CC BY
19
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Математическое моделирование задач механики Сообщение
УДК 656.135.073 (076)
О.Н. Любимова, В.В. Сиськов
ЛЮБИМОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА - кандидат физико-математических наук, профессор кафедры, e-mail: [email protected]
СИСЬКОВ ВИКТОР ВИКТОРОВИЧ - старший преподаватель кафедры Кафедра механики и математического моделирования Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690950
Результаты экспериментальных исследований коррозионной стойкости стеклометаллокомпозита
Аннотация: Представлены предварительные результаты статистической обработки экспериментального исследования образцов стеклометаллокомпозита на основе стали 20 и стекла марки СН 1 на коррозию под действием различных факторов. Замечено, что скорость протекания коррозионных процессов у стеклометаллокомпозитных стержней и стали на начальных стадиях примерно одинакова - до тех пор, пока на стеклометаллокомпозитном стержне остается металлическая оболочка. Далее процесс коррозии в композите практически останавливается, что объясняется инертными свойствами стекла к данной агрессивной среде. Ключевые слова: стеклометаллокомпозит, коррозионная стойкость, регрессионный анализ, дисперсионный анализ.
Введение
Современные конструкционные материалы, а также изделия из них широко применяются в строительной индустрии: около 30% мирового объема производства композита составляет продукция для строительной отрасли. Однако при введении в промышленное производство новых композиционных материалов необходимо обладать полной информацией о возможностях и характеристиках предлагаемых к использованию композитов. Среди основных качеств, к которым предъявляются высокие требования, относятся высокая прочность, низкий удельный вес и коррозионная стойкость.
В Дальневосточном федеральном университете на кафедре механики и математического моделирования в течение 15 лет проводятся исследования по созданию нового композиционного материала - стеклометаллического композита (стеклометаллокомпозита - СМК). Исследования инициировал профессор В.В. Пикуль, ему же принадлежит идея использовать стеклометаллический композит при создании оболочки корпуса глубоководного аппарата [3]. Предполагается, что новый материал будет обладать рядом высоких прочностных характеристик, которые позволят успешно применять его в машиностроительной и строительной областях [4, 5]. Стеклометаллокомпозит - новый слоистый композиционный материал, находящийся на стадии изготовления экспериментальных образцов и изучения их свойств, среди которых важным является коррозионная стойкость.
© Любимова О.Н., Сиськов В.В., 2016
Цель данной работы: статистическая обработка результатов исследований в лабораторных условиях экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на коррозию под действием различных факторов.
Методика проведения эксперимента
Стеклометаллокомпозитные материалы представляют многослойные спаи стекла с металлом: технология изготовления связана с изменением температуры, теплофизических, механических характеристик материалов и даже их структуры, что является причиной появления технологических и остаточных напряжений, которые влияют на конечные свойства композита, в том числе и на коррозионную стойкость. Результаты систематических исследований стеклометаллокомпозита на коррозионную стойкость отсутствуют. Поэтому исследование поведения его экспериментальных образцов в условиях воздействия агрессивных сред -задача актуальная.
Нами была разработана методика проведения испытаний образцовых спаев стекла с металлом на коррозионную стойкость. Объектом исследований являлся стекло-металлический стержень (см. рисунок), выполненный из стекла С52-1 и стали С20.
1
I
Стеклометаллический композитный стержень: 1 - стальной поршень; 2 - стальная гильза; 3 - стекло.
Исследовался электрохимический механизм протекания коррозионных процессов по методике, разработанной для металлов [2]. Показатели коррозии и коррозионной стойкости определялись сплошной коррозией с контролем таких количественных показателей, как потеря массы на единицу площади, скорость убыли массы и время до уменьшения массы на допустимую величину.
Потерю массы на единицу площади поверхности Аш (кг/м2) вычисляем по формуле
т0 - тх , .
Ат = —-1, (1)
£
где т0 - масса образца до испытаний (кг); т1 - масса образца после испытаний и удаления продуктов коррозии (кг); Б - площадь поверхности образца (м2).
При образовании трудноудаляемых твердых продуктов коррозии или нецелесообразности их удаления количественную оценку сплошной коррозии проводят по увеличению массы. Увеличение массы на единицу площади поверхности вычисляют по разности масс образца до и после испытаний, отнесенной к единице площади поверхности образца. Для вычисления потери массы металла по увеличению массы образца необходимо знать состав продуктов коррозии.
