

14. Демтредер, В. Лазерная спектроскопия: основные принципы и техника эксперимента / В. Демтредер ; пер. с англ. под ред. И. И. Собельмана. - Москва : Наука, 1985. - 608 с.

15. Бёккер, Ю. Спектроскопия / Ю. Бёккер ; пер. с нем. Л. Н. Казанцевой ; под ред. А. А. Пупышева, М. В. Поляковой. - Москва : Техносфера, 2009. - 528 с.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.