..


--.'\ .


..







..


.
:
::-.'
...


'.


'O#It.






..




:....


v"


.:::
.
.-.... =>
. ':'. ,


...


)о


...' . .
...
'У'"
""..
..
"
.

.


,.


. ..
...:jo....


...







.,









<.


. .:

.

.

.


.'


<-; .. ......


,,
. 'о'.

.
..,<... : .
t;}.. . ..
.
 'f.- : »'
. .
.

. ...
 'IJOi
..::
. .
''''.' ...


'.


.. "cr


....


"1.


. .


'"


. .


у


. .
- .
J'
.
«
,}
'J. .
....
'\ . .
- .


1'"


"\


..


,


"1.


.
'\.. .
;->' .. "
.'
'«

;
. ..::
.
.:«.. .

::::"." :. .'.:; ........>


":a;'::i .
 ..
 . . 'у;
....:- ..У ..... -. ....... ...

 ...,. 8,/'- ......., ..
.- : .';:::::..::

:
; :-;::=:::.-.8
.:--...... ......
.....
.. ......-...,;: -.
<,=. :...... ..:{.-. .:.;-.
::(
:: '.

-; ":.., '.: .... -:":';"'. «.'.-;
.. -. .. .. . .. .... . Л. ...-,

 .
:




.:
...
.
:. :

'::




.
... . ....... 111 .
 ...


.... ....>-:;....-:.:.:-:-...;.
:.

 .
.' .;....
.. .... .
-:.;.:. .:.:.:.:.<:..;.

)-
..:.:
c::-,,)
.....
..;x:
:
:!::
...-:::
....':::;..:.
..). :.... .
'''''''''

 ''''''' ,.. " . .?
. , ,,-.. .
...;. --..
....:..,.L

 УХ-:- .:.:...:..;,.:.;-:.:.:-...",-:. .;А.
.......
:>........у." ....
..... . . .....

 ....... . ..... . v . . . ......-;'ОТ .

.....
..:-:.;...",:,,:-:-:..:, 6
';"'''' _..:.:....
.... .':«_. '. '.
.... .... " .... ,,,..... ....у. . .. -:. .
.
 ... ........ .9 .


 $ . . "':"-:'-:':".
..."......
.:.:.:::.

.:.: ..:;
...:
II"
"
6....... ..)::-:
::
..
=.::::::.:::::;:.. ..::.:- .::.:. ..
: '
.
....
. .....
.... .l..".. . . . ' . ..... ... .<'
 .... "#'
'&..;......:.
 .. ".'.. ..........
..»:.....
.. ....<-OL...... .
.:
::
:..<-)<... .
 .-::::==:::
 ... .;:.:
:.....:.::::::::::.
.::.::

:
.
 ...'"II...-..:....'\. ......" :-...."..".., X
'-C-Y»"""'"
. :

. :.

;


;:

'

 M "'. ..::.::::;:<=
)':+ ;.х:. :::::
;;.:
:: .
. -< .:.
.)

 ,. . . . .N.... .. ,. . . . .
:{'...:.

 . . .-..
 .

.' ":.:.:.:'.;":'. ......:...:-.;-........,
.:-.-:.........

..: ! '... :V;Q. .,.....
. ":
'
 -:
X
:.::
:..
..:
.:<r m . .;
 i ..;:::.->.
.. ::=«; . <-.
.. ..
.;-. :-....
 :.(a

 ...:.-
.:'
 .:.
. :::-."<
..
:::: ....
....'...... .
 ....... ...f;

-:;.
.'..
 ..:6........« )
.....
 ..,
....,;w-.......,. . .8 ...... ....
 ........ .

,
...... ......-....
............ '
'. .(
.
.. ,,::.,.:O'=::'
"."h .... · ...... ...
 y.... .. ..
.....:.:.
.
..." .......»........
..-..... .,;..... ...,

 ., у -х

. . . .X-:.
.X
 """'jo,. . ». . . .
. . . .х: . .... ." · .
 >..:::-,>,:-т-.
.::..,:=;.-j.;.,...... . - ::..-=:....у{.:.::-;:.:.;.. X:;M:
.
::

=:y,. о.

. >.. .".» с,,; J". .
 ".
 ,
.
. ....
. ;w.. . . .
 ... ...... .... ......
.:...:::::.....
...... .
.. .::..:
:.:


.X(:*:

::O:-
 ...:..;:
.:.:-.

.:
. .... "\
 ..:.:«..л.... ,........ ... .... .
. ...... &.t" .W
,
.
...:.:'..:.:.:.

..... -:,.x...
-:.
.:....
:.: .... :-..
.... .:
':->.....: -.
. .. . . . . .
..... ... . ... ...""....... . ." . . .,..... .... .
... .
«... ..
.Q..
:.:_
:.:.:...:.:.....

:.:.:-..:.:.--
.
..:...:.:<,.:--=..:....:,е. .:...:.. х ........:.. .:. I ..;. ..
. . . . :.м;.: · .. . ,,
. . · .. ....
. ..."'<.... .::="". . . . . . . .. .. -е- .. >."..:1'. ...
":'. ;
..::::::
::
::- .....
. :
-::::


::.:..
 .
 . ':.. < ' ; :::.:::
:
:;:::.
 .....:;-==: ... ...:::..::::;... '..:::'
.....,.... ................ ...:'--.-"...., . .. '\.- .. .. ......,............;.' _.8)=, . ':-." ".' ..
. . . . . .'. .. ....,
,,- . . '" ;w:.' .. . ... ..... ....... __ .z'. "'".... .
 . . . ...
.'.:.'.;";.: :.;
:."
':';":-=--;='" ...;.:...:.:....:.: .<-:.:v...:;. .;('9X
... i ..:".....:.="' ....<.
. ...:..
-:.:.:.:.: ;.:-
":.:.., :.:.?..-:.:-<
.:.:::::-:.:.:.:.....\,<-',
:..
;-:.. ..... :'''':'=---:'. ....
:::: .:::'::::::::::С::,:;::,.,
=:
:
::::::*::::::
:;. .::::'::=:::==,:-:.
::y.. ..а:::;:.:::..;:::. .
. . . .. . . о.. . . .
 . . ../'0' . ..... . . .. ..
.. -i:' ... А . ..:,.:
... .... . . . . --.. . ....
. .....: ;.:. ..:.
: :.:...
:.,=<V..:.:'>:.:.:.:..:.:.:.:.:.=I'-:....;. .:.:.
.
."'-::..--._..:, :.. . . :-.'
. .. ,.
 .......'"

...
... ...".. ,....... . 'h.' ... .'...
...
.. ...
.
 . :'. .:.
 .:. ;.....:\...':.:...:->:.:.:-:-:.:}.:.:. ':.:C:-:.:'«..V:.' ':':-=-:..'Q;
->.
;-,:""'.'
'. '.'
.:.:.:
 ..:.:......:.:.;.;.
...N:.:.
.:
..

 ...;::?"-::XX-=

 :'.'.
. »=:....
 .
· .'.:' ...
.:...:.:.
.
.::
..;....<.
 .:.:... .; .':'.':':-:'
.' '1:: :'
.'.
;:.-" .
..' ..... . .-;.1'..;:....
. ......"""'. ........."..
".';r""'..... .
....
...
.. ...,. .' . ;
.> . '..:' . H-;:X'

.
' .
;:.''''' .
...






"


;..


.'


J....


,



 .
\
...


1.,


)о


.'


."






..


......


, .
t:.
.
. '.....
\.,.... ....-


...




.8.... . ....."
:

.:.. ...


...... "'
.:..,.
.. . .

_:-.:t"



.'


.. " .' .

.'


. .

.


. ..
...::>-
е.:. '11 ';:: .
.",-,...
. ,
....
"JQr..... . '.. ot;
..,.........,

..: .r.


. .


. .
;...а;



..=


-:


...

"..- .
.' .


1"



 ;W--=-

;;;o.
.r -. .


.',,

."*,,.


, .


, ..

.« .л
, '..
.. ..



 (..





...


..


...
.. .
..


, ..: .:
. :.... .
'.;v;-
.. .


.... '\.
<.


.,

 "\,-
'v'


'-
, ..
I...
"... С




..
..'"

:X
'\ \: ...



..)
,



... ..
....
 .-


.



..

:"


,,,


aC:-:.


../.'
.
..

,,



. .


...
...


j.
. ). ':.:
. а .......у
.
 .-..:;" .
..:..,. .;......:-


'-..-
-. ..... .,



\


""
..


"


" 1,







.


:'\. '.


..


,..,


.








. ,


.)


.


....


-


.


>.


.... .8..... "
'.:


-


.


-(
.
 \






..,










.


о.'


...
.: ,- ,


t.
";"I.

 .




АКАДЕМИЯ НАУК СССР
Ю. В. ГОРЮНОВ. Н. В. ПЕРЦОВ, Б. Д. СУММ
Эффект
Ребиндера
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
М о с к в a -4

Наука о прочности шагнула далеко вперед. Развитие
ракетной и ядерной техники, самолетостроения,
химического машиностроения и многих других отраслей
немыслимо без высокопрочных материалов. Успехи
человечества в освоении космоса, в покорении ядерной
энергии— свидетельство замечательных побед научной и
технической мысли в области получения сверхпрочных
металлов и сплавов. Но наряду с созданием таких
материалов не менее важно изучение физико-химических
процессов, происходящих на поверхности твердых тел и
вызывающих понижение их прочности. Особенно
необходима разработка научных методов защиты конструкций и
деталей от преждевременного разрушения, вызываемого
действием поверхностно-активных веществ. Однако
такие вещества не только враги прочности: они и
незаменимые помощники во многих важных производственных
процессах. О вредном и полезном действии
поверхностно-активных веществ рассказывает эта книга. В ней
содержатся сведения, интересные для широкого круга
читателей,— для специалистов по обработке металлов
давлением и резанием, металловедов различного профиля,
конструкторов и технологов, для инженеров горной и
нефтяной промышленности, для строителей, для
исследователей, работающих в области физики твердого тела и
порошковой металлургии, для преподавателей и
студентов.

ВВЕДЕНИЕ
Развитие цивилизации всегда было связано с
материалами, которыми располагал человек в ту или иную эпоху.
Об этом напоминают названия целых эпох истории
человечества: век каменный, век бр.онзовый, век железный.
Начиная с XIX столетия для описания уровня развития
техники употребляют иные термины, которые носят уже
энергетический характер. После изобретения паровой
машины наступил век пара, на смену ему пришел век
электричества, мы живем в атомном веке.
Но наше время — это не только эпоха атомной
энергии. Не менее важную ррль играют сейчас полимеры,
полупроводники, сверхпрочные сплавы, особо чистые
вещества и многие другие замечательные материалы, без
которых невозможен прогресс науки и техники. Известно,
например, что знаменитый изобретатель Эдисон, работая
над созданием электрической лампрчки, большую часть
времени потратил на поиски материала для нити
накаливания; он перепробовал более тридцати тысяч веществ,
прежде чем добился успеха.
Среди конструкционных материалов особое место
занимают металлы. История дает немало примеров, когда
уровень развития металлургии решал исход войн. Так,
древние инки, населявшие территорию нынешнего Перу,
не умели обрабатывать железо, и серебряные
наконечники их стрел были бессильны против стальных лат
испанских завоевателей.
Примерно до XIX в. металлам и другим материалам
«жилось» сравнительно легко и спокойно: им не
приходилось работать при очень высоких температурах и
давлениях, они не испытывали действия агрессивных
химических сред (страшнее морской воды, пожалуй, ничего не

было). В XX в. положение резко изменилось. Для
создания ракет и мощных турбин, атомных реакторов и
сверхзвуковых самолетов потребовались материалы,
обладающие жаропрочностью, химической стойкостью, способные
выдерживать огромные нагрузки и высокое давление.
Повышение прочности конструкционных материалов
стало .одной из главнейших задач науки и техники.
В обширном комплексе исследований в этой области
совершенно особое место занимают работы,
посвященные адсорбционному понижению прочности твердых тел.
В научной литературе это явление принято называть
эффектом Ребиндера по имени академика П. А. Ребиндера,
который первым открыл и теоретически обосновал его.
Одна из наиболее характерных и ярких особенностей яв-.
ления состоит в том, что резкое ухудшение механических
свойств твердогр тела может быть вызвано ничтожно
малым количеством так называемых
поверхностно-активных (или адсорбционно-активных) веществ. Другая
важная особенность — быстрота, с которой такие вещества
понижают прочность материалов. Некоторые адсорб-
ционно-активные вещества, попав на поверхность даже
слабо нагруженной детали, могут вызвать ее разрушение
в считанные минуты или даже секунды. Наконец,
действие адсорбционно-активных веществ обычно не
ограничивается только количественным эффектом — понижением
предела прочности твердого тела в несколько раз.
Зачастую их присутствие вызывает и качественные изменения
механических свойств материала. Например, некоторые
металлы полностью утрачивают присущую им
пластичность, становятся хрупкими и разрушаются уже прц
очень небольшой деформации.
Возможно, что эти краткие сведения о явлении
адсорбционного понижения прочности твердых тел могут
вызвать недоумение: почему ученые вместо того, чтобы
заниматься изысканием способов повышения прочности
материалов, изучают понижение прочности? На это есть
по крайней мере три «уважительные» причины,
поясняющие, что адсорбционное понижение прочности — явление
отнюдь -не экзотическое, а напротив, животрепещущая
проблема; результаты ее исследования важны не только
для науки, но и для решения сугубо практических задач.
Во-первых, каждый инженер-проектировщик должен
представлять себе, как влияет окружающая среда на

