Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (другой скан) (1157043), страница 91

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 91)

В пористых телах очевидные дефекты — это поры, причем определяющую роль при разрушении играют, в соответствии с формулой Гриффитса, самые крупные из них. Но и в отсутствие явных полостей в реальном гетерогенном материале имеются, как правило, ослабленные границы между частицами разных фаз (особенно при наличии хрупких наполнителей), а также другие микро- и макро- неоднородности. Размеры таких неоднородностей определяют в таком случае эффективное значение параметра в знаменателе формулы Гриффитса.

В телах, способных к пластическому течению (металлах), подобные опасные дефекты могут зарождаться на стадии начального пластического деформирования тела (в монокристаллах цинка они возникают в ходе удлинения на 10 %, которое предшествует хрупкому разрушению покрытых ртутью образцов). Пластическое деформирование криствиических твердых тел связано с появлением и передвижением в их объеме особых линейных дефектов структуры, называемых дислокациями (см. зг( 5 4).

Дислокация отделяет в плоскости скольжения ту часть криствгла, в которой произошло смещение атомов на одно межатомное расстояние, оттай части кристалла, где такого смещения еще не происходило (рис. 1Х-31). Перемещение лислокации через весь кристалл приводит к сдвигу в плоскости сколыкения на одно межатомное расстояние, Движение дислокаций может тормозиться различными дефектами кристаллической решетки инородными атомами, включениями, другими дислокациями, границами бяоков монокристаллов, двойниковыми границами, границами зерен в поликристалле. Такое торможение движения дислокаций может приводить к образованию их скоплений, т. е, значительных неоднородностей дебюрмации, сопровождаемых локальной концентрацией нзпрюкений, что, в свою очередь, вызывает возникновение зародышевых микротрещин.

Величина микротрещин, а следовательно, прочность тела определяется особенностями его структуры, в частности размерами зерен. Поэтому щючРие. 1Х-31. Сдвиг кристалла при пере- ность поликристаллических материвюв мещении краевой дислокации во многих случаях обратно пропорцио- 418 надина корню квадратному из размера зерна г(, т. е в этом случае в формуле 1'риффитса Итак, прихоаим к общей закономерности, имеющей всестороннее подтверждение в экспериментах и в практике: прочность реального гетерогенного материала, как правило, тем выше, чем более тонкодисперсной является его структура, чем меньше вероятность присутствия крупных неоднородностей.

Принципы создания высокодисперсных структур, включая современные нанотехнологии, и лежат в основе всех практических путей повышения прочности самых разнообразных материалов: керамики, строительных материалов, инструментальных материалов, конструкционных метал. лов и сплавов, известные методы легирования, дисперсионного твердения, закалки, наклеив неизменно преследуют цель измельчения структуры.

Прекрасный пример высокопрочного тонкодисперсного композиционного материала — костная ткань животных (см. ЪЧ11.7). Следует подчеркнуть, что адсорбционно-активная среда сама по себе не создает дефектов в теле, она лишь облегчает их развитие. Поэтому идеальные нитевидные монокристаллы, лишенные дефектов, могут оказаться нечувствительными к влиянию среды. Другая особенность влияния реальной структуры твердого тела на интенсивность адсорбционного действия среды связана с тем, что дефекты структуры обладают избыточной свободной энергией, проявляющейся, например, в виде энергии границ зерен поликристалла (см.

1.2). Наличие такого связанного с дефектами структуры запаса энергии в деформируемом твердом теле приводит к тому, что в присутствии адсорбционно-активной среды трещинам разрушения оказывается термодинамически более выгодным развиваться вдоль подобных дефектов. Если в обычных условиях поликристаллическнй материал может разрушаться по телу зерен, то в присутствии активных расплавов происходит преимущественное распространение трещин по границам зерен. В качестве предельного случая такого облегченного распространения трещин по границам зерен может рассматриваться выполнение условия Гиббса — Смита (см.

1.4) — условия термодинамической выгодности образования жидкой прослойки вдоль границы зерна. Если условие Гиббса — Смита соблюдается для значительной части границ зерен, то жидкая фаза самопроизвольно, в отсутствие внешних механических воздействий распространяется (внедряется в виде фазовых прослоек) по системе границ зерен. Подобные явления наблюдались, например, на системах поликристаллический цинк— жидкий галлий, хпорид натрия (и другие шелочные галогениды)— растворы солей. Это внедрение жидких прослоек, происходящее иногда со значительными скоростями (- 1 см в сутки), приводит к формированию своеобразной дисперсной системы, в которой зерна отделены тонкими (обычно десятки нанометров) прослойками дисперсионной среды.