Изменение размеров определяют прямыми измерениями по разности между размерами образца до и после испытаний и удаления продуктов коррозии. При необходимости изменение размеров по потере массы с учетом геометрии образца, например изменение толщины плоского образца АL(м), вычисляют по формуле
AL = ^, (2)
Р
2 3
где Am - потери массы на единицу площади (кг/м ); р - плотность металла (кг/м ).
При протекании сплошной коррозии с постоянной скоростью показатели коррозионной стойкости определяют по формулам:
Am
=-, (3)
v
у m
Al
Ъ = —, (4)
vl
где xm - время до уменьшения массы на единицу площади на допустимую величину Am (год); vm - скорость убыли массы (кг/м2-год); т1- время проникновения на допустимую (заданную) глубину (год); v1 - линейная скорость коррозии (м/год).
Подготавливались сосуды с раствором электролита (NaCl) 5% и 0,3%. Предварительно для каждого образца была измерена масса на высокоточных весах (±0,001 г) и проведены обмеры площади поверхности. Затем в течение восьми месяцев, с периодичностью в одну неделю (кроме периода с 20.05 по 16.09), контролировались масса и площадь поверхности каждого образца. Полученные результаты сравнивались с аналогичными результатами, получаемыми для образцов сравнения. Образцы сравнения были выполнены сплошными из стали С20.
Полученные результаты представлены в виде матрицы (табл. 1). Образцы 1-4; 6-9; 1114; 16-19 изготовлены из СМК, образцы 5, 10, 15, 20 - из стали С20. Образцы 1-5 содержались в 5-процентном NaCl, образцы 6-20 - в 0,3-процентном NaCl.
Обработка результатов эксперимента
Прежде всего проверялась гипотеза о том, что скорость коррозии образцов изменяется во времени - т.е. она или увеличивается, или уменьшается. Для этого были построены кривые yi(t) = a{t2 + b{t + Ci,i = 1, ...,20 , описывающие уменьшение веса образца i в зависимости от времени t от начала эксперимента. Ускорение коррозии равно yi(t) = 2ai. Все a^i = 1, ..,20 оказались незначимыми на уровне значимости а = 0,05. Таким образом, скорость коррозии каждого образца оказывается постоянной на протяжении всего периода (245 сут) проведения эксперимента.
Далее по данным табл. 1 были построены регрессионные прямые 1-20, описывающие уменьшение веса образца i в зависимости от времени t от начала эксперимента, результаты приведены в табл. 2, R - коэффициент корреляции. Коэффициент a^i = 1, ..,20 - скорость коррозии образца i.
Все коэффициенты щ, i = 1,... ,20 значимы на уровне значимости а=0,05.
В анализе скорости коррозии использовались матрицы Y и А1.
Матрица Y = (ytj),i = 1, ...,20,j = 1, ..,13, ytj - вес образца i в момент времени tj (табл. 1). Матрица
Ь1 = (Afj) = fa) = (^f1-^), i = 1.....20, J = 1.....12, - (5)
tj+i-tj
это матрица оценок угловых коэффициентов at прямых = a^t + bi,i = 1, ..,20.
На скорость коррозии, согласно данным, полученным в эксперименте, могут влиять два фактора: A (концентрация раствора, фактор A имеет два уровня: 5% и 0,3%) и фактор B (вес образца + тип образца - СМК или металл, у фактора B тоже два уровня: вес 9,8-12,0 г для СМК и вес 18,0-19,4 г для металла).
Дисперсионный анализ показал (см. табл. 3), что на уровне значимости а = 0,05 на скорость коррозии значимо влияет концентрация раствора, а вес образца (и его тип) значимого влияния не оказывает [2].
Дополнительно проверялись гипотезы о постоянстве скорости коррозии всех образцов, которые испытывались в растворе одной и той же концентрации. На уровне значимости а = 0,05 эти гипотезы подтвердились. Таким образом, в 5-процентном растворе (так же как
и в 0,3-процентном растворе) скорость коррозии всех образцов одинакова и не зависит от веса (типа) образца. При этом средняя скорость коррозии образцов в 5-процентном растворе равна -0,001974 г/сутки; средняя скорость коррозии образцов в 0,3-процентном растворе равна -0,001657 г/сутки; 95%-ные доверительные интервалы для скоростей коррозии таковы: (-0,002060; -0,001888) - для 5-процентного раствора, (-0,001782) -0,001532) - для 0,3-процентного раствора.
