Меню

  • На главную

Поиск

  • Влияние внешней среды на разрушение твердых тел ч.1

    Posted 8/2/2009 в 8:30:35 ПП

    О влиянии внешней среды на механические свойства твердых тел, и в частности металлов, известно давно. Вначале исследование этого аспекта осуществлялось в основном с точки зрения химического (коррозионного) воздействия среды (изменение механических свойств металлов при электрохимической коррозии или растворении).
    Продолжая исследования, начатые А. Ф. Иоффе с сотрудниками (1924) по изучению упругих свойств и прочности кристаллов (каменная соль) в различных средах, П. А. Флоренский и др. (1932) показали, что техническая прочность меняется с изменением среды (исследования прочности слюды в воздухе, масле и ряде органических жидкостей). С. Н. Жур-ков (1932) выявил условия получения образцов повышенной прочности из стекол разных сортов при травлении их поверхности плавиковой кислотой. В это же время им были проведены исследования влияния среды на прочность кварца.
    Однако влияние окружающей среды наблюдается не только при ее химическом воздействии. Было показано, что адсорбция поверхностно-активных веществ из окружающей среды вызывает облегчение деформации и разрушения твердого тела зачастую в гораздо большей степени, чем при каких-либо   химических превращениях.
    В основе физико-химического влияния внешней среды на процессы деформации и разрушения лежит эффект понижения прочности в результате адсорбции. Первичное действие адсорбции состоит в том, что поверхностно-активные вещества, понижая поверхностную энергию металлов, способствуют зарождению пластических сдвигов и развитию разнообразных дефектов при меньших напряжениях. Работа по образованию таких «дефектных» поверхностей уменьшается, если свободная поверхностная энергия на границе твердого тела с окружающей средой оказывается сниженной по сравнению с ее наибольшим значением в вакууме. Следовательно, присутствие поверхностно-активной среды приводит к тому, что взаимодействие с адсорбционно-активными молекулами (или атомами) помогает перестройке и разрыву межатомных связей в данном материале. Эффект адсорбционного облегчения деформации или адсорбционного понижения прочности иногда называют эффектом П. А. Ребиндера.
    Благодаря исследованиям в этой области, возникающей на границе между молекулярной физикой, физикой твердого тела и физической и коллоидной химией, удалось установить ряд новых явлений, вызываемых адсорбционным взаимодействием деформируемых твердых тел с окружающей средой. К этим новым явлениям следовало бы прежде всего отнести такие, как структурные изменения деформируемых материалов и понижение предела текучести под влиянием адсорбции, повышение скорости ползучести металлов, электрокапиллярный эффект облегчения деформации металлов и понижение усталостной прочности. Исследования и использование адсорбционного понижения прочности привели в настоящее время к созданию самостоятельной области науки и техники. Изучение отрицательного влияния поверхностно-активных веществ на прочность материалов привело, например, к тому, что недавно предложен новый метод получения более прочных материалов, основанный на использовании адсорбционно-активных веществ.
    Первоначально исследовалось главным образом влияние окружающей среды на механические свойства металлических монокристаллов, таких, как олово, свинец, цинк, алюминий, выращиваемых по методу П. Л. Капицы, И. В. Обреимова и методом рекристаллизации. Было установлено, что интенсивность воздействия поверхностно-активных веществ на механические свойства металлических монокристаллов существенно зависит от температуры и скорости деформации (В. И. Лихтман, П. А. Ребиндер и Л. П. Янова, 1947). В то же время при одинаковых температурах и скоростях деформации механические свойства твердых тел и особенно металлов могут меняться в довольно широком диапазоне в зависимости от распределения напряжений внутри образца. Как известно, обычные диаграммы деформации представляют собой усредненные значения сил и деформаций и дают весьма косвенное представление об истинном распределении напряженного и деформированного состояния внутри тела. Количественная сторона этого вопроса весьма сложна, но качественная картина явления довольно полно исследована, начиная по преимуществу с работ Н. Н. Давиденкова (1936). Дело в том, что в процессе деформирования происходит превращение гомогенной механической системы в гетерогенную, причем это превращение заключается в основном в развитии дефектных участков структуры, всегда присутствующих в реальном твердом теле. Как показали эксперименты (В. И. Лихтман и Е. К. Венстрем, 1949), объемное напряженное состояние существенным образом влияет на величину адсорбционного эффекта (например, он возрастает по мере отклонения напряженного состояния вблизи поверхности от состояния всестороннего сжатия; см. П. А. Ребиндер, Л. А. Шрейнер и др., 1944, 1949).
