Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням
Працю присвячено вирішенню актуальної задачі пояснення процесів, що перебігають у зоні контакту поверхнево-активних речовин змащувально-охолоджувальних технологічних середовищ (ЗОТС) з ювенільною поверхнею, а також розробці математичного моделю, що уможливлює оцінити величину зміни енергії деформува...
Saved in:
| Published in: | Металлофизика и новейшие технологии |
|---|---|
| Date: | 2017 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2017
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123472 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням / М.О. Курін, М.В. Сурду // Металлофизика и новейшие технологии. — 2017. — Т. 39, № 3. — С. 401-424. — Бібліогр.: 47 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-123472 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Курін, М.О. Сурду, М.В. 2017-09-05T17:06:51Z 2017-09-05T17:06:51Z 2017 Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням / М.О. Курін, М.В. Сурду // Металлофизика и новейшие технологии. — 2017. — Т. 39, № 3. — С. 401-424. — Бібліогр.: 47 назв. — укр. 1024-1809 DOI: 10.15407/mfint.39.03.0401 PACS: 46.55.+d, 61.72.Bb, 61.72.Lk, 61.72.S-, 68.43.Bc, 81.40.Lm, 81.40.Pq https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123472 Працю присвячено вирішенню актуальної задачі пояснення процесів, що перебігають у зоні контакту поверхнево-активних речовин змащувально-охолоджувальних технологічних середовищ (ЗОТС) з ювенільною поверхнею, а також розробці математичного моделю, що уможливлює оцінити величину зміни енергії деформування в результаті адсорбції. Работа посвящена решению актуальной задачи объяснения процессов, протекающих в зоне контакта поверхностно-активных веществ смазывающе-охлаждающих технологических сред (СОТС) с ювенильной поверхностью, а также разработке математической модели, позволяющей оценить величину изменения энергии деформирования в результате адсорбции. This work is dedicated to solution of actual problem of explaining processes taking place in the contact zone between the cutting fluid and the juvenile surface. This one is also dedicated to development of a mathematical model allowing estimating the changes of deformation energy due to adsorption. uk Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Металлофизика и новейшие технологии Физика прочности и пластичности Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням Концепция механизма и кинетики влияния механохимических процессов на обработку резанием The Concept of the Mechanism and Kinetics of Influence of Mechanochemical Processes on Edge Cutting Machining Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням |
| spellingShingle |
Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням Курін, М.О. Сурду, М.В. Физика прочности и пластичности |
| title_short |
Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням |
| title_full |
Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням |
| title_fullStr |
Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням |
| title_full_unstemmed |
Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням |
| title_sort |
концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням |
| author |
Курін, М.О. Сурду, М.В. |
| author_facet |
Курін, М.О. Сурду, М.В. |
| topic |
Физика прочности и пластичности |
| topic_facet |
Физика прочности и пластичности |
| publishDate |
2017 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Металлофизика и новейшие технологии |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Концепция механизма и кинетики влияния механохимических процессов на обработку резанием The Concept of the Mechanism and Kinetics of Influence of Mechanochemical Processes on Edge Cutting Machining |
| description |
Працю присвячено вирішенню актуальної задачі пояснення процесів, що перебігають у зоні контакту поверхнево-активних речовин змащувально-охолоджувальних технологічних середовищ (ЗОТС) з ювенільною поверхнею, а також розробці математичного моделю, що уможливлює оцінити величину зміни енергії деформування в результаті адсорбції.
Работа посвящена решению актуальной задачи объяснения процессов, протекающих в зоне контакта поверхностно-активных веществ смазывающе-охлаждающих технологических сред (СОТС) с ювенильной поверхностью, а также разработке математической модели, позволяющей оценить величину изменения энергии деформирования в результате адсорбции.
This work is dedicated to solution of actual problem of explaining processes taking place in the contact zone between the cutting fluid and the juvenile surface. This one is also dedicated to development of a mathematical model allowing estimating the changes of deformation energy due to adsorption.
|
| issn |
1024-1809 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123472 |
| citation_txt |
Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних процесів на оброблення різанням / М.О. Курін, М.В. Сурду // Металлофизика и новейшие технологии. — 2017. — Т. 39, № 3. — С. 401-424. — Бібліогр.: 47 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT kurínmo koncepcíâmehanízmutakínetikivplivumehanohemíčnihprocesívnaobroblennârízannâm AT surdumv koncepcíâmehanízmutakínetikivplivumehanohemíčnihprocesívnaobroblennârízannâm AT kurínmo koncepciâmehanizmaikinetikivliâniâmehanohimičeskihprocessovnaobrabotkurezaniem AT surdumv koncepciâmehanizmaikinetikivliâniâmehanohimičeskihprocessovnaobrabotkurezaniem AT kurínmo theconceptofthemechanismandkineticsofinfluenceofmechanochemicalprocessesonedgecuttingmachining AT surdumv theconceptofthemechanismandkineticsofinfluenceofmechanochemicalprocessesonedgecuttingmachining |
| first_indexed |
2025-11-25T23:07:39Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:07:39Z |
| _version_ |
1850578614407397376 |
| fulltext |
PACS numbers: 46.55.+d, 61.72.Bb, 61.72.Lk, 61.72.S-, 68.43.Bc, 81.40.Lm, 81.40.Pq
Концепція механізму та кінетики впливу механохемічних
процесів на оброблення різанням
М. О. Курін, М. В. Сурду
Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського
«Харківський авіаційний інститут»,
вул. Чкалова, 17,
61070 Харків, Україна
Працю присвячено вирішенню актуальної задачі пояснення процесів, що
перебігають у зоні контакту поверхнево-активних речовин змащувально-
охолоджувальних технологічних середовищ (ЗОТС) з ювенільною повер-
хнею, а також розробці математичного моделю, що уможливлює оцінити
величину зміни енергії деформування в результаті адсорбції. Представле-
но міркування стосовно причин зменшення роботи різання металів та
енергії пластичної деформації за присутности ЗОТС. Висловлено припу-
щення, що основною причиною є гідрування металу в процесі технологіч-
ної операції, а сам водень чинить найзначніший вплив на характер руй-
нування поверхневого шару деталів, розподіляючись, як і решта поверх-
нево-активних речовин (ПАР), нерівномірно — накопичуючись у паст-
ках. Встановлено, що вільний водень у металі знаходиться в йонізовано-
му стані, а його поведінка підкоряється законам руху зарядженої частин-
ки. З використанням електро-дислокаційної аналогії, заснованої на поді-
бності дислокації Вольтерри циліндричному конденсатору, сформульова-
но феноменологічний модель взаємодії ПАР ЗОТС з ювенільною поверх-
нею. Одержано залежності, котрі уможливлюють зв’язати електричну
природу ядра дислокації з механічними характеристиками матеріялу. На
підставі теорії дисоціятивної адсорбції прийнято залежність для розраху-
нку кількости молекул середовища, які надходять в одиницю часу до
Corresponding author: Maksym Oleksandrovych Kurin
E-mail: maksimkurin83@gmail.com
National Aerospace University ‘Kharkiv Aviation Institute’,
17 Chkalov Str., 61070 Kharkiv, Ukraine
Please cite this article as: M. O. Kurin and M. V. Surdu, The Concept of the Mechanism
and Kinetics of Influence of Mechanochemical Processes on Edge Cutting Machining,
Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39, No. 3: 401–424 (2017) (in Russian),
DOI: 10.15407/mfint.39.03.0401.
Металлоôиç. новейøие теõнол. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol.
2017, т. 39, № 3, сс. 401–424 / DOI: 10.15407/mfint.39.03.0401
Оттиски доступнû непосредственно от издателя
Ôотокопирование разрешено только
в соответствии с лицензией
2017 ÈМÔ (Èнститут металлофизики
им. Ã. В. Курдюмова НАН Óкраинû)
Напечатано в Óкраине.
401
402 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
ювенільних ділянок поверхні, утворюваних при дисперґуванні оброблю-
ваного металу в одиницю часу. Це уможливило розробити математичні
моделі для розрахунку співвідношення роботи деформування елементу
поверхневого шару оброблюваного матеріялу з адатомами та ювенільної
поверхні, а також густини дислокацій.
Ключові слова: адсорбція, дислокація, гідрування, електро-дислокаційна
аналогія, сольватований електрон, енергія Ôермі, ювенільна поверхня,
робота деформування.
This work is dedicated to solution of actual problem of explaining processes
taking place in the contact zone between the cutting fluid and the juvenile
surface. This one is also dedicated to development of a mathematical model
allowing estimating the changes of deformation energy due to adsorption.
