ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 463, № 6, с. 684-686
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 539.3:624.014
ВЛИЯНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫХ ЛИНИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ НА КОРРОЗИОННЫЙ ИЗНОС © 2015 г. Н. М. Якупов, Р. Р. Гиниятуллин, С. Н. Якупов
Представлено академиком РАН И.Г. Горячевой 10.11.2014 г. Поступило 03.03.2015 г.
Описаны алгоритм исследования и алгоритм обработки результатов. Приведены результаты исследований влияния направления силовых линий магнитного поля Земли на коррозионный износ стальных образцов в агрессивной среде.
DOI: 10.7868/S0869565215240147
Известно, что на поверхности металла, находящегося в агрессивной среде, образуется тонкий защитный пассивирующий слой, при разрушении которого начинается коррозионное разрушение [1—3]. Среди факторов, влияющих на разрушение защитного слоя, можно отметить деформацию поверхности образца [4] и воздействие физических полей, в частности УФ-излучения [5] и магнитного поля [6].
У Земли есть собственное магнитное поле, которое создается, по современным представлениям [7], электрическими токами, протекающими в ее ядре. Известны также направления силовых линий магнитного поля Земли. В настоящей работе на базе экспериментальных исследований впервые обнаружено влияние направления силовых линий магнитного поля Земли на процесс коррозионного износа металлических образцов. Установлено также, что этот эффект более значителен в рукотворных магнитных полях с большей напряженностью, чем напряженность поля Земли. Обнаруженный эффект имеет важное теоретическое значение при изучении явления коррозии как сложного электрохимического процесса под воздействием магнитного поля с учетом ориентации силовых линий. Также эффект имеет большое практическое значение, в частности, при проектировании различных конструкций и сооружений, их ориентировании в пространстве по отношению к силовым линиям Земли, а также для их защиты от коррозионного разрушения.
Институт механики и машиностроения
Казанского научного центра Российской Академии наук,
Казань
E-mail: yzsrr@kfti.knc.ru
Алгоритм исследования. Две группы исследуемых тонких круглых образцов (по десять в каждой) размещают в одной емкости с агрессивной средой (рис. 1). При этом силовые линии земного магнитного поля пронизывают первую группу (N—S) образцов перпендикулярно их поверхности, а вторую (W—E) — по касательной к поверхности (рис. 2). Образцы выдерживают в исследуемой среде в течение заданного времени.
Алгоритм обработки результатов. Для оценки степени коррозионного износа образцов используем экспериментально-теоретический метод, представляющий собой сочетание экспериментальных исследований тонких круглых образцов и теоретической обработки экспериментальных данных на основе соотношений нелинейной теории оболочек [8—10]. Образцы из групп (N—S) и (W—E), выдержанные заданное время в агрессив-
Рис. 1. Размещение образцов в емкости с агрессивной средой.
ВЛИЯНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫХ ЛИНИЙ
685
Рис. 2. Схема ориентации образцов относительно силовых линий магнитного поля Земли.
ной среде, поочередно закрепляем по контуру на установке и нагружаем равномерным давлением р. В процессе увеличения давленияр производим мониторинг за формой образующегося купола, в частности за высотой подъема вершины купола Н, и строим график "давление р — прогиб Н". Зная прогиб образца Н при заданном давлении р и исходя из соотношений нелинейной теории оболочек, можно определить их приведенный (интегральный) модуль упругости [8—10].
Влияние направления силовых линий магнитного поля Земли на коррозионный износ стальных образцов в агрессивной среде. По отмеченной выше схеме исследований выполнены одновременно два независимых эксперимента: в городских условиях и за пределами города. В каждом эксперименте рассматривали металлические образцы
из стали марки Ст3 с исходной толщиной h = 0.6 мм, которые подвергали коррозионному износу в среде 16%-го гипохлорита натрия в течение 30 сут.
По отмеченной выше схеме обработки результатов для каждого образца определяли зависимость максимального прогиба Н от давления р. По средним значениям максимальных прогибов для обеих групп (N—S) и (W—E) образцов построены кривые "давление р — прогиб Н", которые представлены на рис. 3а. Кривые 1 и 2 соответствуют эксперименту за пределами города, а кривые 3 и 4 — эксперименту в городских условиях; при этом кривые 1 и 3 относятся к группам образцов (N—S), а кривые 2 и 4 — к образцам из группы (W—E).