Таблица 1
Вес образов (г) в зависимости от даты измерения веса, ^ -количество дней с начала эксперимента_
Дата 22.04 29.04 06.05 14.05 20.05 16.09 30.09 14.10 29.10 11.11 25.11 10.12 24.12
^ 0 7 14 22 28 147 161 175 190 202 216 231 245
Номер образца
1 11,391 11,375 11,365 11,343 11,327 11,120 11,089 11,064 11,036 11,009 10,960 10,924 10,901
2 11,840 11,814 11,800 11,780 11,764 11,563 11,534 11,506 11,468 11,446 11,412 11,384 11,340
3 11,236 11,210 11,195 11,175 11,166 10,956 10,922 10,894 10,864 10,835 10,806 10,768 10,736
4 11,495 11,474 11,463 11,444 11,430 11,212 11,185 11,155 11,118 11,096 11,065 11,024 10,999
5 18,072 18,055 18,041 18,022 18,008 17,785 17,755 17,719 17,689 17,646 17,612 17,569 17,551
6 11,553 11,535 11,526 11,496 11,491 11,309 11,291 11,265 11,239 11,212 11,184 11,155 11,124
7 11,248 11,234 11,221 11,203 11,195 11,008 10,986 10,958 10,933 10,902 10,881 10,853 10,826
8 11,206 11,198 11,183 11,165 11,145 10,970 10,947 10,919 10,888 10,862 10,836 10,804 10,773
9 11,521 11,510 11,496 11,478 11,468 11,292 11,265 11,236 11,210 11,188 11,158 11,135 11,108
10 19,317 19,304 19,289 19,273 19,263 19,057 19,031 19,000 18,974 18,945 18,921 18,885 18,855
11 9,838 9,822 9,811 9,798 9,787 9,603 9,578 9,559 9,531 9,509 9,480 9,458 9,433
12 10,128 10,119 10,111 10,093 10,087 9,900 9,875 9,851 9,827 9,798 9,772 9,737 9,713
13 9,990 9,977 9,965 9,950 9,941 9,755 9,725 9,700 9,677 9,650 9,626 9,606 9,578
14 9,874 9,861 9,852 9,840 9,825 9,647 9,621 9,601 9,574 9,549 9,539 9,512 9,482
15 18,716 18,699 18,689 18,675 18,665 18,481 18,448 18,423 18,394 18,366 18,347 18,322 18,295
16 10,597 10,589 10,578 10,565 10,559 10,399 10,371 10,356 10,329 10,305 10,282 10,253 10,234
17 11,141 11,123 11,113 11,096 11,090 10,938 10,913 10,889 10,861 10,833 10,809 10,782 10,768
18 10,873 10,857 10,845 10,836 10,826 10,660 10,632 10,609 10,585 10,560 10,539 10,501 10,474
19 10,456 10,445 10,437 10,417 10,408 10,249 10,224 10,197 10,170 10,148 10,124 10,093 10,067
20 19,032 19,023 19,009 19,000 18,986 18,781 18,750 18,716 18,685 18,655 18,630 18,607 18,585
[70]
www.dvfu.ru/vestnikis
Таблица 2
Линии регрессии yt = ait + bt,i = 1,..., 20
Номер образца a b RA2 R
1 -0,001942 11,3912 0,99619051 0,9984
2 -0,001917 11,8301 0,99681377 0,9984
3 -0,001945 11,2268 0,99776495 0,9989
4 -0,001972 11,4915 0,99854044 0,9993
5 -0,002092 18,0731 0,99634015 0,9982
6 -0,001663 11,5465 0,99680156 0,9984
7 -0,001679 11,2460 0,99857486 0,9993
8 -0,001704 11,2067 0,99652168 0,9983
9 -0,001647 11,5202 0,99822172 0,9991
10 -0,001839 19,3173 0,99871616 0,9994
11 -0,001620 9,8355 0,99929546 0,9996
12 -0,001664 10,1336 0,99754594 0,9988
13 -0,001661 9,9893 0,99938706 0,9997
14 -0,001573 9,8733 0,99938125 0,9997
15 -0,001690 18,7144 0,99875373 0,9994
16 -0,001458 10,6005 0,99752919 0,9988
17 -0,001478 11,1367 0,99526435 0,9976
18 -0,001553 10,8724 0,99614864 0,9981
19 -0,001533 10,4574 0,99628042 0,9981
20 -0,001851 19,0377 0,99854099 0,9993
Таблица 3
Двухфакторный дисперсионный анализ
Источник вариации Сумма квадратов SS Кол-во степеней свободы, f Средние квадраты MS=SS/f F i расч ^^S/^^S внутри F * i кр
Фактор А (% №01) 1,0407E-05 1 1,0407E-05 42,1174 3,8849
Фактор В (вес образца) 8,6918E-08 1 8,6918E-08 0,3518 3,8849
Взаимодействие АхВ 2,9108E-09 1 2,9108E-09 0,0118 3,8849
Внутри ячеек 5,8313E-05 236 2,4709E-07
Всего 6,8101E-05 239
* Бкр = Ро,о5;1,23б - квантиль Б-распределения Фишера с 1 и 236 степенями свободы, отвечающий вероятности а=0,05.