The arguments are presented concerning the reasons for reducing work metal
cutting and plastic deformation energy in the presence of cutting fluid. As
hypothesized, the main reason is the process of hydrogenation of metal dur-
ing processing, and the hydrogen itself has the most significant effect on the
nature of the destruction of the surface layer of parts, being distributed, as
other surfactant, unevenly by means of the accumulation in traps. As found,
the free hydrogen in the metal is ionized, and its behaviour is subject to the
laws of motion of a charged particle. The phenomenological model of the in-
teraction between the cutting fluid and the juvenile surface are formulated
using the electro-dislocation analogy based on similarity of Volterra disloca-
tion and cylindrical condenser. It has the dependences, which allow connect-
ing the electrical nature of the dislocation core with the mechanical charac-
teristics of the material. On the basis theory of dissociative adsorption, the
dependence is accepted for calculating the number of molecules of the medi-
um reaching per unit of time the juvenile surface portions formed by dispers-
ing the treated metal in a unit time. It allows the development of a mathemat-
ical model to calculate the ratio of the work of deformation of elements both
the surface layer of treated material with adatoms and the juvenile surface as
well as the dislocation density.
Key words: adsorption, dislocation, hydrogenation, electro-dislocation anal-
ogy, solvated electron, Fermi energy, juvenile surface, deformation energy.
Работа посвящена решению актуальной задачи объяснения процессов,
протекающих в зоне контакта поверхностно-активнûх веществ смазûва-
юще-охлаждающих технологических сред (СОТС) с ювенильной поверх-
ностью, а также разработке математической модели, позволяющей оце-
нить величину изменения энергии деформирования в результате адсорб-
ции. Представленû рассуждения о причинах уменьшения работû резания
металлов и энергии пластической деформации в присутствии СОТС. Вû-
сказано предположение, что основной причиной является наводорожива-
ние металла в процессе технологической операции, а сам водород оказû-
вает наиболее значительное влияние на характер разрушения поверх-
ностного слоя деталей, распределяясь, как и прочие поверхностно-
активнûе вещества (ПАВ), неравномерно — накапливаясь в ловушках.
Óстановлено, что свободнûй водород в металле находится в ионизирован-
ном состоянии, и его поведение подчиняется законам движения заряжен-
КОНЦЕПЦІЯ ВПЛÈВÓ МЕХАНОХЕМІЧНÈХ ПРОЦЕСІВ НА ОБРОБЛЕННЯ 403
ной частицû. С использованием электро-дислокационной аналогии, осно-
ванной на подобии дислокации Вольтеррû цилиндрическому конденсато-
ру, сформулирована феноменологическая модель взаимодействия ПАВ
СОТС с ювенильной поверхностью. Полученû зависимости, которûе поз-
воляют связать электрическую природу ядра дислокации с механически-
ми характеристиками материала. На основании теории диссоциативной
адсорбции принята зависимость для расчёта количества молекул средû,
поступающих в единицу времени к ювенильнûм участкам поверхности,
образуемûм при диспергировании обрабатûваемого металла в единицу
времени. Это позволило разработать математические модели для расчёта
соотношения работû деформирования элемента поверхностного слоя об-
рабатûваемого материла с адатомами и ювенильной поверхности, а также
плотности дислокаций.
Ключевые слова: адсорбция, дислокация, наводороживание, электро-
дислокационная аналогия, сольватированнûй электрон, энергия Ôерми,
ювенильная поверхность, работа деформирования.
(Отримано 27 січня 2017 р.; після доопрацювання — 28 лютого 2017 р.)
1. ВСТУП
Застосування корозійностійких, високо- і жароміцних матеріялів
та стопів для виготовлення найвідповідальніших деталів у маши-
нобудуванні нерозривно сполучене з розвитком методів їх високоп-
родуктивного оброблення. Одним із шляхів підвищення ефектив-
ности обробки різанням важкооброблюваних матеріялів є направ-
лена активація ефектів дії компонентів змащувально-охо-
лоджувальних технологічних середовищ (ЗОТС) у зоні різання. Ро-
зуміння та вичерпне пояснення всього комплексу явищ і процесів,
що перебігають на межі взаємодії ювенільної поверхні оброблюва-
ного матеріялу з поверхнево-активними речовинами (ПАР) ЗОТС,
можливе лише на стику таких наук, як фізична та колоїдна хемія,
трибологія, спінова мікрохемія тощо, а також фізики міцности,
пластичности та теорії дислокацій, що є одними з фундаменталь-
них розділів фізики твердого тіла та фізичного металознавства. Ро-
зкриття фізичної суті явищ, а також розробка математичних моде-
лей найважливіших аспектів дії компонентів ЗОТС на зону різання
є міждисциплінарною проблемою, яка має важливе прикладне зна-
чення в області механічної оброблення важкооброблюваних матері-
ялів.
2. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМИ
Ó роботі [1] зазначено, що проблема інтенсифікації оброблення рі-
занням важкооброблюваних матеріялів сполучена з рішенням цілої
404 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
низки задач, серед яких найзначущими є створення математичних
моделів найважливіших аспектів дії середовища та методів актива-
ції ефектів дії середовища на процеси механічного оброблення.
Раніше у працях [1–4] викладено гіпотези, що уможливлюють
пояснити адсорбційне пониження міцности внаслідок «внутріш-
ньодислокаційної адсорбції» поверхнево-активних атомів контакт-
ного середовища, що приводить до нейтралізації електричного за-
ряду порожнини ядра, а саме ядро вважати при цьому утвореним
кластеризацією електронів і носіїв позитивного заряду. Таким чи-
ном, виникає необхідність у створенні математичного моделю, що
описує процес взаємодії поверхнево активних йонів або атомів
ЗОТС із порожнинами ядер дислокацій.
3. ВИРІШЕННЯ ПРОБЛЕМИ
3.1. Центри адсорбції
Як відомо, центрами адсорбції на ювенільній поверхні є місця по-
рушення реґулярности кристалічної ґратниці (структурних недос-
коналостей), до яких можна віднести межі зерен, ядра дислокацій,
вакансії, атоми заміщення і втілення тощо. Саме на таких «паст-
ках» адсорбуються молекули поверхнево-активних речовин ЗОТС.
Серед усього різноманіття ЗОТС найбільшу тенденцію до адсорбції
виявляють полярні речовини, молекули котрих мають електрич-
ний дипольний момент. Разом з тим, і деякі оливи, що складаються
з повнонасичених рядів CnH2n або CnH2n+2 з неполярними інертними
молекулами, можуть утворювати на металічній поверхні тонку плі-
вку з орієнтованих по нормалі до поверхні вуглеводневих молекул
[5], що пояснюється їх поляризацією електричним полем поверхні
металу. Однією з основних причин зменшення роботи різання ме-
талів та енергії пластичної деформації у присутності ЗОТС, за всіма
ознаками, є гідрування металу в процесі технологічної операції [5].
Дійсно, водень більшою чи меншою мірою взаємодіє практично з
усіма металами [6] та чинить найзначніший вплив на характер їх
руйнування, розподіляючись, як і решта ПАР, нерівномірно — на-
копичуючись у пастках [7, 8]. Джерелами водню при різанні мо-
жуть бути сполуки як органічної, так і неорганічної природи, голо-
вною з яких є вода. Причиною гідрування поверхні металу в проце-
сі оброблення є синергетична дія таких поверхневих явищ як екзо-
електронна емісія, трибодеструкція й адсорбція, котрі приводять до
послідовного розкладу молекул води, вуглеводнів, інших поверхне-
во-активних речовин, а також до виділення водню з наступним його
поглинанням металічною поверхнею [5, 9, 10]. Окрім того, деякі
хемічні елементи та їх сполуки, що входять до ЗОТС, можуть спри-
яти дифузії водню в метал (наприклад, Сульфур, Стибій, Арсен, а
КОНЦЕПЦІЯ ВПЛÈВÓ МЕХАНОХЕМІЧНÈХ ПРОЦЕСІВ НА ОБРОБЛЕННЯ 405
також їх сполуки). Ãідрування металів практично завжди призво-
дить до водневої крихкости, для пояснення котрої були розроблені
різні механізми й теорії [11]. Різноманітність феноменології про-
явів водневої крихкости, за всіма ознаками, пов’язана з тим, що во-
день у метал-водневих системах може знаходитись у різних станах
[11, 12]: протона H
+, атома, молекули, йона H
−. Можлива також ад-
сорбція водню на поверхні мікронесуцільностей і частинках інших
фаз, концентрація в мікропорах і колекторах (блістерінґ) та інше
[12–16]. В цілому, щодо зарядового стану водню в металах немає
єдиної думки, і це питання донині залишається предметом дискусій
[15–17]. Поруч с цим, більшість дослідників вважають, що водень
знаходиться в металі як заряджений йон — протон, можливе також
існування гідрид-йона H−
у гідридних зв’язках із леґувальними
елементами матриці; водночас, згідно з Ю. А. Хрустальовим, во-
день у металі повністю не йонізується [18].
Досить детально етапи адсорбції водню викладені у роботі [9], де
автори пояснюють наявність у металі молекулярного водню, як на-
слідок перетворення протонів у атоми з наступною їх молізацією.