прочность тех материалов, из которых будет
изготовлена машина, аппарат или любая другая конструкция.
Материал, идеально подходящий для работы в одних
условиях, например на воздухе, может оказаться совершенно
непригодным для работы в активной среде. Известно, к
сожалению, слишком много печальных случаев, когда
ответственные детали и целые конструкции
преждевременно выходили из строя только потому, что при
проектировании не были учтены адсорбционно-активные
свойства окружающей среды. Зная природу адсорбционного
понижения прочности, можно не только правильно зы-
брать материал, но и разработать защитные меры,
уменьшающие или даже полностью исключающие
возможность катастрофических разрушений.
Во-вторых, существует много производственных
процессов, где снижение прочности твердых тел просто
необходимо. Ведь чем прочнее материал, тем больше усилий
требуется затратить на его обработку. С помощью ад-
сорбционно-активных веществ удается
интенсифицировать такие важные процессы, как обработка металлов
резанием и давлением, а также процессы, связанные с
разрушением твердых тел,—бурение горных пород,
дробление, тонкое измельчение и др.
И, наконец, в-третьих. Глубокое изучение любого
явления природы всегда открывало новые, порой
совершенно неожиданные пути развития техники, стимулировало
появление новых научных идей и направлений. Есть все
основания полагать, что эффект адсорбционногр
понижения прочности — сложное и интересное
физико-химическое явление — не представляет исключения из этой
общей закономерности. Вот один пример. Недавно
предложен новый оригинальный метод'получения
высокопрочных материалов, основанный на использовании адсорб-
ционно-активных веществ —понизителей прочности.
Следует подчеркнуть, что основная заслуга в
развитии представлений о физико-химическом влиянии среды
на механические свойства твердых тел принадлежит
советским ученым — в первую очередь школе академика
П. А. Ребиндера. Благодаря многолетней работе
большого коллектива ученых и инженеров исследования и
использование эффекта адсорбционного понижения
прочности выросли, в отдельную область науки и техники.
Большой вклад в разработку теоретических основ и ме-

тодов применения смазок при обработке металлов
давлением внесен работами В. И. Лихтмана, С. Я. Вейлера и
их сотрудников. Представления о разнообразных формах
адсорбционного и коррозионного влияния среды на
усталостную прочность металлов получили развитие в трудах
Г, В. Карпенко и его сотрудников. Исследования в
области повышения механической прочности и увеличения
срока службы катализаторов успешно ведутся Е. Д.
Щукиным. Им же теоретически обоснованы процессы
адсорбционного облегчения деформации и разрушения
твердых, тел на основе дислокационных представлений.
Несмотря на большие масштабы работ по изучению
и применению явления адсорбционного понижения
прочности, широкие круги инженерно-технических и научных
работников мало знакомы с эффектом Ребиндера. Перед
нами стояла задача — подробно рассказать об эффекте
Ребиндера и о его практическом использовании. Мы не
стремились дать исчерпывающее описание всех
имеющихся результатов, а хотели, по возможности, яснее
показать развитие основных идей в исследовании физико-
химических основ адсорбционного понижения прочности.
По ходу изложения мы не уклонялись от еще не
решенных вопросов, а напротив, старались подчеркнуть, что в
большом комплексе решаемых проблем есть немало
белых пятен, исследование которых только началось. Мы
обращали внимание читателя на такие места для того,
чтобы у него создалось правильное представление о
современном состоянии этого раздела новой пограничной
науки — физико-химической механики.
Считаем своим долгом отметить большую помощь,
которую принесли нам обсуждения некоторых разделов
книги с сотрудниками кафедры коллоидной химии
химического факультета Московского государственного
университета и Института физической химии АН СССР.
Особую благодарность мы приносим П. А. Ребиндеру,
В, И. Лихтману и Е. Д. Щукину.

ГЛАВА
СТРУКТУРА
И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
Сделаем три очень простых опыта. Возьмем небольшую
данковую пластинку, например кусок типографского
клише толщиной 2—3 мм. Приложив достаточно, большие
усилия, такую пластинку можно согнуть даже под
прямым углом. Цинк при комнатной температуре очень
пластичен: при таком изгибе он не треснет, не сломается.
:г Теперь на середину такой же пластинки нанесем
перед изгибом небольшую — несколько миллиграммов р-
цапельку ртути. Для успеха нашего опыта нужно, чтобы
Ьтуть хорошо смочила цинк, поэтому предварительно
рлегка поцарапаем пластинку в месте нанесения Капли,
разрушим в этом месте окисную пленку. Начнем
медленно и остррожно изгибать пластинку; капелька ртутя
Должна находиться на растягиваемой (выпуклой) Сто-
Ьоне пластинки. Уже при сравнительно небольшом
усилии из-под ртутной капли побежит в обе стороны тонкая
урещина. Не спешите увеличивать усилие — тогда треш>
Йа быстро пройдет через всю пластину, и пластина раз-
балится на дьа куска (рисг1). Рассмотрим
получившийся излом, Хорошо видно, чтр вся его поверхность покры-
ц слоем ртути, и разрушение произошло почти без fcca-
Ой пластической (остаточцой) деформации пластины —
так, как ломаются бритва шш ножовочное полотно.
|; Проведем теперь опыте изгибом цинка в присутствия
ртутной KanJjH по-другому: изогнем пластинку как
|у!бжнр быстрее. Тогда трещинка, зародившаяся вбли
6и капли, сначала немного увеличится в длину, а;п6'Т.ом
разветвится на несколько коротких трещин (рис. 2) и
уже не пройдет вдоль реей пластины. Если еще сильнее
Лаж-ать'на пластинку, так же как в опыте без -ртути, то е^
Удастся лишь сильно согнуть. ¦
i

Рис. 1. В присутствии
капельки ртути
цинковый лист хрупко
разламывается уже
при небольшом
усилии
Рис. 2. При сильной
перегрузке основная
трещина
разветвляется

Эти простые опыты вызывают много сложных
вопросов. Почему присутствие маленькой капельки ртути на
поверхности пластины привело к тому, что пластичный
цинк стал хрупким? Почему разрушение произошло при
небольшом усилии? Почему при медленном изгибе
образовалась одна длинная трещина, а при быстром — сеть
коротких? Сколько нужно ртути, чтобы трещина прошла
через всю пластину и пластина разрушилась? Есть ли
другие жидкие металлы, таким же образом облегчающие
разрушение твердых металлов? Какие внешние условия
влияют на эффект понижения прочности? Имеет ли этот
эффект практическое приложение? Перечень таких
вопросов можно легко увеличить. Чтобы ответить на них,
нужно прежде всего рассмотреть, как протекают
процессы деформации и разрушения металлов в обычных
условиях и какие физико-химические явления происходят при
нанесении жидких металлов на поверхность твепдых.
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Сейчас хорошо известно, что все металлы имеют
кристаллическое строение. Для структуры кристаллов
характерно правильное расположение отдельных атомов.
Иными словами, кристаллы можно представить состоящими
из множества периодически повторяющихся
элементарных ячеек, образующих единую кристаллическую
решетку. Например, элементарная ячейка кристаллов
алюминия или меди имеет форму куба. Атомы металла
расположены в вершинах куба и в серединах каждой грани
(рис. 3, а) на расстоянии порядка нескольких ангстрем
(одна стомиллионная доля сантиметра). Такая решетка
называется кубической граиецентрированной. Для
металлов, помимо этой решетки, наиболее характерны еще
две — кубическая объемноцентрироваиная C, б) и
гексагональная плотноупакованная (рис. 3, в).
Твердые металлы и сплавы получаются обычно при
застывании жидкого металла, который, охлаждаясь ниже
температуры плавления, начинает затвердевать, или
кристаллизоваться. Если жидкий металл охлаждать быстро
(как это обычно и делается в металлургии), то
кристаллизация начинается одновременно по многих участках и
при этом во множестве рлстут отдельные хаотически
ориентированные кристаллики. 11о мере з.четыипиии

s
Рис. 3. Кристаллические решетки, характерные для большинства
металлов
а —кубическая гранецентрироваиная; б—кубическая объемноцентриро-
ванная; в — гексагональная плотноуиакованная
.1 ) -jiife, , ,:
Рис. 4. Микроструктура поликристаллического цинка
при увеличении в 600 раз

жидкого металла отдельные кристаллы становятся
все крупнее и неизбежно наступает момент, когда они
срастаются. В итоге кусок твердого металла становится
прочным агрегатом, состоящим из множества отдельных
кристалликов, или, как их чаще называют, зерен. Металл
с таким строением называется поликристаллическим.
Каждое зерно в основной части своего объема
является правильным монокристаллом, и только на границах
между зернами наблюдаются значительные отклонения
от правильного кристаллического строения. Размеры
зерен в зависимости от способа кристаллизации и от
последующей термической обработки могут изменяться в очень
широких пределах — от микронов до нескольких
миллиметров. Зерна сравнительно легко наблюдать в обычном
металломикроскопе (рис. 4).
С помощью специальных приемов процесс
кристаллизации можно провести так, что застывший металл будет
иметь во всем объеме единую кристаллическую решетку.
Такие образцы называются монокристаллами. Сейчас
научились выращивать очень крупные — весом до
нескольких килограммов — монокристаллы многих
металлов.
Механические свойства металлов сильно зависят от
их структуры, в первую очередь от того, является
образец м.оно- или поликристаллом. Рассмотрим, как ведут
себя при растяжении монокристаллы и поликристаллы
чистых металлов.
РАСТЯЖЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ
И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ
При растяжении цинковой монокристаллической
проволоки вдоль оси отдельные участки кристалла как бы
соскальзывают ib строго определенном направлении
относительно друг друга (рис. 5). Монокристаллы
цилиндрической формы часто сравнивают со стопкой монет;
при растяжении монеты скользят друг по другу и
постепенно поворачиваются ближе к направлению
растягивающей силы. Участки кристалла, скользящие как одно
целое (монеты), называются пачками скольжения,
внутри которых сдвигов практически не происходит. При
некотором растяжении на поверхности образца
можно заметить своеобразные уступы -следы произошедших
11

сдвигов (их обычно
называют линиями
скольжения) .
Дальнейшее
растяжение приводит к
превращению
цилиндрической проволоки в
плоскую ленту.
Причина такого
поведения цинкового
монокристалла кроется
прежде всего в
особенностях его
кристаллической структуры. Цинк
имеет гексагональную
плотноупакованную
решетку. При растяжении
кристаллов с такой
структурой наиболее
легко происходит
смещение (сдвиг) вдоль
определенных
кристаллографических
плоскостей — так называемых плоскостей скольжения; в
гексагональных кристаллах ими являются плоскости базиса.
Легкость скольжения вдоль базисных плоскостей можно
объяснить тем, что расстояния между атомами в
соседних базисных плоскостях сравнительно велики и,
следовательно, силы притяжения между ними много меньше,
чем в других направлениях. У металлов кубической
структуры есть несколько равноправных плоскостей
легкого скольжения, поэтому процесс их деформации
значительно сложнее.
В поликристалле отдельные зерна не могут
деформироваться независимо друг от друга. Соседние зерна
будут препятствовать растяжению каждого отдельного
зерна. В итоге поликристаллы менее пластичны, чем
монокристаллы. Например, цинковые монокристаллы
можно вытянуть к моменту разрыва на 700—900% по
сравнению с их начальной длиной; для цинковых
поликристаллов предельная деформация не превышает
20—30%.
Рис. 5. Этапы деформации
металлического монокристалла при
растяжении. Ориентировка плоскости
скольжения относительно оси растяжения
изменяется
12

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И РЕАЛЬНАЯ ПРОЧНОСТИ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ
В начале 20-х годов нашего века рентгенографически
были определены расстояния между атомами в
металлических кристаллах. Это дало возможность теоретически
определить минимальное усилие, необходимое для
сдвига однрй атомной плоскости по отношению к соседней.
Проведенные расчеты дали ошеломляющий результат:
оказалось, что теоретическое напряжение сдвига в
тысячи раз превышает значения, найденные
экспериментально.
Примерно в то же время была теоретически оценена
прочность твердых тел на разрыв. Здесь также
обнаружилось, что реальная прочность даже самых прочных
металлов и сплавов в сотни раз меньше, чем
теоретическая. Например, для разрыва монокристаллического
цинка при комнатной температуре нужно приложить
напряжение около 5 кГ/мм2, тогда как теоретическая
прочность его составляет 2000 кГ/мм2.
В чем же дело? Почему теория столь сильно^
расходится с опытом?
Дальнейший анализ этой проблемы дал ответ на эти
вопросы. При расчете теоретической прочности
предполагается, что кристаллическая структура совершенно -
идеальна, т. е. в ней нет никаких отклонений от
правильного порядка расположения атомов. В действительности
же любое твердое тело содержит много разнообразных
структурных дефектов, начиная от искажений атомного
порядка и кончая мельчайшими трещинками. Именнс)
эти дефекты ответственны за то, что наши материалы
значительно менее прочны, чем это могло бы быть при
идеальном строении.
В 1921 г. англичанин Гриффите впервые теоретически
показал и подтвердил экспериментально на примере
стекла, что низкая прочность реального твердого тела
обусловлена микротрещинами, которые имеются в нем
еще до прилржения внешней растягивающей силы.
Теория Гриффитса оказала значительное влияние на
развитие учения о прочности, и поэтому мы рассмотрим
предложенную им модель разрушения. Пусть в твердой
пластинке имеется сквозная трещинка длиною с (рис. 6). Что
произойдет, если под действием растягивающего напря-
13

