книги из ГПНТБ / Немкевич, А. С. Конструирование и расчет печатающих механизмов-1

Рнс. 84. Распределение по глубине I образца стали IX18H9T остаточных тан­ генциальных напряжений (/), мнкротвердостн (2), изменений локального (Л) и общего'(4) электродных потенциалов

При заданном сочетании радиуса при вершине резца R и по­

дачи S высота неровностей обработанной поверхности оставалась постоянной и соответствовала 7-му классу чистоты.

Эпюры распределения остаточных тангенциальных напряже­ ний их по глубине поверхностного слоя образцов рассчитывали

по методу Н. Н. Давиденкова на основе непрерывного измерения деформации разрезного кольца в процессе послойного анодного травления. Сопоставляли средние значения по трем образцам.

При измерении остаточных напряжений непрерывно регистри­ ровали электродный потенциал самопишущим милливольтметром с усилителем.

Электролит составляли из 51% . серной кислоты, 47% ортофосфорной кислоты и 2% воды. Плотность анодного тока, соот­ ветствующая потенциалам области интенсивного растворения стали и равная 0,2 А/см2 (область транспассйвности), была выб­ рана по анодной потенциостатической кривой.

Результаты измерений приведены на рис. 84 и 85. Во всех случаях при каждом режиме обработки увеличение значений остаточных растягивающих или сжимающих напряжений неза­ висимо от их знака сопровождалось сдвигом электродных потен­ циалов в сторону отрицательных значений (типичные кривые рис. 84).

Вместе с тем сопоставление различных режимов показало существенное влияния скорости точения: режимы II и V имеют в максимуме близкие значения напряжений, но соответствующие сдвиги электродных потенциалов различаются более чем в три раза (рис. 86). Это различие несколько затухает с увеличением

190

расстояния от поверхности, что явно указывает на технологи­ ческую наследственность электрохимических свойств [134], обу­ словленных микроэлектрохимической гетерогенностью следа резца: при более скоростном резании уменьшается электрохимическая гетерогенность, а следовательно, снижается активность корро­ зионных микропар так, что поверхность в целом менее разблагораживается.

На рис. 85 приведена зависимость между величинами оста­ точных макронапряжений (в области между экстремальными значениями) и сдвига потенциала при различных'скоростях реза­ ния. Прц одинаковых значениях остаточных напряжений ско­ рость резания оказывает существенное влияние на потенциал. Как следовало ожидать, наблюдается симметрия в разблагораживании электродного потенциала при появлении напряжений сжа­ тия или растяжения, т. е. направление изменения потенциала не зависит от знака напряжений.

Повышение скорости резания, уменьшая микроэлектрохимическую гетерогенность, может не обеспечить достаточно низкого уровня остаточных напряжений, при котором снизилась бы меха­ ническая активация металла. Очевидно, в условиях одновремен­ ного проявления этих противоположно действующих факторов оптимальное в электрохимическом отношении состояние поверх­ ности может быть достигнуто при некоторой промежуточной скорости резания. Действительно, при режиме III разблагораживание электродного потенциала оказалось незначительным.

191

гетерогенность поверхности. Действительно, для каждого режима резания наблюдалась хорошая корреляция между электродным потенциалом и микротвердостью в зоне наклепа (статистическая обработка показала высокое значение коэффициента корреляции).

Величина наклепа является суммарным результатом пласти­ ческих микродеформаций, вызванных тепловым и силовым воз­ действием в зоне резания. Неоднородность распределения оста­ точных деформаций по глубине образца приводит к появлению остаточных тангенциальных напряжений. По данным рис. 84, глубина наклепа совпадает с зоной растягивающих напряжений. Это означает, что остаточные микродеформации служат перво­ причиной появления остаточных напряжений. Нижележащая зона остаточных сжимающих напряжений уравновешивает растя­ гивающие напряжения и, хотя она не содержит наклепанных участков, должна испытывать влияние наклепа, создавшего напряженное состояние, определяющее, в частности, микроэлектрохимическую гетерогенность. Величина сдвига электродного по­ тенциала может быть связана с величиной остаточных танген­ циальных напряжений по-разному в зависимости от характера сложно-напряженного состояния объемов металла в приповерх­ ностном слое, так как шаровая часть тензора напряжений, обусловливающая изменение потенциала, может иметь различные значения при одинаковой величине тангенциального напряжения. Поэтому характеристики наклепа в локальных объемах могут быть более определяющими факторами для электродного потенци­ ала, чем отдельные составляющие макронапряжений. Данные рис. 86 подтверждают зависимость между электродным потенциа­ лом и степенью наклепа для различных режимов резания.

