ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Введение. О развитии физико-химической механики металЧасть первая Облегчение деформации металлов в растворах поверхностноактивных веществ Деформация металлических монокристаллов в присутствии поверхностно-активных веществ из "Физико-химическая механика металлов" Авторы выражают глубокую благодарность всему коллективу, участвовавшему в проведении работ, изложенных в книге, и дирекции Института физической химии АН СССР в лице академика В. И. Сницына — за неизменное внимание к этим работам. [c.4] Авторы выражают также свою искреннюю благодарность кандидатам химических наук Н. В. Смирновой и С. X. За-киевой за деятельное участие в подготовке и оформлении рукописи и инженеру 3. М. Занозиной — за подготовку иллюстраций. [c.4] Выяснение этих зависимостей приводит к более полному пониманию механизма процессов разрушения и повышения прочности твердых тел, а также к обоснованию новых путей механической обработки твердых тел, особенно металлов. В свою очередь, это должно привести к комплексным процессам оптимальной механической, физико-химической и термической обработки металлов и сплавов и к новым методам оптимальной упрочняющей технологии. [c.5] В целом, таким образом, физико-химическая механика рассматривает ряд новых задач, связанных с проблемой прочности и синтеза высокопрочных материалов новой техники. [c.5] Данная монография посвящена итогам научных исследований, непосредственно связанных с решением второй задачи,— и прежде всего, обобщению новых работ в области самого общего вида физико-химического взаимодействия среды с деформируемым в ней твердым телом (металлом) — эффекта адсорбционного понижения прочности и облегчения деформации. [c.6] К тому времени представление о прочности твердых тел, как о величине, пропорциональной их поверхностной энергии, было уже хорошо известно. Это представление казалось очевидным для простого раскалывания, предопределенного наличием совершенной кристаллической спайности (как в известном опыте Обреимова с расщеплением слюды). Совсем иначе следовало рассматривать разрушение твердого тела при диспергировании — тонком измельчении или шлифовании. При этом поверхностная энергия составляет ничтожную долю полного баланса энергии, т. е. величины работы, затрачиваемой на разрушение. Эта доля не превышает одной тысячной или десятитысячной, что и выражается весьма малым физическим коэффициентом полезного действия процессов измельчения — механического диспергирования. Подавляющую часть затрачиваемой работы составляет работа упругой деформации объема данного участка тела при доведении его до предельного состояния (после разгрузки в результате разрушения эта упругая энергия почти полностью рассеивается в тепло) и работа пластических деформаций, приобретающих особое значение при разрушении таких пластичных тел как металлы — например, в процессах резания металлов. [c.6] Тем не менее, обширный экспериментальный материал позволяет утверждать, что для твердых тел близкой категории, различающ ихся, однако, очень сильно но прочности и по работе разрушения, эта работа, как и прочность, оказываются примерно пропорциональными удельной поверхностной энергии тела в данной среде иными словами, ничтожная доля всей энергии, затрачиваемой на разрушение, оказывается, таким образом, определяющей для этого процесса [1, 2]. Коэффициент пропорциональности между работой диспергирования на единицу вновь образовавшейся поверхности и удельной поверхностной энергией может достигать при этом значений порядка тысяч и десятков тысяч. Обратная величина этого коэффициента пропорциональности и определяет, следовательно, весьма низкий коэффициент полезного действия процесса механического диспергирования. [c.7] Работа диспергирования, непосредственно измеренная для хрупких кристаллических тел, действительно оказывается приблизительно пропорциональной величине удельной поверхностной энергии, рассчитанной теоретически, исходя из простейших представлений об энергии связи в идеальной кристаллической решетке по теории Борна и его последователей. В связи с этим важно отметить, что и прочность реальных твердых тел (т. е. кристаллов с дефектной структурой), как известно, в тысячи раз меньшая, чем прочность того же кристалла с идеальной решеткой, приблизительно пропорциональна этой теоретической прочности, т. е. поверхностной энергии. Конечно, речь идет здесь о твердых телах, близких по своим деформационным особенностям — степени хрупкости и пластичности. [c.7] Вместе с тем надо отметить, что уже в связи с первыми исследованиями адсорбционного понижения прочности (вызванного понижением поверхностной энергии вследствие молекулярного воздействия