Как видно из рис. 3а, для обоих экспериментов образцы из группы (N—S) при одном и том же давлении прогибаются меньше, чем образцы из группы (W—E), т.е. образцы из группы (N—S) подвергаются меньшему коррозионному износу, чем образцы из группы (W—E).
Этот эффект можно объяснить, в частности, тем, что магнитное поле, возникающее на поверхности образца из группы (N—S), создает дополнительную силу притяжения пассивирующего слоя к основе образца.
О степени износа рассмотренных образцов, подтверждающего сделанный выше вывод, свидетельствует также изменение значений толщин образцов: среднее значение толщины образцов из первого эксперимента для группы (N—S) составило 0.464 мм, а для группы (W—E) — 0.448 мм. Среднее значение толщины образцов из второго эксперимента составило соответственно 0.501 и 0.472 (среднее значение определяли по замерам в
Н, мм
p, МПа
Рис. 3. Зависимость максимального прогиба (Н) от давления (р).
а — при действии магнитного поля Земли, б — при использовании электромагнита. Пояснения приведены в тексте.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 463 № 6 2015
686
ЯКУПОВ и др.
15 точках, затем усреднение проводили для всей группы из 10 образцов).
Был выполнен также эксперимент с использованием электромагнита. Рассмотрены две группы металлических образцов по 5 образцов в каждой группе из стали марки Ст3 с исходной толщиной к = 0.6 мм, которые подвергали коррозионному износу в среде 8%-го гипохлорита натрия в течение Т = 1006 ч. Силовые линии магнитного поля около образцов напряженностью 4 Э пронизывали образцы первой группы по нормали к поверхности, а второй группы — по касательной к поверхности. По средним значениям максимальных прогибов для обеих групп образцов построены кривые "давление р — прогиб Н", которые представлены на рис. 3б (кривая 1 соответствует первой группе, а кривые 2 — второй). Коррозионный износ образцов первой группы меньше, чем износ образцов второй.
Таким образом, на основании проведенных исследований мы пришли к следующему заключению. Ориентация образцов по отношению к силовым линиям земного магнитного поля влияет на коррозионный износ. Большему коррозионному износу подвержены образцы, поверхности которых параллельны силовым линиям магнитного поля Земли. Этот факт имеет важное
теоретическое и практическое значение в связи с широким распространением металлоконструкций в различных отраслях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Frumkin A.N. // Phys. Chem. 1932. V. B44. № 7. P. 116.
2. КолотыркинЯ.М., Фрумкин А.Н. // ДАН. 1941. Т. 33. № 7/8. С. 451-454.
3. Сидоренко С.Н., Якупов Н.М. Коррозия — союзник аварий и катастроф. М.: Изд-во РУДН, 2002. 93 с.
4. Якупов Н.М., Гиниятуллин Р.Р., Якупов С.Н. // Пробл. прочности. 2012. № 2. С. 76—84.
5. Якупов Н.М., Гиниятуллин Р.Р., Якупов С.Н. // ДАН. 2012. Т. 446. № 6. С. 624—626.
6. Якупов Н.М., Гиниятуллин Р.Р., Якупов С.Н. // ДАН. 2012. Т. 443. № 2. С. 173—175.
7. Наука. Иллюстрированная история / Под ред. А. Харт-Дэвиса. М.: Издат. Дом Ридерз Дайджест, 2012. С. 80.
8. Якупов Н.М., Нургалиев А.Р., Якупов С.Н. // Зав. лаб. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. № 11. С. 54—56.
9. Якупов Н.М., Нуруллин Р.Г., Нургалиев А.Р., Якупов С.Н. Пат. РФ № 2310184 // Бюл. Изобр. Полез. модели. 2007. № 31.
10. Галимов Н.К., Якупов Н.М., Якупов С.Н. // МТТ. 2011. № 3. С. 58—66.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 463 № 6 2015
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.