Рис. 6. Под
действием растягивающего
напряжения Р
трещина растет; при этом
образуется новая
поверхность (участок
Ас)
жения Р трещина увеличится в длину на участок Ас?
При этом в рбъеме, окружающем участок Ас, будут
сняты существовавшие там ранее внутренние напряжения.
Следовательно, накопленная в этом объеме упругая
энергия должна перейти в другие формы энергии. Часть
этой энергии рассеется в виде тепла в окружающую сре-
ДУ» ДРУГАЯ часть пойдет непосредственно на образование
новой поверхности, открывающейся при увеличении
трещины на участке Ас, превратится в поверхностную
энергию а нового участка трещины — Ас.
Гриффите установил, что напряжение Рс, при
достижении которого трещина начинает быстро расти в
длину и приводит к разрушению образца, связано
определенным образом с длиной начальной (зародышевой)
трещины с, поверхностной энергией а и модулем упругости *
Е данного материала: }
Из уравнения Гриффитса видно, что прочность тела
падает с увеличением длины зародышевых трещин, а также
с уменьшением поверхностной энергии. Последнее
обстоятельство, как будет показано в дальнейшем, играет
совершенно исключительную роль в процессе деформации
твердых металлов, находящихся в контакте с Жидкими,
и является основой эффекта Ребиндера.
- Теория Гриффитса хорошо, объяснила
малую-прочность хрупких телх.но оказалась недостаточной для
материалов, которые перед разрушением дают большую
* Модуль упругости В тпердого тола характеризует способность
тела сопротивляться растяжению; он ранен отношению
приложенного напряжении к пьпшшппй им относительной деформации п упру*
гой области.
14

^^у^^шо. У этой теории есть и другой
большой недостаток: она исходит из существования "в'
твердом теле готовых зародышевых трещим и
совершенно не объясняет, каким рбразом могли появиться такие
трещины. В то же время экспериментальные
исследования показали, что в металлах-до начала деформации
обычно нет дефектов такого размера, какие необходима
для объяснения малой прочности по Гриффитсу. Кроме
того, уравнение Гриффитса выведено в предположении,
- что трещина имеет в сечении эллиптическую форму;
Ребиндером показано, что трещина должна иметь форму
линзочки с очень острыми, сходящими на нет краями.
Именно такая форма может обеспечить обратимое
смыкание трещины после снятия нагрузки. ~
дислокации '
Важнейшим шагрм в понимании процесса деформации
металлов явилось создание современной теории
пластической деформации — теории дислокаций. Эта теория
очень сложна, здесь мы остановимся лишь на ее основной
идее. v ¦ •¦ . у-:
. v Г1ри изучении модели скольжения атрмных плоскостей
относительно друг друга (стопка монет) оказалось, что
значение теоретической прочности на сдвиг чрезвычайно
велико. В расчетах предполагалось, что атомная
плоскость движется как единое целое. Для ее передвижения,
на одно межатомное расстояние
необходим-одновременной разрыв всех связей между всеми атомами в
соседних плоскостях А\ и А2 (рис. 7), и скалывающее
напряжение т, необходимое для такого сдвига, должно быть
большим. '1 '•'¦¦> • - '>'¦]•".'¦
Рис. 7. Чтобы еднинуп» верхнюю атомную плоскость
относительно нижней, нужен одновременный разрыв иесх спя.чей
между атомами этих плоскостей
15

лишний
атомная полуплоскость
плоскость
.скольжения.
А - дислокация
Рис. 8. Схема дислокации в плоскости скольжения. Над линией ЛВ
находится лишняя атомная полуплоскость
Теория дислокаций исходит из того, что идеально
правильный порядок расположения атомов (как это
показано на фис. 7) в реальных кристаллах нарушается.
'А даже ничтожное отклрнение от строгого порядка
может привести к тому, что в некоторых участках
кристалла число атомов в соседних плоскостях окажется
неодинаковым (рис. 8) и вдоль всей плоскости скольжения
АВ (в направлении, перпендикулярном плоскости
чертежа) возникнет дефект структуры, называемый
дислокационной линией, или просто дислокацией. При наличии
дислокаций атомные связи между плоскостями будут
рваться под действием внешнего усилия не
одновременно, а поочередно. Следствием этрго является
передвижение дислокации из одного участка кристалла в другой.
Когда дислокация выйдет на поверхность, там
образуется "ступенька атомного размера. Если на поверхность
выйдет миогр дислокации, то образуется ступенька,
видимая под микроскопом,—это и будет линия скольжения.
Таким образом, весь процесс пластической деформации
кристалла представляет фбой движение и выход на
поверхность большого числа дислокаций. Расчёт
показывает, что для деформации моцркъметаллов путем
перемещения дислокаций требуется весьма малое усилие,
примерно такого же порядка, как и напряжение
пластического течения, определяемое экспериментальным
путем.
46 ' •

Теория дислокаций объясняет не только высокую
пластичность металлов, но и причины образования
зародышевых трещин в тех случаях, когда происходит
хрупкое разрушение. Дело в том, что пластическая
деформация, связанная с перемещением дислокаций, протекает
очень неоднородно. Прежде всего она сосредоточена,
или, как гов.орят, локализована, в линиях скольжения, а
между этими линиями материал оказывается почти
нетронутым. Кроме того, не бывает так, чтобы сдвиг шел
одновременно по всем линиям скольжения. Сначала про^
исходит деформация в одном месте, потом в другом,
третьем, затем может произойти опять в первом и т. д.
Это связано с тем, что в отдельных частях образца
дислокации могут тормозиться различными препятствиями,,
например атомами какого-либо элемента, растворенного
в данном кристалле*. Накопление дислокаций у
препятствия приводит к тому, что при определенных услозиях
становится возможным образование внутренней
микротрещины— зародыша будущей трещины разрушения.
Таким образом, одно из важнейших следствий теории
дислокаций состоит в том, что разрушение никогда не
может быть только хрупким.
Некоторые обстоятельства в нашем объяснении могут
показаться парадоксальными. Мы говорим о хрупком
разрушении, т. е. о таком, которое происходит без
заметной предварительной пластической деформации, и
вместе с тем объясняем причины образования трещин
движением дислокаций, т. е. пластической деформацией. На
самом деле никакого парадокса нет. Показано, что даже
при разрушении хрупких кристаллических тел их
разрыву, как правило, предшествует какая-тр пластическая
деформация. Только часто она бывает так мала, что
обычными методами ее невозможно измерить.
* Здесь и далее рассматриваются только те трещины
разрушения, зарождение которых связано с дислокационным скоплением.
Это далеко не единственно возможный механизм, но, пожалуй,
наиболее наглядный.
2 Г-)фф«кт Рийиндера

Г Л ABA II
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ
ЖИДКОСТЕЙ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ
ПРИРОДА ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ
В главе I, анализируя условия хрупкого разрушения
твёрдых тел, мы встретились с понятием поверхностной
энергии. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
В стеклянный сосуд налита какая-то жидкость,
например воД'а. Над поверхностью воды находится воздух,
в котором содержится определенное, зависящее от
температуры, крличество водяного пара. Довольно быстро,
устанавливается динамическое равновесие: скорость
испарения с поверхности воды становится равной скорости
конденсации водяных паров. Поэтому парциальное
давление водяного пара nprf' постоянной температуре будет
оставаться неизменным.
Средние расстояния между молекулами воды,
находящейся в воздухе в виде пара, весьма велики —
значительно больше размера самих молекул. В этих усло-
' виях взаимодействия между молекулами практически
Чет; оно проявляется лишь при столкновениях отдельных
молекул, происходящих благодаря хаотическому
тепловому движению.
.Совершенно по-иному взаимодействуют молекулы
жидкости. Плотность жидкости во мнрго раз больше
плотности ее пара. Например, при комнатной
температуре плотнбсть воды в о • 105 раз больше плотности
насыщенного пара. С уменыпецийи расстояния силы
взаимодействия между молёкулами*или атомами резко
возрастают, а расстояние между молекулами вещества,
находящегося в жидком (конденсированном) состоянии,
18

— ¦-*— ^=xsr
возвр
^Жидкость
р. . {!
;Рис. 9. В объеме молекулярные силы компенсированы; f
? а на поверхности-— нет , |.
уже Сопоставимы с размерами молекул. Вот.почему
молекулярного взаимодействия в жидкости во много раз
больше, чем в паре или газе. }i .
Рассмотрим теперь любую молекулу, находящуюся ц
объёме жидкости (рис. 9), Sffa молекула окружена со
всех сторон соседями —такими же молекулами,, причем
расстояния между всеми молекулами, в среднем
одинаковы. Тогда сила /i, t кртороА/молекул а А
притягивается молекулой Ль уравновесится силой, направленной в
диаметрально-противоположную сторону —к молекул^
А2. Аналогично будут уравновешены силы притяжения,
действующие по любым другим направлениям. .•'¦".,».-..^
Совершенно в ином положении оказываются молекулы,
которые находятся в поверхностном слое жидкости.
Молекулы пара расположены от них гораздо дальше; чем
со.седиие молекулы жидкости. Поэтому сила притяжения
^направленная в сторону воздуха, во много раз меиь.ше
силы- притяжения /i, действующей п противоположную
сторону. Разность сил молекулярного притяжения (f\-~h)
направлена',.'таким образом, от поверхности в объем
жидкости. Отнесенная к единице поверхности, она позы--
'а* ; 1,9

вается внутренним давлением. Внутреннее давление
жидкостей рчень велико — 11 000 атм для воды, 2400 атм для
спирта, 1400 атм для эфира и т. д. Это объясняет,
почему жидкости так трудно поддаются сжатию: чтобы сжать
жидкость, приходится создавать огромное внешнее
давление, сравнимое с внутренним. Для перемещения моле
кулы жидкости из объема в поверхностный слой
необходимо затратить работу, связанную с преодолением
внутреннего давления.
Из закона сохранения энергии известно, что
затрачиваемая внешняя работа увеличивает энергию системы.
В рассматриваемом случае работа затрачивается в
основном на увеличение энергии молекул, перемещаемых
из объема жидкости в поверхностный слой.
Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают
избыточной энергией по сравнению с молекулами,
находящимися в объеме. Эта энергия называется
избыточной свободной энергией; обычно ее относят к 1 см2
поверхности жидкости и называют удельной поверхностной
энергией (сг).
Можно несколько иначе подойти к оценке этой
величины. Представим себе поверхностный слой как тонкую
упругую пленку, подобную резиновой ленте. Тогда
увеличение поверхности жидкости эквивалентно в
известном смысле растяжению этой пленки. Если пленка
ограничена каким-либо периметром, то для ее растяжения
надо приложить силу по всему периметру. Именно с
этим обстоятельством связана частая замена термина
«удельная поверхностная энергия» термином
«поверхностное натяжение». Работа, потребная для образования
1 см2 поверхности, в энергетическом и силовом
определении имеет одинаковую размерность. Действительно,
работа есть сила, умноженная на длину; в системе
единиц CGS она измеряется в эргах: 1 эрг=1 динаXI см.
Удельная поверхностная энергия выражается в эрг/см2,
а поверхностное натяжение — в дина/см. Отсюда
1 эрг/см2 = 1 дина/см. Более того, для жидкостей не
только размерность, но и численные значения обеих величин
совпадают, и поэтому между поверхностным
натяжением и удельной поверхностной энергией жидкостей не
делают строгого различия. Между тем для твердых тел
поверхностная энергия и поверхностное натяжение
могут значительно отличаться друг от друга по величине,
20

что требует весьма четкого подхода к определению
(экспериментальному и расчетному) этих параметров.
То обстоятельство, что молекулярные силы в
поверхностном слое жидкостей и твердых тел некомпенсирова-
ны, т. е. то, что там имеется избыточная поверхностная
энергия, имеет огромное значение. В любых
гетерогенных* системах с достаточно развитой поверхностью
раздела между фазами поверхностная, или межфазная,
энергия является одним из основных факторов,
определяющих состояние системы. Трудно перечислить даже заж-
нейшие технологические процессы, где поверхностная
энергия имеет первостепенное значение. Это процессы
эмульсионной полимеризации, тонкого измельчения
материалов, обогащения руд флотацией, твердения
минеральных вяжущих веществ. Во всех этих случаях очень
важно иметь сведения о поверхностном натяжении на
границу соприкасающихся фаз,
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
Под действием сил поверхностного натяжения любая
жидкость стремится приобрести сферическую форму.
Так, капля росы или дожди, капли расплавленного
металла всегда имеют форму, близкую к шарообразной.
Стремление жидкости принять сферическую форму
наглядно и красиво можно продемонстрировать с
помощью простого опыта, предложенного бельгийским
физиком Платр. Он помещал каплю оливкового масла в
сосуд, наполненный смесью воды и спирта. Плотность
масла и плотность этой смеси одинаковы, поэтому
капля масла занимает в сосуде положение безразличного
"равновесия — она не тонет и не всплывает. Сила
тяжести в этих услрвиях не влияет на форму капли, и капля
становится, строго шарообразной.
Чем же объяснить такое свойство жидкостей? Как
известно, устойчивому равновесию любой системы
соответствует такое состояние, когда энергия системы мини-
* Гетерогенными называются системы, состоящие из двух или
более фаз. Например, к гетерогенным относятся системы жидкость-
газ (туман), газ —жидкость (пена), твердое тело — жидкость
(суспензия), жидкость — жидкость (эмульсия) и др.
21

мальна. Этот обший принцип можно пояснить на еле-,
дуюшем простом примере. Камень, скатывающийся по
склону горы, постепенно теряет свою потенциальную
энергию; у подножия горы она становится минимальной,
р движение камня прекращается. Система достигла
положения устойчивого равновесия. ¦ ' ¦/
Точно так же и жидкость стремится примять такую
форму, при которой ее свободная поверхностная
энергия минимальна. Общая пойерхностная энергия капли
равна произведению поверхностного натяжения на
границе фаз на величину поверхности раздела обеих фаз.
Очевидно, эта энергия будет тем меньше, чем меньше
поверхность раздела. Наименьшая поверхность,
ограничивающая объем, есть поверхность шара. Поэтому
жидкость, предоставленная самой себе, всегда
принимает под действием сил поверхностного натяжения
форму шара* , _,•¦;'
На этом Явлении основаны некоторые методы
измерения прверкостного натяжения жидкостей. Пожалуй,
сам*}е широкое распространение в лабораторной пра.к*
тике получил метод наибольшего давления при
образовании пузырька (рис. 10). Сущность метода заключается в
следующем. В пробирку с исследуемой жидкостью
вставляют стеклянную трубку, заканчивающуюся капилляром
Рис. 10. Прибор для
измерения поверхностного
натяжения. Когда
пузырек обретает форму,
очерченную сплошной
линией, давление
воздуха, в капилляре
достигнет максимальной
величины; при дальнейшем
росте пузырька давление
падает
22