среды или адсорбции добавок) возникали казавшиеся на первый взгляд достаточно серьезными возражения, касающиеся самого молекулярного механизма явления. Эти возражения сводились к тому, что адсорбция или смачивание окружающей средой — жидкостью — может иметь место только на уже образовавшейся поверхности но в том случае, когда поверхность уже сформировалась, адсорбция на ней не может приводить к каким-либо заметным влияниям на механические (деформационные) свойства. [c.7] Все это показывает, что при наличии в поверхностных слоях сжимающих напряжений эффекты адсорбционного облегчения деформации будут малы они наблюдаются лишь когда дальнейшее повышение интенсивности данного напряженного состояния приводит к течению или разрыву в поверхностном слое, т. е. к развитию в нем дефектов структуры [3, 2]. Действительно, при вдавливании индентора (шарика, конуса или пирамиды) в испытаниях на твердость наблюдаются. лишь малые — хотя все же заметные — адсорбционные эффекты. Точно так же при снятии стружки в условиях тупого угла резания, например при шлифовании, адсорбционное облегчение деформации и разрушения металла может оказаться сравнительно незначительным. Однако адсорбционные эффекты и в этих случаях могут быть велики для пористых твердых тел, пропитанных адсорбционно-активной жидкой средой, как это показано Л. А. Шрейнером, или, что то же самое, металлов и сплавов с поверхностно-активными примесями, растворенными в кристаллической решетке и действующими механизмом внутренней адсорбции, т. е. мигрирующими из внутренних частей тела к развивающимся микротрещинам. [c.8] Действительно, как показали работы Г. И. Логгпнова [3], в вакууме пли сухом воздухе крупные кристаллы слюды и гипса (пластинки, выколотые по спайности) вплоть до предельного состояния, отвечающего хрупкому разрушению, ведут себя практически как вполне упругие тела. Вместе с тем удалось показать, что в поверхпостно-активных средах, например в воде, особенно же с добавками адсорбирующихся веществ, те же кристаллы переходят в неупругое состояние, обнаруживая, особенно при напряжениях, приближающихся к предельному, ярко выраженное аномальное упругое последействие, медленно развивающееся во времени после нагружения и также постепенно спадающее после разгрузки. Эти удивительные явления оказываются вполне обратимыми и с увеличением напряжения переходят в постепенно возникающие остаточные деформации прочность материала, особенно длительная прочность, при этом заметно понижается. Аналогичные явления наблюдались М. С. Аслановой также на силикатных стеклах [3]. [c.9] Вместе с тем, как было показано в дальнейшем, поверхно-стно-активные вещества с атомами весьма малых размеров, например поверхностно-активные металлы, которые могут хотя бы в малой степени растворяться в данном твердом теле, диффундируя в его решетку даже регулярно (т. е. в недеформи-рованном состоянии и не по дефектам структуры), вызывают адсорбционное понижение прочности и облегчение деформации путем внутренней адсорбции, т. е. адсорбции на зароды-ш рых поверхностях, развивающихся в объеме деформируемого тела. Более того, оказалось, что сильное адсорбционное понижение прочности может наблюдаться и в отсутствие внешних усилий — под действием одних только, иногда незначительных, внутренних напряжений или даже в ненапряженном состоянии — путем самопроизвольного (спонтанного) диспергирования при понижении поверхностной энергии до очень низких значений (предельный случай очень сильной поверхностной активности). [c.10] Попытки объяснить понижение прочности расклинивающим давлением тонких слоев жидкости, например для диффузных двойных слоев ионов в разбавленных растворах электролитов, оказались неудачными такие расклинивающие давления и соответствующие им понижения поверхностной энергии весьма малы по сравнению с понижениями поверхностной энергии, вызываемыми первым молекулярным (мономолеку-лярным) адсорбционным слоем. Именно такие предельно тонкие адсорбционные слои вызывают наибольшие эффекты понижения прочности. Расклинивающее же давление может проявляться только в случае предельно слабых связей между поверхностями (частицами) твердого тела или соответствующей дисперсной (коагуляционной) структуры — например, в явлениях набухания или пептизацип агрегатов коллоидных частиц в разбавленных растворах электролитов. [c.10] В полном соответствии с уравнением Гиббса — Липпмана нами было показано, что наряду с адсорбцией молекул поверхностно-активных веществ причиной понижения прочности, вследствие понижения поверхностной энергии, является и электрическое заряжение поверхностей в процессе их образования. Такие электрокапиллярные эффекты понижения прочности (твердости) металлов и облегчения их пластической деформации были подробно изучены Е. К. Венстрем в нашей лаборатории. Эти исследования велись в тех же условиях, что и при снятии электрокапиллярных кривых, т. е. зависимости поверхностного натяжения от поляризации поверхности ртуть-раствор электролита. Этот раствор достаточно концентрирован, чтобы двойные слои были практически предельно сжатыми. [c.11] Кстати сказать, наличие таких четких электрокапиллярных эффектов и дополнительных адсорбционных эффектов на слабо заряженных поверхностях вблизи максимума электрокапиллярной кривой на ее катодной ветви показывает, что и на металлах адсорбционные эффекты связаны с развитием новых поверхностей самого металла [4], т. е. с понижением его поверхностной энергии, и не зависят непосредственно от степени окисленности внешней поверхности металла, в противоположность тому как это предполагал английский физик Андраде. [c.11] Вместе с тем адсорбционное понижение прочности и облегчение деформации упругого последействия на слюде увеличивается при добавлении к воде поверхностно-активного вещества типа неионогенпого октилового спирта или катионак-тивного алкиламина в виде хлористоводородной соли. Прямыми опытами было показано, что эти вещества адсорбируются поверхностями слюды с нормальной ориентацией углеводородными цепями наружу. Это соответствует гидрофобизации поверхности, т. е. ослаблению или даже разрушению гидратной оболочки на слюде — на ее вновь образующихся поверхностях, хотя адсорбционное понижение прочности является резко выраженным в связи с понижением поверхностной энергии, вызванным адсорбцией. [c.11] В отличие от этого случая наши клиновидные микротрещины в упруго-хрупких телах, объясняющие возможность обратного смыкания и обратимого адсорбционного эффекта, обладают поверхностной энергией, резко падающей от наибольшего значения, соответствующего свободной поверхности вполне развившейся в устье трещины, до нуля в тупиковой части —вблизи границы трещины, что и определяет возможность смыкания, т. е. самозалечивания после разгрузки. Попытка рассмотрения таких тупиковых трещин была сделана Я. И. Френкелем, а затем Д. И. Шилькрутом. Впервые с необходимой строгостью теоретический анализ особенностей развития и равновесия таких обратимых тупиковых микротрещин был проведен Г. И. Баренблаттом. [c.12] Возвращаясь к упруго-хрупким телам, надо указать, что при смыкании всех зародышевых трещин (кроме основной трещины разрушения) после разгрузки тела при его разрыве вся поверхностная энергия в результате смыкания микротрещин рассеивается в тепло. С этим и связано весьма низкое значение коэффициента полезного действия процесса разрушения или, соответственно, высокое значение коэффициента пропорциональности между работой образования единицы впеш-не11 поверхности твердого тела в этом процессе и его удельной поверхностной энергией. [c.13] Уже в первых работах, посвященных адсорбционному понижению прочности, выяснилось многостороннее промышленное значение этого физико-химического эффекта. В дальнейшем эти практические приложения были разработаны в ряде экспериментальных исследований и испытаний в производственных условиях. Прежде всего было показано, что различные виды бурения в твердых породах, т. е. разрушение горных пород при помощи специального режущего инструмента — долота и другими способами (например, нри бурении дробью), могут быть значительно облегчены и ускорены под влиянием адсорбции физико-химически активной среды, являюще11ся понизителем твердости или прочности разрушаемой породы. Поскольку большинство твердых горных пород гидрофильны, адсорбционным понизителем твердости является сама вода, поэтому мокрое бурение (с промывкой) всегда эффективнее сухого (с продувкой воздухом), разумеется, при одинаковой степени очистки забоя скважины от выбуренных частиц. [c.13] Наиболее важно, однако, что при механическом взаимодействии инструмента с разрушаемой породой различие в их поверхностной прочности (твердости) столь велико, что когда напряженное состояние в породе весьма близко к предельному, оно еще очень далеко от своего предельного состояния для инструмента. Поскольку величина адсорбционного эффекта зависит от условий напряженного состояния и резко возрастает с увеличением его интенсивности, инструменту легче работать по размягченной, быстрее разрушаемой породе, и износостойкость его оказывается в конечном счете значительно повышенной. Это одно уже полностью окупает все расходы по применению промывки с понизителями твердости при бурении, так что повышение скорости проходки скважин или шпуров оказывается не связанным с какими-либо дополнительными расходами. [c.14] Вернуться к основной статье