На підставі представленого моделю адсорбції можна зробити висно-
вок, що водень проникає в метал переважно у вигляді протона [9],
це також підтверджується експериментальними даними ряду авто-
рів [5, 9]. Óзагальнюючи все вище сказане, можна припустити, що
вільний водень у металі знаходиться в йонізованому стані, а його
поведінка підкоряється законам руху зарядженої частинки, що уз-
годжується з даними праць [5, 7]. Крім цього, йонізований стан во-
дню в металі добре пояснює підвищену його концентрацію поблизу
ядер дислокацій, котрі подібні до електричного диполя. Дійсно,
якщо розглянути крайову дислокацію, то можна відзначити, що
вище краю екстраплощини міжатомові віддалі менші нормальних,
а нижче — більші, отже, вище краю знаходиться зона стиску, а ни-
жче — розтягу. Згідно з даними праці [9] електрони провідности
дрейфують із області стиску в зону розтягу, таким чином, зона сти-
ску набуває позитивного заряду, а зона розтягу — неґативного. В
цьому випадку для одержання наочної картини розподілу умовного
електричного заряду ядра, наприклад, крайової дислокації (рис. 1)
достатньо застосувати інверсію до відомого графічного зображення
контурів постійних напруг [19, 20]. Точніша картина розподілу за-
ряду можлива за умови визначення інтеґральної (вислідної) напру-
ги з використанням функції Ері або принципу суперпозиції.
3.2. Електро-дислокаційна аналогія
Розглянемо дислокацію Вольтерри. Якщо врахувати, що централь-
на порожнина такого ядра циліндру має заряд, то такий дислока-
ційний модель можна зрівняти з циліндричним конденсатором. За-
406 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
стосувавши принцип подібности, ми можемо представити енергію
дислокації як енергію зарядженого циліндричного конденсатора.
Як відомо з курсу загальної фізики, енергію зарядженого цилін-
дричного конденсатора можна визначити за формулою:
=
πε
2
0 0
1
ln ,
4
R
W q
l r
(1)
де q — модуль заряду конденсатора, Кл, ε0 = 8,854⋅10−12
— електри-
чна стала, Ô/м, l — висота циліндричного конденсатора, м, R і r0 —
радіюси зовнішнього та внутрішнього порожнистих коаксіяльних
циліндрів відповідно, м.
Ó цьому випадку енергія дислокації буде пропорційна квадрату
заряду ядра. На користь висловленого припущення можна навести
наступні міркування. Відомо, що для утворення нової поверхні не-
обхідно здійснити роботу проти сил когезії, яка запасається в повер-
хневому шарі у вигляді надлишкової енергії (якщо процес ізотермі-
чний). Згідно зі Щукіним [21], такі величини, як внутрішній тиск,
модуль пружности, питома енергія сублімації та інші, є нанорівне-
вими характеристиками взаємодій між молекулами і являють собою
ніщо інше, як сили зчеплення, а також мають одну й ту ж природу.
В основі цих сил — взаємодія ефективних електричних зарядів,
близьких за порядком величин до заряду електрона e і таких, що
Рис. 1. Ãрафічне зображення контурів умовних зарядів навколо ядра дис-
локації.
Fig. 1. Graphic representation of contours of conditional charges around the
dislocation nucleus.
КОНЦЕПЦІЯ ВПЛÈВÓ МЕХАНОХЕМІЧНÈХ ПРОЦЕСІВ НА ОБРОБЛЕННЯ 407
знаходяться на віддалях порядку міжатомових. Таким чином, згід-
но зі Щукіним, енергія когезії може бути представлена у вигляді:
= γ ≈
πε
2
к 3
0
2 ,
4
q
W
b
(2)
де γ — питома вільна поверхнева енергія, Дж/м2, q — ефективний
заряд частинок, Кл, b — віддаль між частинками, сумірна з міжа-
томною (міжмолекулярною), м.
Як відомо, потенціяльна енергія утворення циліндричної повер-
хні одиниці довжини дислокації визначається за формулою:
= π γ2 ,A r b (3)
де b — період кристалічної ґратниці, м.
Виразивши з рівняння (2) значення питомої поверхневої енергії
та підставивши його у рівняння (3), одержимо:
=
ε
2
2
0
.
4
q r
A
b
(4)
Зіставляючи вирази (1) і (4) можна відзначити, що обидві енергії
пропорційні квадрату заряду, що утворює ядро.
Енергія пружно-пластичних сил утворення дислокації визнача-
ється залежностями:
=
π − ν
2
0
ln
4 (1 )
Gb R
E L
r
(крайова дислокація),
=
π
2
0
ln
4
Gb R
E L
r
(ґвинтова дислокація), (5)
де G — модуль зсуву, Па, ν — Пуассонів коефіцієнт, b — модуль ве-
ктора Бюрґерса, м, L — довжина дислокації, м, r0 — радіюс ядра
дислокації, м, R — радіюс коаксіяльного циліндра з порожниною
ядра дислокації (для одиничної дислокації обмежений відстанню до
вільної поверхні), м.
Прирівнявши праві частини виразів (1) і (5) та виразивши зна-
чення заряду, одержимо:
ε
=
− ν
0
(1 )
G
q Lb (крайова дислокація),
= ε0q Lb G (ґвинтова дислокація). (6)
Одержані таким чином залежності (6) уможливлюють зв’язати
408 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
воєдино електричну природу ядра дислокації з механічними харак-
теристиками матеріялу, в котрому утворено розглядуваний тополо-
гічний дефект. Із виразів (6) випливають такі наслідки: енергія
дислокацій, з огляду на кратність заряду ядра елементарному заря-
ду електрона, квантується; варіюванням заряду ядер дислокацій
можна керувати процесами зародження, розвитку й анігіляції їх
ансамблів, а, отже, й міцністю твердого тіла; величина заряду ядра
прямо пропорційна довжині дислокації й залежить від здатности
матеріялу сприймати пружню деформацію; поле пружніх механіч-
них напруг навколо дислокації є еквівалентом заряду ядра.
Ці наслідки лише підтверджують міркування, викладені в праці
[1], а також дослідження інших авторів [22–24]. З практичної точ-
ки зору становить інтерес можливість розрахунку зміни енергії
пластичного деформування та границі міцности матеріялу в проце-
сі оброблення у результаті дії конкретних марок ЗОТС на активну
зону. Рішення цієї задачі, що має важливе прикладне значення,
можливе на основі методики визначення кінетики механохемічних
реакцій в умовах контактної зони [2].
Для опису механохемічних реакцій, що протікають у контактній
зоні при механічному обробленні, скористаємося кінетичною схе-
мою за Бутягіним [25] та введемо наступні допущення [26]:
- стружкоутворення оброблюваного металу супроводжується ви-
никненням ювенільних ділянок поверхні, котрі складаються з
площі Sю поверхні розділу «оброблюваний метал–середовище» та
площі Sя поверхні порожнини ядер дислокацій, що ґенеруються
при розвитку пластичних деформацій;
- зародження дислокації починається з поверхні поділу «тверде
тіло–середовище» та супроводжується утворенням елементарної
сходинки нової поверхні та циліндричної поверхні порожнини ядра
дислокації з радіюсом r0, що визначається, наприклад, за формулою
22
0 2 2 2
0
,
8 (1 ) 2
Qb
r
a
Σµ
= +
π γ − ν π γε
де µ — модуль зсуву, Па, b — модуль вектора Бюрґерса, м, γ — пи-
тома поверхнева енергія твердого тіла, Дж/м2, QΣ — сумарний за-
ряд дислокації, Кл, a — період кристалічної ґратниці, м;
- активні центри адсорбції локалізовані на ювенільних ділянках
поверхні;
- швидкість утворення центрів пропорційна швидкості утворен-
ня площі Sю ювенільної поверхні розділу «оброблюваний метал–
середовище» та швидкості утворення площі Sя поверхні порожнис-
тих ядер дислокацій, при цьому число центрів на одиниці нової по-
верхні постійне для даного твердого тіла;
- всі центри енергетично рівноцінні, а процеси за їх участю мож-
КОНЦЕПЦІЯ ВПЛÈВÓ МЕХАНОХЕМІЧНÈХ ПРОЦЕСІВ НА ОБРОБЛЕННЯ 409
на описати в межах моделю однорідної поверхні;
- елементарний акт адсорбції відбувається при співударі молеку-
ли газоподібного середовища з ювенільною поверхнею оброблюва-
ного металу, а число молекул, що адсорбуються за одиницю часу на
одиниці поверхні, пропорційне числу співударів молекул середо-
вища з плоскою поверхнею, котре згідно з [27]:
=
π
ад ,
2 B
p
n
Mk T
де p — тиск газоподібного середовища, Па, M — маса молекули, кг,
T — температура, К, kB = 1,38045⋅10−23
— Больцманнова стала,
Дж/К;
- атоми, що адсорбуються на циліндричній поверхні порожнис-
тих ядер дислокацій, що ґенеруються, захоплюються з поверхні ро-
зділу «тверде тіло–середовище» у момент ґенерації (переважно
ґвинтових) дислокацій, тому площа потоку адсорбції дорівнює
площі Sю ювенільної поверхні розділу «оброблюваний метал–
середовище»;
- процес самовільної загибелі центрів, що характеризується ча-
сом їх життя τ0, ототожнюється з релаксацією надлишкової енергії
розкривної ювенільної поверхні;
- активні короткоживучі центри у вакуумі гинуть самовільно, а в
хемічно активних середовищах їх загибель супроводжується взає-
модією з молекулами або атомами, що адсорбуються;
- будемо вважати, що процес різання металу стаціонарний, тобто
величина швидкости утворення центрів адсорбції постійна.
