Невідповідність вчення про міцність матеріалів завданням, які висуває сучасна техніка

Розвиток техніки вимагає підвищення міцності, стій­кості проти спрацювання та довговічності деталей ма­шин, апаратів та устаткування. Збільшення швидкостей та інших експлуатаційних параметрів машин і апара­тів викликало необхідність підвищення міцності ме­талів, в основному сталі та інших сплавів, однак вплив робочих середовищ часто не дозволяє підвищувати міц­ність за рахунок традиційного легування та термооб­робки. В багатьох середовищах міцність відпущених та низьколегованих середньовуглецевих сталей значно вища, ніж загартованих і низьковідпущених.

Створення сталей з границею міцності до 250 дан/мм² не привело до підвищення границі втоми на повітрі вище 100 дан/мм². Це пояснюється тим, що у високоміцних сталях одночасно з підвищенням грани­ці міцності відбувається зменшення пластичності і сталь стає досить чутливою до концентраторів напружень типу надрізів, рисок та тріщин.

Підвищення міцності сталі дає негативний ефект у більшості робочих середовищ. Наші дослідження ряду вуглецевих та низьколегованих сталей, загартова­них та відпущених на мартенсит і тростит, в робочих середовищах показали, що таке поширене середовище, як звичайна та морська вода і особливо грунтові води, насичені сірководнем, більше знижує циклічну міцність загартованих і низьковідпущених сталей, ніж нормалі­зованих; наприклад, зразки із сталі 45 в перліт-феритному стані в воді, насиченій сірководнем, мали на 60 % меншу витривалість, ніж на повітрі, а в мартенситному стані їх витривалість знижувалося вже на 94 %. Найнижчі абсолютні значення витривалості в цих сере­довищах мали сталі з мартенситною структурою, хоч втрата у вазі від корозії без напружень була найбіль­шою у зразків з троститною структурою, тобто в остан­ньому випадку повністю була відсутня кореляція між міцністю та корозійною стійкістю.

Вирішення проблеми міцності та довговічності мета­левих виробів до останнього часу відносилося до меха­ніки матеріалів та вчення про міцність (теорія міцності і пластичності та опір матеріалів).

Механіка матеріалів, вперше було введено понят­тя про структурно-механічні властивості металів та сплавів, (зв’язує механічні властивості з хімічним скла­дом і структурою. Вона, як і вчення про міцність, базу­ється па експериментально виявлених механічних ха­рактеристиках металів і сплавів які до останнього часу вважалися константами метал. Ці константи переваж­но визначали в атмосфері лабораторного приміщення шляхом розтягу стандартних зразків короткочаснодіючою статичною силою. Але зараз вже не можна говори­ти про механічні характеристики металів і сплавів, як про їх константи, тому що ці характеристики залежать як від форми виробу (зразка), так і від умов наванта­ження і впливу зовнішнього середовища, в тому числі, випробування може бути крихким або пластичним, чут­ливим або нечутливим до надрізу та тріщин в залеж­ності від виду і швидкості деформації, розмірів і фор­ми зразка, стану його поверхні, конструкції випробу­вальної машини (її жорстокості) і т. п. Лише деякі механічні характеристики (модуль пружності та твер­дість) мало залежать від вказаних вище факторів, а ін­ші, одержані як на простих гладких зразках, так і на виробах, особливо виходячи з фізичних уявлень, не є константами матеріалу.

Ще більше відірване від дійсності сучасне вчення про міцність (теорія міцності та опір матеріалів). Воно базується на уявленні про континуум металу або спла­ву, тобто про однорідність, ізотропність і суцільність ма­теріалу, а також про відсутність напружень (до на­вантаження) всередині металлу або сплавів.

