🗊Презентация Процессы формирования водородной плазмы в зоне резания

Физико-химические процессы формирования водородной плазмы в зоне резания Выполнили: Музика О.В. Шайко Ю.О.

Вступление Предыдущим докладчиком было показано что на горячих поверхностях зоны резания (стружка, лезвие инструмента) исходный состав СОТС превращается в газовую смесь, состоящую из водорода в его различных формах и гомологического ряда алифатических предельных углеводородов от С до С₇.

Дальнейшие превращения газовой смеси происходят в реакционной зоне расположенной между клином инструмента, вершиной трещины и ее полостями. Дальнейшие превращения газовой смеси происходят в реакционной зоне расположенной между клином инструмента, вершиной трещины и ее полостями. В дальнейшем газовая смесь поступает в реакционную щель – пространство, ограниченное поверхностями клина инструмента, ювенильными поверхностями трещины разрушения и ее вершиной, где увеличивается степень ионизации газа до образования водородной плазмы (Рис.1).

Рис.1. Схематическое изображение реакционной зоны. 1. Лезвие режущего инструмента; 2. Обрабатываемый металл; 3.Переходная область; 4. Область упругой деформации; 5. Область начального движения дислокаций; 6. Область пластической деформации; 7. Область докритического подрастания трещин; 8.Область разрушения. Закритическая стадия роста трещин; 9. Ювенильные полости трещин; 10. Магистральная трещина, заполненная водородной плазмой.

Рис. 2. Изменение молекулярной массы (М) ПВХ в СОТС в зависимости от длины точения (L) стали 40Х (HRC 42...46). Резец из быстрорежущей стали Р6М5; режим обработки: V=2 м/с, S=1 мм/об, t=1 мм

Водород в метал попадает только в протонном состоянии Водород в метал попадает только в протонном состоянии В экстремальных условиях механической обработки транспорт водорода в зону разрушения возможен только путем его перемещения между узлами решетки в протонном состоянии, а диффузионный поток заряженных частиц может происходить благодаря наличию электрического поля, температуры и давления. Поток электронов большой энергии (102 эв) и интенсивности (6·103 импульсов в минуту), вылетающий из зоны резания соударяется с атомами водорода

Возникающие в зоне разрушения различные физико-химические процессы и явления, имеющие квантовую природу, с одной стороны являются источниками, вызывающие образования водородной плазмы, в результате их многоэтапных контактных взаимодействий с окружающей средой, а с другой, некоторые из них действуют как потенциалы, определяющие вектор и скорость перемещения электрически заряженных частиц водорода, составляющих водородную плазму. В дальнейшем заряженные частицы водорода, в связи с различными взаимодействиями, рекомбинируют с выделением тепловой энергии. Возникающие в зоне разрушения различные физико-химические процессы и явления, имеющие квантовую природу, с одной стороны являются источниками, вызывающие образования водородной плазмы, в результате их многоэтапных контактных взаимодействий с окружающей средой, а с другой, некоторые из них действуют как потенциалы, определяющие вектор и скорость перемещения электрически заряженных частиц водорода, составляющих водородную плазму. В дальнейшем заряженные частицы водорода, в связи с различными взаимодействиями, рекомбинируют с выделением тепловой энергии.

Таким образом, совокупность экспериментальных данных показывает, что облегчение преодоления сцепления между атомами и вскрытие новой поверхности в ультрамикроскопических областях, где концентрируется предельная энергия, т.е. проявление механоплазменного эффекта подготовлено и обусловлено следующими протекающими процессами и явлениями: Таким образом, совокупность экспериментальных данных показывает, что облегчение преодоления сцепления между атомами и вскрытие новой поверхности в ультрамикроскопических областях, где концентрируется предельная энергия, т.е. проявление механоплазменного эффекта подготовлено и обусловлено следующими протекающими процессами и явлениями:

1. Пиролизом на гарячих поверхностях стружки и инструмента химических соединений, составляющих поверхностно-активную жидкость (СОТС), и образованием новых фаз – углеводородной газовой смеси. 1. Пиролизом на гарячих поверхностях стружки и инструмента химических соединений, составляющих поверхностно-активную жидкость (СОТС), и образованием новых фаз – углеводородной газовой смеси. 2. Диффузией газовой смеси в реакционную щель. 3. Контактными взаимодействиями химических элементов, составляющих газовую смесь, с выходящими на поверхности реакционной щели ступенями скола и другими электрическими активными элементами реальной новой поверхности. Вследствие таких взаимодействий образовавшийся ионизированный газ представляет собой смесь нескольких сортов частиц: электронов, однократно заряженных положительных ионов и нейтральных молекул. В нем должны присутствовать и многократно заряженные ионы, а также отрицательно заряженные ионы.

4. Первичной ударной ионизацией молекул и атомов водорода в результате их столкновения с электронами высокой энергии. Образующие вторичные электроны вновь ионизируют оставшиеся в смеси газа молекулы и атомы водорода и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать, увеличивая степень ионизации газовой смеси. 4. Первичной ударной ионизацией молекул и атомов водорода в результате их столкновения с электронами высокой энергии. Образующие вторичные электроны вновь ионизируют оставшиеся в смеси газа молекулы и атомы водорода и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать, увеличивая степень ионизации газовой смеси. 5. Образованием ионизированного водорода в связи с электроискровыми разрядами при разрыве электрического контакта между электрически активными элементами поверхностей лезвия инструмента, заготовки и среды. 6. Формированием и перемещением потока положительно заряженных частиц водорода из ионизированной газовой смеси в направлении объемного отрицательного заряда заготовки и локального отрицательного заряда в вершины трещины. 7. Рекомбинацией протона.

К процессам, обеспечивающих направленное перемещение из плазмы частиц водорода положительного и отрицательного заряда следует отнести: К процессам, обеспечивающих направленное перемещение из плазмы частиц водорода положительного и отрицательного заряда следует отнести: - электромагнитное поле; - отрицательный объемный заряд заготовки и положительный заряд инструмента; - предельно сконцентрированный отрицательный электрический заряд перед кончиком трещины;

Таким образом, доказано, что возникающие в процессе роста трещины вышеперечисленные физико-химические процессы и явления, создают особые условия необходимые для формирования из поверхностно-активной среды радикально активную, ее перенос в зону преодоления сцепления между атомами, а затем, вследствие проявления эффекта электронного «ветра», осуществляют амбиполярную диффузию протонов и электронов проводимости в срезаемом слое металла со скоростью значительно превышающей скорость его разрушения. Поэтому, согласно этой модели, микрощель можно представить, как естественно созданный в процессе резания реактор, в котором поступающая в его пространство среда подвергается комплексному воздействию сопровождающих процесс резания различных физико-химических процессов и явлений. Следовательно, образование и рост трещин фактически играет роль спускового устройства, включающего некоторый механизм начала и развития механоплазменного эффекта. Таким образом, доказано, что возникающие в процессе роста трещины вышеперечисленные физико-химические процессы и явления, создают особые условия необходимые для формирования из поверхностно-активной среды радикально активную, ее перенос в зону преодоления сцепления между атомами, а затем, вследствие проявления эффекта электронного «ветра», осуществляют амбиполярную диффузию протонов и электронов проводимости в срезаемом слое металла со скоростью значительно превышающей скорость его разрушения. Поэтому, согласно этой модели, микрощель можно представить, как естественно созданный в процессе резания реактор, в котором поступающая в его пространство среда подвергается комплексному воздействию сопровождающих процесс резания различных физико-химических процессов и явлений. Следовательно, образование и рост трещин фактически играет роль спускового устройства, включающего некоторый механизм начала и развития механоплазменного эффекта.