Для складання кінетичного рівняння зміни кількости центрів
адсорбції при дисперґуванні металів використаємо теорію дисоція-
тивної адсорбції [27], згідно з якою густина потоку молекул має ви-
гляд
α
= − ξθ −
π
2exp ,
2
ξ
BB
p Q
J
k TMk T
де αξ — ймовірність хемічної реакції при співударі, ξ — коефіцієнт
пропорційности, θ — істинне (або поточне) значення ступеня пок-
риття поверхні речовиною, що адсорбується, Q — енергія активації
процесу десорбції, кал/моль.
Кількість молекул середовища τ
ад ( )N , яка надходить в одиницю
часу до ювенільних ділянок поверхні, котрі утворюються при дис-
перґуванні оброблюваного металу в одиницю часу, буде
α
τ
= = − ξθ −
π
2
ад ю ю( ) ,exp
2
ξ
ÂÂ
N JS S
p Q
k TMk T
(7)
410 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
де
юS — швидкість утворення площі ювенільної поверхні, м
2/с.
Для обчислення загальної довжини дислокацій в об’ємі, що де-
формується (рис. 2), яка необхідна для визначення заряду, можна
скористатися залежністю
= ρ∫ю
0
( ) ,
t
L S ξ dξ (8)
де ρ(ξ) — густина дислокацій на поточній глибині (закон зміни гус-
тини з глибиною), м
−2, t — глибина поверхневого шару, м.
Приймемо допущення, що в межах товщини хемосорбційного
шару густина дислокацій залишається постійною, тоді молекули
середовища є джерелами адатомів та йонів, котрі адсорбуються на
поверхні порожнистих ядер, утворюючи просторово-локалізовані
зв’язки, що зменшують і/або нейтралізують електричний заряд яд-
ра. Заряд ядра елементу об’єму поверхневого шару з площею повер-
хні Sю може бути визначений за формулами (6).
Відомо, що робота деформування визначається площею поверхні
та питомою поверхневою енергією, згідно з залежністю [28]
= γД .A F
Але питома поверхнева енергія пропорційна квадрату ефектив-
них електричних зарядів (2). Таким чином, співвідношення роботи
деформування елементу з адатомами Aад та ювенільної поверхні Aю
можна виразити формулою
< > − Σ
=
< >
2
ад
2
ю
( ( ))
,R
A q q N
A q
(9)
де <q> — середньостатистичний заряд дислокацій у зрізуваному
шарі, q(ΣNR) — сумарний заряд адсорбованих йонів.
Кількість йонів, що беруть участь в нейтралізації зарядів ядер
Рис. 2. Елемент об’єму, що деформується.
Fig. 2. Element of deformable volume.
КОНЦЕПЦІЯ ВПЛÈВÓ МЕХАНОХЕМІЧНÈХ ПРОЦЕСІВ НА ОБРОБЛЕННЯ 411
дислокацій, буде набагато меншою за кількість молекул середови-
ща, які надійшли до ювенільної поверхні за певний проміжок часу
(NR << Nад), оскільки лише частина молекул, зазнаючи сильного
збудження при контакті з металом, перейдуть в інший поляризова-
ний стан з наступною дисоціяцією на окремі фраґменти. Отже, ли-
ше обмежена кількість новоутворених, а також від самого початку
існуючих у середовищі йонів, візьмуть участь в обміні електронами
з атомами металу, реалізуючи локалізовану хемічну взаємодію з
ядрами дислокацій. Частина йонів і молекул середовища, які за-
лишилися і не взяли участь у хемосорбційній взаємодії з ядрами
дислокацій, будуть адсорбуватися на поверхні з утворенням по-
двійного електричного шару.
Як бачимо, знаючи інтегральний заряд адатомів, що надходять в
одиницю часу до ювенільної поверхні, можна оцінити величину
зменшення енергії деформування в результаті адсорбції. Вихідною
величиною, необхідною для визначення заряду, є густина дислока-
цій. Цей параметер можна визначити на основі законів механізму
деформаційного зміцнення або скориставшись рівнянням виду [28]:
χρ = ρ − ρ − + ρmax 0 упр 0( ) ( )(1 / ) ,h ξ h (10)
де ρ0 — густина дислокацій вихідного стану, м
−2, ρmax — густина
дислокацій верхнього поверхневого шару деталю, м
−2, χ — показ-
ник зміцнення, ξ — глибина поверхневого шару (поточна коорди-
ната), м, hупр — товщина зміненого шару, м.
Є різні моделі механізму деформаційного зміцнення, розроблені
Тейлором, Зегером, Кульманом-Вільсдорф, Басинським та ін. Най-
точніше характер зв’язку між напругою плинности та деформацією
описує Тейлорова теорія, що підтверджується експериментальними
даними для більшости стопів на основі заліза, нікелю, титану та ін-
ших металів [29]. На основі цієї теорії Старковим одержано залеж-
ність напруги плинности матеріялу від густини дислокацій
0,2( ) ( ) / 2 .Gbσ ε = σ + ρ π (11)
Ліва частина рівняння (11) представляє собою формалізовану фор-
му кривої зміцнення, а права частина є ніщо інше як рівняння
плинности матеріялу в залежності від поточного значення густини
дислокацій, тобто від ступеню зміцнення (наклепу) матеріялу.
Згідно з енергетичною теорією пластичности перехід від пруж-
нього стану до пластичного відбувається у випадку, коли інтенсив-
ність напруг досягає границі плинности матеріялу, тобто коли ви-
конується умова
σi = σT.
412 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
Погляд з цього боку на рівняння (11) дозволяє висловити припу-
щення, що ліва частина рівняння представляє ніщо інше, як інтен-
сивність напруг. Дійсно, якщо покласти ρ = 0, що можливо у випад-
ку відсутности лінійних дефектів та джерел утворення нових дис-
локацій і, як наслідок, зміцнення у процесі деформування, то оде-
ржимо залежність σi = σ0,2, що характерно для ідеально пластичного
тіла [30]. Інтенсивність напруг для різних середовищ, що деформу-
ються, представляє складну математичну залежність від інтенсив-
ностей деформацій, швидкостей деформацій, температури тощо.
Згідно з Ю. М. Алексєєвим [30], інтенсивність напруг можна роз-
глядати як простішу залежність функції однієї змінної — інтенси-
вности деформацій:
σ = σ .n
i Ò ie (12)
Подібного виду залежністю добре апроксимуються криві зміц-
нення, побудовані за результатами випробувань матеріялу на стис-
нення термічно оброблених, вуглецевих, леґованих, конструкцій-
них та інструментальних сталей, більшости високолеґованих ста-
лей, алюмінійових і титанових стопів, а також інших матеріялів
[31, 32]. Прирівнявши праві частини рівнянь (11) і (12) та перейшо-
вши до однієї з двох границь плинности (фізичної або умовної), піс-
ля перетворень одержимо формулу для густини дислокацій
π ρ = σ −
2
0,2
2
( 1)n
T iеGb
.
3.3. Адсорбція води на металічній поверхні
Вивчення адсорбції води на металічній поверхні становить великий
практичний інтерес в сучасній науці і техніці як для дослідження
впливу цього явища на процеси, що протікають у поверхневому
шарі металу, так і для встановлення характеру взаємодії базової
основи водяних ЗОТС на зону різання.
Розглянемо взаємодію води з механічною поверхнею з точки зору
розроблюваної гіпотези внутрішньодислокаційної адсорбції. Кон-
такт молекул води з металами, так чи інакше, приводить до виді-
лення водню [33], що пояснюється наявністю за T > 0 К вільних
електронів, здатних до емісії. Відомо, що електрони зазнають соль-
ватації у всіх рідинах [33], а особливо у полярних. Це сприяє змен-
шенню роботи виходу і в остаточному підсумку приводить до того,
що частина електронів з енергіями W = P
2/(2m), які перевищують
енергію Ôермі, буде переходити у зовнішнє середовище.
