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.