Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 91
Текст из файла (страница 91)
е. энергию искажений решетки, возникающих при развитии трещины. Величина о* может на несколько порядков превосходить истинное значение поверхностной энергии твердого тела. Вместе с тем многочисленные эксперименты показали, что сама величина о* 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 адсо)убционное пластифицирование твердого тело. Сущность этой формы эффекта Ребиндера состоит в том, что адсорбционно-активныесреды, понижаяповерхностнуюэнергию,облегчаютразвитие 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/дг (рис. 1Х-32, а). При постоянной скорости деформации уменьшается сопротивление деформированию (рис.
1Х-32, б): снижается предел текучести Р". Механизм адсорбционного пластифицирования (по Щукину) заключается в облегчении движения дислокаций. Экспериментально 0,2 % пальмнтнновон кислоты в вазелнновом масле Е ты еле Я б Рнс. 1Х-32. Влияние адсорбцнонно-актнвных сред на механические свойства твердых тел: а — увеличение скорости деформапнн а прн постоянном напряжении Р; 6 — снижение предела текучестн Р' прн постоянной скорости деформации е 421 ачоз, % с ' З,О г,о ЬО О 2 4 6 р10ь,н/мз Рис. хк-33.
Влияние электрической поляризации поверхности на скорость деформации монокристаллов свинца было показано, что при деформировании кристаллов, например нафталина и хлорида натрия, в активных по отношению к ним средах увеличивается расстояние, на которое перемешаются дислокации в процессе деформации. Поверхностная энергия может быть также понижена поляризацией поверхности (злектрокапиллярный эффект); при этом уменьшение поверхностного натяжения с увеличением потенциала поверхности <р описывается уравнением Липпмана (см. П1.5): где р, — поверхностная плотность заряда. Эксперименты показали, что при растяжении металлических монокристаллов в условиях электрической поляризации поверхности в растворе электролита, т.
е. при отклонении от потенциала нулевого заряда <р„действительно наблюдается увеличен не скорости деформирования а (рис. 1Х-ЗЗ, монокристаллы РЬ). Отметим, что в условиях растворяющего действия среды на деформируемое твердое тело может обнаруживаться внешне сходное, но имеющее иную природу явление — эффект Иоффе, который проявляется в том, что, например, хрупкие кристаллы поваренной соли могут пластически деформироваться в воде, не насыщенной солью, т.
е. при растворении их поверхности. В этом случае проявление пластичности связано не с понижением сопротивления пластическому течению, как и в случае адсорбционного пластифицирования, а с увеличением прочности кристаллов (сопротивления отрыву) вследствие растворения содержащего дефекты поверхностного слоя. 422 !Х.4.3.
ПРИЛОЖЕНИЯ ЭФФЕКТА РЕБИНДЕРА Способность адсорбционно-активных сред заметно облегчать разрушение твердых тел издавна используется при измельчении (см. Ч1.6): при помоле руды (перед флотационным обогащением), цемента и в других процессах диспергирования. Ребиндер указывал, что точное измельчение не может быть достигнуто чисто механическим путем: развитие огромной поверхности требует вмешательства физико-химических факторов для управления явлениями на возникающих поверхностях. Роль адсорбционного понижения прочности состоит при этом не только в облегчении разрушения твердого тела, но и в предотвращении агрегации, в разрушении коагуляционных контактов, возникающих между частицами.
Вместе с тем, адсорбционно-активные компоненты повсеместно применяются в составе смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) для облегчения разнообразных процессов механической обработки резанием (сверление, точение, фрезерование), шлифования и полирования, поскольку все эти процессы связаны с диспергированием обрабатываемого материала. Иллюстрацией возможностей использования сильных эффектов адсорбционного понижения прочности в этих процессах является применение малых количеств легкоплавких поверхностно-активных металлов при обработке закаленных сталей и твердых сплавов .
Так, в полимерную связку шлифовальных кругов вместе с алмазным порошком вводят порошок легкоплавкого металла. При работе круга за счет повышения температуры при трении происходит выплавление микроколичеств активного металла, который снижает прочность обрабатываемых инструментальных материалов, в том числе твердых сплавов (спеченных порошковых композиций карбидов вольфрама и титана с кобальтом).
