Меню

  • На главную

Поиск

  • Влияние внешней среды на разрушение твердых тел ч.3

    Posted 2/7/2010 в 8:37:40 ПП

    Таким образом, процесс развития трещины теснейшим образом связан с закономерностями, распространения жидкого металла по свободной от окисной пленки металлической: поверхности, где надо различать поверхностную диффузию (миграционное перемещение монослоев) и вязкое растекание фазового слоя.
    Изучение закономерностей распространения адсорбционно-активных металлов (Ю. В. Горюнов, Б. Д. Сумм, Н. В. Перцов, П. А. Ребиндер, Е. Д. Щукин и др., 1963) дало возможность объяснить ряд специфических особенностей развития микротрещин в присутствии ртути и галлия. Интересно заметить, что закономерности распространения жидких металлов могут быть с успехом применены не только при рассмотрении вопроса о развитии микротрещин, но и к процессам сварки, пайки, нанесения защитных металлических покрытий, поведения жидкости в условиях невесомости и т. д. Дальнейшее исследование процессов деформации поликристаллических металлов в присутствии адсорбционно-активных жидких металлов позволило получить расчетные уравнения для определения количества расплава, необходимого для получения предельного адсорбционного понижения прочности (Ю. В. Горюнов, Г. И. Деньщикова, Б. Д. Сумм, В. Ю. Траскин, 1965, 1967). Как показали Ю. В. Горюнов, Б. Д. Сумм, Н. И. Флегонтова (1964), понижение прочности в определенных диапазонах зависит от отношения количества жидкого металла к объему образца.
    До сих пор подчеркивалось, что эффект Ребиндера проявляется в основном тогда, когда на твердое тело действует в совокупности внешняя нагрузка и поверхностно-активная среда (в ненапряженном состоянии заметных изменений механических свойств твердого тела не происходит). Однако, например, поликристаллическая пластинка цинка в присутствии галлия начинает течь при очень малой нагрузке — собственном весе, что происходит обычно с металлами при очень высоких температурах, близких к температуре плавления. Резкое повышение пластичности в этом случае связано со структурными изменениями, происходящими в межзеренных прослойках при снижении поверхностной энергии из-за адсорбции атомов галлия.
    Еще более поразительны изменения структурных свойств монокристаллов (особенно четко в паре «галлий — олово»). Оказалось, что монокристалл, не имеющий структурных дефектов, подобных границам зерен, в присутствии галлиевой пленки превращается в поликристаллический образец. Явление самопроизвольного внутреннего диспергирования металла, сопровождающееся сильным понижением поверхностной энергии, может быть использовано для повышения прочности металлов, причем адсорбционно-активные расплавы оказываются уже не понизителями прочности, а способствуют повышению прочности металлов. Наряду с усовершенствованием способов выращивания маленьких, почти бездефектных нитевидных кристалликов предложен метод (В. И. Лихтман, П. А. Ребиндер и Е. Д. Щукин, 1960; П. А. Ребиндер, 1968) замораживания образцов, в которых произошло внутреннее диспергирование, приводящее к однородной и мелкозернистой структуре. Прочность таких образцов в несколько раз превышает прочность исходного недиспергированного образца.  В последнее время удалось использовать влияние внешней среды для повышение прочности катализаторов, играющих огромную роль в современной химической промышленности, исследовать адсорбционное понижение прочности твердых тел при облучении. Понижение прочности неметаллических тел под действием поверхностно-активных веществ нашло применение в вопросах понижения прочности минералов, что приводит к заметной интенсификации процессов бурения.
    Важным для механики разрушения, как отмечалось выше, является тот факт, что вещества, находящиеся на поверхности образцов, могут значительно изменять критические напряжения, при которых начинают расти трещины (например, прочность хорошо высушенного стекла повышается в 4—5 раз).
    Е. Д. Щукин и В. И. Лихтман (1958, 1959) высказали следующее предположение относительно механизма хрупкого разрушения тел, имеющих произвольные дислокационные неоднородности. При разрушении металлов наблюдаются две основные стадии. На первой из них происходит зарождение и развитие равновесных трещин под действием скалывающих напряжений в местах с высокой концентрацией напряжений. На второй стадии трещины под действием нормальных напряжений переходят от равновесного состояния к спонтанному распространению по всему сечению монокристалла. Эти оба процесса, естественно, облегчаются при понижении свободной поверхностной энергии в результате внедрения поверхностно-активных частиц внутрь кристалла по дефектным участкам структуры. Такая модель мож?т служить теоретическим обоснованием известного опытного факта о постоянстве произведения нормальных и скалывающих напряжений при хрупком разрыве, что позволяет выбрать эту величину произведения в качестве меры прочности монокристалла.
    Как уже отмечалось, большой интерес представляет исследование влияния поверхностно-активных сред на развитие трещин. Возникающие при этом многообразные и сложные процессы физико-химического взаимодействия сред, протекающие в условиях высоких локальных напряжений в конце трещины, могут быть сведены к тому, что зависимость физического (адсорбционного) и химического (коррозионного) факторов от напряженно-деформированного состояния в конце трещины в области хрупкого разрушения оказывается вполне определяющейся одним естественным параметром — коэффициентом интенсивности напряжений (Г. Г. Джонсон и П. К. Парис, EngngFracture Mech., 1968, 1:1, 3—45). При этом скорость роста трещины в феноменологическом плане зависит лишь от коэффициента интенсивности напряжений и от физико-химических констант пары «деформируемое тело — внешняя среда». Следует отметить важный опытный результат, заключающийся в том, что влияние внешней среды (проявляющееся в подрастании трещины при постоянном коэффициенте интенсивности напряжений) начинает сказываться лишь при определенном соотношении между физико-химическими параметрами среды и коэффициентом интенсивности напряжений.
    Наиболее изучен, по-видимому, чисто адсорбционный механизм понижения эффективной поверхностной энергии твердого тела в поверхностно-активной среде. При этом докритическое подрастание трещины в ряде случаев будет пренебрежимо мало, так что указанное изменение эффективной поверхностной энергии вполне описывает эффект. Для силикатного стекла, например, поверхностная энергия в присутствии влаги понижается примерно на 20%. В металлах эффективная поверхностная энергия приблизительно на три порядка превышает свободную поверхностную энергию, оцениваемую из физических соображений. Любопытно отметить, однако, что разрушающее напряжение определяется именно эффективной поверхностной энергией, а адсорбционный эффект влияет в первую очередь на свободную поверхностную энергию.

    Тэги: