Адсорбционный эффект понижения прочности

(эффект Ребиндера)

Поверхностно-активная среда влияет на процессы разрушения и деформации твердых тел, при этом значительно снижается их сопротивляемость деформированию и разрушению в результате физической адсорбции (ПАВ) из окружающей среды. Молекулы ПАВ ориентируются при адсорбции перпендикулярно к поверхности тела, с которым взаимодействуют (органические кислоты, спирты, смолы, дистиллированная вода). Эти молекулы полярные. Например, если поместить металлическое тело рядом с летучим веществом, (например, валерьяновой кислотой), то молекулы кислоты, испаряясь и перемещаясь через воздух, покроют поверхность тела слоем в 1 молекулу, причем, если намочить поверхность, то получается многомолекулярный слой, строго ориентированных молекул ПАВ (рис. 2.6).

Этот эффект был установлен П.А. Ребиндером и назван его именем. Различают внешний и внутренний адсорбционные эффекты.

Внешний эффект происходит в результате адсорбции ПАВ на внешней поверхности деформированного твердого тела, что вызывает пластифицирование поверхности и снижает предел текучести. Понижается поверхностная энергия, что приводит к облегчению выхода дислокаций. Молекулы органических кислот и спиртов относительно велики, они не могут проникнуть в трещины и вызывают внешний адсорбционный эффект. Эффект Ребиндера можно продемонстрировать на примере продавливания стального шарика через сквозное цилиндрическое отверстие в металлическом образце (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема продавливания шарика без смазочного материала (а)

и с окисленным парафином (б):

1 - образец; 2 - пуансон; 3 - шарик; 4 – наплыв

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.

Внутренний адсорбционный эффект вызывается адсорбцией ПАВ на внутренних поверхностях раздела – зародышевых микротрещинах разрушения, возникающих в процессе деформации твердого тела. Этот эффект заключается в адсорбции атомов ПАВ на поверхностях микротрещин при деформации разрушения и облегчения их развития в результате снижения работы образования новой поверхности. Давление на стенки трещины у ее вершины может доходить до 10 ГПа.

Эффект Ребиндера проявляется только при совместном действии среды и определенного напряженного состояния. Он может быть вызван не только адсорбцией, но и воздействием жидкости. Наиболее сильно эффект Ребиндера проявляется в условиях образования новых поверхностей, а также при наличии в твердом теле дефектов.

Адсорбционные пленки приводят к эффекту пластификации и снижению предела текучести, т.е. облегчают пластическое течение в зернах, расположенных в поверхностном слое, так как адсорбированный слой понижает поверхностное натяжение металла. Кроме того, попадая в микротрещины, смазка оказывает расклинивающее действие и может снизить прочность твердого тела (рис.2.9).

Рис. 2.9 Схема адсорбционно-расклинивающего действия

полярных молекул смазочного материала:

F – давление адсорбированного слоя; Q – расклинивающие силы

Отличительной особенностью эффекта Ребиндера является то, что он проявляется только при совместном действии среды и определенного напряженного состояния. Речь идет об обратимом участии среды. Это принципиально отличает эффект Ребиндера от химических или электрохимических процессов, коррозии или растворения твердого тела в окружающей среде. Эффект может быть вызван не только адсорбцией, но и воздействием жидкости.

Наиболее сильно эффект Ребиндера проявляется в условиях образования новых поверхностей, а также при наличии в твердом теле дефектов (в частности границ зерен). Расплавленные легкоплавкие металлы являются сильными поверхностно-активными средами по отношению к более тугоплавким металлам и могут вызвать резкое понижение их прочности. Эффект Ребиндера лежит также в основе облегчения процесса резания металлов под влиянием ПАВ смазочно-охлаждающих жидкостей.

Дата добавления: 2014-12-26