Водородное изнашивание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………...……3

1. Влияние водорода на  физические и механические

свойства конструкционных  материалов……………………………...………….4

2. Влияние водорода на  долговечность и безотказность  деталей………...……7

3. Сущность водородного  изнашивания и его механизм……………………..11

4. История открытия водородного  изнашивания………………………….…..14

5. Отличия водородного  изнашивания от водородного охрупчивания…………………………………………………………………….15

6. Виды водородного изнашивания…………………………………………….17

7. Влияние влажности воздуха  на интенсивность

водородного изнашивания………………………………………………………19

8. Водородное изнашивание  при трении качения………………………….….21

9. Методы подавления водородного  изнашивания……………………………23

Заключение…………………………………………………………………..…..26

Список литературы………………………………………………………………27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Водородное изнашивание  – явление комплексное, обусловленное  малоизученными разнообразными и весьма интенсивными физико-химическими процессами выделения водорода и взаимодействия его с трущимися поверхностями деталей машин. Выделение водорода из смазки или твердого тела, диффузия его в структуру материала, охрупчивание и разрушение им поверхностного слоя происходят при трении. Под воздействием водорода поверхностный слой стальных деталей иногда разрушается, превращаясь в порошок.

Водородное изнашивание  – довольно трудно объяснимое явление на основе уже имеющихся теоретических концепций, ибо подобного разрушения никогда ранее не наблюдалось.

Поскольку при нормальных давлениях и температуре водород  не выделяется ни из смазки, ни из пластмассы, ни из воды, не выделяется и в первичных процессах трибодеструкции пластмассы или смазки, явление водородного износа представляется термодинамически маловероятным. Тем не менее, это возможно и определяющим элементом во всех этих процессах является трение.

Факторы, влияющие на скорость изнашивания и разрушения деталей, многочисленны, трудно учитываемы и  выявляемы. Поэтому существующие уравнения, учитывающие исключительно физические процессы в зоне контакта трущихся поверхностей, но не учитывающие химические взаимодействия, активированные трением, приводят к большим расхождениям между расчетными и экспериментальными данными.

Рассматриваемые явления  при трении и водородном изнашивании  находятся на стыке различных  областей науки и особенно таких  разветвлений химии, как электрохимия, органическая химия, катализ, химия полимеров и смазок, механохимия и др., хотя в целом явления трения и износа относятся к физике и механике. Замечательная особенность трения состоит в том, что оно объединяет механику и химию и является как бы мостом между макроскопическими и микроскопическими процессами, которые протекают по различным законам.

Комплексное изучение процессов  изнашивания значительно продвинулось вперед в связи с открытием явления избирательного переноса, снижающего износ деталей в десятки раз и обеспечивающего практически безызносность узлов машин, в основном, в результате самопроизвольного образования защитной металлической пленки в процессе трения.

 

 

 

 

 

 

1. Влияние водорода на физические и механические

свойства конструкционных  материалов

 

Водород (лат. Hydrogenium – вода и рождаю) – первый, наиболее легкий химический элемент Периодической системы Д.И.Менделеева. При нормальных условиях водород – газ. Атомная масса 1,0794±0,0007 (второе слагаемое учитывает колебания изотопного состава).

Природный водород состоит  из двух стабильных изотопов: протия 1Н  и

дейтерия 2Н (или Д), содержание последнего 1,1…1,6 ⋅10-3 ат.%. Известен также радиоактивный изотоп – тритий 3Н (Т).

Ядро атома протия –  протон. Атом водорода имеет один электрон, занимающий 1s1 – орбиталь. Степень окисления +1 (наиболее распространена), -1 – в гидридах.

При взаимодействии с различными реагентами водород в зависимости  от условий способен образовывать ковалентную (например SiH4), ионную (с щелочными и щелочноземельными металлами, NaH) или металлическую связи (в частности, твердые растворы водорода в металлах: железе, меди, хроме и их подгрупп, а также платиновой группе). Кроме того, различают и так называемые полимерные гидриды – соединения обычно металлов с водородом. Такие соединения водорода возникают у элементов подгрупп цинка и галлия, у алюминия, берилия и, возможно, у магния. Примером полимерного гидрида может служить (AlH3)х, где х – степень полимеризации.

