Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

по дисциплине

«Конструкционная прочность и ее физические основы»

на тему:

«Адсорбционные процессы при деформации и разрушении металлов. Эффект Ребиндера»

Томск 2011

Введение

О влиянии внешней среды на механические свойства твердых тел и, в частности металлов, известно давно. Изначально 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 в 20-х годах прошлого столетия академиком А.Ф. Иоффе по изучению упругих свойств и прочности кристаллов в различных средах [1, 2], П.А. Флоренский и др. (1932) показали, что техническая прочность меняется с изменением среды (исследования прочности слюды в воздухе, масле и ряде органических жидкостей). В 1932 г. С.Н. Журковым были выявлены 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.

Стоит отметить, что влияние окружающей среды на механические свойства твердых тел наблюдается не только в виде химического (коррозионного) воздействия. Было показано, что зачастую адсорбция поверхностно-активных веществ из окружающей среды вызывает облегчение деформации и разрушения твердого тела 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 (эффект Ребиндера). Инициирующее действие адсорбции состоит в том, что поверхностно-активные вещества понижают поверхностную энергию металлов и тем самым способствуют зарождению пластических сдвигов и развитию разнообразных дефектов при меньших напряжениях. Очевидно, что адсорбционному воздействию прежде всего подвержены поверхностные дефекты структуры - слабые места, присутствующие в любом твердом теле [3]. 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. Таким образом, присутствие поверхностно-активной среды приводит к тому, что взаимодействие с адсорбционно-активными молекулами (или атомами) помогает перестройке и разрыву межатомных связей в данном материале.

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 следует 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 к созданию самостоятельной области науки и техники.

Цель данной работы заключается в изучении эффекта Ребиндера по литературным данным.

1. Краткая биография П.А. Ребиндера

Ребиндер Петр Александрович (03.10.1898-12.07.1972), советский физико-химик, академик АН СССР с 1946 г. (член-корреспондент с 1933 г.), родился в Петербурге. Окончил физико-математический факультет Московского университета (1924). В 1922-1932 гг. работал в Институте физики и биофизики АН СССР и одновременно (1923-1941 гг.) - в Московском государственном педагогическом институте им. К. Либкнехта (с 1923 г. - профессор), с 1935 г. - заведующий отделом дисперсных систем в Коллоидно-электрохимическом институте (с 1945 г. - Институт физической химии) АН СССР, с 1942 г. - заведующий кафедрой коллоидной химии в Московском университете.

Основные работы Ребиндера посвящены физикохимии дисперсных систем и поверхностных явлений, а именно исследованию поверхностных адсорбционных слоев на границах раздела твердых и жидких тел в связи с их влиянием на свойства дисперсных (и, в частности, коллоидных) систем. Работы Ребиндера и его учеников привели к установлению зависимости свойств дисперсных систем от природы поверхностных слоев на границах раздела фаз. В 1928 г. ученый открыл явление облегчения деформаций и понижения прочности твердых тел под влиянием адсорбционно-активной среды. Это явление получило название «эффекта Ребиндера». Оно имеет особое значение в условиях длительного воздействия внешних сил (ползучести) и при периодических воздействиях, расшатывающих структуру твердого тела (усталостное разрушение) [4]. В 1930-1940-е гг. Ребиндер разработал пути облегчения обработки очень твердых и труднообрабатываемых материалов.

Он обнаружил электрокапиллярный эффект пластифицирования металлических монокристаллов в процессе ползучести при поляризации их поверхности в растворах электролитов, исследовал особенности водных растворов поверхностно-активных веществ, влияние адсорбционных слоев на свойства дисперсных систем, а в 1935-1940 гг. выявил основные закономерности образования и стабилизации пен и эмульсий, а также процесса обращения фаз в эмульсиях.