(внутренний диаметр около 0,1 мм). Нижний срез
капилляра погружают в жидкость на глубину 1 мм. Если теперь
внутри трубки постепенно повышать давление, на конце
капилляра начнет выдуваться все увеличивающийся
пузырек воздуха. Самое интересное то, что давление будет
повышаться только до тех пор, пока радиус пузырька не
станет равным радиусу капилляра. После этого давление
немного упадет, и пузырек воздуха сорвется с капилляра.
Он всплывет через слой воды наверх, а на капилляре
начнет выдуваться новый пузырек.
Измеряя максимальное давление (или разрежение),
при котором происходит проскок пузырька через
жидкость, путем несложного пересчета оказывается
возможным определить поверхностное натяжение данной
жидкости, так как росту пузырька препятствуют именно
силы поверхностного натяжения.
В настоящее время измерено поверхностное
натяжение многих жидкостей на границе с воздухом. Некоторые
\\'л этих данных приведены ниже.
Жидкость Поверхностное
натяжение
при 20°, эрг/см2
Вода 72,8
Спирт 22,8
Бензол 28,9
Гексан 20,0
Ртуть 470
Поверхностное натяжение всегда измеряется при
определенной температуре, так как при нагревании оно
постепенно уменьшается, а при охлаждении
увеличивается. И это понятно — при нагревании объем жидкости
расширяется, соответственно увеличивается среднее
расстояние между молекулами и уменьшаются силы
взаимодействия между ними.
Совершенно очевидно, что в результате должны
уменьшиться внутреннее давление и поверхностное
натяжение жидкости.
Гораздо труднее определить поверхностное натяже-
ппс жидкости при высокой температуре. Для этого разра-
23

ботаны специальные методы, с помощью которых
измерено поверхностное натяжение многих жидких металлов.
Жидкий Температура Поверхностнее
металл измерения, °С натяжение,
эрг см2
Олово 277 540
Цинк 470 770
Свинец 350 440
Медь 1140 1120
У расплавленных солей поверхностное натяжение в
точке плавления составляет обычно 100—300 эрг/см2.
Все сказанное о поверхностном натяжении на
границе жидкость — воздух без существенных дополнений
может быть отнесено и к поверхностному натяжению на
границе двух совершенно несмешивающихся или
ограниченно растворимых друг в друге жидкостей.
Поскольку в этих случаях поверхность разделяет две
конденсированные системы, можно заранее сказать, что здесь
поверхностное натяжение меньше, чем при контакте
жидкости с воздухом или паром. Так, например, на границе
вода,— гексан а равно 50 эрг/см2, а на границе вода —
бутиловый спирт всего 4 эрг/см2 (при 20°).
Значительно сложнее измерить поверхностную
энергию твердых тел, в том числе металлов. В настоящее
время нет прямых методов ее измерения, и это связано не
только с техническими трудностями. Ведь все методы
определения поверхностного натяжения жидкостей
основаны на их легкоподвижности, иначе говоря, на их
способности течь. В твердых телах частицы прочно сцегле-
ны друг с другом, и текучесть отсутствует.
Где же искать выход? Как хотя бы приближенно
оценить поверхностную энергию твердого тела? Решение
этой проблемы весьма парадоксально — для измерения
поверхностной энергии твердого тела необходимо, чтобы
оно перестало быть твердым телом! При высокой
температуре, близкой к точке плавления, металл становится
очень пластичным и под действием небольших нагрузок
может постепенно удлиняться, как говорят, течь.
Вспомним, что любое тело стремится иметь наименьшую
поверхность, чтобы достичь минимума поверхностной
энергии. Это значит, что силы поверхностного натяжения
будут препятствовать течению металла. Па этом и основан
метод измерения поверхностной энергии твердых
металлов, предложенный изпестным немецким металлопедом

Рис. 11. Схема измерения
поверхностной энергии
твердого металла методом
«нулевой ползучести». Длина
фольги остается
неизменной только в том случае,
когда вес груза F
уравновешивается силой а•а
Тамманном. Тонкую
металлическую полоску (фольгу)
шириной а помещают в
термостат, где поддерживается
температура, близкая к точке
плавления данного металла
(рис. 11). К нижнему краю
образца поочередно подвешивают
разные грузики. При каком-то из них длина полоски, /
остается неизменной при сколь угодно длительном
пребывании образца в термостате. Это значит, что поверх-
постное натяжение уравновешивается силой F; в любом
другом случае образец или удлиняется, или
укорачивается. Таким образом, можно непосредственно измерить
поверхностное натяжение твердого металла. Интересно,
что полученные этим методом значения поверхностного
натяжения твердого металла лишь немного отличаются
от значений натяжения того же металла в жидком
состоянии при температуре несколько выше точки
плавления.
Сейчас этот метод, называемый методом «нулевой
полЗучести», впервые применен В. И. Лихтманом и его
сотрудниками для измерения поверхностной энергии
твердых металлов не только на границе с воздухом, но и
на границе с жидкими металлами. А это представляет
исключительный интерес для исследования
поверхностных явлений в металлах и сплавах и явления
адсорбционного понижения прочности под действием
расплавленных металлических покрытий. Весьма существенно,
что методом нулевой ползучести можно измерять
поверхностное натяжение при различной температуре.
Единственное условие —температура должна быть
достаточно высокой (немногим ниже температуры плавле-
25

ния), чтобы твердое тело могло течь с относительно
большой скоростью. Оказалось, что существует
линейная зависимость между величиной поверхностного
натяжения -и температурой. Следовательно,
экспериментальные данные можно линейно экстраполировать на
комнатную или любую другую температуру.
Полученными таким путем значениями поверхностного натяжения
твердого тела часто пользуются при расчетах.
Для поверхностной энергии твердого тела
характерна еще одна особенность, связанная с анизотропией
кристаллов. Объясним, что это такое.
Свойства жидкости совершенно одинаковы в любом
направлении: от дна сосуда к поверхности, от одной
стенки к другой или под любым углом к стенке. В каком бы
направлении мы ни стали измерять электропроводность,
коэффициенты преломления, светорассеяния и другие
физические константы жидкости, везде получатся
одинаковые величины для каждого из этих свойств. Это
означает, чтд жидкость является изотропной средой.
Совершенно иначе обстоит дело в случае кристалла. Ведь в
кристаллической решетке расстояния между соседними
атомами неодинаковы в разных направлениях. Поэтому
различны и физические свойства кристалла по разным
направлениям. Электро- и теплопроводность,
коэффициент диффузии, модуль упругости и другие важнейшие
параметры кристаллического тела имеют разные
значения в зависимости от кристаллографического
направления.
Это свидетельствует о том, что кристаллические тела
анизотропны.
Подобная анизотропия присуща и поверхностной
энергии кристалла. Разные грани кристалла обладают
разным поверхностным натяжением, причем отличие
может быть велико. Однако иногда с анизотропией можно
не считаться. Дело в том, что металлы обычно
применяются в виде поликристаллов, представляющих собой
сростки большого числа очень мелких кристалликов —
зерен. Поскольку все зерна ориентированы совершенно
хаотично, параметры кристаллического тела, в том числе
и его поверхностная энергия, усредняются.
Твердым телпм, в отличие от жидкостей, присуща и
другля особенность. Многие дефекты кристаллической
решетки и прежде исего дислокации и границы .черен

обладают избыточной свободной энергией. Такие
дефекты играют очень большую роль в процессах деформации
и разрушения твердых тех, особенно в связи с
проявлением эффекта Ребиндера.
Мы уже говорили, что прочность твердого тела
зависит от его поверхностной энергии. С увеличением
поверхностной энергии растет также и твердость.

Г Л А В A HI
АДСОРБЦИЯ
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Основная цель двух предыдущих глав состояла в том,^
чтобы объяснить глубокую связь между прочностью
твердого тела и его поверхностной энергией
(поверхностным натяжением). Естественно, возникает вопрос:
можно ли, воздействуя каким-либо образом на
поверхностную энергию твердого тела, добиться изменения
(повышения или понижения) его прочности?
Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо вы-~
яснить принципиальные возможности изменения
поверхностной энергии твердых тел и жидкостей.
Рассматривая методы экспериментального измерения
поверхностного натяжения жидких и твердых тел, мы
отмечали, что каждый раз необходимо указывать
температуру, при которой определена величина
поверхностного натяжения. Это требование объясняется тем, что
поверхностное натяжение зависит от температуры:
уменьшается при нагревании вещества и увеличивается при
охлаждении. Следовательно, изменяя температуру,
можно в какой-то степени изменять величину поверхностной
энергии и, соответственно, прочности твердого тела.
Однако этот прием весьма неэффективен. Во-первых,
поверхностное натяжение с изменением температуры
меняется мало. Например, при 20° поверхностное
натяжение воды на границе с воздухом равно 72,8 эрг/см2, а
при 70° — 64,4 эрг/см2. Таким образом, температурный
коэффициент поверхностного натяжения воды очень мал.
Аналогичная картина наблюдается и для других чистых
жидкостей и твердых тел. Во-вторых, очень часто
температуру, при которой эксплуатируется та или иная
металлическая конструкция, нельзя изменять в широких пре-
28

делах из-за ограничений, накладываемых физическими,
химическими или технологическими условиями.
Как же тогда изменять поверхностное натяжение
жидкости или твердого тела при постоянной
температуре? Решение этой проблемы основано на особенностях
поверхностного слоя, прежде всего на том, что силы
молекулярного взаимодействия в нем некомпенсированы.
Здесь приходится еще раз отметить, что, к сожалению,
экспериментальное определение поверхностной энергии
твердых тел чрезвычайно затруднительно. Изменив
каким-либо образом поверхностную энергию твердого тела,
мы в подавляющем большинстве случаев не сможем
измерить величину вызванного изменения. Но такие
измерения очень легко проводить на жидкостях, и здесь
накоплен громадный экспериментальный материал. И по- -
скольку многие закономерности изменения
поверхностной энергии (под действием внешних факторов) носят
сходный характер для жидкостей и для твердых тел,
анализ этой проблемы мы начнем именно с жидкостей.
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Рассмотрим снова границу раздела вода — воздух.
Будем растворять в воде бутиловый спирт. Отметим, что
растворимость его в воде весьма ограничена — всего
7,4 г в 100 г воды при комнатной температуре. Измерив
поверхностное натяжение раствора (для этой цели очень
удобен метод определения максимального давления
пузырька, стр. 22), мы обнаружим поразительное явление:
бутиловый спирт, даже в очень малом количестве, резко
снижает поверхностное натяжение воды. Уже при 4%-ной
концентрации бутилового спирта поверхностное
натяжение раствора снижается до 36 эрг/см2, т. е.
-уменьшается в 2 раза по сравнению с чистой водой! Каков же
механизм этого явления, почему присутствие бутилового
спирта приводит к столь сильному уменьшению
поверхностного натяжения воды?
Молекула бутилового спирта С4Н9ОН состоит из
углеводородной цепи СН3—СНг—СНг—СН2— и гидрок-
сильной группы.,—ОН. Эти две части молекулы
обладают совершенно различными свойствами. В
углеводородной цепи все связи (углерод — углерод и углерод —
водород) насыщены и носят ковалентный характер, вслед-
29

ствие чего углеводородная часть молекулы бутилового
спирта неполярна: электроны, обеспечивающие связь
отдельных атомов, распределены вокруг них равномерно.
Гидроксильной группе, напротив, свойственна
значительная полярность: плотность электронов вблизи атома
кислорода выше, чем около атома водорода. При
растворении бутилового спирта в воде полярная и неполярная
части его молекул по-разному взаимодействуют с
молекулами растворителя. Поясним подробнее. Молекулы
воды, в целом электронейтральные, имеют с одной
стороны положительный заряд, а с другой —
отрицательный, что определяет их полярность. Молекулы
располагаются таким образом, что положительные заряды
притягиваются к отрицательным, и между молекулами
возникают довольно значительные электрические силы
взаимодействия. Наличием этих сил объясняется
большое поверхностное натяжение воды: оторвать ее
молекулы друг от друга трудно, и для перемещения молекулы
на поверхность, где ее молекулярные силы не будут
полностью компенсированы, требуется затрата работы.
1 Полярная гидроксильная группа молекулы
бутилового спирта, так же как и молекула воды, имеет
положительный и отрицательный заряды, а углеводородный
радикал совсем не заряжен. Попадая в воду, молекула
бутилового спирта раздвигает молекулы воды и разрывает
связи между ними (рис. 12,а). При этом ее полярная
часть взаимодействует с молекулами воды почти так Же
активно, как и молекулы воды друг с другом, а
неполярная часть («углеводородный хвост») взаимодействует с
водой очень слабо. Поэтому силы молекулярного
взаимодействия молекул воды, находящихся в непосредственной
близости к неполярным группам, будут неполностью
компенсированы. 7
Совершенно иная картина наблюдается в том случае,
когда молекулы бутилового спирта находятся не в
объеме воды, а на ее поверхности (рис. 12,6). В этом случае
компенсация молекулярных сил всей системы становится
максимальной, так как и неполярные группы спирта,
находясь на поверхности, начинают вносить существенный
вклад в процесс уравновешивания молекулярных сил.
Это объясняется тем, что когда в воде нет бутилового
спирта, ее поверхностные молекулы взаимодействуют с
молекулами водяного пара или воздуха, а это взаимодей-
30