Для хрома, кобальта, меди, железа и других характерно увеличение содержания водорода (растворимости водорода, см3/100 г металла). У титана, циркония при комнатной температуре водород  практически целиком превращается в соответствующий гидрид; при повышении температуры гидриды распадаются (также у палладия, ванадия и др.). Образование гидридов сопровождается, как правило, большим тепловым эффектом, т.е. поглощение водорода металлами в большинстве случаев есть процесс экзотермический.

Источниками водорода могут  быть все соединения органической и  неорганической природы. Основным источником водорода, поступающего в металл, является вода.

Вытеснять водород из молекулы воды способны в обычных условиях щелочные и щелочноземельные металлы, ряд металлов, стоящих в ряду напряжения левее водорода и имеющих нормальный электродный потенциал в растворе с отрицательным знаком. При этом потенциал самого водорода в ряду напряжений принят за нулевое значение. Водород выделяется также при реакции сплавов и гидридов с водой, при взаимодействии кислот с металлами. Электролиз водных растворов, высокие температуры и катализаторы могут приводить к возникновению водорода и при реакциях неметаллов с парами воды.

Поставщиками водорода служат также органические углеводороды, смазочные  материалы нефтяного происхождения, поверхностно-активные вещества, полимеры и другие жидкие и твердые вещества. Кроме того, водород входит в состав ряда газообразных продуктов сгорания дерева, угля, жидкого и газообразного топлива, низкомолекулярных соединений, возникающих при механо- и термодеструкции полимерных материалов, сероводород и иные водородсодержащие соединения. Наводороживание металлов может быть вызвано также воздействием кислот, щелочей, солей, некоторых газов, коррозией.

Источниками водорода служат и биологические объекты, содержащие белок (животный мир, растения).

Водород в металлах разделяют  на две группы: “биографический”, проникающий  в металл при получении и обработке, и эксплуатационный, попадающий в  процессе работы деталей.

Рис. 1. Возможные пути появления “биографического” водорода при получении стали или изделия

 

Количество, состояние и  распределение водорода в металлах в значительной степени зависит  от несовершенства кристаллической  структуры. Отклонения структуры реальных твердых тел (и металлов) от идеальной периодической кристаллической решетки обычно называют дефектами структуры, которые в гомогенных однофазных системах могут быть разных размеров и форм, типов и концентрации (нульмерные, одномерные, двумерные и трехмерные).

К нульмерным (точечным) дефектам, наиболее распространенным в реальных кристаллах, относят структурные несовершенства, соизмеримые с атомными размерами: вакансии, межузельные атомы, скопления точечных дефектов, примесные атомы (чужеродные или избыточные) и их ассоциации. Характер, концентрация, распределение дефектов зависят от условий кристаллизации, чистоты материала, внешних условий, температуры, ионизирующих облучений и других физических полей (электрических, магнитных, механических и их совокупности)

Одномерными или линейными дефектами являются дислокации различного типа (линейные, краевые, винтовые, промежуточные), цепочки точечных дефектов, которые характеризуются макроскопической протяженностью и малым поперечным сечением. Обычно дислокации возникают в процессе кристаллизации и их число растет с увеличением напряжений.

Двумерные или поверхностные дефекты – границы блоков мозаики, зерен, двойников, дефекты упаковки (изъятие или внедрение в кристалл избыточных атомных плоскостей), образующие поверхности кристаллов.

Трехмерные (объемные) дефекты представляют собой скопления вакансий, образующих поры, каналы, включения посторонней фазы, пузырьки газов, флокены, а также скопления примесей на дислокациях и в зонах роста.