Гіпотеза про однорідність та ізотропність матеріа­лів, тобто про однаковість їх властивостей у всіх точ­ках і напрямках, базується на статистичному усеред­ненні якості матеріалу в великому об’ємі. В дійсності багатокомпонентний агрегат, яким, зокрема, є пошире­ні в техніці сплави (наприклад, сталь), складається з зерен часто різного хімічного складу, причому в цьому агрегаті зустрічаються і неметалеві включення. Все це має величезний вплив на взаємодію робочого середови­ща і матеріалу, наприклад, зумовлюючи можливість протікання електрохімічного корозійного процесу.

Інша гіпотеза про суцільність твердих тіл розглядає матеріали як неперервне, бездефектне середовище, при­чому взаємодія між окремими атомами матеріалу не враховується. В дійсності ж реальні тверді тіла насиче­ні дефектами (несуцільностями), що мають розміри від субмікроскопічних до макроскопічних. Ці дефекти ма­ють великий вплив на міцність матеріалів особливо в робочих середовищах, оскільки середовища часто діють на матеріали саме через дефекти. Наприклад, адсорбційно-розклинюючий ефект Ребіндера зв’язаний з наяв­ністю поверхнево-активного середовища та клиноподіб­них дефектів в твердому тілі; вплив молекулярного водню обумовлений наявністю дефектів твердого тіла типу замкнутих колекторів тощо. Гіпотеза про природно-ненапружений стан твердого тіла також не відпові­дає реальному фізичному стану металів. Ця гіпотеза передбачає відсутність будь-яких напружень у твердо­му тілі до прикладення зовнішнього навантаження. Але ж відомо, що виготовлення металів чи виробів з них викликає появу залишкових напружень в частині грат­ки зерна (напруження 3-го роду), залишкових напру­жень в об’ємі зерна (напруження 2-го роду) і залиш­кових напружень в частині виробу (напруження 1-го роду).

Залишкове напруження, яке характеризується пруж­ними спотвореннями гратки, викликає зміну рівнів віль­ної енергії металу, що має величезний вплив при взає­модії металу з середовищем, часто даючи необхідну енергію активації у фізико-хімічних процесах взаємо­дії твердого тіла з середовищем.

Отже, теорія пружності не виражає фізичної сторо­ни явищ, які спостерігаються при експлуатації металу, особливо в середовищі під навантаженням, і не мають, наприклад, безпосереднього зв’язку з механізмом руй­нування або деформації металів та не витікають з того чи іншого уявлення про характер руйнування.

Ці уявлення мають формальний характер, тому що не пояснюють суті міцності, а також руйнування металів, а на основі дослідних даних, усереднених на досить великі об’єми і площадки твердого тіла, лише допома­гають техніці вирішувати завдання міцності при не дуже високих температурах і тисках, а також при від­сутності впливу зовнішнього середовища на метал.

Теорія міцності оперує умовними поняттями про на­пруження, деформацію зсуву та лінійні деформації, умовність яких пов’язана з основним вихідним уявлен­ням цих теорій про ідеальність досліджуваного суціль­ного середовища. Це останнє уявлення, що абстрагує теорію пружності від реального стану металу або спла­ву, тобто від його неоднорідності і дефектності будови, непридатне для створення фізичної теорії міцності і ви­рішення таких завдань техніки, в яких, наприклад, зов­нішнє середовище або температура викликають зміни в процесі деформації твердого тіла, причому ці зміни зв’язані з молекулярною будовою твердого тіла та його дефектністю.

Як видно з наведеної вище критики, механіка мате­ріалів і вчення про міцність не можуть вирішувати пи­тання, висунуті новою технікою, зокрема питання впли­ну робочих середовищ на експлуатаційні властивості виробів. Не може вирішувати ці питання і класична фізика, де механічні властивості тіл вивчаються без особливої уваги на фізико-хімічні фактори, на особли­вості складу і будови (структури самого металу або сплаву) і особливо на вплив оточуючого середовища.

Якщо має місце руйнування крихкого твердого тіла, то міцність його де Р — діюча сила; — по­верхнева енергія тіла; F — площа руйнування. По­верхнева енергія залежить від адсорбції на поверхні компонентів середовища.

