Лекция n 4 влияние сорбционно-активных и коррозионно-активных сред на деформацию и разрушение конструкционных материалов
Механические свойства твердых тел при прочих равных условиях зависят от среды, в которой они находятся.
Поверхностно-активные среды (ПАВ) снижают поверхностное натяжение материала по сравнению с его значением в вакууме, не вызывая в материале необратимых изменений структуры, что по сути снижает работу по образованию свободных поверхностей (трещин) в процессе разрушения материала.
Так же присутствии ПАВ облегчается возникновение и развитие пластических сдвигов и зародышевых трещин. В микромасштабе это означает, что взаимодействие с адсорбционно-активными молекулами или атомами помогает перестройке и разрыву связей в данном твердом теле.
П. А. Ребиндером было изучено влияние ПАВ на процессы деформации металлов; было выявлено, что даже при относительно небольшом снижении свободной поверхностной энергии, в результате адсорбционного эффекта, деформация облегчается; понижается предел текучести и коэффициент упрочнения металла. При этом всегда наблюдается значительное изменение пачек скольжения и зеренной структуры.
Примечание:
Хотя первичным действием поверхностно-активной среды является пластифицирование металла, конечным результатом может оказаться значительное упрочнение поверхностных слоев вследствие намного большей, чем в отсутствие ПАВ, пластической деформации.
П. А. Ребиндером показано, что при деформации в присутствии ПАВ всегда наблюдается значительное измельчение пачек (полос) скольжения или зеренной структуры деформируемого металла.
Е.Д. Щукин теоретически обосновал, что процесс разрушения связан с перемещением дислокаций в плоскостях скольжения и выхода их на поверхность и связал это с понижением поверхностной энергии.
Плотность дислокаций в активной среде всегда выше, чем в неактивной, характерные особенности структуры гораздо сложнее, чем на воздухе, а значит работа по образованию трещин в ПАВ меньше, чем на воздухе.
Формы адсорбционного эффекта:
Внутренний
Внешний
Внутренняя форма адсорбционного эффекта вызывается адсорбцией ПАВ на внутренних поверхностях раздела зародышевых микротрещин разрушения, возникающих в процессе деформации металла. Это приводит к снижению работы образования новых поверхностей и облегчению развития микротрещин, что проявляется в возникновении хрупкого разрушения и резкой потере прочности.
Следует различать два возможных случая влияния физически-активных сред на механические характеристики металла, а именно:
влияние среды на металл до его деформирования
влияние среды в процессе деформирования.
Поверхностно-активные среды не оказывают влияния на механические характеристики поликристаллических металлов при предварительном нахождении металла до нагружения в этой среде.
Адсорбционный эффект снижения прочности и облегчения деформации (Эффект Ребиндера), ярко проявляется при кратковременном, либо длительном действии статических нагрузок на металлические монокристаллы. В этих случаях под влиянием поверхностно-активных сред снижается предел текучести почти вдвое, значительно увеличивается пластичность монокристаллов и количество пачек скольжения.
Характерной особенностью эффекта Ребиндера является то, что он проявляется только при определенном напряженном состоянии; растяжение способствует его проявлению, а сжатие может полностью его прекратить.
Сорбционно-активными средами являются расплавы ряда металлов.
Жидкие металлы оказывают влияние на прочность металлов в твердом состоянии сначала путем адсорбционного воздействия, а затем абсорбционного, т. е. диффузионного влияния, которое может привести к разупрочнению вследствие растворения твердого металла, либо внедрения жидкого металла в твердый с образованием нового менее прочного сплава.
Например Влияние металла покрытия на механические свойства стали 30ХГСА при различных температурах
Металл покрытия |
Предел прочности, σв |
Относительное удлинение, δ |
Относительное Сужение, ψ |
|||||||
Температура, 0С |
||||||||||
20 |
275 |
365 |
20 |
275 |
365 |
20 |
275 |
365 |
||
Без покрытия |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
0,85 |
1,25 |
1,0 |
0,84 |
1,03 |
|
Олово (Sn) |
1,0 |
0,8 |
0,20 |
0,74 |
0,21 |
- |
0,72 |
0,13 |
- |
|
70%Sn+30%Pb |
1,0 |
0,87 |
- |
1,0 |
0,29 |
- |
0,96 |
0,14 |
- |
|
40%Sn+60%Pb |
1,0 |
0,9 |
- |
0,93 |
0,21 |
- |
0,94 |
0,19 |
- |
|
Свинец (Pb) |
1,0 |
- |
0,82 |
0,9 |
- |
0,19 |
0,74 |
- |
0,1 |
|
Кадмий |
1,0 |
- |
0,72 |
1,0 |
- |
0,13 |
1,0 |
- |
0,07 |
Увеличение температуры расплава значительно усиливает эффект снижения прочности и пластичности стали. Повышение температуры стали 30ХГСА, покрытой оловом, до 400 °С вызывает не только полную потерю пластичности, но и катастрофическое снижение предела прочности, который составляет примерно 20% от предела прочности непокрытой стали. Подобное снижение прочности и пластичности стали под действием металлических расплавов следует отнести за счет адсорбционных эффектов, т. е. за счет снижения уровня поверхностной энергии стали при ее смачивании металлическим расплавом и за счет адсорбционно-расклинивающего эффекта Ребиндера, которые практически независимы от времени. Подтверждением этого является то, что двадцатикратное увеличение времени пребывания стальных образцов в жидком олове и кадмии не оказало влияния на изменение механических характеристик. Для диффузионного воздействия необходимо не только время, но и соответствующее развитие дефектов в стали, через которые эти расплавы проникли бы путем адсорбционной миграции на достаточную глубину, а затем разупрочнили бы сталь диффузионным внедрением.