Водородное изнашивание

Так, воздействие электрического тока подтверждается повышением содержания водорода на катодных участках наводороженных образцов, а также при нанесении электролитических покрытий на детали.

Очевидно, напряженность  образующихся при деформировании локальных магнитных полей зависит от химического состава, структуры, температуры, характера нагружения и деформирования материалов и многих других факторов. Некоторые легирующие элементы, довольно широко применяемые в магнитных сплавах для изготовления сильных постоянных магнитов, и в структуре высокопрочных конструкционных сталей (наиболее склонных к водородной хрупкости и чувствительных к наводороживанию) могут создавать локальные достаточно мощные магнитные центры, влияющие на поведение, диффузию и распределение водорода в объеме металла. При этом изменение магнитного состояния материалов сопровождается дополнительными внутренними напряжениями, вызываемыми различной по величине и направлению магнитострикцией легирующих элементов (например никеля), и в случае многократных циклических колебаний полей в процессе работы происходит зарождение усталостных микротрещин и развитие их в сплошные трещины.

При трении деталей магнитное  состояние поверхностного слоя определяется структурой материала и характером ударно-динамического нагружения и деформирования материала в зоне контакта на вершинах микронеровностей.

Следует отметить, что образующиеся при трении на поверхности деталей окислы железа Fe₂O₃, Fe₃O₄, кремнистое железо FeSi и другие соединения обладают сильными магнитными свойствами. В условиях кратковременного взаимодействия микронеровностей циклически с большой скоростью изменяются направление, величина и градиент напряженности локальных магнитных полей. Это приводит к сложным явлениям аномального намагничивания, когда верхние слои образцов достигают размагниченного состояния гораздо раньше глубинных, а иногда оказываются намагниченными в направлении, противоположном направлению вектора напряженности внешнего поля и направлению намагниченности глубинных слоев.

Скорость химических реакций  примесей с водородом и полимеризации  их продуктов определяют продолжительность инкубационного периода выделения кристаллов и выдержки образцов под напряжением до разрушения. Очевидно, чем больше деформация и деформационные напряжения, тем больше появляется дефектов структуры и тем интенсивнее в них химические реакции элементов примесей, тем меньше продолжительность выдержки образцов до разрушения. Естественно, с увеличением количества примесей также сокращается продолжительность выдержки образцов до разрушения. Вследствие недостатка времени для химического взаимодействия примесей при высокоскоростном деформировании образцов механические характеристики материалов оказываются выше, чем при медленном нагружении.

Исследованиями Ю.С. Симакова, А.А. Полякова и других авторов установлено  явление полимеризации мономеров  и деструкции полимеров, вызываемое облучением электронным потоком, возникающим при разрушении твердых тел.

Процессы окисления водорода по механизму цепной реакции сгорания водород-кислородных смесей (локального теплового взрыва) наиболее интенсивно протекают в поверхностном, насыщенном кислородом слое деформируемых и трущихся деталей и образцов, и могут определять катастрофическую скорость водородного изнашивания и заедания, а также аварийного хрупкого или вязкого разрушения образцов и деталей. Высокие температуры и давления в микронесплошностях при молизации и окислении водорода вызывают развитие микротрещин, пластическое деформирование и увеличение объема микродефектов, которые принимают сферическую форму.

Процессы взаимодействия и изнашивания трущихся деталей  сопровождаются «тепловым взрывом» и возникновением импульсов высокого давления газов и высокой температуры на поверхности контакта. Поэтому экспериментально измеряемая температура контакта оказывается выше теоретической, рассчитываемой по формулам, которые учитывают исключительно физические процессы и не учитывают химические.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Сущность водородного  изнашивания и его механизм.

 

Водородное изнашивание  как один из видов износа поверхностей при трении установлен всего 35 лет назад.

Водородное изнашивание  возникает в результате кооперативного (синергетического) взаимодействия поверхностных  явлений: экзоэмиссии, адсорбции и трибодеструкции, которые приводят к выделению водорода. Совместно с неравновесными процессами, идущими при деформации поверхностного слоя металла, создаются тепловые градиенты, электрические и магнитные поля и поля напряжений. Это приводит к диффузии водорода в металл, концентрации его в подповерхностном слое и ускоренному износу или разрушению этого слоя.