молекула
2чё= молекула
полярная нсполярнап
Рис. 12. Молекулы поверхностно-активного вещества в объеме
воды (а) и ла.ее поверхности (б)
стние гораздо слабее взаимодействия с неполярными!
группами спирта.
Таким образом, для всей системы с энергетической
точки зрения наиболее выгодно такое расположение мо-
лекулы. бутилового спирта, при котором ее полярная
группа «погружена» в воду, а нсполярная «плавает» на
поверхности. В результате распределение бутилового
спирта в воде оказывается неравномерным: в очень
тонком поверхностном слое его концентрация значительно
больше, чем в объеме.
Может возникнуть вопрос, почему молекулы
бутилового спирта перемещаются из объема воды на
поверхность,— ведь у самих молекул С4Н9ОН, находящихся в
объеме воды, компенсация молекулярных сил
максимальна? Ответ прост. Нельзя определять положение
молекул бутилового спирта .изолированно, принимать во
внимание «удобства» только этих молекул. Необходимо
анализировать всю систему в целом, т. е. учитывать
«интересы» не только молекул растворенного вещества, но и
молекул растворителя. Оказывается, энергетический
выигрыш от частичной компенсации молекулярных сил
углеводородного радикала (С4Н9) гораздо меньше
проигрыша, вызванного нарушением связей молекул воды.
Именно пбэтому для системы в целом выгодно, чтобы
молекула бутилового спирта ушла из объема иа
поверхность: ведь при этом снова сомкнутся молекулы воды и
31

их молекулярные силы скомпенсируются. Процесс
перемещения молекул бутилового спирта к поверхности
осуществляется за счет тепловых колебаний. Скорость этого
процесса при обычной температуре очень велика, и
равновесное распределение концентрации растворенного
вещества в поверхностном слое и в объеме жидкости
происходит очень быстро.
Повышение концентрации растворенного вещества в
поверхностном слое по сравнению -с концентрацией в
объеме называется адсорбцией, точнее —
положительной адсорбцией. Адсорбция на границе жидкость — газ
измеряется обычно количеством молей данного вещества»
находящихся на 1 см2 поверхности жидкости. Поскольку
поверхностное натяжение жидкостей и твердых тел
является следствием некомпенсированности молекулярных
сил в поверхностном слое, то, очевидно, снижение
степени некомпенсированности приводит к уменьшению
поверхностного натяжения. Именно поэтому растворение
бутилового спирта в воде резко уменьшает ее
поверхностное натяжение.
Вещества, которые, подобно бутиловому спирту,
снижают поверхностное натяжение воды, называются
поверхностно-активными (в данном случае по отношению
к воде). Для поверхностно-активных веществ
характерны две особенности: 1) их молекулы дифильиы, т. е.
состоят из полярной группы (СООН, ОН, NH2, SH, CN,
NO2, CNS, CHO, SO3H), обладающей большим диполь-
ным моментом, и неполярной части — алифатического
или ароматического радикала; 2) растворимость
вещества в данной жидкости должна быть сравнительно
небольшой, так как в противном случае не будет
энергетического выигрыша при переходе молекул растворенного
вещества из объема раствора на поверхность. К
поверхностно-активным -веществам (по отношению к воде)
относятся органические спирты, жирные кислоты, их соли,
амины, сульфокислоты и некоторые другие вещества.
Наряду с поверхностно-активными веществами есть
также обширная группа поверхностно-инактивпых
веществ. Они хорошо растворяются в воде, и
взаимодействие их молекул с молекулами воды сильнее
взаимодействия молекул воды между собой. Поэтому поверхиост-
.но-инактивное вещество стремится уйти с поверхности в
объем жидкости, что приводит к отрицательной ндсорб-
32

щш и повышению поверхностной энергии.
Принципиально важно, что отрицательная адсорбция (т. е. недостаток
концентрации вещества в поверхностном слое по
сравнению с концентрацией в объеме) не может быть
велика, и с помощью поверхностно-инактивных веществ
нельзя добиться существенного повышения поверхностной
энергии жидкостей (а также твердых тел). По
отношению к воде поверхностно-инактивны все неорганические
электролиты — соли, кислоты, основания.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ АДСОРБЦИИ
Рассмотрим теперь, как зависит поверхностное
натяжение воды а от концентрации с поверхностно-активного
вещества в растворе (при постоянной температуре).
Кривые, выражающие эту зависимость, называются
изотермами поверхностного натяжения. В области Малых
концентраций поверхностное натяжение при изменении
концентрации падает очень резко; далее ход кривой 0=-
=f(c) становится более плавным. Такой характер
изотерм объясняется следующим образом. Растворим в воде
очень малое количество поверхностно-активного
вещества, например бутилового спирта. Перед растворением
и в (поверхностном слое, и во всем объеме воды,
естественно, не было ни одной молекулы бутилового
спирта. Поэтому в начале растворения большинство молекул
спирта может свободно перейти в поверхностный слой и
адсорбироваться; в результате адсорбция быстро растет
(рис. 13, участок /). При малой концентрации спирта в
поверхностном слое еще много свободного места, и
молекулы бутилового спирта будут ориентироваться так,
как это показано на рисунке. Полярная группа ОН
благодаря своей гидрофильности (способности гидратиро-
ваться) погрузится в ©оду, а углеводородный
радикал будет плавать на поверхности. Такая ориентировка
молекул поверхностно-активного вещества, как мы уже
знаем, оптимальна для компенсации молекулярных сил.
С увеличением концентрации раствора положение
несколько изменится. Поскольку часть поверхностного
слоя уже занята молекулами бутилового спирта, новым
молекулам труднее перейти из объема на поверхность, и
рост адсорбции с повышением концентрации
замедляется (рис. 13, участок 2). В этой области концентрации уже
3 Эффект Ребиндера 33

Рис. 13. С увеличением концентрации поверхностно-активного
вещества адсорбция быстро возрастает; Гт — предельная адсорбция.
Внизу показано строение адсорбционного молекулярного слоя при
разной концентрации
не все молекулы поверхностно-активного вещества
занимают наиболее выгодное горизонтальное положение.
Часть молекул должна «повернуться» и занять
вертикальное положение, чтобы дать место новым молекулам.
Дальнейший рост концентрации приводит к тому, что
все большее число молекул в поверхностном слое
занимает вертикальное положение, и неизбежно наступает
момент, когда при таком, наиболее плотном
расположении, происходит предельное заполнение
поверхностного слоя (рис. 13, участок 3). На поверхности воды
появляется насыщенный мономолекулярный адсорбционный
слой толщиной в одну молекулу. Дальнейшее увеличение
концентрации уже не может увеличить адсорбцию.
До сих пор мы рассматривали явление понижения
поверхностного натяжения и адсорбции на примере
бутилового спирта. А что будет, если взять спирт с более
коротким углеводородным радикалом, например этиловый
спирт С2Н5ОН? Этот спирт обладает уже совершенно
другими адсорбционными свойствами. Неполярная часть
его невелика, и чтобы поместить ее среди молекул воды,
не надо затрачивать большой работы. Благодаря этому
молекулы этилового спирта легко распределяются в во-
34

Де И смешиваются с ней в любых Отношениях; при
добавлении этилового спирта снижение поверхностного
натяжения воды сравнительно невелико.
Наоборот, растворить в воде спирт с большим
углеводородным радикалом не так-то легко. Ведь при
размещения такого длинного радикала нужно
раздвинуть много молекул воды, затратить на это
значительную работу. Именно поэтому спирты с длинной
неполярной цепью плохо растворимы в воде. Но зато находиться
на поверхности им ничто не мешает — на поверхности
не нужно расталкивать молекулы воды, и почти все
молекулы высших спиртов размещаются в поверхностном
слое, т. е. они хорошо адсорбируются на поверхности
воды и уже при малой концентрации сильно снижают ее
поверхностное натяжение. Чем длиннее углеводородный
радикал, тем лучше адсорбируется вещество.
Это правило, называемое правилом Дюкло-Траубе,
справедливо не только для спиртов, но и для ррганиче-
ских кислот и их солей, для аминов, сульфокислот и т.д.
Увеличение углеводородного радикала на одну группу
СН2 увеличивает способность понижать поверхностное
натяжение воды в 3—3,5 раза. Правило Дюкло-Траубе
выполняется до тех пор, пока вещество хотя бы сколько-
нибудь заметно растворимо в воде.
Мы пришли к выводу, что поверхностная активность,
т. е. способность понижать поверхностное натяжение,
неразрывно связана с растворимостью: чем меньше
растворимость, тем выше поверхностная активность. Это очень
важное правило, и в дальнейшем оно,нам пригодится.
Адсорбция Г и поверхностное натяжение ст для
разбавленных растворов связаны уравнением Гиббса (по имени
известного американского физико-химика, который
вывел это уравнение в 1876 г.):
Здесь R — газовая постоянная, равная 0,83* 108 эрг/град*
•моль; Т — абсолютная температура; с — концентрация
поверхностно-активного вещества; значение адсорбции
вычисляется в молях на 1 см2 поверхности воды. Знак
минус означает, что положительная адсорбция вызывает
уменьшение поверхностного натяжения и производная
da/dc должна быть отрицательной. Уравнение Гиббса,
3* 35

выведенное из общих термодинамических соображений,
имеет огромное значение для физической химии
поверхностных явлений.
Величину — do/dc называют поверхностной
активностью. Она характеризует способность растворяемого
вещества понижать поверхностное натяжение
растворителя. Для соединений одного гомологического ряда
абсолютная величина da/dc возрастает с увеличением
молекулярного веса поверхностно-активного вещества.
Для расчета адсорбции широко применяют уравнение,
выведенное американским физико-химиком Лэнгмюром
в 1916 г. Исходя из молекулярно-кинетических
соображений, Лэнгмюр считал, что количество молекул,
находящихся в поверхностном слое, определяется
взаимодействием двух противоположно направленных процессов —
адсорбции и десорбции. Десорбция — это уход отдельных
молекул из поверхностного слоя вследствие их теплового
движения; десорбция ускоряется при повышении
температуры. К(?гда скорости обоих процессов становятся
равными, наступает динамическое равновесие. Исходя из
этих представлений, Лэнгмюр показал, что
где Тт—предельная адсорбция; А — постоянная
величина для данного поверхностно-активного гомолога (она
равна отношению констант скоростей адсорбции и
десорбции). В области малой концентрации
поверхностно-активного вещества, когда с<^Л, адсорбция линейно
возрастает с увеличением с, так как Г«Гшс/Л; этой области
соответствует начальный прямолинейный участок /
изотермы адсорбции на рис. 13. В области большой
концентрации, когда с ^> Л, из уравнения Лэнгмюра следует, что
Г = Гт, иными словами, достигается предельная адсорбция.
Характерно, что предельная адсорбция уже не
зависит от константы Л, т. е. от индивидуальных
особенностей гомолога. Это легко понять, вспомнив строение
насыщенного мономолекулярного слоя, где количество
молекул, находящихся на 1 см2 поверхностного слоя, не
зависит от длины углеводородной цепи, а определяется
только площадью, занимаемой* полярной группой ОН.
Очевидно, в этих условиях адсорбция одинакова для всех
гомологов. Однако для гомологов более высокого
молекулярного веса предельная адсорбция достигается при

меньшей молярной
концентрации (рис. 14).
Отметим кстати, что по
значению предельной
адсорбции можно оценить
размеры молекулы
поверхностно-активного
вещества, и получающиеся
данные хорошо совпадают
с данными
рентгенографического определения
молекулярных размеров.
Тем самым было получено
одно -из убедительных эк-
Нонцвнтрацня
Рис. 14. Вещество с большим
молекулярным весом
адсорбируется лучше
/ —пропионовая кислота С2ИбСООН;
2 — н-масляная кислота С3Н7СООИ;
3 — н-палериановая кислота
СНпСООН
спериментальных подтверждений в пользу изложенных
представлений о строении адсорбционных слоев.
До сих пор мы говорили только об адсорбции поверх;
ностно-активных, веществ применительно к воде. Это
наиболее характерный и хорошо изученный случай
адсорбции на жидкой поверхности, и из него можно
вывести некоторые общие закономерности, которые помогут
разобраться в более сложном вопросе — адсорбции на
металлической поверхности.
Итак, чтобы снизить поверхностное натяжение воды,
к ней нужно добавить такое вещество, которое, с одной
стороны, имело бы с водой много общего, например тоже
обладало бы полярной группой, а с другой — отличалось
бы от воды своими физико-химическими свойствами.
Значит, вещества, поверхностно-активные к какой-либо
жидкости, следует искать среди веществ, чем-либо
похожих на .эту жидкость, а уже потом из этих похожих
веществ выбирать то, которое обладает оптимальным
отличием свойств, С этой же позиции надо подходить и к
поискам веществ, поверхностно-активных по отношению
к жидким металлам.
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ
Наиболее характерное свойство металлических
элементов состоит'в том, что их наружные (валентные)
электроны срлшгитель-но слабо удерживаются положительно
заряженным ядром. Именно по этой причине металлы об-
37