Ó зоні сольватованого електрона вода розпадається на наступні
частинки: H, H3O
+, OH−, OH, H2, eад та ін.; крім того, від самого по-
КОНЦЕПЦІЯ ВПЛÈВÓ МЕХАНОХЕМІЧНÈХ ПРОЦЕСІВ НА ОБРОБЛЕННЯ 413
чатку у дистильованій воді містяться йони H
+
та OH−, концентрація
котрих визначається водневим показником pH. Як буде показано
нижче, водневий показник не чинить впливу на реакційну здат-
ність гідратованого електрона, у достатньо широкому діяпазоні
значень. На наш погляд, слід розглянути вплив водневого показни-
ка на адсорбцію йонів Ãідроґену детальніше. Отож, процес переходу
електрона з металу в розчин, згідно з принципом Ôранка–Кондона,
можливий тільки за рівности енергій електрона в металі та в атомі
Ãідроґену [33]. Два можливих механізми переходу електрона в роз-
чин детально викладені у праці [33], де автор виділив домінуючий,
найімовірніший механізм, суть котрого зводиться до наступного.
Серед Максвеллових електронів, завжди присутніх за T > 0 К, знай-
дуться такі, енергія котрих дорівнює енергії електрона в середньос-
татистичному атомі Ãідроґену, і наскільки більшою мірою енергія в
середньостатистичному атомі Ãідроґену буде відрізнятися від енер-
гії Ôермі, настільки меншою буде кількість електронів, здатних
вступити у реакцію.
Таким чином, якщо кількість реакційноздатних електронів буде
набагато меншою за кількість середньостатистичних протонів, то
швидкість реакції не буде залежати від pH, що й спостерігається на
практиці. Найімовірніше, з цієї ж причини у не дуже концентрова-
них розчинах сильних кислот до 0,1 M, що не містять сторонніх
електролітів, перенапруга водню не залежить від концентрації кис-
лоти, тобто від pH [34], а швидкість такого процесу як корозія залі-
за не залежить від pH [35] у середній області pH 4–9.
Відносно характеру адсорбції води на металічній поверхні немає
єдиної думки [36]. Ó більшості праць вказується на можливість
протікання адсорбції трьох типів у залежності від природи металу,
а також характеру поверхні: дисоціятивної, молекулярної, зміша-
ної. Разом з тим, авторами для більшости металів установлена ене-
ргетична перевага дисоціятивної адсорбції порівняно з молекуляр-
ною на основі термодинамічної оцінки. Випадки спостереження
виключно молекулярної адсорбції на поверхні металів можна пояс-
нити, за всіма ознаками, малою концентрацією електронів, що на-
ходяться у збуджених станах, та чистотою проведення експеримен-
ту. Самі ж автори пояснюють молекулярну адсорбцію існуванням
енергетичного бар’єру дисоціяції. Ó випадку таких металів як Fe,
Ti, Mo, W, Cr, котрі застосовуються для виготовлення важкооброб-
люваних сталей та стопів, встановлено, що адсорбція води відбува-
ється у дисоціятивній формі, а для Ni являє собою пограничний ви-
падок і є предметом дискусії.
Контакт води з металічною поверхнею приводить до виділення
водню з подальшою його йонізацією в потенціяльному полі металу
та, в підсумку, закінчується утворенням гідрид-йонів (H
−) або про-
тонів (H
+), що погоджується з вище викладеними міркуваннями та
414 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
даними праці [37].
Наявність поблизу межі поділу «метал–вода» різноманітних йо-
нів та інших частинок викликає труднощі опису всього комплексу
процесів та хемічних реакцій, тому в першому наближенні ми ви-
користовуємо прості феноменологічні уявлення.
Оскільки адсорбція йонів Ãідроґену є основною причиною змен-
шення міцности поверхневого шару металу, зупинімося на деталь-
ному розгляді виключно цього явища, прийнявши низку припу-
щень: нехтуємо рекомбінацією йонів; вважаємо, що кожний елект-
рон з енергією W ≥ WF сольватується і бере участь в утворенні одно-
го йона Ãідроґену.
За температури металу T > 0 К електронами буде заповнена час-
тина станів з енергіями W ≥ WF (більше енергії Ôермі) з імовірніс-
тю, описуваною розподілом Ôермі–Дірака.
Концентрацію електронів ∆n, що знаходяться у збуджених ста-
нах з енергіями WF + 2kBT ≥ W ≥ WF, можна визначити, скористав-
шись залежністю [38–41]:
µ+
µ
∆ = ρ∫
2
( ) ( ) ,
Bk T
n W f W dW (13)
де ρ(W) — густина станів, f(W) — функція розподілу Ôермі–Дірака.
За низьких температур kBT << WF межа заповнення енергетичних
станів розмивається симетрично відносно значень f(µ) = 1/2 на ве-
личину ±2kBT. При цьому µ практично збігається з WF. Таким чи-
ном, вираз (13) набуде наступного вигляду:
+ ρ −
∆ = − = ρ
∫
2
( ) 1
1 ( ) .
2 2 2
F B
F
W k T
F F
F B
BW
W W W
n dW W k T
k T
(14)
Ó кінцевому підсумку одержимо
∆ =
π
3/2
0
2 3
21
,
2 F B
m
n W k T
де m0 = 9,109⋅10−31
— маса електрона, кг,
−= ⋅
341,054 10 — Планко-
ва стала, Дж⋅с.
Енергію Ôермі металу основи стопу можна визначити з довідни-
кових даних або скориставшись формулою
2
2 2/3
0
0
(3 ) ,
2
FW n
m
= π
де n0 — концентрація вільних електронів, м
−3.
Концентрація електронів n0 визначається на підставі властивос-
тей атома та густини речовини за формулою [42–44]:
КОНЦЕПЦІЯ ВПЛÈВÓ МЕХАНОХЕМІЧНÈХ ПРОЦЕСІВ НА ОБРОБЛЕННЯ 415
ρ
=0 A ,
z
n N
A
де z — кількість електронів на зовнішньому рівні металу, A — від-
носна атомна маса металу, г/моль, ρ — густина металу, г/м
3, NA —
число Авоґадро, моль−1.
Для підтвердження вищевикладених міркувань розглянемо про-
цедуру визначення ступеня активности йонів середовища (в нашо-
му випадку, йонів гідроксонію [H3O
+] або, в спрощеному випадку,
Ãідроґену [H
+]). Як відомо, для оцінки активности найчастіше ви-
користовують водневий показник pH, а коефіцієнти активности
йонів H+
у розчинах можна визначити на основі теорії Дебая–
Ãюккеля [45].
Для чистої води за 25°C нейтральний pH = 7, але зміна температу-
ри впливає на йонний добуток, а отже, і значення нейтрального pH.
З метою дотримання строгости у математичних обчисленнях, кон-
центрацію йонів Ãідроґену визначимо через йонний добуток води
Kw, який є функцією температури. Існує достатня кількість емпіри-
чних залежностей для визначення шуканої величини, скористає-
мось однією з формул Ã. Харнеда та Б. Оуена, наведених у праці [46]:
= − − +lg ( ) 6013,79/ 23,6521lg 64,7013.wK T T T (15)
З використанням формули (15) легко визначити = − lg .wpH K
Оскільки коефіцієнт активности для недисоційованих молекул у
випадку нескінченно розведених розчинів f = 1, то можна прийня-
ти, що активність йонів буде дорівнювати фактичній концентрації
+ +=
H H
( ),a C таким чином, концентрація йонів Ãідроґену H
+
(прото-
нів) у чистій нейтральній воді обчислюється за формулою
+ =
H
.wa K
Розглянемо конкретний приклад.
Скориставшись рівнянням, оцінимо зміну роботи деформування
елементу з адатомами порівняно з ювенільною поверхнею при кру-
глому врізному шліфуванні виробу зі сталі (G = 8⋅1010
Па, модуль
вектора Бюрґерса приймемо рівним періоду кристалічної ґратниці
заліза b = 2,27⋅10−10
м) діяметром d = 0,06 м за наступних режимів
шліфування: швидкість шліфування Vк = 35 м/с, лінійна швидкість
колового обертання деталю Vд = 0,65 м/с, радіяльна подача на врі-
зання Sп = 2⋅10−5
м/с, середня товщина стружки, що знімається рі-
зальним зерном за один прохід az = 4,45⋅10−6
м, абразивний круг ПП
600×40×305 24А40НСМ15К1 [4]. Знехтуємо десорбцією та розгля-
немо варіянт, коли θ ≅ 0, а αχ = 1. Будемо вважати, що в контактній
зоні здійснюється охолодження водяною парою M(H2O) = 2,99⋅10−26
416 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
кг при тискові p = 101325 Па. Середня температура контактної зони
T ≅ 400 К. Енергія активації десорбції хемосорбованих молекул се-
редовища [4] Q = 570 кДж/моль. Середня початкова густина дисло-
кацій ρ0 = 2,71⋅1012
м
−2, а максимальна — ρmax = 7,9⋅1015
м
−2, χ = 1,45,
α = 1,0, τ = 2,86⋅10−3
с (час τ вибраний з умови утворення хемосорб-
ційного моношару на ювенільній поверхні).