Массовое образование  дефектов в деформируемом слое также  усиливает концентрацию водорода, его  молизацию и разрушение металла.

Существует ряд особенностей взаимодействия водорода со сталью, связанных с характером внешнего воздействия и двумя формами существования водорода в металле.

Первая – диффузионно-активная форма – водород в виде иона растворен в решетке металла и вторая – молекулярная форма, здесь водород находится в молекулярном состоянии в дефектах кристаллической решетки.

Диффузионно-активная форма  при растворении достигает равновесного значения концентрации для данных температур, напряжений, электрических и магнитных  полей. Эта форма обратима и не влияет на хрупкость стали.

Молекулярная форма оказывает  охрупчивающее действие на сталь и некоторые другие металлы. Переход от растворенной формы к молекулярной зависит от дефектности стали, температуры и особенно сильно от процесса деформирования.

Предельная концентрация молекулярной формы зависит от дефектности  металла и может достигать пороговой концентрации, вызывающей разрушение.

В зависимости от характера  внешнего воздействия возникает  то или иное соотношение между  двумя формами состояния водорода:

- в первом случае коррозионного  воздействия происходит постепенный  необратимый переход растворенного  в равновесной концентрации водорода  в сегрегированную (молекулярную) форму;

- во втором случае, когда  происходит механическое воздействие  на конструкцию, водород под  действием градиента напряжений  концентрируется в зоне максимальных  напряжений, где переходит в молекулярную  форму и вызывает разрушение;

- в третьем случае, когда  имеется трение и на поверхности,  возникают градиенты температур, напряжений, электрические и магнитные  поля, происходит образование в  поверхностном слое сверхравновесной концентрации водорода, выделившегося (при трении же) из адсорбированной воды, смазки, топлива, пластмассы. Переход из сверхравновесной концентрации в растворенном состоянии в условиях деформирования в молекулярную форму может совершаться почти мгновенно благодаря динамике образования дефектов.

Водородный износ, иначе  его можно назвать как эффект самоорганизации разрушения поверхностного слоя, состоит в сочетании существенной неравновесности процессов при трении с их кооперативным действием. Кооперативность проявляется в том, что выделение водорода при трении сочетается в совместном действии факторов, способствующих его поглощению поверхностным слоем и разрушению этого слоя. Таким образом, неравновесность процессов приводит к неравновесной концентрации водорода и как следствие – к разрушению.

В ряде случаев действие водорода при трении определяет срок службы

трущейся детали. Обнаружение  среди действующих при трении фактора водорода, влияющего на износ, существенно изменило представление о природе трения и износа. Тепловые, электрические и магнитные явления при трении, управляющие концентрацией водорода, оказались способны управлять износом. Выяснилась их связь с износом, обусловленная водородом, ранее неизвестная. Так, например, явление экзоэлектронной эмиссии оказалось средством выделения водорода из воды, адсорбированной на поверхности трения, или, например, электрическое поле, возникающее при трении пластмассы, может быть решающим фактором наводороживания сопряженной с ней в паре трения сталью и т.д. Изучение этих явлений вызвало разработку средств борьбы с водородным изнашиванием.

Среди факторов, влияющих на износ при трении, наводороживание является превалирующим, особенно для деталей, работающих во влажном климате. В этом случае водородное изнашивание преобладает над другими видами изнашивания.

Соотношение между водородным изнашиванием и собственно износом  при граничной смазке было бы велико, если бы не адсорбция ПАВ, вытесняющих водород с поверхности. ПАВ содержатся в ряде масел и смазок; они также могут образовываться в процессе трибодеструкции на контакте. Торможение процесса проникновения водорода в сталь может осуществляться покрытием активных участков поверхности слоем нейтральных молекул, например оксида.