ладают высокой электропроводностью и в разнообразных
химических реакциях обычно отдают свои электроны.
Наружные электроны играют важнейшую роль и в
образовании сил сцепления в металлах. Разберем этот
вопрос несколько подробнее.
Все кристаллические тела в зависимости от типа
связи можно разделить условно на четыре основные
группы — металлы, ионные кристаллы, ковалентные
кристаллы и молекулярные кристаллы. Проще всего понять
природу сил сцепления в ионных кристаллах. Возьмем
для примера кристалл поваренной соли. При его
образовании атом натрия легко отдает свой
валентный электрон атому хлора; образующиеся при этом
положительный ион натрия и отрицательный ион хлора
притягиваются друг к другу электростатическими силами.
В металлах связь между атомами имеет более
сложную природу. Каждый отдельный атом металла
(например, того же натрия) легко может отдать свой валентный
электрон, }1о кто примет этот электрон? Ведь и соседние
атомы тоже стремятся отдать свои валентные электроны,
^ вовсе не получить дополнительные. Атом металла
принял бы новые электроны лишь в том случае, если при
этом его наружный электронный слой достроился до
устойчивой конфигурации — такой, как у благородных
газов (аргона, ксенона и др.). Но для такой достройки
одного дополнительного электрона мало — ведь 4исло
валентных электронов у металлов, как правило, не
бывает больше четырех, а на наружной оболочке инертных
газов их имеется не меньше восьми (кроме гелия).
Откуда же взять недостающие электроны? Оказывается, их
могут дать другие соседние атомы. Самое замечательное
то, что соседние атомы предоставляют свои
электроны не навсегда (как при образовании ионной связи в
поваренной соли), а лишь «одалживают» их во временное
пользование. Это приводит к тому, что такие электроны
в металлах не принадлежат раз и навсегда какому-то
определенному ядру, а непрерывно блуждают между
ионами — от одного к другому. Именно поэтому принято
говорить, что в металлах электроны коллективизированы.
По образному выражению известного советского физика-
теоретика Я. И. Френкеля, жидкий или твердый металл
состоит из положительно заряженных ионов,
погруженных в среду, образоплииуюколлективизированными элек-
38

тронами. Эти электроны, двигаясь между ионами,
обеспечивают их связь друг с другом.
Поскольку металлы обладают совершенно особенным
типом атомной связи, вещества, поверхностно-активные
по отношению к ним, нужно искать прежде всего среди
других металлов.
Сейчас созданы весьма совершенные методы
измерения поверхностного натяжения жидких металлов и, что
особенно важно, растворов в них других металлов.
Некоторые приборы обладают настолько высокой
чувствительностью, что, измеряя, например, поверхностное
натяжение ртути, можно обнаружить в ней примесь цезия
в количестве 6 мг на Ют ртути. По своей точности такие
методы могут соперничать с методами радиохимии и
спектроскопии. Наиболее подробно, по сравнению с
другими жидкими металлами, исследованы поверхностные
свойства амальгам. Это вполне понятно. Ведь все другие
металлы, кроме галлия, плавятся при довольно высокой
температуре, намного выше комнатной, что, естественно,
сильно усложняет технику эксперимента. Но есть и еще
одна причина особого внимания « ртути. Дело в том, что
в ней сравнительно хорошо (порядка нескольких
атомных процентов) растворяются многие металлы.
Напомним, что при полной нерастворимости снижение
поверхностного натяжения не может быть большим.
Систематические и точные опыты в широком
диапазоне температуры привели к следующим основным
выводам. Наибольшей поверхностной активностью по
отношению к ртути обладают щелочные металлы. Если чистая
ртуть имеет поверхностное натяжение 470 эрг/см2 при 20°,
то при растворении в литре ртути 0,48 г цезия
поверхностное натяжение снижается более чем вдвое — до
228 эрг/см2. При концентрации 0,83 г-ат/л калия
поверхностное натяжение ртути составляет 282 эрг/см2, а при
концентрации 0,017 г-ат/л натрия — 354 эрг/см2. Другие
металлы снижают поверхностное натяжение ртути
гораздо слабее. При растворении олова, серебра, меди,
кадмия до концентрации 0,01—0,1 г-ат/л
поверхностное натяжение ртути уменьшается всего на 5—
10 эрг/см2.
Методика определения поверхностного натяжения
жидких тугоплавких металлов разработана В. II.
Еременко и его сотрудниками. Сконструированная ими
39

установка работает в условиях вакуума и обеспечивает
высокую точность и воспроизводимость результатов.
Поверхностное натяжение тугоплавких металлов велико: у
никеля оно равно 1780 эрг/ом2 при 1550°, у кобальта
1815 эрг/см2 при 1600°; снижение поверхностного
натяжения этих металлов при введении добавок еще
заметнее, чем в случае ртути.
АДСОРБЦИЯ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ
В заключение этой главы кратко остановимся на
адсорбционных явлениях на поверхности твердых тел. В основе
этих явлений лежит тот же принцип, что и при адсорбции
на границе жидкость — газ: на твердой поверхности
адсорбируются те вещества, которые понижают
поверхностную энергию данного тела. Исключение составляет,
по-видимому, лишь случай хемасорбции. Если среда
вступает вхимическое взаимодействие с твердым телом,
его поверхностное натяжение может повыситься.
, ч Адсорбция на поверхности твердых тел имеет
огромное научное и практическое значение. Мы не будем
подробно рассматривать специфические особенности
адсорбционных процессов на твердой поверхности ввиду их
сложности. Отметим лишь важнейшие из них, наиболее
существенные для понимания вопросов, связанных с
темой книги — адсорбционным понижением прочности.
Твердые тела могут адсорбировать газы из
окружающей газообразной среды и вещества, растворенные в
жидкости (адсорбция из растворов). Адсорбция, как
правило, уменьшается с повышением температуры. Это
объясняется тем, что тепловые колебания могут привести
К десорбции адсорбированной молекулы; естественно, что
вероятность такого отрыва растет с увеличением
температуры. На поверхности твердого тела в ряде случаев
могут образовываться не только мономолекулярные, но
и полимолекуляриые слои; при этом адсорбция может
непрерывно возрастать с увеличением концентрации.
Твердые тела могут адсорбировать из растворов ионы. При
этом поверхность твердого т^ла^заряжается, и это
оказывает заметное влияние на поверхностное натяжение и,'
соответственно, на прочность твердого тела.
Влжпля особенность твердой поверхности (по
сравнению с жидкой) состоит р том, что не нее ее участки
40

обладают одинаковыми адсорбционными свойствами.
Так, различные микровыступы обладают значительно
пол ее высокой способностью к адсорбированию, чем
гладкие участки. Такие места, называемые активными
центрами, зачастую занимают лишь незначительную
часть поверхности твердого тела. Тем не менее их
значение очень велико. Кроме того, вследствие анизотропии
поверхностной энергии кристаллических тел (стр. 26)
адсорбция может идти неодинаково на различных гранях
кристалла.
Адсорбция на твердой поверхности во многом
аналогична адсорбции на поверхности жидкости. Есть, однако,
и своя специфика. При адсорбции на поверхности
жидкости адсорбируемое вещество обычно извлекается из
самой жидкой фазы, оно растворено в ней. Адсорбция же
на твердой поверхности происходит, как правило, из
внешней среды — жидкой или газообразной. Однако и
в случае твердых тел (особенно это характерно для
металлов) возможна внутренняя адсорбция, когда примеси,
растворенные в твердом теле, адсорбируются на
внутренних поверхностях, чаще всего на границах зерен или
каких-либо дефектах структуры. Такая адсорбция, как
будет показано далее, может играть очень важную роль
в процессах адсорбционного понижения прочности
металлов.

ГЛАВА IV
МЕТАЛЛЫ СТАНОВЯТСЯ ХРУПКИМИ
ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА
В этой главе мы приступим к описанию эффекта Ребин-
дера — явления подижения прочности и повышения
деформируемости твердых тел.
Тот фа,кт, что прочность твердых тел может
понижаться в результате адсорбции из окружающей среды
поверхностно-активных веществ, известен уже много лет.
Этот эффект наблюдался на самых разнообразных
материалах— горных породах, стеклах, металлах. Среда,
вызывающая понижение прочности, может быть
газообразной и жидкой. Например, аммиак вызывает
растрескивание латунных деталей, газообразные продукты
сгорания резко ускоряют процесс разрушения турбинных
лопаток, расплавленный хлористый магний действует
разрушающе да высокопрочные нержавеющие стали, при
расплавлении подшипников появляются трещины в осях
железнодорожных вагонов. Количество таких примеров
можно без труда увеличить во много раз. Мы часто
встречаемся с подобными явлениями в повседневной
жизни, но обычно не задумываемся об их природе.
Попробуйте объяснить, например, почему нужны большие
усилия, чтобы сломать пальцами кусо,к сахара, и почему
такой же кусок, смоченный капелькой воды, можно
сломать почти без труда?
Научное исследование столь распространенного в
природе и практике явления—(понижения прочности
твердых тел под влиянием среды — началось только с
1928 г. Изучая механические свойства неорганических
кристаллов (кальцита и каменной соли), П. А. Ребин-
дер установил, что прочность этих минералов сильно
понижается, если их подвергнуть испытаниям в водных
растворах поверхностно-активных веществ. Тогда же
42

Ребиндер высказал идею о том, что в основе всех
аналогичных изменений механических свойств твердых тел
под влиянием поверхностно-активных веществ лежит
снижение свободной поверхностной энергии и, как
следствие, уменьшение работы, необходимой для
образования новых поверхностей. А поскольку разрушение
можно рассматривать как процесс образования новых
поверхностей (поверхностей разломов и трещин
разрушения), то, следовательно, адсорбция
поверхностно-активных веществ облегчает .разрушение.
За годы, прошедшие с тех пор, эта идея
получила всестороннее экспериментальное и теоретическое
подтверждение и принесла огромную пользу
промышленности, позволив коренным образом
усовершенствовать ряд важнейших производственных процессов,
например бурение горных пород, обработку металлов
резанием и давлением, приготовление высокопрочных
бетонов.
Сейчас представления Ребиндера пользуются общим
признанием и у нас, и за рубежом, что нашло свое
отражение в общепринятом теперь названии самого
эффекта. Но на первых порах эти взгляды были
встречены весьма недоверчиво. Многим в то время казалось
совершенно невероятным, чтобы изменение
поверхностных свойств твердого тела влекло за собой столь
резкое изменение важнейшего объемного свойства —
прочности. Выдвигались и другие возражения. Например,
расчеты и эксперименты показывали, что при
измельчении (помоле) твердых тел большая часть затрачиваемой
работы рассеивается в виде тепла. Работа, необходимая
для образования новой поверхности (поверхностная
энергия), составляет очень малую долю в общем
энергетическом балансе процесса измельчения. Поэтому
уменьшение поверхностной энергии вследствие адсорбции
поверхностно-активных веществ, казалось бы, не может
заметно влиять на прочность твердых материалов.
Может быть, возражения, высказанные крупными
учеными, помогут читателю цредставить, сколько
сложных и тонких экспериментов потребовалось выполнить,
прежде чем Ребиндеру и его сотрудникам удалось
убедить сомневающихся в своей правоте. Тем временем, не
дожидаясь окончания научных дискуссий, эффектом
адсорбционного понижения прочности заинтересовались
43

инженеры: ведь эти исследования давали
возможность подбирать вещества, с помощью которых
можно было снижать прочность металлов и других твердых
тел. Для технологии обработки металлов здесь
открывалась богатейшие перспективы. В самом деле, как
заманчиво при обработке металла, например при резании
на токарном станке или .прессовании, временно
уменьшить его прочность, а потом, когда изделие готово,
вернуть металлу исходные механические свойства.
Каждому понятно, насколько облегчились бы при этом мноше
технологические процессы.
И вот в довоенные годы на некоторых крупных
заводах при обработке металлов резанием и давлением
отказались от традиционного способа охлаждения
обрабатываемых деталей смесями, основой которых являлся
керосин. Вместо этого начали применять водные
растворы или эмульсии -с добавкой поверхностно-активных
веществ. Сразу же был получен большой экономический
эффект и улучшены условия труда рабочих. Но
особенно сильно преимущества новой технологии сказались во
время войны. Легко представать, какой урон могла бы
нанести зажигательная бомба, попав на цех, в котором
буквально лились керосиновые реки.
Другое важное приложение эффекта адсорбционного
понижения прочности связано с бурением скважин.
Чтобы добраться до нефтяных пластов, порой приходится-
бурить очень глубокие, в несколько километров,
скважины. Это очень трудоемкая и дорогостоящая операция.
Горные породы обычно обладают высокой прочностью
(твердостью), и режущий инструмент (бур) должен
создавать очень большие усилия, чтобы пробить скважину.
При закачивании в скважину в качестве промывочных
жидкостей специально подобранных растворов
поверхностно-активных веществ процесс бурения заметно
облегчается и резко повышается его экономичность.
Еще одно важное направление связано с проблемой
прочности металлов в присутствии расплавленных
металлических покрытий. Металловедам давно известны
многочисленные случаи катастрофических разрушений
ответственных деталей, когда на их поверхность попадает
немного жидкого металла. Так, например, выходят из
строя латунные изделия при смачивании ртутью,
ломаются стальные детали при расплавлении припоя в ме-
44

стах пайки. Эти явления казались совершенно
необъяснимыми. По всем законам сопротивления материалов
детали вовсе не должны были разрушаться, так как
приложенные к ним напряжения были, как правило,
намного ниже предельно допустимых. Нельзя было призвать
на помощь и химию — никаких химических реакций,
которые могли бы разрушать основной металл, здесь не
происходило. Между тем проблема сохранения
прочности конструкций в присутствии расплавленных
металлов становилась все актуальней. Интерес к ней
особенно возрос, когда началось строительство энергетических,
ракетных и ядерных установок, в которых в качестве
теплоносителей используются жидкие металлы.
В работах советских металловедов академика
С. Т. Кишкина и Я. М. Потака такое разрушающее
действие жидких металлов впервые было объяснено
эффектом Ребиндера, а исследования Ребиндера, Лихтмана,
Шукина и их сотрудников показали, что именно в
присутствии жидких металлов адсорбционные эффекты в
процессах деформации и разрушения металлов могут быть
особенно велики. Поэтому, несколько отступая от
исторической последовательности, мы начнем изложение
основных закономерностей адсорбционного понижения
прочности с описания действия жидких металлов.
Мы уже знаем, что прочность твердого тела тем
меньше, чем ниже его поверхностная энергия. А последнюю
мржно искусственно уменьшить, создав условия для
возникновения адсорбции поверхностно-активных веществ.
По отношению к жидким металлам сильной
поверхностной активностью обладают только какие-либо другие
жидкие металлы. Этот вывод вполне приложим и к
твердым металлам, так как в обоих состояниях (жидком и
твердом) природа связи между атомами металлов
одинакова.
Мы видели, что растворение в ртути небольшого
количества щелочных металлов — калия или цезия — дри-
водит к снижению поверхностного натяжения ртути в
1,5—2 раза. Можно ли в случае твердых металлов
получить столь же значительный эффект? Чтобы ответить
на этот вопрос, вспомним о связи между поверхностной
активностью членов какого-либо гомологического ряда
(например, жирных кислот) и их растворимостью в воде.
Общая закономерность состоит в увеличении
поверхностной активности с уменьшением растворимости. Кроме
45