Визначимо відсотковий вміст йонів H
+
у водяній парі контактної
зони за кімнатної температури 25°C (298,15 К). Знайдемо йонний
добуток води, скориставшись формулою (15):
6013,79
lg ( ) 23,6521lg(298,15) 64,7013 14.
298,15wK T = − − + ≅ − (16)
Послідовно потенціюючи (16) та добуваючи корінь, одержимо
концентрацію йонів:
+
7
H
10 моль л.a −=
Знайдемо густину водяної пари:
2
3
H O
101325 18
736,128 г/м .
8,31 298,15
pM
RT
⋅
= = =
⋅
ρ
Перейдемо до масової частки (відсоткової концентрації)
−
−⋅ ⋅ ⋅
= = = ⋅
ρ
ω
2
7
6
H O
1000 1 10 18 1000
2,446 10
736,128
МC M
;
отже, у водяній парі вміст йонів H
+
не перевищує 0,0002446%.
Для того щоб можна було скористатися запропонованою методи-
кою розрахунку, необхідно виразити площу ювенільної поверхні
Sю, котра розкривається різальними абразивними зернами за про-
міжок часу τ через значення режимних параметрів:
−
− −
−
π ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
= τ = ⋅ ⋅ = ⋅
⋅
5
3 4 2п
ю 6
2 2 3,14 0,06 2 10 0,04
2,86 10 1,938 10 [м ].
4,45 10z
dS Â
S
a
Проміжну величину з розмірністю погонної густини та кількісно
рівну довжині дислокацій в елементарному циліндричному стовп-
чику висотою az, обмеженому зверху і знизу одиничними площин-
ками, вирахуємо, використовуючи залежності (8) та (10). Після ма-
тематичних перетворень, пропустивши тут і далі за текстом громіз-
дкі вираховування, одержимо
( )χ
−
ρ − ρ − − + ρ = ρ + = ⋅
χ +∫
0 10 1
0
0
( ) ( ) ( )/
( ) 2,795 10 [м ].
1
za
m z z
z
a h h a h h
ξ dξ a
КОНЦЕПЦІЯ ВПЛÈВÓ МЕХАНОХЕМІЧНÈХ ПРОЦЕСІВ НА ОБРОБЛЕННЯ 417
Загальна довжина дислокацій у шарі стружки, що знімається,
згідно з залежністю (8):
−= ρ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅∫ 4 10 6
ю
0
( ) 1,938 10 2,795 10 5,417 10 [м].
za
L S ξ dξ
Визначаємо сумарний заряд ядер ґвинтових дислокацій за фор-
мулою (6):
− −= ε = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =
=
6 10 10 12
0 5,417 10 2,27 10 8 10 8,854 10
0,001035 [Кл].
q Lb G
Кількість йонів H
+, що надійшла до ювенільних ділянок поверхні
за проміжок часу τ, обчислимо за допомогою формули (7):
2
ад ю
26 23
4 6 3 15
1 101325
2 3,14 2,99 10 1,38 10
1,938 10 2,446 10 2,86 10 4,19 10 .
exp
2
0
400
ξ
BB
N
p Q
S
k TMk T
− −
− − −
= ωτ =
⋅
= ×
⋅ ⋅ ⋅
× ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ≅ ⋅
α
− ξθ −
π
−
⋅ ⋅ ⋅
Сумарний заряд йонів Ãідроґену:
−= = ⋅ ⋅ ⋅ =15 19
ад ад( ) 4,19 10 1,602 10 0,000671 [Кл].q N N e
Концентрація валентних електронів n0:
−ρ ⋅ ⋅
= = ⋅ ⋅ = ⋅
6
23 29 3
0 A
2 7,874 10
6,022 10 1,698 10 [м ].
55,845
z
n N
A
Визначаємо енергію Ôермі для заліза як основного елементу ме-
талічної матриці стопу
= π =
2
2 2/3
0
0
(3 ) 11,183 [эВ].
2FW n
m
Обчислюємо густину електронів у збуджених станах [м
−3]:
∆ = = ⋅
π
3/2
260
2 3
21
3,925 10 .
2 F B
m
n W k T
Для розрахунку кількости сольватованих електронів та йонів Ãі-
дроґену, а також їх сумарного заряду, необхідно знати граничну
товщину шару металу, який є донором Максвеллових електронів,
що відповідає глибині проникнення позитивного фону йонної ґрат-
418 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
ниці, утвореного електронними вакансіями.
Розглянемо поверхню металу. Якщо вісь z напрямлена по норма-
лі до поверхні у вакуум, то для Максвеллових електронів, завжди
присутніх у металі за T > 0 К, розподіл концентрації в області z > 0
буде мати вигляд [47] (рис. 3):
2
0( ) 1 ,
2
z
n z n
D
−
= +
(17)
де
2
0 0/( )BD k T e n= ε — довжина Дебайового екранування.
Оскільки межа заповнення енергетичних станів розмивається
симетрично відносно рівня Ôермі, приймемо допущення, що гли-
бина проникнення позитивного фону ґратниці не перевищує вели-
чини Zmax — граничної віддалі виявлення електрона від поверхні
металу, що визначається за формулою (17) з умови n(z) = 1.
Розв’язуючи рівняння відносно z, знаходимо Zmax = 6,536⋅10−9
м.
Визначимо кількість йонів Ãідроґену, утворених в результаті ко-
нтакту молекул води та вільних електронів, а також їх заряд:
26 4 9
ю max
14
3,925 10 1,938 10 6,536 10
4,973 10 ,
RN nS Z − −= ∆ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =
= ⋅
−
−
∑ = ∆ = = ⋅ ⋅ ⋅ =
= ⋅
14 19
ю max
5
( ) 4,973 10 1,602 10
7,968 10 [Кл].
R Rq N neS Z N e
Розрахуємо співвідношення роботи деформування елементу з ада-
томами Aад та ювенільної поверхні Aю, використовуючи формулу (9):
Рис. 3. Залежність електронної густини від віддалі до металічної поверхні.
Fig. 3. The dependence of electron density on the distance to the metal surface.
КОНЦЕПЦІЯ ВПЛÈВÓ МЕХАНОХЕМІЧНÈХ ПРОЦЕСІВ НА ОБРОБЛЕННЯ 419
2 5 2
ад
2 2
ю
( ( )) (0,001035 7,968 10 )
0,852.
0,001035
RA q q N
A q
−< > − − ⋅
= = ≅
< >
Проаналізуємо одержані результати. Адсорбція дистильованої
води на стальній поверхні сприяє зменшенню роботи деформування
до 15% порівняно з обробкою у вакуумі. Кількість йонів Ãідроґену,
що надійшла до ювенільної поверхні (Nад = 4,19⋅1015), більша на по-
рядок кількости реакційноздатних електронів та адсорбованих йо-
нів NR = 4,973⋅1014, при цьому слід враховувати, що реальна кіль-
кість Максвеллових електронів буде ще меншою. З цього випливає,
що більшість йонів Ãідроґену, які знаходяться від самого початку у
воді, інертні та не беруть участі у хемосорбційній взаємодії, що під-
тверджує основні положення нашої гіпотези та узгоджується з ре-
зультатами дослідження інших авторів, розглянутими вище. Крім
того, заряд йонів Ãідроґену q(Nад) = 0,000671 Кл настільки значний,
що у випадку участі всіх йонів Ãідроґену Nад у нейтралізації заряду
ядер дислокацій, міцність металічної поверхні мала б зменшитися
на ≅ 90%, що суперечить практичним спостереженням.
4. ВИСНОВКИ
1. З метою побудови феноменологічного моделю взаємодії ПАР
ЗОТС з ювенільними ділянками поверхні запропонований новий
методологічний підхід електро-дислокаційної аналогії, заснований
на подібності дислокації Вольтерри циліндричному конденсатору.
2. Одержала подальший розвиток гіпотеза «внутрішньодислока-
ційної адсорбції», суть котрої зводиться до нейтралізації заряду
ядер дислокацій (які є продуктами взаємодії молекул ЗОТС та соль-
ватованих електронів) йонами Ãідроґену.
3. Розроблено математичну модель, яка зв’язала воєдино електрич-
ну природу ядра дислокації з механічними характеристиками ма-
теріялу і яка уможливлює виконувати розрахунок густини дисло-
кацій та давати оцінку величині зміни роботи деформування в ре-
зультаті адсорбції.
4. З позиції запропонованої концепції кінетики механохемічних
процесів, котрі перебігають у зоні різання, розглянуто адсорбцію
водяної пари на металічній поверхні.
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. М. А. Курин, Открытые инôормационные и компьютерные
интегрированные теõнологии, вûп. 61: 82 (2013).
2. Н. В. Cурду, Âестник НÒУ «ХПИ». Òеõнології в маøинобудуванні, вип. 34
(2008).