Обычно в реальных твердых  телах существует весь набор дефектов, которые под влиянием внешних  воздействий могут взаимопревращаться и мигрировать по объему кристалла. Дефекты вызывают упругие искажения структуры и появление внутренних напряжений и сказываются на механических, электрических, тепловых, магнитных свойствах кристаллов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Влияние водорода на долговечность и безотказность деталей

 

С увеличением водорода в  металлах и сплавах обычно снижается  их пластичность, повышается хрупкость  и склонность к коррозионному  растрескиванию, что особенно опасно для изделий из высокопрочных  легированных сталей.

Такое хрупкое аварийное  разрушение болтов, шаровых пальцев  рулевого управления автомобилей и других деталей происходит после их восстановления размеров или декоративной обработки электролитическим хромированием, если в технологическом процессе не предусмотрена операция удаления водорода.

Снижение пластичности и  появление водородной хрупкости  металлов связано с искажением их кристаллической решетки при внедрении водорода в структуру металла, а также высоким давлением водорода, скапливающегося в дислокациях, порах, трещинах и зонах высоких растягивающих напряжений.

При трении деталей концентрация водорода в поверхностных слоях  увеличивается более чем в 10 раз, по сравнению с средней концентрацией "биографического" водорода в металле, что приводит иногда к необычным явлениям: интенсивному изнашиванию, мгновенному разрушению и переносу ("намазыванию") более твердых материалов пары трения на менее твердую (на мягкую) поверхность, например, стали на бронзу, чугунных дисков сцепления или тормозных барабанов на фрикционные пластмассовые материалы дисков сцепления или тормозных колодок. Установлено, что эти явления обусловлены процессами наводороживания стальных и чугунных поверхностей при трении. Влияние водорода, как ускорителя износа и разрушения деталей машин, наблюдается практически повсеместно в процессе работы различных сопряжений в углеводородных средах, при контакте с водой, при изменении влажности среды и температуры деталей.

Вредное влияние наводороживания весьма наглядно проявляется в хрупком разрушении деформированной изгибом стальной пластинки из углеродистой инструментальной или нержавеющей стали, которое в зависимости от величины деформации наступает уже через несколько минут после начала электролитического наводороживания, хотя в обычных комнатных условиях она может находиться в деформированном состоянии несколько месяцев и даже лет.

Столь же быстрое хрупкое  разрушение деформированной стальной пластинки происходит лишь после смачивания ее растянутой поверхности электролитом без пропускания электрического тока.

Охрупчивание и разрушение образцов и деталей, наводороживаемых при трении или электролитическим методом, обычно объясняются высоким давлением накапливающегося связанного молекулярного водорода в микронесплошностях, дефектных и напряженно-деформированных зонах структуры материала. Поэтому снижение прочности, пластичности и износостойкости наводороженных материалов определяется процессами поступления диффузионно-активного свободного водорода в атомарной или ионной, протонной форме, переходом его в связанное малоподвижное состояние в виде молекул, гидридов и других химических соединений.

Механизм наводороживания металлов основан на накапливании молизованного водорода на поверхности деталей, который диссоциируется на активный, свободный (атомарный, протонный). Этому способствует каталитическое действие чистой (ювенильной) металлической поверхности, образующейся при трении и циклических нагружениях и деформациях. Свободный водород адсорбируется матрицей металла и диффундирует через решетку в зону охрупчивания. В полостях и дефектах металла водород снова молизуется и находится в них под высоким давлением, а диффузия ("накачка") его в вершину трещины объясняется обычно циклическим раскрытием-закрытием ее при нагружениях. Связанный водород в металлах находится не только в молизованном состоянии, но и в виде гидридов и химических соединений. Диффузия и миграция свободного водорода (в атомарном, ионном состоянии, в протонной или анионной форме) изменяют концентрацию водорода в отдельных локальных объемах металла и вызывают охрупчивание и растрескивание.

В связи с тем, что свободный  водород находится в заряженном ионном состоянии, на его поведение  в металлах, очевидно, влияют температурный  градиент, электрический ток, внешнее  магнитное поле, а также локальные магнитные поля, образующиеся непосредственно в процессе еформирования

и нагружения материалов. Поэтому  движение ионов водорода подчиняется  законам движения заряженных частиц в магнитном и электрических полях.