Д.т.н. Сошко А.И., к.т.н. Сошко В.А.

Херсонский национальный технический университет

Особенности поведения водорода в зоне резания в присутствии активной среды

Согласно предложенной гипотезы [1], которая легла в основу разработки способа термомеханохимической обработки металлов (ТМХО), образование активных форм водорода в зоне резания происходит в результате развала молекул специальных присадок на основе высокомолекулярных соединений, которые предварительно вводятся в технологическую жидкость (СОТС), применяемую для охлаждения нагретых поверхностей режущего инструмента и снижения трения между трущимися поверхностями.

В качестве присадок к СОТС широкое применение находят полиэтилен (ПЭ) и поливинилхлорид (ПВХ), на основе которых разработаны новые составы СОТС, обладающие высокой эффективностью [2].

Известно, что водород, введенный в металл изменяет не только его прочность, но и целый ряд других физических свойств.

Следует отметить, что здесь ключевым является вопрос о переносе водорода в зону пластически деформируемого металла.

Трудно представить, как водород, скорость диффузии которого в железе всего 10^-6 – 10^-7 см³/см² сек [3], успевает «войти» в пластически деформируемую область материала перед растущей в процессе резания трещиной со скоростью 10³ – 10⁶ с^-1 и более.

В то же время экспериментально неоднократно подтверждалось, что при резании металла в полимерсодержащей СОТС водород всегда содержится в стружке и обработанной поверхности.

Массоперенос водорода из газовой фазы к поверхности обрабатываемого материала.

Имеются все основания полагать, что в рассматриваемой системе направление и скорость переноса H⁺ из газовой фазы к поверхности будет зависить не только от атомной структуры данного материала и величины электрического потенциала. При подлете протона к поверхности заметную роль в его массопереносе через поверхность начинают играть структурная неоднородность, различные микро- и макропустоты, неравномерность в распределении напряжений, дислокации, вакансии и другие дефекты кристаллической решетки. Все эти особенности, обычно в той или иной степени свойственные любому реальному металлическому кристаллу, изменяют интенсивность, напряженность и направленность электрических полей, создаваемых атомами металла. Поэтому, создаваемое отдельным атомом или группой атомов различная интенсивность силового поля, будет по разному влиять на притяжение протона при его приближении к поверхности металла [4].

На общем анодном фоне поверхности имеются и катодные включения (карбиды, глинозём, кремнозём, графит, другие неметаллические включения), которые выталкивают из газовой фазы Н^- в направлении инструмента, обладающего положительным объёмным зарядом.

В силу этого происходит пространственное разделение поверхности металла (её мозаичность) на анодные и катодные участки, которые притягивают или отталкивают электрически заряженные частицы водорода.

Переход протона через поверхность

Как отмечалось протон водорода перемещается транскристаллически по всей решетке и по всему объему металла. Вместе с тем, не следует ожидать, что на гетерогенной поверхности скорость перехода протона через нее будет равнозначна на всех ее участках. Такой разноскоростной переход обусловлен не только потому, что поверхность дифференцирована на катодные (примесь) и анодные (железо) участки и предоставляет собой систему микрогальванических элементов. Но и поэтому, что она характеризуется большой структурной неоднородностью.

Следует полагать, что и участки поверхности металла будут неравноценны в отношении легкости перехода в объем деформируемого материала.

Наиболее легкий переход будет осуществляться в тех местах, где имеются дефекты структуры, «уступы», на которых ослаблена связь некоторых атомов с соседями по кристаллической решетке. Считается, что таких активных мест 10⁸ – 10¹² на каждом квадратном сантиметре поверхности, что составляет от 10^-7 до 10^-3 от общего количества поверхностных атомов. Такие участки поверхности имеют более отрицательный электрический заряд, чем остальная поверхность обрабатываемого материала [5, 6].

Поэтому, хотя «вход» водорода осуществляется по всей поверхности метала, имеющего отрицательный объёмный заряд, все же с бльшей скоростью водород будет проходить более активные участки поверхности.