3. М. А. Курин, Исследование теõнологии планетарного глубинного
420 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
øлиôования плоскиõ поверõностей деталей авиационныõ двигателей
(Дисс. … канд. техн. наук) (Харьков: Национальнûй аэрокосмический
университет им. М. Е. Жуковского «Харьковский авиацийнûй институт»:
2011).
4. Н. В. Сурду, Повыøение эôôективности øлиôования
труднообрабатываемыõ материалов çа счёт усоверøенствования
кинематики процессов (Дисс. … канд. техн. наук) (Харьков: Èнститут
проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Óкраинû: 2005).
5. Д. Н. Ãаркунов, Òриботеõника (иçнос и беçыçносность) (Москва: МСХА:
2001).
6. D. H. Herring, Wire Forming Technology International, 13, No. 4: 24 (2010).
7. A. Barnoush, Hydrogen Embrittlement, Revisited by in situ Electrochemical
Nanoindentation (Thesis of Disser. … for PhD) (Saarbrucken: Saarland Univer-
sity: 2007).
8. S. Brahimi, Fundamentals of Hydrogen Embrittlement in Steel Fasteners
(Montreal: IBECA Technologies Corp.: 2014).
9. Ã. È. Суранов, Âодород: раçруøение, иçнаøивание, смаçка деталей маøин
(Óхта: ÓÃТÓ: 2015).
10. В. Н. Латûшев, Повыøение эôôективности СОЖ (Москва:
Машиностроение: 1975).
11. Л. В. Шашкова, Фрактально-синергетические аспекты локальной
микроповреждаемости и раçруøения диôôуçионно-активированной
водородом стали (Дисс. … д-ра физ.-мат. наук) (Москва: ОÃÓ: 2014).
12. Ã. В. Карпенко, Р. È. Крипякевич, Âлияние водорода на структуру и
свойства стали (Москва: Металлургиздат: 1962).
13. П. В. Ãельд, Р. А. Рябов, Е. С. Кодес, Âодород и несоверøенства структуры
металла (Москва: Металлургия: 1979).
14. Б. А. Колачев, Âодородная õрупкость металлов (Москва: Металлургия:
1985).
15. Е. Ã. Максимов, О. А. Панкратов, Успеõи ôиçическиõ наук, 116, вûп. 7: 385
(1975).
16. В. А. Соменков, С. Ш. Шильштейн, Фаçовые превращения водорода в
металлаõ (обçор) (Москва: Èнститут атомной энергии им. È. В. Курчатова:
1978).
17. П. В. Ãельд, Р. А. Рябов, Âодород в металлаõ и сплаваõ (Москва:
Металлургия: 1974).
18. Ю. А. Хрусталёв, Эôôект беçыçносности и триботеõнологии, № 2: 19
(1997).
19. Дж. П. Хирт, È. Лотте, Òеория дислокаций (Москва: Атомиздат: 1972).
20. П. È. Полухин, С. С. Ãорелик, В. К. Воронцов, Фиçические основы
пластической деôормации (Москва: Металлургия: 1982).
21. Е. Д. Щукин, А. В. Перцов, Е. А. Амелина, Коллоидная õимия (Москва:
Вûсшая школа: 2004).
22. Ã. А. Малûгин, Фиçика твёрдого тела, 43, вûп. 5: 822 (2001).
23. Ã. А. Малûгин, Успеõи ôиçическиõ наук, 169, вûп. 9: 979 (1999).
24. Р. Б. Моргунов, Успеõи ôиçическиõ наук, 174, вûп. 2: 131 (2004).
25. П. Ю. Бутягин, Успеõи õимии, вûп. 11: 1769 (1984).
26. Н. В. Сурду, Âопросы проектирования и проиçводства летательныõ
аппаратов, вûп. 24 (1): 139 (2001).
КОНЦЕПЦІЯ ВПЛÈВÓ МЕХАНОХЕМІЧНÈХ ПРОЦЕСІВ НА ОБРОБЛЕННЯ 421
27. В. Н. Чеботин, Фиçическая õимия твёрдого тела (Москва: Химия: 1982).
28. Ô. Я. Якубов, Энергетические соотноøения процесса меõанической
обработки материалов (Ташкент: Ôан: 1985).
29. В. К. Старков, Фиçика и оптимиçация реçания материалов (Москва:
Машиностроение: 2009).
30. Ю. Н. Алексеев, Âведение в теорию обработки металлов давлением,
прокаткой и реçанием (Харьков: Èздательство ХÃÓ: 1969).
31. ÃОСТ 25.503–97. Расчёты и испытания на прочность. Методы
меõаническиõ испытаний металлов. Метод испытания на сжатие
(Минск: Межгосударственнûй совет по стандартизации, метрологии и
сертификации: 1997).
32. А. È. Долматов, А. А. Кабатов, М. А. Курин, Авиационно-космическая
теõника и теõнология, № 3 (100): 12 (2013).
33. P. P. Салем, Òеория двойного слоя (Москва: Ôизматлит: 2003).
34. È. М. Жарский, Н. Л. Смоляг, А. А. Черник, Кинетика
электролитического выделения водорода (Белорусский гос.
технологический ун-т: 2016).
35. Р. Юхневич, Е. Валашковский, Ã. Станкевич, Òеõника борьбы с корроçией
(Ленинград: Химия: 1978).
36. А. М. Кузнецов, Соросовский обраçовательный журнал, 6, № 5: 45 (2000).
37. Ю. П. Черданцев, È. П. Чернов, Ю. È. Тюрин, Методы исследования
систем металл–водород (Томск: Èзд. ТПÓ: 2008).
38. Л. П. Авакянц, Электроны в металлаõ (Московский гос. ун-т им. М. В.
Ломоносова: 2010).
39. В. В. Ôицак, Статистика квантовыõ частиц. Электроны в металле
(Санкт-Петербургский горнûй ун-т: 2014).
40. В. Н. Ãлазков, Свойства электронного Ферми-гаçа (Москва: МÔТÈ: 2016).
41. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Òеоретическая ôиçика. Статистическая
ôиçика (Москва: Наука: 1976).
42. А. Д. Андреянов, В. П. Петросян, Âісник Одеського національного
університету. Хімія, 15, № 12: 54 (2010).
43. А. Д. Андреянов, È. А. Кузнецова, Л. È. Короленко, Âісник Одеського
національного університету. Хімія, 14, № 11: 45 (2009).
44. Ô. К. Ткаченко, К. È. Ткаченко, В. Ã. Ãаврилова, Âісник Приаçовського
державного теõнічного університету. Òеõнічні науки, вип. 2: 102 (2010).
45. Л. С. Стерман, В. Н. Покровский, Фиçические и õимические методы
обработки воды на ÒЭС (Москва: Энергоатомиздат: 1991).
46. Е. Н. Бушуев, Âестник ИГЭУ, вûп. 2: 1 (2007).
47. О. С. Еркович, А. В. Курочкин, Âестник МГÒУ им. Н. Э. Баумана.
Естественные науки, № 1: 18: (2012).
REFERENCES
1. M. A. Kurin, Otkrytye Informatsionnye i Komp’yuternye Integrirovannye
Tekhnologii, Iss. 61: 82 (2013) (in Russian).
2. N. V. Surdu, Vestnik NTU ‘KhPI’. Tekhnologii v Mashynobuduvanni, Iss. 34
(2008) (in Russian).
3. M. A. Kurin, Issledovanie Tekhnologii Planetarnogo Glubinnogo Shlifovaniya
Ploskikh Poverkhnostey Detaley Aviatsionnykh Dvigateley [Investigation of the
422 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
Technology of Planetary Deep Grinding of Plane Surfaces of Aircraft Engine
Parts] (Thesis of Disser. … for Cand. Techn. Sci.) (Kharkiv: M. E. Zhukovskiy
National Aerospace University ‘Kharkiv Aviation Institute’: 2011)
(in Russian).
4. N. V. Surdu, Povyshenie Effektivnosti Shlifovaniya Trudnoobrabatyvaemykh
Materialov za Shchet Usovershenstvovaniya Kinematiki Protsessov
[Enhancement of Grinding Efficiency of Tough-to-Machine Materials by
Improving the Kinematics of Processes] (Thesis of Disser. … for Cand. Techn.
Sci.) (Kharkiv: A.N. Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems,
N.A.S. of Ukraine: 2005) (in Russian).
5. D. N. Garkunov, Tribotekhnika (Iznos i Bezyznosnost’) [Tribological
Engineering (Wear and Wearlessness)] (Moscow: MSKhA: 2001) (in Russian).
6. D. H. Herring, Wire Forming Technology International, 13, No. 4: 24 (2010).
7. A. Barnoush, Hydrogen Embrittlement, Revisited by in situ Electrochemical
Nanoindentation (Thesis of Disser. … for PhD) (Saarbrucken: Saarland
University: 2007).
