Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 90
Текст из файла (страница 90)
Лишь при значительных напряжениях порядка нескольких килограммов на квадратный миллиметр (10 Н/м') н удлинении кристаллов в несколько рю они разрываются. Нанесение ртути резко изменяет поведение монокристаллов; уже после деформации - 1О % происходит разрыв образцов с хорошо выраженным хрупким сколом по плоскости спайности (плоскость базиса (0001)), и напряжение разрушения составляет лишь сотни граммов на квадратный миллиметр (10' Н/м'). Степень снижения поверхностной энергии твердого металла в контакте с расплавом другого, более легкоплавкого металла в значительной мере определяется энергией смешения и, компонентов системы (см.
1.3). Сильное снижение поверхностной энергии можно ожидать при небольших (порядка )г7) положительных значениях энергии смешения и,. Этому, в свою очередь, отвечают простые эвтектические диаграммы бинарных систем (рис. 1Х-30). Согласно наблюдениям Н.В. Перцова и П.А, Ребиндера, именно для систем с диаграммами состояния простого эвтектического типа наиболее часто встречаются сильные эффекты адсорбционного понижения прочности. Эта закономерность служит основой для предсказания возможности адсорбционных эффектов и подбора адсорбционно-актнвных сред для различных твердых тел. В полном соответствии с названным правилом эффекты понижения прочности обнаруживаются в системах: Уп — НО, Уп — Оа, СΠ— ба, А1 — ба, Си — В1, Ре — Уп, Т! — Сд, Пе — Ац и т. д.
417 !4 эзп 1Х.4.2. РОЛЬ РЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА И ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ В ПРОЯВЛЕНИИ ЭФФЕКТОВ АДСОРБЦИОННОГО ВЛИЯНИЯ СРЕДЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ При рассмотрении условий разрушения реального твердого тела уже был упомянут важный структурный параметр, определяющий его прочность,— размер зародышевой трещины разрушения 1„входящий в уравнение Гриффитса. В ряде случаев, особенно при разрушении хрупких тел, например стекла, такие зародышевые микротрещины могут находиться в твердом теле до приложения нагрузки; их появление чаще всего связано с поверхностными дефектами, например царапинами. 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 дг4юрмирование кристаллических твердых тгл связано с появлением и передвижением в их обьеме особых линейных дефектов структуры, называемых дислокациями (см. Ч1.5.4).
Дислокация отделяет в плоскости сколыкения ту часть кристалла, в которой произошло смещение атомов на адно межатомное расстояние, от той части кристалла, где такого смещения еше не происходило (рис. 1Х-31). Перемещение дислокации через весь кристалл приводит к сдвигу в плоскости сколыкения на одно межатомное расстояние. движение дислокаций может тормозиться различными дефектами кристаллической решетки: инородными атомами, включениями, другимн дислокациями, границами блоков монокристаллов, двойниковмми границами, границами зерен в поликристалле.
Такое торможение движения дислокаций может приводить к обраюванию их скоплений, т. е. значительных неоднородностей деформации, сопровождаемых локальной концентрацией напряжений, что, в свою очередь, вызывает возникновение зародышевых микротрещин. Величина микротрещин, а следовательно, прочность тела определяется особенностями его структуры, в частности размерами зерен. Поэтому прочРис. 1Х-31. Сленг кристалла при пере- ность паликристаллических материалов мещении краевой дислокации во многих случаях обратно пропорцио- 418 нальна корню квадратному из размера зерна г1, т.
е. в этом случае в формуле Гриффитса 1,-Д Итак, приходим 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 неолнородностей. 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, наклепа неизменно преследуют цель измельчения структуры. Прекрасный пример высокопрочного тонкодисперсного композиционного материала — костная ткань животных (см. МПЛ). 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 поликристаллический 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 поликристаплический цинк— жидкий галлий, хлорид натрия (и другие щелочные 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. 4!9 Наконец, еще одной особенностью дефектов структуры, определяющей их роль в проявлении адсорбционного понижения прочности, является то, что в большинстве случаев распространение жидкой фазы именно вдоль дефектов способствует поступлению активной среды в зону предразрушения, обеспечивая тем самым возможность воздействия среды на процесс развития трещин.
В этом отношении роль дефектов структуры (факторы 11 группы) тесно смыкается с ролью условий деформирования и разрушения (факторы 1П 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 с тем 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 зародышевых микротрещин. В результате при повышении температуры происходит переход от хрупкого разрушения твердого тела в присутствии адсорбционно-активной среды к его пластическому деформированию.
Аналогичным образом может влиять и уменьшение скорости деформирования твердого тела: при медленном деформировании также увеличивается вероятность рассасывания локальных концентраций деформаций и напряжений. В условиях перехода к пластическому течению развитие трещины в твердом теле сопровождается его значительным пластическим деформированием. Связь прочности тела с размером зародышевой трещины 1, может быть и в этом случае описана выражением, сходным с уравнением Гриффитса: / е Однако здесь величина о* — эффективная поверхностная энергия, представляющая собой удельную (на единицу вновь образующейся поверхности) работу разрушения, включает, помимо истинной поверхностной энергии о, работу пластических деформаций на единицу 420 поверхности трещины, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