Резкое понижение прочности обрабатываемого материала позволяет в несколько раз увеличить скорость обработки с одновременным увеличением долговечности самих шлифовальных кругов. Поверхностные эффекты в процессах диспергирования не исчерпываются понижением поверхностной энергии и прочности в результате чисто физической адсорбции молекул. Так, при использовании СОЖ важную роль играют различные хемосорбционные и механохимические явления, связанные с деструкцией молекул органических веществ при совместном действии механических напряже- з По данным разработок коллектива сотрудников кафедры коллоидной химии МГУ, ВНИИАлмаз и Институза физической химии РАН.
423 ний, высоких температур в зоне резания и взаимодействия молекул со свежеобразованной (ювенильной) поверхностью твердого тела, имеющей повышенную химическую активность. Обширной областью использования ил а с ти ф и ц и р у юш е г о д е й с т в и я среды является применение поверхностно-активных веществ при обработке металлов давлением (волочение, штамповка, прокатка). Пластифицирование поверхностных слоев обрабатываемого металла при введении в смазки поверхностно-активных компонентов существенно уменьшает величину усилий, которые необходимо прилагать для осуществления этих процессов, приводит к улучшению качества поверхности и уменьшению степени наклепа(уровнявнутреннихнапряжений)вприповерхностныхслоях металла.
Здесь, как и в процессах резания, одновременно проявляется и универсальное экранирующее действие адсорбционных слоев, которые препятствуют сцеплению (возникновению фазовых контактов) между поверхностью инструмента и обрабатываемого материала за счет своей невытесняемости из зоны контакта, особенно в условиях хемосорбции. Велика роль смазок и в работе узлов трения разнообразных машин и механизмов.' В этом случае активные вещества могут играть двоякую роль: на начальных этапах работы узла трения они ускоряют износ и тем самым приработку поверхностей трения; в дальнейшем, защищая поверхности, они обеспечивают их минимальный износ. Изучение роли поверхностно-активных сред в процессах трения и износа выделяется в качестве самостоятельной крупной задачи физико-химической механики.
Характерным примером проявления адсорбционного понижения прочности может служить эксплуатация разнообразных адсорбентов и катализаторов: адсорбция (хемосорбция) на поверхности твердой фазы, а следовательно, понижение поверхностной энергии и прочности являются неотьемлемым условием их функционирования. Здесь проявляется взаимное влияние поверхности твердого тела и молекул среды: контакт с твердой фазой облегчает разрыв и перестройку межатомных связей в адсорбируемых молекулах. Эти процессы адсорбции и перестройки молекул адсорбата, в свою очередь, приводят к ослаблению связей в поверхностных слоях катализатора.
При этом для усиленного износа катализатора может быть достаточно внутренних напряжений, возникших на той или иной стадии приготовления гранул (см. 1Х.2). Процесс разрушения ускоряется давлением вышележащего слоя гранул и особенно сильно в интенсивном режиме кипя- щего слоя. Эффективным путем предотвращения ускоренного разрушения адсорбентов и катализаторов является формирование оптимальной конденсационной (кри стаял изацион ной) структуры с прочными фазовыми контактами между составляющими гранулу частицами.
Закономерности связи эффектов понижения прочности твердых металлов в присутствии металлических расплавов с характером межатомных взаимодействий и типом диаграммы состояния позволяют прогнозировать возможность катастрофического понижения прочности конструкции при расплавлении антифрикционных сплавов и антикоррозионных покрытий, при пайке и сварке, а также изыскивать пути защиты от этих опасных явлений. В то же время в некоторых случаях зашита металлических конструкций, находящихся в контакте с жидкими металлами, от избирательного воздействия расплава на границы зерен возможна посредством легирования твердого металла таким компонентом, который, не вызывая сам по себе адсорбционного понижения прочности, 'способен концентрироваться на границах зерен, снижать их энергию и препятствовать проникновению активного жидкого металла.
Ряд новых результатов получен при использовании основных представлений физико-химической механики для анализа процессов, протекающих в земной коре [17]. Это направление, названное физико-химической геомеханикой, рассматривает процессы образования и разрушения горных пород, в которых совместно проявляется роль механических напряжений и адсорбционно-активных жидких фаз — магматических расплавов и гидротермальных растворов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