того, растворимость какого-либо элемента в жидком
металле значительно больше, чем в том же твердом
металле. Это различие обусловлено особенностями
кристаллической структуры твердых металлов.
Существует два основных вида твердых
металлических растворов. Первую группу образуют так
называемые растворы внедрения: атомы растворенного элемента
располагаются между атомами растворителя,
занимающими узлы кристаллических решеток. Такие растворы
могут образоваться лишь в тех случаях, когда радиусы
атомов растворенного элемента гораздо меньше
радиусов атомов металла-растворителя. Наиболее важные
растворы внедрения получаются при взаимодействии
металлов с неметаллическими элементами (водородом,
углеродом, азотом, кислородом). Более общий и
распространенный механизм образования твердых растворов
состоит в замещении атомов растворителя атомами
растворенное элемента, причем атомы обоих элементо
располагается в узлах одной решетки. Такие системь
называются твердыми растворами замещения. Посколь -
ку атомы взаимодействующих элементов различаютс
по размерам, замещение атома растворителя на атоу.
растворяемого металла обязательно вызывает
искажение исходной кристаллической решетки. Следовательно,
способность к образованию твердых растворов
замещения в известной мере связана с соотношением атомных
диаметров металлов. Это обстоятельство накладывает
значительные ограничения на растворимость одного
металла в другом, твердом металле. Отсюда становится
ясным, что адсорбционный эффект понижения прочности
следует ожидать там, где жидкий металл немного
растворим в твердом, а это обычно имеет место, когда
.различие между атомными радиусами этих двух металлов
незначительно.
ОПЫТЫ С МОНОКРИСТАЛЛАМИ
Чтобы найти закономерности адсорбционного
понижения прочности металлов,* надо было начать с
экспериментов, проводимых в наиболее простых условиях.
Поликристаллические образцы для этой цели не годились:
влияние границ зерен могло оказаться настолько
большим, что дамаскиропало бы оснонные характерные осо-

Рис. 15. Хрупкий разрыв амальгамированного монокристалла
цинка с образованием зеркального скола
бенности адсорбционного эффекта. Здесь большое
значение имели опыты с монокристаллами очень чистых
металлов, которые позволила выяснить главные
закономерности и механизм адсорбционного понижения
прочности металлов.
Опишем один из таких опытов, дающий яркое
представление об эффективности действия адсорбционно-
активных металлических сред. На монокристалл цинка
(проволока диаметром 1 мм и длиной 10 мм) нанесем
тончайший слой ртути — толщиной в несколько микрон.
Для этого проще всего погрузить образец на несколько
минут в раствор азотнокислой ртути. Цинк как более
активный металл вытеснит ртуть из раствора,-и на
поверхности проволоки образуется тонкий слой ртути с
характерным зеркальным блеском. Закрепим в зажимах
разрывного прибора концы цинковой проволоки и
начнем ее растягивать (при комнатной температуре). Уже
при небольшом усилии A00—200 Г/мм2) проволока
разорвется; предельная деформация при этом не
превысит нескольких процентов. Разрушение носит ярко
выраженный хрупкий характер. Разрыв всегда
происходит не в .плоскости перпендикулярного поперечного
сечения, а вдоль плоскости спайности (в данном случае —
плоскооти базиса), под определенным углом наклона к
оси проволоки. Поверхность разрыва .представляет собой
зеркальный скол (рис. 15).
Скорость растяжения v удобно характеризовать
возрастанием относительной деформации со временем после
начала опыта. Если /о и // —исходная длина образца и
длина через время / после начала растяжения, то
относительная деформация е=(// — /о)/'<>; .средняя скорость
47

Рис. 16. При растяжении на воздухе цинковые монокристаллы
сильно вытягиваются в длину и заметно сужаются в месте разрыва
Разрушение носит пластичный характер
растяжения v = e/t. В нашем опыте скорость деформации
была небольшой—10—20% в минуту.
Для сравнения растянем аналогичным образом
такой же монокристалл цинка, но не покрытый пленкой
ртути. Его удается растянуть на 700%. Цилиндрическая
проволока превратится при этом в .плоскую ленту, а
окончательное разрушение произойдет с образованием
резкого сужения — шейки (рис. 16). Это специфические

особенности пластического разрушения. Для
окончательного разрыва нужно гораздо большее напряжение —
около 5 кГ/мм2,
Различие механических свойств монокристаллов
цинка при растяжении на воздухе и в присутствии ртутной
пленки наглядно видно из деформационной кривой
(рис. 17), выражающей зависимость относительного
удлинения от приложенного напряжения.
Наряду с ртутью резкое уменьшение прочности и
пластичности цинковых монокристаллов вызывают и
некоторые другие легкоплавкие металлы, например
галлий и олово (темлература плавления 30 и 232°).
Присутствие пленки жидкого свинца не изменяет
сколько-нибудь заметным образом механических свойств цинка,
если растяжение проводится с небольшой скоростью.
Интересные результаты дает растворение олова в пленке
жидкого свинца, нанесенной на поверхность цинкового,
монокристалла. Уже при небольшой .концентрации олова
в свинце разрушение цинка дриобретает хрупкий
характер.
Какие же выводы позволяют сделать эти опыты с
монокристаллами?
Прежде всего поражает .«молниеносность»
агрессивного действия жидких металлов. Ведь с момента
нанесения ртути до разрыва цинковой проволоки проходит от
Относительное уЯ/шнение, %
Рис. 17. Деформационная кривая при растяжении
монокристаллов цинка на воздухе (/) и в присутствии ртути B)
4 Эффект Ребиндера 49

силы несколько минут. Никакие процессы
коррозионного типа не смогут за такое короткое время столь сильно
понизить прочность образца. Нельзя предположить
также, что резкое изменение механических свойств связано
с диффузией (проникновением) ртути в
кристаллическую решетку цинка: скорость объемной диффузии ртути
в монокристаллический цинк при комнатной температуре
слишком мала. Не может, наконец, сказываться и
растворение цинка, так как вес ртути составляет менее 1 %
веса цинковой проволоки.
Другая важная особенность наблюдаемых
эффектов— это специфичность, избирательность действия
наносимого металла. Мы видели, что наряду с сильно
действующими на цинк расплавами (ртуть, олово) есть
среды, не вызывающие столь резкой хрупкости (свинец).
Эксперименты с растяжением монокристаллов цинка
привели к важным заключениям об особенностях
адсорбционного понижения прочности, но вместе с тем
поставили и новые вопросы. Один из них — простой, но очень
важный: влияет ли на проявление эффекта агрегатное
состояние наносимой металлической пленки? Чтобы
ответить на этот вопрос, опыты проводили при
температуре ниже температуры плавления металла-покрытия. При
замораживании ртутной пленки, нанесенной на моно-
кристалический цинк, снижении прочности и хрупкость
цин-ка уже не наблюдались. Следовательно, для
проявления адсорбционного понижения прочности твердого
металла необходимо, чтобы пленка
поверхностно-активного металла была жидкой. Далее мы увидим, что это
обстоятельство чрезвычайно важно для объяснения
механизма хрупкого разрушения монокристаллов и
развития макроскопических трещин в присутствии адсорбци-
онно-активных металлов.
ПРИЧИНЫ ПОНИЖЕНИЯ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ
Чтобы понять механизм влияния адсорбционно-актив-
ных металлических расплавов на механические свойства
твердых металлов, казалось'^бы, надо сравнить
результаты растяжения монокристаллов на воздухе и в
присутствии расплава. Однако простого сравнения,
например кривых растяжения монокристаллов, еще
недостаточно для нашей цели. Ведь разрыву чистого монокри-
50

сталла предшествует очень большая пластическая
деформация образца. Поэтому можно заранее сказать, что
при таких условиях имеют место качественно иные
закономерности разрушения, чем при хрупком разрыве в
присутствии ртутной пленки. Поэтому хрупкое разрушение
с участием поверхностно-активного вещества следует
сопоставить именно с хрупким разрушением на воздухе.
Как это сделать?
Известно, что при сильном охлаждении многие
металлы становятся хрупкими. Например, стальные и
железные изделия, помещенные в жидкий воздух, делаются
хрупкими, как стекло. Это явление называется
хладноломкостью. Таким образом, ни пластичность, ни
хрупкость не являются какими-то незыблемыми свойствами
того или иного твердого материала. В зависимости от
внешних условий, прежде всего от температуры,
пластичность большинства металлов может уступить место
хрупкости.
Было проведено тщательное изучение хрупкого
разрыва монокристаллов чистого цинка с различной
исходной ориентировкой плоскости базиса относительно оси
проволоки. Для этого с помощью специальных приемов
выращивали монокристаллы с заранее заданным углом
наклона плоскости базиса — от 10 до 80°; ориентировку
определяли с помощью методов рентгеноструктурного
анализа. Во время растяжения образцы охлаждались
жидким азотом до температуры —196°.
Напряжение Р (рис. 18), действующее вдоль оси
образца, раскладывается по правилу параллелограмма на
две составляющих величины, резко различные по своей
роли в процессе деформации и разрушения
монокристалла. Именно, напряжение т, действующее в плоскости
базиса, вызывает сдвиг одной части монокристалла
относительно другой; оно называется сдвиговым, или
скалывающим (применяются также термины касательное или
тангенциальное .напряжение). Иную роль выполняет
составляющая р, направленная перпендикулярно
плоскости базиса. Это напряжение стремится не сдвинуть, а
оторвать одну часть монокристалла от другой.
Напряжение р называют обычно нормальным или
растягивающим.
Как показывают экспериментальные данные, при
разрыве монокристалла и скалывающие налряжения Тс, и
4* 51

нормальные рс сильно зависят от
исходной ориентации
монокристалла (индекс с указывает, что
напряжения относятся именно к
моменту разрушения образца).
При растяжении цинковых
монокристаллов в присутствии ртутной
пленки зависимость разрьивных
напряжений рс и тсот угла
-наклона х плоскости базиса к оси
образца качественно совершенно
такая же, как и при хрупком
разрушении в области низких
температур. Это сопоставление
позволяет сделать глубокие выводы о
механизме снижения прочности и
пластичности в присутствии
расплавленных металлов.
Говоря о пластичности моно-
I кристаллов, мы указывали, что
1 малое значение предельного на-
м пряжения сдвига реальных кри-
Рис. 18. Нормальное (р) сталлов обусловлено в первую
п скалывающее (т) напря- очередь несовершенствами струк-
жения, действующие в пло-ТурЫ — дислокациями. Смещение
одной атомной плоскости вдоль
другой можно представить как постепенное перемещение
дислокации (стр. 16). Окончательный сдвиг этих
плоскостей на одно межатомное расстояние произойдет тогда,
когда дислокация переместится вплоть до края плоскости
базиса и, как принято говорить, выйдет на поверхность
образца, образуя там уступ (ступеньку) шириной в одно
межатомное расстояние.
Однако не следует думать, что такое перемещение
дислокаций всегда легко осуществимо. В процессе
деформации металла в нем неизбежно образуется
множество дислокаций, которые, находясь на близком
расстоянии, начинают взаимодействовать друг с другом. Такое
взаимодействие в ряде случаев тормозит движение
дислокаций в данной плоскости скольжении. Торможение
дислокаций может вызываться и другими причинами,
в частности атомами инородного металла (примесями).
Наличие препитстшш может примести к тому, что пе-

ред ними будут накапливаться все новые и новые
дислокации. Число дислокаций будет непрерывно возрастать
с увеличением скалывающих напряжений т. Постепенно
увеличится и тот участок плоскости скольжения, в
котором сосредоточены дислокации. Этот участок называется
областью локализации сдвига. Термин «локализация»
подчеркивает, что пока дислокации находятся перед
препятствием, деформация сдвига в плоскости
скольжения не распространяется за препятствие.
Скопление многих дислокаций перед препятствием
концентрирует напряжение в области локализации
сдвига. Поясним это на простом примере. Попробуем
разорвать кусок плотной бумаги размером с тетрадный
лист, потянув его за края в противоположные стороны.
Для этого нам потребуются довольно большие усилия.
Сделаем на боковой стороне листа маленький надрез
бритвой; надрезанный лист разорвется гораздо легче.
В чем же дело? Ведь надрез был так мал по сравнению
с шириной листа, что среднее растягивающее
напряжение (отношение прикладываемой силы к площади
поперечного сечения листа) практически не должно было
измениться. И действительно, причина кроется в ином.
Теория упругости показывает, что в непосредственной
близости от края надреза напряжение во много раз
превышает свое среднее значение. Эта разница тем больше,
чем острее и длиннее надрез. Отношение высокого,
фактически действующего напряжения в вершине надреза к
среднему значению напряжения .называется
концентрацией напряжений. С этим явлением постоянно
приходится считаться в машиностроении. Любые резкие линии в
форме детали, углубления, царапины могут служить
концентраторами напряжений, и их требуется учитывать при
расчете конструкции на прочность.
В монокристалле такими концентраторами
напряжения могут являться скопления дислокаций перед
препятствием. Фактически действующие здесь напряжения
возрастают настолько, что металл начинает разрушаться и
возле препятствия образуется трещина (рис. 19).
При каких же условиях зародышевая трещшга
становится опасной и начинает расти дальше — на все
поперечное сечение образца? Это происходит, когда
упругая энергия, накопленная в единице объема образца,
поверхностную энергию повой поверхности, или
Ь'Л