Таким образом, в области активного растворения нержавею­ щая сталь после токарной обработки ведет себя аналогично кон­ струкционной стали и ее коррозионная стойкость определяется

192

которых развивается коррозионный процесс, активируемый де­ формацией металла.

Используя разложение энергии активации скорости коррозии в ряд Тэйлора по величине механического напряжения, в ра­ боте [136] произведен расчет характеристик распространения коррозионно-механической трещины в стекле на основе сопоставле­ ния скоростей растворения в вершине трещины и на гладкой поверхности, а в работе [137] этот метод использован для описа­ ния коррозионного растрескивания металлов, что вряд ли может считаться оправданным, поскольку наличие сопряженных анод­ ных и катодных реакций в металле обусловливает серьезное

реакции при определении скорости распространения коррозион­ ной трещины, так как она основана на предположении, что равно­ весные потенциалы металла в вершине трещины и на остальной поверхности равны, а электрохимическая гетерогенность внутри трещины отсутствует.

Электрохимические реакции контролируют скорость процесса коррозионно-механического воздействия среды, особенно в на­ чальный период роста трещины, когда происходит коррозионное растворение металла с образованием, например, поражений в виде питтингов [138]. Так в холоднодеформированных сталях типа 18-8, испытываемых в растворе MgCl2 при 154° С, образуются специфические туннели субмикроскопических размеров, которые располагаются вдоль плоскостей скольжения в направлении, соответствующем сидячим дислокациям Коттрелла—Ломера. Как указывается в работе [139], одной из стадий коррозионного ра­ стрескивания является «туннельная» коррозия на выходах сту­ пенек скольжения на поверхность. Наличие каналов (туннелей) распространяющихся в глубь металла, было показано при вы­ держке сплава Си— 25% Аи в 10%-ном растворе FeCl3, сплава Mg—7% А1 — в растворах NaCl с К 3Сг20 7, нержавеющей стали типа 301 в 42%-ном растворе MgCl2 при 140° С и алюминия в рас­ творе NaCl. Поперечный размер образующихся микрополостей обычно значительно меньше их гл\бины, что придает им капил­ лярные свойства, обусловливающие быстрое заполнение электро­ литом. Поэтому можно принять в качестве модели микрополости тонкий цилиндрический капилляр или тонкую щель прямоуголь­ ного сечения, внутренняя поверхность которых поляризуется коррозионными токами или от внешнего источника.

Распределение поляризации в капиллярной трубке

Распределение катодного процесса в' полости типа полубескоиечной трубки, поляризуемой расположенным у начала этой трубки анодом, изучал А. Н. Фрумкин [140] для случая

194

Фо — начальная-поляризация трубки, являющаяся величиной постоянной. i

Вследствие' капиллярности трубки в точке х = 0 образуется

мениск, кривизной которого можно пренебречь и считать гра­ ничащую с газом поверхность электролита совпадающей с пло­ скостью торца трубки. Поместим точечный источник тока (анод) Мощностью <7 на оси трубки вблизи межфазной границы х = О,

Внутренняя поверхность трубки (катод) будет поглощать гене­ рируемый ток и поляризоваться им так, чтобы обходу по контуру ABCDA (см. рис. 87) соответствовало уравнение для потенциалов

v (х , г) электролита, обусловленных токами / (х), и поляриза­ ции ф (х):

где Е — градиент э. д. с. в цепи контурного тока.