Большое значение для развития теории флотационного обогащения полезных ископаемых имели работы Ребиндера, установившие зависимость смачивания твердых поверхностей от характера и степени насыщения адсорбционных слоев. Ученым был разработан ряд основных вопросов структурообразования в дисперсных системах в связи с процессами диспергирования и образования новой кристаллической фазы, что легло в основу развития теории тиксотропии, теории схватывания и твердения минеральных вяжущих веществ, а также процессами стабилизации пен, эмульсий, суспензий и процессами обращения фаз в эмульсиях.

В 1956 г. ученый открыл явление адсорбционного понижения прочности металлов под действием металлических расплавов. В 1950-е гг. ученым была создана новая область науки - физико-химическая механика. Как писал сам Ребиндер: «Конечная задача физико-химической механики состоит в том, чтобы разработать научные основы для получения твердых тел и систем с заданными структурой и механическими свойствами. Следовательно, в задачу этой области входит создание оптимально направленной технологии производства и обработки по существу всех строительных и конструкционных материалов современной техники - бетонов, металлов и сплавов, особенно жаропрочных, керамики и металлокерамики, резин, пластиков, смазочных материалов».

В годы Великой Отечественной войны научная деятельность Петра Александровича была связана с укреплением боеспособности Советской Армии. Именно П.А. Ребиндер изобрел воспламеняющуюся жидкость, позднее названную «коктейлем Молотова», применявшуюся для борьбы с танками противника. Он также руководил группой ученых, разработавших машинную смазку для бронетехники, которая не затвердевала и не густела на морозе.

В 1958 г. Ребиндер создал и возглавил Научный совет АН СССР по проблемам физико-химической механики и коллоидной химии, с 1967 г. являлся председателем Национального комитета СССР при Международном комитете по поверхностно-активным веществам. С 1968 по 1972 г. он был главным редактором «Коллоидного журнала». Ученый награжден двумя орденами Ленина, имел звания Героя Социалистического труда (1968), лауреата Государственной премии СССР (1942).

2. Общие положения

Поверхностно-активная среда влияет на процессы деформации и разрушения твердых тел, в значительной степени понижая их сопротивляемость деформированию и разрушению в результате физической (обратимой) адсорбции поверхностно-активных веществ. Этот эффект был открыт П.А. Ребиндером (1928) и назван его именем. Было установлено, что деформация металлов Al, Cu, Pb, Sn, Zn в растворе олеиновой кислоты в вазелиновом масле при адсорбции молекул длинноцепочных жирных кислот, спиртов и аминов выявляет снижение напряжений разрушения. Уменьшение предела текучести и коэффициента упрочнения металлов при их деформировании в растворах органических поверхностно-активных веществ представляет одну из известных форм эффекта Ребиндера - пластифицирование. В зависимости от ряда физико-химических и механических факторов, в первую очередь от снижения свободной поверхностной энергии твердого тела на границе со средой могут проявляться иные формы эффекта - возникновение хрупкости и появление склонности к самопроизвольному диспергированию. Для проявления пластифицирования под действием органических поверхностно-активных веществ достаточно снижения поверхностной энергии на незначительную величину - порядка нескольких десятков эрг/см². Механизм пластифицирующего действия среды авторы видят либо в облегчении выхода дислокаций на поверхность кристалла, либо в облегчении зарождения и генерации приповерхностных источников дислокаций, вследствие понижения поверхностного потенциального барьера в результате адсорбции молекул поверхностно-активных веществ [5].