Влияние водорода на износ  зависит от ряда факторов и в первую очередь от индивидуальных свойств  защитных покрытий. В случае, например, воздействия паров воды, разлагающихся  на контакте, разрушительное действие водорода усиливается линейно с ростом концентрации паров воды на поверхности трения.

Максимум адсорбции водорода на железе находится в зоне 70...100°С, когда начинается десорбция ряда компонентов смазки, которая /TT1 1 заканчивается около 120°С.

Водород же продолжает адсорбироваться  до 400°С и более. Поэтому необходимые для проникновения в сталь водорода свободные адсорбционные центры при температуре ниже критической оказываются большей частью занятыми, и водород проникает лишь в небольшом количестве. В процессе десорбции смазки водород получает возможность занять большее число адсорбционных центров и поступает в поверхностный слой в значительно больших количествах. Концентрация его в стали быстро возрастает до сверх равновесной. Одновременно растет количество дефектов при деформировании и ускоряется переход водорода в молизованную форму. Повторение циклов трения вызывает эффект накачки, продолжающийся до тех пор, пока внутреннее давление не вызовет разрушение стали по всем развивающимся и соединившимся трещинам.

Область проявления водородного  износа обширна. Практически все  трущиеся поверхности стальных и чугунных деталей содержат повышенное количество водорода и, следовательно, имеют повышенный износ. Наличие в воздухе паров воды создает благоприятные условия для водородного изнашивания, не говоря уже о разложении в зоне контакта смазки, топлива или пластмассы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. История открытия водородного изнашивания.

 

При анализе причин одной  из аварий самолета А.А. Поляковым и Д.Н. Гаркуновым было обнаружено явление переноса материала стального ротора топливного насоса на бронзовый золотник.

В связи с таким неординарным случаем переноса металлов появилось предположение, что это могло произойти в результате действия водорода. Но не было прямых этому подтверждений. Но самое главное, такое предположение противоречило установившемуся мнению о том, что само трение является процессом обезводороживания. Считалось, что максимальная температура при трении находится на поверхности и водород, имеющийся в детали, будет двигаться в сторону высокой температуры и затем десорбироваться с поверхности. На этом был основан процесс обезводороживания, восстанавливающий механические свойства стальных деталей после их хромирования. Хромированные трущиеся детали, например цилиндры авиационных поршневых двигателей, не подвергали обезводороживанию, так как считали, что такое обезводороживание произойдет в процессе их работы.

Было твердо установлено, что передача тепла происходит по нормали от мест с большей температурой к местам меньшей температуры. Наибольший перепад температуры происходит в направлении нормали к площади, образованной единичным выступом.

Только в последние  годы теоретически А.В. Кудинов, а затем  экспериментально В.Я. Матюшенко, Г.П. Шпеньков и Д.Н. Гаркунов установили, что при тяжелых режимах трения максимальная температура образуется на некоторой глубине от поверхности трения. Это создает условия, при которых водород, если он будет адсорбирован на поверхности детали, под действием температурного градиента диффундирует в глубь поверхности, там концентрируется, вызывает охрупчивание поверхностных слоев и усиливает изнашивание.

Таким образом установлено, что трение может не только обезводородить поверхность детали (обезводороживание происходит при легких режимах трения, например при полировании); при тяжелых же режимах трения максимальные температуры образуются под поверхностью трения (на некоторой глубине), что будет способствовать продвижению водорода с поверхности в глубь металла.

В случае циклического трения, например при взаимодействии колеса с рельсом, будет происходить своеобразная накачка водородом контактирующихся поверхностей деталей.

 

 

 

 

 

 

 

5. Отличия водородного изнашивания от водородного

охрупчивания.

 

Водородное изнашивание  не имеет общих черт с водородным охрупчиванием стали ни по источникам наводороживания, ни по интенсивности и характеру распределения водорода в стали, ни по характеру разрушения. Водородное изнашивание связано только с процессом трения и обусловлено трением. Для него характерны высокая локальная концентрация водорода в поверхностном слое стали, возникающая из-за больших градиентов температуры и напряжений при трении, которые обусловливают накопление водорода и особый характер роста трещин, приводящий к сплошному разрушению слоя стали.