Выводы
Результаты статистической обработки экспериментальных исследований показывают, что скорость протекания коррозионных процессов у стеклометаллокомпозитных стержней и стали на начальных стадиях примерно одинакова до тех пор, пока на стеклометаллокомпозитном стержне остается металлическая оболочка, поэтому имеет смысл проводить ускоренные испытания до полного снятия металлической оболочки и исследование характера и скорости разупрочнения оставшегося стеклянного стержня. Проведенная работа носит характер начальных исследований, при которых апробированы стандартные подходы, в том числе и по обработке экспериментальных данных.
Работа выполнена при поддержке ФЦП, мероприятие 1.2, Соглашение № 14.575.21.0009, уникальный идентификатор ПНИ RFMEFI57514X0009.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 9.908-85. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости. М.: Изд-во стандартов, 1999. 97 с.
2. Справочник по прикладной статистике: в 2-х т. Т. 1: пер. с англ. / под ред. Э. Ллойда, У. Ледермана, Ю.Н. Тюрина. М.: Финансы и статистика, 1989. 510 с.: ил.
3. Пикуль В.В. Эффективность стеклометаллокомпозита // Перспективные материалы. 2000. № 6. С. 63-65.
4. Lyubimova O.N., Gridasova E.A., Gridasov A.A., Frieling G., Klein M., Walther F. Сharacterisation of mechanical and corrosion properties of newly developed glass-steel composites. Materials and Techonology. 2016(5 0):95-100.
5. Pikul V.V., Goncharuk V.K., Maslennikova I.G. A Cylindrical Shell Made of Glass-Metal Composite. Applied Mechanics and Materials. 2015(756):230-235.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Mathematical modelling of mechanics problems
Lyubimova O., Siskov V.
OLGA LYUBIMOVA, Ph.D., Professor, e-mail: [email protected]
VICTOR SISKOV, Senior Lecturer, e-mail: [email protected]
Department of Mechanics and Mathematical Modeling, School of Engineering
Far Eastern Federal University
8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950
The results of experimental investigations into the corrosion resistance of glass-metal composite material
Abstract: The paper presents the preliminary results obtained after the statistical processing of the experimental investigation into the corrosion caused by various factors which affected the samples of a glass-metal composite material based on the steel 20 and the glass CH 1. It has been noted that the corrosion rate of a glass-metal composite rods and that of steel is roughly the same in the initial stages as long as a metallic shell is present on the glass-metal composite rod. After that, the corrosion process virtually ceases, which is due to the inert properties of glass regarding this aggressive substance. Key words: glass-metal composite material, corrosion resistance, regression analysis, variance analysis.
REFERENCES
1. GOST 9.908-85. Methods of determining the corrosion performance and corrosion resistance, M., Publisher IPC standards, 1999, 97 p. (in Russ.). [GOST 9.908-85. Metody opredelenija pokazatelej korrozii i korrozionnoj stojkosti. M.: Izd-vo standartov, 1999. 97 s.].
2. Handbook of applicable mathematics, 2 vols, vol. 1, eds W. Ledermann, E. Lloid, Ju.N. Tjurin. M., Finance and Statistics, 1989. 510 p., il. (in Russ.). [Spravochnik po prikladnoj statistike: v 2-h t. T. 1: per. s angl. / pod red. Je. Llojda, U. Ledermana, Ju.N. Tjurina. M.: Finansy i statistika, 1989. 510 s.: il.].
3. Pikul V.V. Efficiency of glass-metal composite. Advanced materials. 2000;6:63-65. (in Russ.). [Pikul' V.V. Jef-fektivnost' steklometallokompozita // Perspektivnye materialy. 2000. № 6. S. 63-65].
4. Lyubimova O.N., Gridasova E.A., Gridasov A.A., Frieling G., Klein M., Walther F. Characterisation of mechanical and corrosion properties of newly developed glass-steel composites. Materials and Techonology. 2016(5 0):95-100.
5. Pikul V.V., Goncharuk V.K., Maslennikova I.G. A Cylindrical Shell Made of Glass-Metal Compo-site.Applied Mechanics and Materials. 2015(756):230-235.