Эффект Ребиндера возможен при контакте твердого тела, находящегося в напряженном состоянии, с жидкой или газовой адсорбционно-активной средой. Стоит отметить универсальность изучаемого эффекта - он наблюдается в твердых металлах, ионных, ковалентных и молекулярных моно- и поликристаллических телах, стеклах и полимерах, частично закристаллизованных и аморфных, пористых и сплошных. Основное условие проявления эффекта Ребиндера - родственный характер контактирующих фаз (твердого тела и среды) по химическому составу и строению. Форма и степень проявления эффекта зависят от интенсивности межатомных (межмолекулярных) взаимодействий соприкасающихся фаз, величины и типа напряжений (необходимы растягивающие напряжения), скорости деформации, температуры. Также важна реальная структура тела - наличие дислокаций, трещин, посторонних включений и др. Характерная форма проявления эффекта Ребиндера - многократное падение прочности, повышение хрупкости твердого тела, снижение его долговечности. Так, смоченная ртутью цинковая пластина под нагрузкой не гнется, а хрупко разрушается. Другая форма проявления - пластифицирующее действие среды на твердые материалы, к примеру, воды на гипс, органических поверхностно-активных веществ на металлы и др. Уменьшение работы образования новой поверхности при деформации в результате понижения свободной поверхностной энергии твердого тела под влиянием окружающей среды обуславливает термодинамический эффект Ребиндера. Молекулярная природа эффекта состоит в облегчении разрыва и перестройки межмолекулярных (межатомных, ионных) связей в твердом теле в присутствии адсорбционно-активных и вместе с тем достаточно подвижных инородных молекул (атомов, ионов).

Важнейшие области технического приложения - улучшение механической обработки различных (особенно высокотвердых и труднообрабатываемых) материалов, регулирование процессов трения и износа с применением смазок, эффективное получение измельченных (порошкообразных) материалов, а также твердых тел и материалов с заданной дисперсной структурой и требуемым сочетанием механических и др. свойств путем дезагрегирования и последующего уплотнения без внутренних напряжений. Однако, адсорбционно-активная среда может наносить и существенный вред, например, снижая прочность и долговечность деталей машин и материалов в условиях эксплуатации. Для защиты материалов от негативного воздействия окружающей среды необходимо устранять факторы, способствующие проявлению эффекта Ребиндера.

3. Механизм и применение эффекта Ребиндера

Даже самые прочные тела имеют огромное число дефектов, которые делают их менее прочными по сравнению с предсказаниями теории. При механическом разрушении твердого тела процесс начинается с того места, где расположены микродефекты. Увеличение нагрузки приводит к развитию микротрещины в месте дефекта. Однако при снятии нагрузки первоначальная структура восстанавливается: зачастую для полного преодоления сил межмолекулярного (межатомного) взаимодействия ширины микротрещины бывает недостаточно. Уменьшение нагрузки приводит к «стягиванию» микротрещины, силы межмолекулярного взаимодействия восстанавливаются практически полностью, трещина исчезает. Дело еще и в том, что образование трещины - это образование новой поверхности твердого тела, а такой процесс требует затраты энергии, равной энергии поверхностного натяжения, помноженной на площадь этой поверхности. Уменьшение нагрузки ведет к «стягиванию» трещин, т.к. любая система стремится к уменьшению энергии, в ней запасенной. Следовательно, для успешного разрушения твердого тела образующуюся поверхность необходимо покрыть поверхностно-активным веществом, уменьшающим работу по преодолению молекулярных сил при образовании новой поверхности. Поверхностно-активные вещества проникают в микротрещины, покрывают их поверхности слоем толщиной всего в одну молекулу (что определяет возможность использования очень малых количеств добавок этих веществ), предотвращая процесс «схлопывания», препятствуя возобновлению молекулярного взаимодействия.

В определенных условиях поверхностно-активные вещества облегчают измельчение твердых тел. Стоит подчеркнуть, что измельчение твердых тел вплоть до размера коллоидных частиц вообще невозможно осуществить без добавления поверхностно-активных веществ.

Теперь остается вспомнить, что разрушение твердого тела (т.е. образование новых микротрещин) начинается именно с того места, где расположен дефект структуры этого тела. Кроме того, добавляемое поверхностно-активное вещество адсорбируется преимущественно также в местах расположения дефектов. Приведем слова академика Ребиндера: «Отрыв части происходит именно по этим слабым местам [расположения дефектов], и, следовательно, образующиеся при измельчении мелкие частицы тела уже не содержат этих наиболее опасных дефектов. Выражаясь точнее, вероятность встречи опасного слабого места становится тем меньше, чем меньше ее размеры.

