Усталость металлов. Деформация и разрушение при длительном статическом нагружении. Механические свойства при ударных нагрузках, страница 13

Возможность резкого понижения прочности и пластичности твердых тел при контакте с окружающей средой определяется несколькими взаимосвязанными условиями и факторами, которые наиболее подробно изучены для систем жидкий металл – твердый металл. Важнейшими среди этих условий являются следующие:

1. Природа (химический состав) твердого и жидкого металлов. Решающую роль в проявлении эффекта Ребиндера играет снижение свободной поверхностной энергии деформируемого твердого тела на границе с окружающей средой. Поэтому для строгого ответа на вопрос – возможно ли в принципе возникновение хрупкости и уменьшение прочности в конкретной системе твердый металл – жидкий металл, - нужно знать значения свободной поверхностной энергии твердого тела на границе с вакуумом (воздухом) и на межфазной границе с жидким металлом. Однако различные теоретические методы расчета позволяют лишь приближенно оценивать эти величины. Значительные трудности возникают и при экспериментальном измерении свободной поверхностной энергии твердых тел. Тем не менее, в настоящее время найдено несколько способов, позволяющих более или менее надежно прогнозировать возможность появления эффекта Ребиндера в различных металлических системах.

Резкое изменение механических свойств – лишь одно из тех последствий, которые вызывают контакт твердого тела с родственной средой, приводящей к сильному снижению поверхностной энергии. Выше на ряде примеров было показано, что поверхностная энергия жидкостей снижается тем сильнее, чем хуже растворяются в них поверхностно-активные вещества. Следовательно, чем меньше растворимость жидкого металла в твердом, тем по аналогии должна снижаться поверхностная энергия на соответствующей межфазной границе. С одной стороны, снижение прочности можно рассматривать как результат ослабления силы межатомного притяжения f. Можно поэтому ожидать, что благоприятные условия для снижения прочности возникают при контакте металлов, образующих эвтектику. С другой стороны, образование интерметаллидов, а также соответствующее увеличение сил взаимодействия должны препятствовать понижению прочности под действием окружающей среды.

Таким образом, можно сделать следующий вывод: сильное снижение прочности и пластичности твердого металла возможно в присутствии расплавов, которые образуют с твердым металлом эвтектику, но не образуют интерметаллидов, а растворимость расплава в твердой фазе невелика (обычно не выше нескольких процентов). Действительно, при сопоставлении экспериментальных данных с соответствующими бинарными диаграммами оказалось, что указанные признаки проявления эффекта Ребиндера во многих случаях подтвердилось. Типичные примеры подобных систем: цинк – олово, цинк – ртуть, медь – висмут.

Предложен также еще один признак проявления эффекта Ребиндера в металлических системах – так называемый признак электроотрицательности.

Электроотрицательность характеризует способность какого-либо атома в молекуле притягивать к себе электроны и приближенно равна сумме энергии ионизации и энергии химического сродства электронов атома. Чем больше разность электроотрицательностей ΔХ, тем больше склонность двух данных элементов к образованию химических соединений. Поэтому склонность к возникновению хрупкости может возрастать, если уменьшается разность электроотрицательностей Х твердого и жидкого металлов. Действительно, в отдельных случаях эта корреляция оказалась справедливой. Например, висмут (Х=1,9) охрупчивается ртутью (Х=1,9), а жидкий галлий (Х=1,6) на него не действует; медь (Х=1,9) охрупчивается ртутью и жидким висмутом, но не галлием.

2. Температура и скорость деформации. Большое влияние на проявление эффекта Ребиндера оказывают температура и скорость деформации. Характерным примером может служить растяжение монокристаллов чистого цинка, на поверхность которых нанесена тонкая, в несколько микрометров толщиной, пленка ртути.