Адсорбція — це концентрування одного з компонен­тів середовища на границі (місці поділу) двох фаз, яке спостерігається на поверхні середовища і твердих тіл.

Адсорбція знижує поверхневу енергію твердого тіла і є термодинамічно неминучим явищем. Вона змінює сили зв’язку у приповерхневих атомах твердого тіла та збільшує параметр гратки. Адсорбція поділяється на фізичну та хімічну, причому між ними існують численні проміжні форми. Фізична адсорбція оборотна, тобто її можна ліквідувати порівняно невеликим нагріванням та іншими методами, тоді як при хемосорбції утворює­ться нова хімічна сполука, іноді досить стійка, яку не можна усунути

Існує уявлення, що хемосорбція має більшу теплоту адсорбції та вимагає більшої енергії активації, а також змінює електропровідність, в той час як фізична ад­сорбція цими властивостями не володіє; проте останні положення спірні.

З наведеної формули випливає, що міцність твердо­го тіла залежить від рівня поверхневої енергії і ця за­лежність тим ближча до істини, чим крихкіше тіло. У в’язких тілах значна енергія руйнування іде на подо­лання в’язкості. Все ж таки рівень поверхневої енергії відіграє велику роль при руйнуванні тіла, і у випадку зниження цього рівня можна полегшити як руйнування твердого тіла, так і наслідки цього руйнування, напри­клад його диспергування.

Матеріали, з яких виготовлені машини, механізми, апарати та устаткування, що використовуються в ба­гатьох галузях промисловості, і особливо в будівельній, хімічній, нафтовій та газовій, піддаються впливу різних середовищ, які значно змінюють їх міцність, витрива­лість та довговічність. Різке погіршення механічних власти­востей твердого тіла може бути викликане мізерно малою кількістю так званих поверхнево-активних (або адсорбційно-активних) речовин. Велике значення має швидкість, з якою такі речовини знижують міцність ма­теріалів. Деякі адсорбційно-активні речовини, потрапля­ючи на поверхню навіть слабо навантаженої сталі, можуть викликати її руйнування за декілька хвилин або навіть секунд. Нарешті вплив адсорбційно-актив- них речовин пе обмежується лише кількісним ефектом— зниженням границі міцності твердого тіла в кілька разів. Часто їх присутність викликає і якісні зміни механіч­них властивостей матеріалу. Наприклад, деякі метали повністю втрачають властиву їм пластичність, стають крихкими і руйнуються при незначній деформації.

Як же робоче середовище, рідке або газоподібне, впливає на механічні властивості твердого тіла? Мож­на говорити про два принципово різні механізми цього впливу: перший полягає в зниженні рівня поверхне­вої енергії твердого тіла; другий — в зміні властивос­тей твердого тіла.

Зниження поверхневої енергії твердого тіла, яке по­легшує його руйнування та деформацію, може відбува­тися не лише у зв’язку з фізичною або хімічною адсорбцією з зовнішнього середовища, а й внаслідок елек­тричної поляризації поверхні протікання хімічних реакцій, наприклад каталітичних, і особливо при нане­сенні на поверхню твердого тіла середовищ, близьких за молекулярною природою до твердого тіла, тобто при низькому значенні міжфазної енергії.

Органічні поверхнево-активні речовини типу мастил, які мають великі за розміром молекули, не можуть про­никати всередину твердого тіла, і їх вплив обмежу­ються лише поверхнею. Адсорбція таких речовин зни­жує поверхневу енергію твердого тіла лише на декілька десятків ерг на квадратний сантиметр, що для металу дає зниження поверхневої енергії близько 10 %. Таке ж за величиною зниження поверхневої енергії досягає­ться поляризацією поверхні твердого тіла.

Полегшення деформації та пластифікування металу або сплаву в результаті фізичної адсорбції або його електричної поляризації полягає в зниженні потенціаль­ного бар’єру (поверхневої енергії), який треба перебо­роти для виходу дислокацій на поверхню.