Если, измельчая реальное твердое тело любой природы, мы дойдем до частиц, размеры которых примерно такие же, как расстояния между самыми опасными дефектами, то такие частицы уже почти наверняка не будут содержать опасных дефектов структуры, они станут гораздо прочнее, чем крупные образцы того же самого тела. Следовательно, стоит только измельчить твердое тело на достаточно мелкие кусочки, и эти кусочки той же самой природы, того же состава будут наиболее прочными, почти идеально прочными».

Потом эти однородные, бездефектные частицы надо соединить, сделать из них высокопрочное тело нужных размеров и формы, заставить частицы плотно упаковаться и очень прочно объединиться друг с другом. Полученная таким образом деталь машины или строительная деталь должна быть гораздо прочнее, чем исходный материал до измельчения. Естественно, не настолько прочной, как отдельная частица, т.к. в местах объединения возникнут новые дефекты. Однако при умелом проведении процесса объединения частиц прочность исходного материала будет превзойдена. Для этого требуется особенно плотно упаковать мелкие частицы, чтобы между ними снова возникли силы межмолекулярного взаимодействия. Обычно для этого используют сжатие частиц прессованием и нагрев. Мелкозернистый агрегат, полученный прессованием, нагревают, не доводя до плавления. При повышении температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний молекул (атомов) в кристаллической решетке. В точках соприкосновения колеблющиеся молекулы двух соседних частиц сближаются и даже перемешиваются. Силы сцепления увеличиваются, частицы стягиваются, практически не оставляя пустот и пор, соответственно, дефекты мест соприкосновения исчезают.

Усовершенствование процесса измельчения твердых тел, основанное на практическом применении эффекта Ребиндера, оказалось весьма полезным для многих отраслей промышленности. Технологические процессы измельчения заметно ускорились, при этом потребление энергии существенно уменьшилось. Тонкое измельчение позволило проводить многие технологические процессы при менее высоких температурах и давлениях. В результате были получены более высококачественные материалы: бетоны, керамические и металлокерамические изделия, красители, карандашные массы, пигменты, наполнители и т.п. Была значительно облегчена механическая обработка тугоплавких и жаропрочных стержней.

Вот как описывает способ применения эффекта Ребиндера он сам: «Строительные детали из цементного бетона могут быть надежно объединены в монолитную конструкцию путем склеивания цементным виброколлоидным клеем… Такой клей представляет собой смесь тонкомолотого цемента (часть которого можно заменить тонкомолотым песком) с предельно малым количеством воды и добавкой поверхностно-активного вещества. Смесь разжижается предельным вибрированием в процессе нанесения на склеиваемые поверхности в виде тонкой прослойки. После быстрого затвердевания прослойка клея становится самым прочным местом в конструкции».

Использование идей академика Ребиндера относительно облегчения процесса измельчения твердых тел имеет большое практическое значение, например, для разработки метода уменьшения прочности минералов с целью повышения эффективности бурения в твердых породах. Эффект Ребиндера лежит также в основе облегчения резания пластичных тел (металлов) под влиянием поверхностно-активных компонентов смазочно-охлаждающих жидкостей [6,7].

4. Внешний и внутренний адсорбционные эффекты

Различают внешний и внутренний адсорбционные эффекты. Внешний адсорбционный эффект происходит в результате адсорбции поверхностно-активных веществ на внешней поверхности деформируемого твердого тела, что вызывает пластифицирование поверхности и снижение предела текучести , а также коэффициента упрочнения

ребиндер адсорбционный газовый внутренний

,

где - напряжение, - деформация. Причиной внешнего адсорбционного эффекта являются молекулы органических кислот и спиртов, которые достаточно велики для проникновения в трещины. Эффект Ребиндера также можно продемонстрировать на примере продавливания стального шарика через сквозное цилиндрическое отверстие в металлическом образце (рис. 1). При продавливании шарика избыточный поверхностный слой металла пластически деформируется, образуя наплыв перед шариком. При продавливании шарика без смазочного материала в зону деформации вовлекается значительно больше металла, чем в присутствии активной среды.