Известно, что в месте встречи, имеющих различную ориентацию кристаллов, возникает граница зерен – некоторая область, в которой изменяется ориентация кристаллов. В зависимости от угла между направлениями ориентации кристаллов ширина границы может изменяться от единиц до сотен межатомных расстояний [7]. Такие расстояния между границами зерен можно моделировать как независимо работающие щели. На поверхности такой щели, как и любой другой поверхности, образуется плотный слой из отрицательно заряженных частиц (электронов), который за счет концентрации электрического заряда будет влиять на вектор движения водорода к поверхности и скорость его «входа» в объем метала.

Следовательно, структурные несовершенства кристаллической решетки, неметаллические включения и другие дефекты материала, выходящие на его ювенильную поверхность в вершине трещины, создают мозаичность, состоящую из различных участков, обладающих разноименными электрическими зарядами. Такое физическое состояние поверхности обуславливает условия для поглощения в материал, имеющий объемный отрицательный заряд даже разноименно электрически заряженных частиц.

Электроперенос водорода

Согласно предложенной модели на диффундирующие в металл положительно заряженные частицы водорода действует внешняя сила – градиент электрического потенциала, вызывающего перемещение вдоль обрабатываемого материала свободных электронов, имеющих отрицательный заряд. Условия, которые создаются в рассматриваемой системе в области разрушения материала формируют специфический механизм перемещения в нем протонов, обусловленный взаимодействием электронов проводимости, перемещающихся с высокой скоростью, с положительно заряженными частицами водорода.

В этом случае электроны оказываются окруженными «облаком положительного заряда» (Н⁺), притягивающегося к электрону [8]. Результирующая величина этого положительного заряда превышает электронный заряд. Такой электрон вместе с окружающим его «облаком» имеет положительный заряд и будет притягиваться к другому электрону.

Поэтому, в данном случае осуществляется коллективное движение электрически заряженных частиц электронов и протонов со скоростью, приближающейся к скорости света. Увлечение протонов электронами проводимости настолько велико, что положительно заряженные ионы водорода движутся, как правило, в сторону анода, против поля, подобно частицам с отрицательным зарядом. Электроны, увлекая в своём движении протоны, будут на много порядков увеличивать их скорость перемещения. Таким образом перемещение водорода в металле является результатом его электропереноса и обычно называется эффектом «электронного ветра» [8].

Вместе с тем, несмотря на значительное различие в массах электрона и протона, скорость их перемещения по проводнику, при прочих равных условиях по порядку величин различаются незначительно. Например, если ускоряющую электрическую силу создает 90-вольтовая батарея, то скорость движения протона равна 1.31*10⁵ м/с, а электрона 5.6*10⁶ м/с [8]. Такая высокая скорость перемещения водорода обеспечивает его значительное опережение скорости растущей трещины металла при его механической обработке. Следовательно, в рассматриваемой системе водород всегда будет присутствовать в области материала перед кончиком растущей трещины, где происходит перестройка и разрыв сил межатомных связей.

Литература

1. 1. Сошко А.И., Сошко В.А. Смазочно-охлаждающие средства в механической обработке металлов. Изд. Олди-плюс, Херсон, 2008, ч.1, -388с.

2. Справочник. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием, под ред. Энтелиса С.Г. изд. Машиностроение, М. 1986, - 352с.

3. Галактионова Н.А., Водород в металлах, М., изд. Металлургия, 1967, - 293 с.

4. Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. Пер. с англ. М.: Наука, 1967,-524с.

5. Явойский В.И., Бабалин Г.И. Тр.научно-техн. Общества. ЧМ.,4, металлургиздат., 1955,-524с.

6. Красников А.И. Изд. ОТН АН СССР, 1946, №1, - 79с.

7. Рачинский С.З. сб. Строение вещества и спектроскопия, М. изд. АН СССР,1960, -277с

8. Фикс В.Б. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках. М., Изд. Наука, 1969,-289с.