Механические свойства металлов. Часть 2. Механические испытания. Конструкционная прочность

Фридман Я.Б.

Машиностроение, 1972 г.

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

(ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА)

I.           Формы проявления эффекта Ребиндера

Механические свойства твердых тел — прочность, пластичность, износостойкость и т. д.— могут существенно изменяться под влиянием газов и жидкостей, соприкасающихся с поверхностью тела. Во многих случаях действие окружающей среды приводит к значительному уменьшению прочности твердых тел. В связи с этим изучение чувствительности механических свойств к действию среды представляет очень важную задачу современного материаловедения. Прикладное значение этой проблемы связано в основном со следующими причинами.

Долговечность многих конструкционных материалов, в особенности некоторых высокопрочных сплавов, часто определяется влиянием среды. Поэтому, чтобы не допустить преждевременного разрушения и выхода из строя ответственных деталей и аппаратов и разработать меры эффективной защиты, необходим всесторонний учет закономерностей взаимодействия различных веществ с материалами, находящимися под действием механических напряжений.

Другой круг прикладных задач, в которых эффекты понижения прочности и пластичности могут оказывать уже не вредное действие, а полезное, охватывает разнообразные процессы механической обработки материалов — резание, шлифование, прессование, измельчение и др. Использование веществ, понижающих прочность, позволяет временно изменить механические свойства твердого тела так, что его обработка заметно облегчается; после удаления этих веществ с поверхности обработанной детали исходные механические свойства данного материала полностью восстанавливаются.

Эффекты, обусловленные влиянием среды на механические свойства твердых тел, широко распространены в природе и технике и характеризуются большим разнообразием форм их проявления. Эти эффекты могут вызываться различными физическими, химическими и физико-химическими процессами, протекающими на поверхности твердого тела и в его объеме. В зависимости от того, какой процесс играет основную роль, можно выделить две группы эффектов, наблюдаемых при взаимодействии твердого тела с окружающей средой.

К одной группе относят эффекты, обусловленные необратимыми взаимодействиями. Сюда входят главным образом разные формы коррозии, которые связаны с протеканием химических и электрохимических процессов и реакций. Коррозия часто не изменяет механические свойства материала, а приводит к постепенному равномерному уменьшению размеров нагруженной детали, например вследствие постепенного растворения. В результате напряжения, действующие в опасном сечении, растут, и когда они превысят допустимый уровень, произойдет разрушение. В отдельных случаях преждевременные разрушения при коррозии вызываются тем, что под действием среды на поверхности деталей образуются трещины, являющиеся концентраторами напряжений.

К другой группе относят эффекты, которые вызываются в основном обратимыми физическими и физико-химическими процессами, приводящими к понижению свободной поверхностной энергии твердого тела. Эти эффекты приводят к более или менее значительному изменению самих механических свойств материала. Понижение прочности и пластичности твердых тел в результате физико-химического влияния окружающей среды и соответствующего снижения свободной поверхностной энергии тела называется эффектом Ребиндера — по имени П. А. Ребиндера, который в 1928 г. открыл и впервые исследовал этот эффект. Эффект Ребиндера может проявляться на любых твердых телах — кристаллических и аморфных, сплошных и пористых, металлах и полупроводниках, ионнных и ковалентных кристаллах, стеклах и полимерах. В качестве примера проявления эффекта Ребиндера можно назвать значительное понижение прочности стекла или гипса вследствие адсорбции водяных паров. Другой пример — медь, покрытая тонкой пленкой расплавленного висмута, утрачивает присущую ей высокую пластичность и хрупко разрушается при напряжении, которое намного ниже, чем при растяжении на воздухе.

Свободную поверхностную энергию твердых тел можно снизить несколькими способами. Особенно большое значение при проявлении эффекта Ребиндера играют два способа: контакт с жидкой средой, близкой к данному твердому телу по своей молекулярной природе; адсорбция так называемых поверхностно-активных веществ из окружающей среды или из объема самого твердого тела. Изменение механических свойств, вызванное понижением свободной поверхностной энергии вследствие адсорбции, называют адсорбционным понижением прочности.

В зависимости от различных факторов (состава твердого тела и окружающей среды, структуры твердого тела, температуры, характера напряженного состояния и других) эффект Ребиндера может проявляться в разных формах. Наиболее распространенными и в то же время практически важными формами проявления эффекта Ребиндера являются следующие:

1. Пластифицирование—уменьшение предела текучести и коэффициента упрочнения при деформировании с постоянной скоростью или возрастание  скорости ползучести (рис. 23.1). Такие изменения механических свойств происходят, например, при деформировании олова, алюминия, свинца в растворах органических поверхностно-активных веществ (олеиновой кислоты, этилового спирта, синтетических мылообразных веществ и т. п.).

2. Возникновение хрупкости — резкое снижение пластичности и прочности. Такие эффекты вызывают обычно жидкие среды, родственные с данным твердым телом по своей молекулярной природе. Для металлов такими средами являются определенные жидкие металлы. Например, латуни и цинк становятся хрупкими в присутствии ртути, медь — в присутствии жидкого висмута.

Для ионных кристаллов родственными средами, способными резко снизить прочность и пластичность, являются расплавы солей. На графит сильное влияние оказывают расплавленные щелочные металлы и алюминий. Органические вещества — молекулярные кристаллы и полимеры — весьма чувствительны к действию органических жидкостей.

Наиболее яркими и характерными особенностями эффекта Ребиндера являются следующие:

1. Резко выраженная химическая специфичность влияния окружающих сред. Например, изменение механических свойств данного твердого металла, понижение его прочности и пластичности, вызывают не все жидкие металлы, а лишь определенные, поверхностно-активные по отношению к этому металлу. Так, например, ртуть вызывает резкое уменьшение прочности и пластичности цинка, но не влияет на механические свойства кадмия, хотя последний относится к той же группе периодической системы и имеет такую же, как и цинк, кристаллическую решетку (гексагональную плотноупакованную).

2. В отличие от растворения или других форм коррозии для проявления эффекта Ребиндера достаточно очень малого количества поверхностно-активных веществ. Указанные случаи хрупкого разрушения (стали или цинка) могут иметь место в присутствии тончайших, порядка нескольких микрометров, пленок жидкого металла на поверхности твердого металла. В отдельных случаях катастрофическую хрупкость и разрушение при крайне малых напряжениях может вызвать смачивание поверхности образца небольшой каплей поверхностно-активного металлического расплава.

3. Быстрота действия поверхностно-активного расплава. В большинстве случаев изменение механических свойств металлов происходит практически немедленно после смачивания их поверхности соответствующим металлическим расплавом или другим поверхностно-активным веществом. При обработке твердых тел резанием и шлифованием влияние активных веществ проявляется в полную силу, хотя скорости обработки достигают десятков метров в секунду.

4. Влияние поверхностно-активных веществ обратимо, т. е. после их удаления с поверхности твердого тела его механические свойства обычно полностью восстанавливаются.

5. Для проявления эффекта необходимо совместное, одновременное действие растягивающих напряжений и поверхностно-активного вещества. Действие среды на ненапряженный образец в большинстве случаев при последующем нагружении не вызывает заметного изменения механических свойств. Исключение составляют системы, в которых возможна быстрая диффузия расплава в ненапряженных образцах по границам зерен; такова, например, система поликристаллическое олово — жидкий галлий. Эту особенность важно учитывать при пайке. В тех случаях, когда расплавленный припой может вызвать появление хрупкости данного твердого металла, пайку нужно вести, в ненапряженном состоянии и прикладывать нагрузку только после застывания припоя.