419 Наконец, еще одной особенностью дефектов стРуктуРы, определяющей их роль в проявлении адсорбционного понижения прочност, и является то, что в большинстве случаев распространение жидкой й фазы именно вдоль дефектов способствует поступлению активно среды в зону предразрушения, обеспечивая тем самым возможность воздействия среды на процесс развития трещин. В этом отношении роль дефектов структуры (факторы И группы) тесно смыкается с ролью условий деформирования и разрушения (факторы И! группы), в данном случае условий поступления среды в зону зарождения и развития трещин.

Очень часто рост макроскопических трещин разрушения определяется кинетикой поступления жидкой фазы в их вершину, в частности закономерностями ее вязкого течения в трещине. Очевидно, что затвердевание жидкой фазы должно практически полностью предотвращать проявление эффекта адсорбционного понижения прочности. Вместе стем и повышение температуры может приводить к существенному уменьшению интенсивности его проявления.

Это обусловлено облегчением пластического течения с повышением температуры. Так, под действием термических флуктуаций идет рассасывание деформационных микронеоднородностей. Вследствие этого при повышенных температурах локальные концентрации напряжений оказываются слишком малы, чтобы инициировать развитие зао ышевых микротрещин.

В результате при повышении температуры роды шев п ис про исходит переход от хрупкого разрушения твердого тела в р утствии адсорбционно-активной среды к его пластическому деф р е омированию. Аналогичным образом может влиять и уменьшение скорости деформирования твердого тела: при медленном деформировании также увеличивается вероятность рассасывания локальных концентраций деформаций и напряжений. В словиях перехода к пластическому течению развитие трещины в твердом теле сопровождается его значительным пластическим дформированием. Связь прочности тела с размером зародышевой трещины (с может быть и в этом случае описана выражением, сходным с уравнением Гриффитса: (,'я поверхности трещины, т. е.

энергию искажений решетки, возникающих при развитии трещины. Величина от* может на несколько порядков превосходить истинное значение поверхностной энергии твердого тела. Вместе с тем многочисленные эксперименты показали, что сама величина еу» очень чувствительна к поверхностной энергии твердого тела и резко уменьшается при снижении о в условиях контакта с адсорбционно-активной средой. Среди других внешних условий, определяющих возможность проявления адсорбционного влияния среды на прочность твердых тел, необходимо упомянуть характер приложенных напряжений. Так, понижение прочности, как правило, наблюдается только под действием жестких напряженных состояний, в которых преобладают растягивающие напряжения. Важную роль играют также количество и способ введения адсорбционно-активной среды и др.

Деформирование твердого тела в присутствии адсорбционно-активной среды в условиях, когда развития трещин и разрушения не происходят, позволяет выявить другую форму проявления эффекта, а именно адсорбционное плаети4ицирование твердого тела. Сущность этой формы эффекта Ребиндера состоит в том, что адсорбционно-активные среды, понижая поверхностную энергию, облегчают развитие новых поверхностей, которое всегда происходит при деформировании твердого тела. При этом, если к телу прикладывается некоторое постоянное усилие, то присутствие среды увеличивает скорость его пластического деформирования да/с)у (рис. !Х-32, а).

При постоянной скорости деформации уменьшается сопротивление деформированию (рис. !Х-32, б): снижается предел текучести Р". Механизм адсорбционного пластифицирования (по Щукину) заключается в облегчении движения дислокаций. Экспериментально 0,2 % пальмитиновой кислоты в вазелииовом масле Е Р' а Ря оты еле Однако здесь величина суе — эффективная поверхностная энергия, ре ставляюшая собой удельную (на единицу вновь образующейся поверхности) работу разрушения, включает, помимо истинно верхностной энергии о, работу пластических деформаций на единицу 420 Рис. 1Х-32. Влияние адсорбциоиио-активиых сред иа механические свойства твердых тел: е — увеличение скорости деформации е при пастояниам напряжении Р; б — снижение пре- дела текучести Р' при пастаяииай скорости деформапии е 421 с.!Оз, % с' з,о 2,0 1,0 О 2 4 6 р10а иум Рис.

Характеристики

Список файлов книги