Адсорбционный эффект понижения прочности (эффект Ребиндера).

Поверхностно-активная среда значительно понижает сопротивление деформированию и разрушению твердых тел в результате физической (обратимой) адсорбции поверхностно-активных веществ. Этот эффект был установлен П. А. Ребиндером и назван его именем. Различают внешний и внутренний адсорбционные эффекты.

Внешний эффект происходит в результате адсорбции поверхностно-активных веществ на внешней поверхности деформируе­мого твердого тела, что вызывает пластифицирование поверхно­сти и снижение предела текучести sт, а также коэффициента упрочнения , где s — напряжение; e — деформация (рис. 2.7). При внешнем адсорбционном эффекте благодаря адсорбированию слоя поверхностно-активных веществ понижается поверхностная энергия твердого тела, что приводит к облегче­нию выхода дислокации.

Молекулы органических кислот и спиртов относительно велики, они не могут проникнуть в трещины и вызывают внешний адсорбционный эффект. Эффект Ребиндера можно также проде­монстрировать на примере продавливания стального шарика че­рез сквозное цилиндрическое отверстие в металлическом образ­це (рис. 2.8). При продавливании шарика избыточный поверхностный слой металла пластически деформируется, образуя на­плыв перед шариком. При продавливании шарика без смазочного материала в зону деформации вовлекается значительно больше металла, чем в присутствии активной среды. На рис. 2.9 показана микроструктура металла в пластической волне при продавливании шарика. Силы продавливания при смазывании па­рафином в 3 раза меньше, чем в случае отсутствия смазочного материала.

Внутренний адсорбционный эффект вызывается адсорбцией поверхностно-активных веществ на внутренних поверхностях раздела—зародышевых микротрещинах разрушения, возникающих в процессе деформации твердого тела. Этот эффект заключается в адсорбции атомов поверхностно-активных веществ на поверхностях микротрещин при деформации и разрушении твер­дого тела. Трещины быстрее развиваются в результате уменьшения работы, затрачиваемой на образование новой поверхности.

Отличительной особенностью эффекта Ребиндера является то, что он проявляется только при совместном действии среды и определенного напряженного состояния. Речь идет об обратимом участии среды. Это принципиально отличает эффект Ребиндера от химических или электрохимических процессов, коррозии или растворения твердого тела в окружающей среде. Эффект может быть вызван не только адсорбцией, но и воздействием жидкости. Наиболее сильно эффект Ребиндера проявляется в условиях образования новых поверхностей, а также при наличии в твердом теле дефектов (в частности, границ зерен).

Рис. 2.9. Микроструктура металла (Х30) в пластической волне при продавливании шарика без смазочного материала (а) и с окисленным парафином (б) (по данным П. А. Ребиндера)

Рис. 2.10. Схема адсорбционно-расклинивающего действия полярных молекул смазочного материала (F— давление адсорбированного слоя; Q -— расклинивающие силы)

Эффект Ребиндера и его закономерности распространяются на полимерные материалы. Адсорбируемые поверхностно-активные молекулы, стремясь покрыть всю поверхность тела в зоне соприкасания с активной средой, проникают в ультрамикроскопические трещины, мигрируя по их стенкам со скоростями, значительно превосходящими скорость всасывания жидкости в зазор. Когда активные молекулы достигают мест, где ширина зазора равна размеру одной-двух молекул (рис. 2.10), адсорбционный слой своим давлением стремится расклинить трещину для дальнейшего их продвижения. Давление на стенки трещины у ее вершины может доходить до 10 ГПа. Напряжения растяжения, остаточные или от внешней нагрузки, раскрывают ультрамикро-трещины и способствуют проявлению эффекта Ребиндера. Наоборот, при напряжениях сжатия трещины замыкаются, может даже произойти «самозалечивание» их, и эффект может и не проявиться. При упругой, а тем более при пластической деформаций в отдельных местах твердого тела возникают трещины (щели), на стенках которых отсутствуют адсорбированные молекулы среды. Адсорбируясь на этих стенках, активные молекулы вызывают расклинивающий эффект и усиливают деформацию. Последняя создает предпосылки для проявления расклинивающего действия, которое затем интенсифицирует саму деформацию.

Расплавленные легкоплавкие металлы являются сильными поверхностно-активными средами по отношению к более тугоплавким металлам и могут вызвать резкое понижение их прочности.

В химически неагрессивных, но поверхностно-активных средах снижается предел выносливости материала по сравнению с его величиной в неактивных средах.