Другий механізм впливу на механічні властивості твердого тіла також складається з декількох видів впливу, а саме: 1) механічного або електрохімічного розчинення твердого тіла; зменшення його несучого пе­рерізу і утворення каверн та інших концентраторів на­пружень; 2) утворення нового твердого тіла, менш міц­ного, ніж вихідне, шляхом хімічного сполучення або фізичного утворення нових систем граток втілення чи заміщення, також менш міцних, ніж вихідні; 3) блоку­вання всередині твердого тіла рухомих дислокацій чу­жорідними атомами, що проникли в тіло з зовнішнього середовища шляхом дифузії. Це блокування може здій­снюватися створенням зовнішніх «хмарок Коттрелла», або проникненням елементів середовища всередину яд­ра дислокації. «Сидячі» (заблоковані) дислокації роб­лять тверде тіло крихким.

Часто дифузія відіграє вирішальну роль у другому механізмі впливу середовища на тверде тіло. Саме вона підводить середовище до тіла, проте не можна вважати дифузію відповідальною за зміни фізико-механічних властивостей тіла, тому що вона відіграє роль лише транспорту середовища. Твердження про зміну міцності твердого тіла завдяки дифузії, можливо, базується на висловах таких авторитетів, як Я. І. Френкель, який вважає акт дифузії актом викривлення гратки.

Вплив середовища на метали та сплави можливий лише при їх змочуванні середовищем, тобто цей вплив завжди починається зі зниження поверхневої енергії при адсорбції; це явище первинне та універсальне. Хі­мічний, електрохімічний та фізичний впливи, так само як і дифузія, — вторинні явища.

Для всіх описаних явищ необхідна певна енергія активації, величина якої залежить від специфіки фізич­ного або хімічного процесу. Взаємодію середовища з твердим тілом можна посилити активацією як твердого тіла, так і середовища. В цій активації головну роль ві­діграє теплове поле, потім магнітне і радіаційне. Меха­нічне поле напружень активує тверде тіло в залежності під величини напруження та виду деформації.

Найбільша активація твердого тіла (найбільший вплив середовища) спостерігається при пластичній де­формації твердого тіла у випадку руху дислокацій і вакансій, тобто при напруженнях силового поля вище границі текучості. Для всіх видів активації середовища, крім фізичної адсорбції, підвищення температури підси­лює процес. Активація металів спостерігається також при знищенні окисних плівок і утворенні ювенільних поверхонь. Робочі середовища можуть або безпосеред­ньо впливати на механічні властивості матеріалів, або, у випадку опромінення, активуватися для реакції з ма­теріалами. Наприклад, опромінення води може викли­кати її іонізацію — виникнення гідратованих протонів, які, проникаючи крізь метал, спричиняються до його наводнювання та водневої крихкості.

Вилив такого найбільш розповсюдженого робочого середовища, як корозійне, на метали та сплави роз­глядає електрохімія, однак метали і сплави при цьому переважно перебувають у ненапруженому стані. Як опромінення активує середовище, так механіч­не навантаження може дати невистачаючу енергію ак­тивації при взаємодії ненавантаженого твердого тіла з середовищем. Це пояснюється тим, що атоми гратки в місцях механічної активації перебувають в термоди­намічно менш стійкому стані і їм властивий притомле­ний підвищений адсорбційний та хімічний потенціали.

Хоч енергія, одержана тілом при його деформації, незначна, проте вона зосереджена біля площин ковзан­ня в об’ємах, які складають лише до 2 % загального числа атомів твердого тіла; концентрація цієї енергії достатня для протікання багатьох хімічних і фізико-механічних процесів та значної активації дифузії. Тому явища міцності, витривалості та довговічності багатьох виробів зі сталі та сплавів при їх навантаженні в робо­чих середовищах проявляються інакше, ніж у відносно мало активованому повітрі.

