Ефект Ребіндера

Особливе місце серед фізичних методів дії на властивості взаємодіючих тіл займає адсорбційне зниження міцності твердих тіл, який отримав назву ефект П. А. Ребіндера. Принципова схема експерименту представлена на рисунку 2.15. В його основі лежить явище зменшення вільної поверхневої енергії як на зовнішній поверхні твердого тіла, так і на внутрішніх поверхнях, які виникають і розвиваються в процесі деформації. Ефект Ребіндера супроводжується пластифікуванням поверхневих шарів твердого тіла і зниженням межі текучості (рисунок 2.16).

Рисунок 2.15 – Схема продавлювання кульки без мастильного матеріалу (а) і з окисленим парафіном (б): 1 – зразок; 2 – пуансон; 3 – кулька; 4 – наплив металу

Механізм пластифікування полягає у полегшенні виходу дислокацій на зовнішню поверхню в результаті зниження енергетичного бар’єру, зв’язаного з утворенням нової поверхні, а також у підвищенні активності підповерхневих джерел дислокацій. Адсорбція молекул ПАР на поверхнях мікротріщин (рисунок 2.17) призводить до появи розклинюючої сили значної величини: тиск на стінки тріщини біля її вершини може досягати до 10 ГПа. Залишкові розтягуючі напруження розкривають мікротріщини і сприяють протіканню ефекту Ребіндера. При стискаючих напруженнях тріщини замикаються, можлиле їх «самозалічування», і ефект може не проявлятися.

Рисунок. 2.16 - Діаграма розтягу монокристалу олова: 1 - розтяг у неактивному середовищі (вазелінове масло або повітря); 2 - розтяг у активному середовищі (вазелінове масло + 0,2% олеїнової кислоти)

Рисунок. 2.17 - Схема адсорбційно-розклинюючої дії полярних молекул (F - тиск адсорбційного шару; Q - розклинююча сила)

Явище адсорбційного зниження міцності має свої характерні особливості:

– відсутність хімічної взаємодії, яка б спричиняла корозійне руйнування матеріалу;

– ПАР діючи тільки на поверхню матеріалу здатні змінювати його об’ємні властивості, наприклад, міцність;

– вплив ПАР проявляється при дуже малих концентраціях: достатньо поверхню твердого тіла вкрити моношаром ПАР;

– суттєво, щоб поверхнево-активне середовище "встигло" проникнути в зону передруйнування у вершині тріщини. Тому при високих швидкостях деформування ефект Ребіндера може слабнути.

Розплавлені легкоплавкі метали є сильними поверхнево-активними середовищами по відношенню до більш тугоплавких металів і можуть різко знизити їх міцність, збільшити крихкість. Таку дію має розплавлене олово на монокристали цинку і кадмію (а також полікристалічну вуглецеву сталь), ртуть на цинк. Дане явище використовується при обробці металів. Наприклад, наявність рідкої евтектики олово-цинк в зоні різання при свердлінні отворів у деталях з сталей У8 і Г13 підвищило стійкість інструменту у 6 - 7 разів, а при свердлінні жаростійкого сплаву ЖС6К - до 30 разів.

Трибологічний аспект явища полягає в тому, що активні мастильні матеріали підвищують пластичну текучість тонкого поверхневого шару металу при терті деталей в умовах значних тисків. В результаті взаємодії, наприклад, рідкого мастильного середовища, яке містить полярні компоненти, з матеріалом поверхневого шару деталі в умовах пластичного деформування може відбуватися розпушення металу на поверхні. Причиною розпушення металу є адсорбція активних молекул мастильного матеріалу на оголені при деформуванні ювенільні ділянки поверхні. При терті таке адсорбційне розпушення (пластифікація) поверхні викликає зниження границі текучості матеріалу деталі в шарах товщиною до 0,1 мкм. Це полегшує приробку і знижує інтенсивність зношування поверхонь.