Очевидно, потенциалы электролита v (х , г), создаваемые то­

ками / (х), определяются с учетом зеркального отображения

(в точке х, г) сплошного изолированного бесконечного цилиндра

из материала с удельным сопротивлением р под воздействием источника тока, сосредоточенного на оси цилиндра в точке т и имеющего единичную мощность х. В случае источника единич­

где / 0 (rt) — модифицированная функция Бесселя нулевого по­

рядка; г — радиальная координата точки.

Выражая первое слагаемое через интегральное представление функции источника и удовлетворяя граничному условию о ра­ венстве тока, нормального к поверхности, нулю, находим

1 В случае капилляра бесконечной длины в этом выражении будет стоять функция j (т), зависящая от знака аргумента.

196

где 1г (г, t) — модифицированная функция Бесселя первого

порядка.

Подставляя выражение (248) в (246) и затем в (245), получаем интегро-дифференциальное уравнение:

в прилегающих к стенке трубки слоях электролита и определяю­ щийся аналогично функции 0 (х, г) с учетом отражения от гра­

Волнистой чертой обозначен образ функции, со — параметр преобразования.

Решение уравнения с использованием преобразования Фурье приводит к следующему изображению линейной плотности

тока / (со):

Точно вычислить / (х) из уравнения (252) через известные функции не удается. Поэтому используем приближенные методы.

Подынтегральное выражение для обратного преобразования быстро уменьшается с ростом со, и если R достаточно велико,

то определяющими основное значение интеграла становятся достаточно малые со. В этих условиях можно аппроксимировать [х (гео) как гео/2:

Р

197

может быть названо характери­ стической длиной (мера затухания процесса с увеличением расстоя­ ния).

ближенное решение, распространяющееся и на этот случай, получается из выражения (252), если отказавшись от линейной аппроксимации функции 1г (гео) заменить ее некоторой фикси­ рованной величиной / х (га0), где со0 варьируется из условия

наилучшего приближения. Такая замена допустима, тем более,

для некоторого значения со0, определяемого условием наилучшего приближения, находим аналогично соотношению (253):

со +

На рис. 88 приведены графики распределения j (х), получен­

ные по формулам (253) и (256) и свидетельствующие о существен­ ном различии между ними. Из этого следует необходимость про­ ведения расчетов по уточненной формуле (256), свободной от ограничений величины R. Найденное таким образом приближение

более высокого порядка имеет довольно громоздкий вид по сравне­ нию с формулой (253).

Однако преимущество формулы (253), состоящее в простоте и удобстве экспоненциальной формы решения, снижается из-за ограниченности ее для области больших поляризационных сопро­ тивлений R. Поэтому целесообразно получить компромиссное

решение, сохраняющее все преимущества решения по формуле (253),

198

но распространяющееся на широкую область значений R. Это

даст также возможность перейти к изучению трещин ограничен­ ной длины.

Применим к первому члену уравнения (245) преобразование Фурье и используем теорему о свертке:

где функция б (т — х, г) описывает взаимное влияние единичных элементов тока, зависящее от расстояния между ними т — х.

Обратный переход к оригиналу проведем с фиксированием пара­

такая операция фиксирования 0 (иу0, г) означает пренебрежение зависимостью функции 0 (т— х, г) от осевой координаты и, сле­

довательно, влиянием токов / (т) соседних элементов трубки друг на друга, причем сохраняется только влияние на потенциал точек среды v (х, г) со стороны радиально направленных токов

поляризации / (х), выражаемое уравнением (258). Здесь очевидны следующие соотношения:

где I (х) — полный осевой ток в электролите через поперечное

сечение трубки.

В таком приближении подразумевается эквипотенциальность электролита в поперечном сечении трубки. В самом деле при достаточно малых г, чтобы можно было принять допущение об эквипотенциальности сечения, имеем I x (<rt) rtl2, и тогда (250)

преобразуется так, что градиент э. д. с. оказывается равным градиенту потенциала вдоль оси трубки, создаваемому током q.

Наличие утечки приводит к появлению зависимости градиента потенциала от осевой координаты х через зависимость осевого тока в каждом элемента трубки от его положения на оси [вместо постоянной величины q имеем /(х )]. Здесь утечка сказывается

199