8. S. Brahimi, Fundamentals of Hydrogen Embrittlement in Steel Fasteners
(Montreal: IBECA Technologies Corp.: 2014).
9. G. I. Suranov, Vodorod: Razrushenie, Iznashivanie, Smazka Detaley Mashin
[Hydrogen: Destruction, Wear, Lubrication of Machine Parts] (Ukhta: UGTU:
2015) (in Russian).
10. V. N. Latyshev, Povyshenie Effektivnosti SOZh [Enhancement of Efficiency of
LCL] (Moscow: Mashinostroenie: 1975) (in Russian).
11. L. V. Shashkova, Fraktal’no-Sinergeticheskie Aspekty Lokal’noy
Mikropovrezhdaemosti i Razrusheniya Diffuzionno-Aktivirovannoy Vodorodom
Stali [Fractal-Synergetic Aspects of Local Microdamaging and Destruction by
Diffusion-Activated Hydrogen] (Thesis of Disser. … for Dr. Phys.-Math. Sci.)
(Moscow: OGU: 2014) (in Russian).
12. G. V. Karpenko and R. I. Kripyakevich, Vliyanie Vodoroda na Strukturu i
Svoystva Stali [The Influence of Hydrogen on the Structure and Properties of
Steel] (Moscow: Metallurgizdat: 1962) (in Russian).
13. P. V. Gel’d, R. A. Ryabov, and E. S. Kodes, Vodorod i Nesovershenstva
Struktury Metalla [Hydrogen and Imperfections of Metal Structure] (Moscow:
Metallurgiya: 1979) (in Russian).
14. B. A. Kolachev, Vodorodnaya Khrupkost’ Metallov [Hydrogen Brittleness of
Metals] (Moscow: Metallurgiya: 1985) (in Russian).
15. E. G. Maksimov and O. A. Pankratov, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 116, Iss. 7:
385 (1975) (in Russian).
16. V. A. Somenkov and S. Sh. Shil’shteyn, Fazovye Prevrashcheniya Vodoroda v
Metallakh (Obzor) [Phase Transformations of Hydrogen in Metals (Review)]
(Moscow: I. V. Kurchatov Institute of Atomic Energy: 1978) (in Russian).
17. P. V. Gel’d and R. A. Ryabov, Vodorod v Metallakh i Splavakh [Hydrogen in
Metals and Alloys] (Moscow: Metallurgiya: 1974) (in Russian).
18. Yu. A. Khrustalev, Effekt Bezyznosnosti i Tribotekhnologii, No. 2: 19 (1997)
(in Russian).
19. J. P. Hirth and J. Lothe, Teoriya Dislokatsiy [Theory of Dislocations] (Moscow:
Atomizdat: 1972) (in Russian).
20. P. I. Polukhin, S. S. Gorelik, and V. K. Vorontsov, Fizicheskie Osnovy
Plasticheskoy Deformatsii [Physical Fundamentals of Plastic Deformation]
https://doi.org/10.3367/UFNr.0116.197507a.0385
https://doi.org/10.3367/UFNr.0116.197507a.0385
КОНЦЕПЦІЯ ВПЛÈВÓ МЕХАНОХЕМІЧНÈХ ПРОЦЕСІВ НА ОБРОБЛЕННЯ 423
(Moscow: Metallurgiya: 1982) (in Russian).
21. E. D. Shchukin, A. V. Pertsov, and E. A. Amelina, Kolloidnaya Khimiya
[Colloid Chemistry] (Moscow: Vysshaya Shkola: 2004) (in Russian).
22. G. A. Malygin, Fizika Tverdogo Tela, 43, Iss. 5: 822 (2001) (in Russian).
23. G. A. Malygin, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 169, Iss. 9: 979 (1999) (in Russian).
24. R. B. Morgunov, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 174, Iss. 2: 131 (2004)
(in Russian).
25. P. Yu. Butyagin, Uspekhi Khimii, Iss. 11: 1769 (1984) (in Russian).
26. N. V. Surdu, Voprosy Proektirovaniya i Proizvodstva Letatel’nykh Apparatov,
Iss. 24 (1): 139 (2001) (in Russian).
27. V. N. Chebotin, Fizicheskaya Khimiya Tverdogo Tela [Physical Chemistry of
Solid State] (Moscow: Khimiya: 1982) (in Russian).
28. F. Ya. Yakubov, Energeticheskie Sootnosheniya Protsessa Mekhanicheskoy
Obrabotki Materialov [Energy Relationships of the Process of Mechanical
Processing of Materials] (Tashkent: Fan: 1985) (in Russian).
29. V. K. Starkov, Fizika i Optimizatsiya Rezaniya Materialov [Physics and
Optimization of Material Cutting] (Moscow: Mashinostroenie: 2009)
(in Russian).
30. Yu. N. Alekseev, Vvedenie v Teoriyu Obrabotki Metallov Davleniem, Prokatkoy
i Rezaniem [Introduction to the Theory of Metal Working with Pressure,
Rolling and Cutting] (Kharkiv: Izdatel’stvo KhGU: 1969) (in Russian).
31. GOST 25.503–97. Raschety i Ispytaniya na Prochnost’. Metody
Mekhanicheskikh Ispytaniy Metallov. Metod Ispytaniya na Szhatie
[Calculations and Strength Tests. Methods of Mechanical Testing of Metals.
Compression Test Method] (Minsk: Mezhgosudarstvennyy Sovet po
Standartizatsii, Metrologii i Sertifikatsii: 1997) (in Russian).
32. A. I. Dolmatov, A. A. Kabatov, and M. A. Kurin, Aviatsionno-Kosmicheskaya
Tekhnika i Tekhnologiya, No. 3 (100): 12 (2013) (in Russian).
33. P. P. Salem, Teoriya Dvoynogo Sloya [The Theory of Double Layer] (Moscow:
Fizmatlit: 2003) (in Russian).
34. I. M. Zharskiy, N. L. Smolyag, and A. A. Chernik, Kinetika Elektroliticheskogo
Vydeleniya Vodoroda [Kinetics of Electrolytic Release of Hydrogen] (Belarusian
State Technological University: 2016) (in Russian).
35. R. Yukhnevich, E. Valashkovskiy, and G. Stankevich, Tekhnika Bor’by s
Korroziey [The Technique of Corrosion Control] (Leningrad: Khimiya: 1978) (in
Russian).
36. A. M. Kuznetsov, Sorosovskiy Obrazovatel’nyy Zhurnal, 6, No. 5: 45 (2000) (in
Russian).
37. Yu. P. Cherdantsev, I. P. Chernov, and Yu. I. Tyurin, Metody Issledovaniya
Sistem Metall–Vodorod [Methods for Studying Metal–Hydrogen Systems]
(Tomsk: Izd. TPU: 2008) (in Russian).
38. L. P. Avakyants, Elektrony v Metalle [Electrons in Metal] (M. V. Lomonosov
Moscow State University: 2010) (in Russian).
39. V. V. Fitsak, Statistika Kvantovykh Chastits. Elektrony v Metalle [Statistics of
Quantum Particles. Electrons in Metal] (St. Petersburg Mining University:
2014) (in Russian).
40. V. N. Glazkov, Svoystva Elektronnogo Fermi-Gaza [Properties of Electronic
Fermi Gas] (Moscow: MFTI: 2016) (in Russian).
41. L. D. Landau and E. M. Lifshits, Teoreticheskaya Fizika. Statisticheskaya
https://doi.org/10.3367/UFNr.0169.199909c.0979
https://doi.org/10.3367/UFNr.0174.200402c.0131
424 М. О. КÓРІН, М. В. СÓРДÓ
Fizika [Theoretical Physics. Statistical Physics] (Moscow: Nauka: 1976) (in
Russian).
42. A. D. Andreyanov and V. P. Petrosyan, Visnyk Odes’kogo Natsional’nogo
Universytetu. Khimiya, 15, No. 12: 54 (2010) (in Russian).
43. A. D. Andreyanov, I. A. Kuznetsova, and L. I. Korolenko, Visnyk Odes’kogo
Natsional’nogo Universytetu. Khimiya, 14, No. 11: 45 (2009) (in Russian).
44. F. K. Tkachenko, K. I. Tkachenko, and V. G. Gavrilova, Visnyk Pryazovs’kogo
Derzhavnogo Tekhnichnogo Universytetu. Tekhnichni Nauky, Iss. 2: 102 (2010)
(in Russian).
45. L. S. Sterman and V. N. Pokrovskiy, Fizicheskie i Khimicheskie Metody
Obrabotki Vody na TES [Physical and Chemical Methods of Water Treatment at
TPS] (Moscow: Energoatomizdat: 1991) (in Russian).
46. E. N. Bushuev, Vestnik IGEU, Iss. 2: 1 (2007) (in Russian).
47. O. S. Erkovich and A. V. Kurochkin, Vestnik MGTU im. N. E. Baumana.
Estestvennye Nauki, No. 1: 18: (2012) (in Russian).
|