Внутрішню енергію металу підвищує пружна де­формація — викривлення гратки; пластична ж дефор­мація і обумовлюючий її рух дислокацій та вакансій підвищує внутрішню енергію лише через сковану нею пружну деформацію, проте коли дислокація проходить через кристаліт (зерно), не викликавши пружних ви­кривлень гратки, то не відбувається ніякого підвищен­ня енергії і полегшення взаємодії кристаліту з середо­вищем, не враховуючи, звичайно, місця виходу дисло­кації з кристаліта-сходинки.

Явища механічної активації твердого тіла при де­формації, що полегшують всі процеси взаємодії твердо­го тіла з середовищем, мають назву механохімії, науки, спорідненої з фізико-хімічною механікою.

При деформації твердого тіла частина механічної роботи йде на зміну його форми та об’єму і безпосеред­ньо зв’язана з підвищенням його хімічного потенціалу, незалежно від знаку прикладеного напруження. Робота пружної деформації збільшує хімічний потенціал і розблагороджує електродний потенціал металу, причому в цьому випадку напруження пропорційні електродному потенціалу. Особливо сильно механохімічний ефект про­являється у процесі пластичної деформації, він пов’яза­ний із збільшенням хімічного потенціалу металу внас­лідок послаблення міжатомних зв’язків у місцях скупчення дислокацій, що розряджаються, в смугах ковзання. Частина енергії пластичної деформації, яка активує тверде тіло, витрачається головним чином на зменшення необхідної роботи сублімації (переходу твердого тіла в газоподібний стан). Наприклад, для сублімації атома ребра сходинки, яка виникає в резуль­таті виходу дислокацій на поверхню, потрібно в два рази менше енергії, ніж для сублімації атома ребра на гладкій поверхні. Внаслідок високої термодинамічної нестійкості атомів ребра сходинки в момент її утворен­ня полегшується її швидке розчинення.

В момент формування дислокаційної сходинки має місце миттєвий збуджений електронний стан атома, який підвищує його хімічну активність, здатність до сольватації і знижує іонізаційний потенціал. Таким чи­ном, під дією механохімічного ефекту різко прискорю­ється розчинення металу в вершині тріщини. Зменшен­ня бар’єрів приводить до полегшення розрядження дис­локацій, які скупчилися біля поверхневих бар’єрів, тобто під дією середовища полегшується пластична те­кучість металу в вершині тріщини — так званий хемомеханічний ефект. Підтвердженням існування такого ефекту можуть бути результати дослідів, які показали різке збільшення швидкості повзучості деяких металів в процесі адсорбції поверхні.

Механохімія має особливо велике значення при тер­ті, спрацюванні та фретінг-корозії, тому що під час пе­реміщення, навіть досить малого, однієї деталі по дру­гій відбувається значна активація приповерхневого шару металу, яка призводить в умовах тертя або до полегшення окислення поверхонь, які труться, або до їх схоплювання, викликаного взаємодією між активо­ваними поверхнями, когезійиими силами. У всіх цих випадках відбувається спрацювання спряжуваних по­верхонь.

Фретінг-корозія спостерігається в місцях зіткнення напресованої насадки (втулки) на вал, який піддають дії знакозмінних навантажень. Це явище супроводжу­ється зниженням втомної міцності валу в місці насадки втулки і характерним виділенням продуктів спрацюван­ня, які мають переважно червоний колір.

Активацію спряжуваних поверхонь можуть викли­кати циклічні навантаження, в тому числі й вібраційні. Ультразвукові коливання також відіграють велику роль в активації металу, і зокрема досить сильно активують дифузійні процеси (наприклад, прискорюючи на порядок процес дифузій­ного насичення металу вуглецем, азотом та іншими елементами).

Дифузія — процес, який приводить до рівномірного заповнення всього об’єму фази молекулами, атомами або більш крупними частинками даного компоненту. Дифу­зія має місце в газах, рідинах і твердих тілах, причому дифундувати можуть як розчинені в речовині сторонні частинки, так і частинки самої речовини (самодифузія). Дифузія в основному обумовлена тепловим рухом. Ди­фузійний процес може спостерігатися між газом і рід­ким або твердим тілом, між рідким і твердим та між твердими тілами.