    Дальнейшие исследования монокристаллов позволили выявить влияние поверхностно-активной среды в начальной пластической стадии до предела текучести (В. И. Лихтман и Е. П. Закощикова, 1949). При этом были получены зависимости коэффициента упрочнения от числа циклов нагружений в неактивной и активной средах. Наблюдаемое здесь явление перераспределения деформаций и напряжений под действием адсорбирующихся веществ объясняется активацией релаксационных процессов.
    В то же время в работах П. А. Ребиндера, Е. К. Венстрем и др. было исследовано интересное явление, названное электрокапиллярным эффектом, которое состоит в том, что при поляризации поверхности хрупких тел, обладающих электронной проводимостью, а также металлов в водных растворах электролитов твердость металлов изменяется в зависимости от скачка потенциала на границе «твердое тело — раствор».
    Известно, что величина поверхностного натяжения определяет ряд. механических свойств твердого тела, таких, например, как твердость, ползучесть, коэффициент трения и др., что положено в основу определения точки нулевого заряда металлов. Сообразно изменению этой зависимости механических свойств от потенциала, можно определить область адсорбции органического вещества и судить о степени адсорбируемости последнего (П. А. Ребиндер и Н. А. Калиновская, 1934; П. А. Ребиндер и Е. К. Венстрем, 1944, 1945, 1949; В.   И. Лихтман,  Е.  Д. Щукин и П. А. Ребиндер, 1962). В работах П. А. Ребиндера с сотрудниками была установлена зависимость твердости металла от потенциала в форме Электр окапиллярной кривой, полученной для жидких металлов.
    Нужно отметить, что твердость металла отражает степень его диспергируемое™, приводящей к образованию и расширению микротрещин, причем скорость протекания этих процессов увеличивается при понижении поверхностного натяжения металла. Отсюда при смещении потенциала электрода (в положительную или отрицательную сторону от потенциала нулевого заряда) и при адсорбции органических веществ на границе «электрод — раствор» твердость металлов снижается.
    В связи с интересом, проявленным к роли окисных пленок (Б. В. Де-рягин, 1937) в адсорбционном эффекте облегчения деформаций, были продолжены исследования электрокапиллярного эффекта при изучении ползучести металлических монокристаллов (Е. К. Венстрем и П. А. Ребиндер, 1952). Для металлов с кубической решеткой различия в механических свойствах между моно- и поликристаллами незначительно. Однако это различие становится весьма ощутимым для металлов, имеющих одну основную систему плоскостей скольжения (например, металлы с гексагональной решеткой или р-олово). Проведенные исследования (В. И. Лихт-ман и П. А. Ребиндер, 1947; С. Я. Вейлер и Л. А. Шрейнер, 1949, 1950; С. Я. Вейлер и Г. И. Епифанов, 1953) показали значительное влияние поверхностно-активных веществ в упругой области деформаций поликристаллических металлов.
    Рассмотрев этот аспект с иной стороны, С. Я. Вейлер и В. И. Лихтман (1960) установили влияние адсорбционных слоев на упругие деформации металлов при использовании поверхностно-активных смазок в процессах обработки металлов давлением. Работы этого направления привели к разработке теоретических основ и методов применения смазок. Было показано, что в присутствии поверхностно-активных веществ поверхностный слой металла становится более текучим, пластифицируется и при обработке давлением принимает на себя основную часть избыточной сдвиговой деформации. Происходит своего рода самосмазывание (металл смазывается не смазкой, а своим же тонким слоем, пластифицированным этой смазкой). Действие этого тонкого легко деформируемого слоя усиливается от химического взаимодействия металла с активными молекулярными группами поверхностно-активных веществ, что приводит к образованию своеобразных металлических мыл, связанных с поверхностью и усиливающих процесс ее пластификации. Количественные оценки этого явления, очевидно, затруднительны, но С. Я. Вейлером (1949, 1950, 1953), например, был предложен метод оценки смазочного действия среды в процессах глубокой вытяжки металлов. Значительное снижение усилий в присутствии активных смазок, как оказалось, характерно для различных способов обработки металлов (прессование, осаживание, вытяжка, резание).
    Дальнейшие эксперименты, проведенные на поликристаллических металлах, позволили установить эффект возрастания степени возникающего наклепа (упрочнения) при периодических деформациях в присутствии поверхностно-активных веществ (Т. Ю. Любимова, П. А. Ребиндер и др., 1948, 1950).
    Продолжая исследования этого аспекта, Г. В. Карпенко с сотрудниками (1949—1953, 1962) расширил представления о разнообразных формах адсорбционного и коррозионного влияния среды на усталостную прочность металлов. Известно, что усталостная прочность металлов может значительно снижаться под влиянием понизителей прочности (таких,например, как коррозионная среда), причем это снижение зависит от времени пребывания детали в коррозионной среде и от числа циклов нагружения (И. А. Одинг, 1949). Показано, что при коррозионной усталости, приводящей к значительной потере усталостной прочности, имеет место только ограниченная выносливость, причем истинный передел усталости отсутствует (Г. В. Карпенко, 1952).