Физико-химические процеcсы в газовой среде Физико-химические процеcсы в газовой среде Механоплазменный эффект зависит от следующих факторов: 1) скорости образования и поступления углеводородной газовой смеси в реакционную щель, ее концентрации и состава; 2) скорости химического превращения газовой смеси в водородную плазму; 3) вектора и скорости диффузии ионизированного водорода, как к вершине трещины разрушения, так и непосредственно в зону преодоления сцепления между атомами. Чрезвычайно важную роль в увеличении теплового эффекта реакции играет также состав исходной поверхностно-активной среды (СОТС).

Скорость образования газовой смеси также, как и скорость ее превращения в водородную плазму являются контролирующими проявление механоплазменного эффекта. Они зависят от эффективности действия ионизаторов, а также от физико-химических свойств полимерной присадки к СОТС, ее молекулярной массы и концентрации в составе технологического средства, состояния поверхности адсорбата и температуры. Что касается скорости химического превращения газовой смеси в водородную плазму то она еще зависит и от концентрации в газовой смеси водорода и углеводородных фрагментов, образовавшихся в следствие разрыва макроцепи полимера. Скорость образования газовой смеси также, как и скорость ее превращения в водородную плазму являются контролирующими проявление механоплазменного эффекта. Они зависят от эффективности действия ионизаторов, а также от физико-химических свойств полимерной присадки к СОТС, ее молекулярной массы и концентрации в составе технологического средства, состояния поверхности адсорбата и температуры. Что касается скорости химического превращения газовой смеси в водородную плазму то она еще зависит и от концентрации в газовой смеси водорода и углеводородных фрагментов, образовавшихся в следствие разрыва макроцепи полимера.

Скорость химического превращения газовой смеси в плазму под действием электронов в результате ударной ионизации, с последующим переходом в лавинообразную стадию «воспроизводства» новых ионов и электронов, зависит от двух факторов: вероятности столкновения электронов с атомами или молекулами водорода ;

Экспериментально было установлено, что энергия электронов, вылетающих из вершины трещины вследствие механического воздействия на материал, примерно равна или превышает энергию химической связи. Следовательно, у вершины трещины создаются условия для окончательной ионизации водорода. Экспериментально было установлено, что энергия электронов, вылетающих из вершины трещины вследствие механического воздействия на материал, примерно равна или превышает энергию химической связи. Следовательно, у вершины трещины создаются условия для окончательной ионизации водорода.

При «входе» протонов в твердое тело они должны пройти переходную область под поверхностью. В этой переходной области образуется новая газовая смесь, состоящая из электронов проводимости и положительно заряженных частиц водорода, в которой электроны оказываются окруженными «облаком» положительного заряда. При «входе» протонов в твердое тело они должны пройти переходную область под поверхностью. В этой переходной области образуется новая газовая смесь, состоящая из электронов проводимости и положительно заряженных частиц водорода, в которой электроны оказываются окруженными «облаком» положительного заряда. Увлечение протонов электронами проводимости настолько велико, что положительно заряженные ионы водорода двигаются в сторону анода, против поля, подобно частицам с отрицательным зарядом. Несмотря на то, что скорость такого коллективного перемещения электронов и протонов уменьшится по сравнению со скоростью перемещения одних электронов в (/ ½ раз, однако она все же будет значительно превышать скорость роста трещины. Это означает, что водород своевременно поступает к вершине трещины и в микрообъем материала перед ее острием.

Превышение скорости диффузии водорода над скоростью разрушения металла подтверждается экспериментальными данными. Превышение скорости диффузии водорода над скоростью разрушения металла подтверждается экспериментальными данными.

Вывод: Вывод: Взаимодействие углеводородной среды с деформируемым металлом и физико-химические процессы, возникающие в момент разрушения тела, обусловливают превращение окружающей среды в новое фазовое состояние – водородную плазму. Ускоренная диффузия протона в микрообласти, прилегающие к вершине трещины, непосредственной причиной облегчения процессов деформации и разрушения является большой тепловой эффект, образующийся в результате рекомбинации протонов водорода контактных взаимодействий протона с электрически активной реальной структурой дефформируемого металла. Показана возможность использования сред для создания эффективных технологий обработки деталей машин с одновременным повышением их долговечности.