Адсорбция поверхностно-активных веществ на внутренних поверхностях раздела, таких как зародышевые микротрещины разрушения, приводит к внутреннему адсорбционному эффекту. Он заключается в адсорбции атомов поверхностно-активных веществ на поверхностях микротрещин при деформации разрушения и облегчения их развития в результате снижения работы образования новой поверхности.

Принципиальной отличительной чертой эффекта Ребиндера от химических или электрохимических процессов (коррозии, растворения твердого тела в окружающей среде) является то, что он проявляется только при совместном воздействии среды и определенного напряженного состояния, т.е. при обратимом участии среды. Рассматриваемый эффект может быть вызван не только адсорбцией, но и воздействием жидкости [8].

Так как адсорбция поверхностно-активных веществ уменьшает поверхностную энергию , то можно проследить, каким образом это отразится на прочности твердого тела . В случае хрупкого разрушения может выполняться соотношение Гриффитса:

где - модуль упругости, - размеры дефекта (трещины).

В случае пластической деформации в уравнение входит работа пластической деформации - энергия искажения в районе трещины:

Значение может превосходить на несколько порядков истинное значение , но при понижении поверхностной энергии резко снижается. В этом и состоит природа охрупчивания твердого тела под влиянием поверхностно-активной среды [9].

Заключение

Итак, основополагающая идея о связи механического поведения твердых тел с физико-химическими явлениями на их поверхности была сформулирована уже в первом кратком сообщении на VI съезде русских физиков в 1928 г.: «Автор задался целью изучить влияние поверхностной энергии кристалла (кальцит, каменная соль, гипс, слюда) на его механические и другие свойства, понижая поверхностное натяжение грани введением в окружающую среду поверхностно-активных веществ, образующих на границе гиббс-ленгмюровские слои». Такая постановка задачи была принципиально новой, т.к. впервые прочность и твердость трактовались как свойства поверхности, контролируемые взаимодействием твердого тела с внешней средой. Ребиндер объяснял наблюдавшееся в экспериментах снижение прочности и твердости кристаллов «…ослаблением связей между поверхностными элементами решетки благодаря адсорбции поверхностно-активных молекул» [10].

В то время разрушение рассматривалось лишь как механический разрыв связей в твердом теле под действием внешней нагрузки. Видимо, поэтому многими крупными учеными полученные результаты и их объяснение были встречены скептически. Суть наиболее серьезных возражений сводилась к тому, что ослабление связей между поверхностными атомами твердого тела не может существенно повлиять на прочность, обусловленную разрывом внутренних связей. Образование же новых фрагментов поверхности при разрушении предшествует адсорбции на них активных компонентов среды, так что и этим путем адсорбция не может влиять на прочность. Такого же рода сомнения высказывались и в отношении адсорбционной пластификации (снижения твердости) приповерхностных слоев твердого тела.

Сегодня же хорошо известно, что адсорбционно-активные компоненты среды принимают непосредственное участие в элементарных актах разрыва и/ или перестройки межатомных связей в нагруженном твердом теле и могут существенным образом влиять на его механическое поведение.

Следует также отметить, что на сегодняшний день представления об эффекте Ребиндера много глубже и детальней, чем первоначально высказанная общая идея. Сегодня ясно, что понижение поверхностной энергии является лишь необходимым, но не достаточным условием понижения прочности и само по себе не приводит к охрупчиванию или пластификации твердого тела. Характер и уровень проявления эффекта в значительной степени обусловлены структурно-кинетическими факторами и определяются механизмами коллективных атомных взаимодействий в системе «твердое тело-среда».

Тем не менее, в главном выдвинутая П.А. Ребиндером концепция не претерпела сколько-нибудь существенных изменений. Выводы, следующие из анализа литературных источников, способствуют пониманию закономерностей процессов адсорбционного эффекта понижения прочности (эффекта Ребиндера).

Литература