/7рел/гтст1щ
Скопление
дислокаций
скольжения
Трещина
Рис. 19. Схема возникновения
клиновидной микротрещины около препятствия,
мешающего движению дислокаций
в плоскости скольжения
«свежих» стенок
трещины. Иначе говоря,
трещина длиной с
будет опасной,
неравновесной, если уровень
нормальных
напряжений соответствует
уравнению Гриф-
фитса P=YEofc.
Из этого
уравнения следует, что
растягивающее
напряжение,
необходимое для разрыва
образца, может быть
тем меньше, чем
длиннее
зародышевая микротрёщина,
образующаяся под
действием
скалывающих напряжений х
в процессе деформации монокристалла. Длина
зародышевой трещины с растет с увеличением т. Поэтому
увеличение скалывающих напряжений т приводит к тому,
что уровень растягивающих напряжений р доводится
до значения, при котором зародышевые трещины стано- <
вятся неустойчивыми и начинают быстро расти по всему
поперечному сечению образца (Лихтман, Щукин).
Таким образом, в процессе разрушения роль
скалывающих напряжений т — подготовительная: они создают
лишь зародышевые трещины. Но без этой
подготовительной стадии разрушение твердого тела невозможно.
Идеально хрупкого разрушения нет, сначала обязательно
должна пройти предварительная пластическая
деформация под действием скалывающих напряжений.
В результате тщательного анализа процесса
разрушения сделан следующий важный вывод: в момент
разрыва произведение скалывающих и нормальных
напряжений не зависит от угла ориентировки плоскости базие-а '
и постоянно для данных условий опыта. Уравнение это
записывается так: рсхс = К2 = Eo/L,
где К — константа; L — диаметр монокристалла,
54

Сопоставление расчетных данных с
экспериментальными, полученными при растяжении цинковых
монокристаллов дри температуре жидкого азота и в присутствии
ртутной пленки или пленки жидкого галлия, показало,
что закон постоянства произведения рсхс оказывается
достаточно точным. При этом установлено, что в первом
случае (при низкой температуре) /Ci =209 Г/мм2, а во
втором (в присутствии ртути) /B=95 Г/мм2, т. е. в 2,2 раза
меньше. Поскольку модуль упругости Е почти не зависит
от температуры опыта, логично заключить, что различие
констант К для рассматриваемых систем может быть
вызвано только .неодинаковым значением поверхностной
энергии а. Следовательно, изменение механических
свойств цинка при нанесении ртути обусловлено
значительным— в несколько ,раз — уменьшением
поверхностной энергии цинка в результате адсорбции ртути на
поверхности зародышевых трещин.
Возникает очередной вопрос: каким же образом
проникает ртуть с поверхности образца внутрь — к новым
поверхностям, возникающим при деформации образца?
Здесь мы вплотную сталкиваемся с кинетикой процесса
адсорбционного понижения прочности, а именно со
скоростью распространения адсорбционно-активных
металлических расплавов. Этот вопрос мы рассмотрим в
следующей главе.

ГЛАВА
КАК РАСТУТ ТРЕЩИНЫ
Установлено, что сильное снижение поверхностной
энергии является основной причиной уменьшения прочности
и пластичности твердого тела под действием адсорбцион-
но-активных жидких металлов. Теперь мы постараемся
объяснить, как проникает раоплав к зародышевой мик-
ротрещиие.
Для разрушения монокристаллов в присутствии
жидкого металла очень характерно, что зародышевые
трещины развиваются главным образом внутри образца.
Это подтверждают микроскопические наблюдения.
Растянем немного цинковый монокристалл, покрытый
пленкой ртути, до деформации меньше предельной, так,
чтобы он только-только не разорвался. Затем заплавим его
в серу и сошлифуем до половины толщины; как говорят
металловеды, приготовим шлиф в продольном сечении.
Тогда при 40-кратном увеличении будут отчетливо видны
длинные внутренние трещины, лежащие в плоскости
базиса (рис. 20).
Рис 20. Микрот'ччцииы п монокристалле цинка, растянутого и
присущ мин тончш'ппего слон ртути (увеличение 40)

Рис. 21. Для роста трещины
необходимо, чтобы адсорОциом-
но-активиый расплав проник с
поверхности образца в его
объем
Для разрыва образца при
небольшом растягивающем
напряжении необходимо, чтобы в
результате адсорбции атомов ртути
снизилась поверхностная энергия
стенок зародышевой микротрещи-
ны. Для этого ртуть должна
проникнуть через слой цинка
толщиной х, отделяющий вершину
трещины" (точка А) от поверхности
образца (рис. 21). Толщина этого
слоя хотя и мала по сравнению с
диаметром монокристалла, но все
же не менее нескольких микрон.
Можно предположить, что атомы ртути движутся в
направлении к микротрещине благодаря обычной объемной
диффузии.
0 ДИФФУЗИИ — ОБЪЕМНОЙ И ПОВЕРХНОСТНОЙ
Диффузия есть процесс перемещения вещества из
области, где его концентрация велика (с0), в область малой
концентрации (ci). Движущей силой .такого переноса
служит градиент концентрации, т. е. разность
концентраций с0—Си поделенная на расстояние х между
рассматриваемыми точками. Теория диффузии позволяет
приближенно оценить время t, необходимое для
прохождения вещества сквозь слой толщиной x/t^x2/D; D —
коэффициент объемной диффузии, численно равный
количеству вещества, которое диффундирует через
площадку в 1 см2 за одну секунду при градиенте концентраций
1 (г/см3)/см.
С помощью специальных методов, в частности метода
радиоактивных изотопов, можно измерить коэффициент
диффузии для многих конкретных систем. Flpji объем-
57

ной диффузии ртути в монокристаллический цинк
D=10~12 см2/сек (при комнатной температуре). Это
значит, что через слой цинка толщиной 1 мк A0~4 см) ртуть
сможет проникнуть за время t= 10-8/l(H2= 104 сек.,
т. е. примерно за 3 часа. Правда, под действием внешнего
напряжения диффузия может несколько ускориться, но
и в этом случае для проникновения ртути к зародышевой
трещине потребуется 0,5—1 час. Это время в десятки раз
превышает длительность нашего опыта: с момента
нанесения ртути до разрыва образца обычно проходит не
более двух минут — время, нужное для закрепления в
приборе и деформации образца. Следовательно, гипотеза о
поступлении ртути к зародышевой трещине за счет
диффузии не подтверждается.
Постараемся выяснить, почему объемная диффузия
ртути в решетку цинка идет так медленно. В идеальном
кристалле все узлы решетки заняты атомами цинка.
Внедриться внутрь такой решетки атом ртути не
может— там для него нет свободного места. Однако
атомы цинка не находятся в неподвижном положении в
узлах своей решетки: они совершают тепловые колебания.
Следовательно, есть вероятность, что в какой-то момент
времени один из узлов решетки окажется свободным
(рис. 22, а), и тогда сюда проникнет атом ртути. Правда,
вероятность такого события мала, и именно поэтому
ртуть диффундирует в неискаженную решетку цинка
очень медленно.
Совершенно по-иному происходит диффузия по
поверхности монокристалла (рис. 22, б). В самом деле,
переход атома ртути в новое положение уже никак не
зависит от колебательных перемещений атомов твердого
металла. На поверхности цинка есть множество
свободных мест для атома ртути, и для его диффузии по
поверхности необходимо лишь одно условие — тепловые
колебания должны сообщить ему достаточную энергию для
того, чтобы он смог «перескочить» на свободное место.
Для этого процесса требуется намного меньше энергии,
чем для диффузии в кристаллическую решетку. Поэтому
и скорость поверхностной диффузии сравнительно
велика. ч ч
Мы часто отмечали, что в явлениях, происходящих на
поверхлюсти твердого тела и жидкости, много общего.
Так и поверхностная диффузия возможна не только на
58

Рис. 22. Диффузия инородного атома (черный кружок)
в кристаллическую решетку (а) и по поверхности
кристалла (б). Чтобы атом примеси переместился в
положение 4 (случай а), необходимы перемещения 1—0,
2—1, 3—2, 4-—3. При поверхностной диффузии
(случай б) атом примеси может сразу переместиться в
соседнее положение
твердых телах, но и на жидкостях. Большую скорость
поверхностной диффузии можно подтвердить наглядно
опытом с жидкостью. Нальем в очень чистую стеклянную
чашку воду и лрипудрим поверхность воды тальком.
Коснемся поверхности воды стеклянной 'палочкой, смоченной
поверхностно-активным веществом — олеиновой
кислотой. Мы увидим, что почти мгновенно все частицы талька
будут отброшены к стенкам чашки. Это передвижение
вызывается молекулами олеиновой кислоты, которые с
большой скоростью диффундируют (мигрируют) по
поверхности «воды в виде мономолекулярного слоя и в своем
движении захватывают частицы талька. Другой
эффектный опыт,можно провести, поместив «а поверхность
воды лодочку из тонкой металлической фольги. Вели в
канал, вырезанный в корме такой лодочки, положить
кусочек камфоры, то лодочка .начнет быстро двигаться но
поверхности. Сила, заставляющая ее двигаться, сходна
с реактивной: она создается молекулами камфоры, с
огромной скоростью мигрирующими по каналу в
направлении ксхрмы лодочки.
Диффузию металлического расплава по .поверхности
твердого металла очень удобно наблюдать при нанесении
50

Рис. 23. Диффузионное пятно,
образующееся вокруг ртутной капли на
поверхности цинковой пластины
капли ртути на пластинку поликристаллического цинка.
Этот .опыт проводится при комнатной температуре.
Необходимо только, чтобы поверхность пластинки была
хорошо очищена от окисной пленки. Для этого пластинку
помещают в кювету с водным раствором аммиака,
который растворяет оки.сь щшка. На пластинку с помощью
пипетки наносится маленькая капля ртути, весом в
несколько миллиграммов. Ртуть хорошо смачивает цинк; через
несколько минут после начала опыта вокруг капли
появляется хорошо видимое круглое матовое пятно (рис. 23),
которое постепенно растет. Опыты с радиоактивной
ртутью показали, что в любой момент времени передняя
граница матового пятна в точности соответствует
расстоянию, на которое за это время передвинулись атомы
ртути от -капли благодаря поверхностной диффузии.
Визуальное наблюдение роста матового пятна позволяет
легко и просто определить коэффициент диффузии
ртути от поверхности цинка; при комнатной температуре он
равен 10~4 см2/сек. Это значит, что через 10 мин. радиус
пятна будет равен нескольким миллиметрам. При такой
скорости распространения нужны считанные секунды,
чтобы пройти путь в несколько микрон. Напомним, что
00

именно такой порядок величины мы приняли для толщи
ны слоя цинка от поверхности до зародышевой микро-
грещииы.
ТРЕЩИНА РАСТЕТ,
ПОКА ПОСТУПАЕТ РАСПЛАВ
Теперь легко понять, как атомы ртути или иного
расплава перемещаются к полости (зародышевой
микротрещине), образующейся в объеме монокристалла под
действием скалывающих напряжений. Ртуть движется
благодаря диффузии, но не в решетку цинка, а вдоль
дефектов структуры, например по дислокационным каналам.
Эти каналы можно упрощенно представить как трубочки
очень малого диаметра, лишь в несколько раз большего,
чем диаметр атома. Но и в столь узком канале диффузия
ртути по своему характеру гораздо ближе к
поверхностной, чем к объемной: ведь на пути распространения
атомов ртути нет наиболее трудных препятствий —
атомов твердого металла. Именно поэтому скорость
диффузии по дефектам структуры может быть настолько
большой, что ртуть проникает к зародышевой полости за те
1—2 минуты, которые проходят до разрушения образца.
Для адсорбционного понижения прочности
характерно, что зародившиеся трещины могут расти в длину при
небольшом напряжении лишь по мере того, как расплав
проникает в опасную зону—вершину трещины. Это важ-
юе положение доказано опытами, в которых изучалось
развитие длинных трещин разрушения, образующихся
фи изгибе металлических пластинок в присутствии
лапель адсорбционно-активного расплава. Эти опыты
оы описали во введении. Сейчас рассмотрим их
подробнее, поскольку они помогут понять кинетическую приро-
iy адсорбционного понижения прочности, тесную связь
^ежду скоростью распространения расплава и развитием
трещин разрушения.
Основной опыт состоит в следующем. Медленно из-
ибзют цинковую пластинку, на растягиваемую сторону
чоторой нанесена маленькая капля ртути. Уже при не-
олыиом усилии под каплей появляется трещинка, кото-
ля далее постепенно растет в длину, в обе стороны or
.шли. Киносъемка показала, что даже в мерные доли
(И

секунды, когда трещина растет наиболее быстро,
скорость ее развития в длину все же не превышает
2 см/сек; далее трещина растет еще медленнее.
Хорошо известно, что при хрупком разрушении без
помощи поверхностно-активных расплавов скорость
роста трещины очень велика, в ряде случаев она достигает
сотен метров в секунду. Причина этого состоит в том,
что при растяжении металлического образца в инактив-
ной среде (на воздухе) все внутренние связи находятся
практически в одинаковых условиях. Как только
напряжение возрастет настолько, что начинает расти трещина,
образец быстро разрывается, так как в этот момент по
всему поперечному сечению действуют достаточно
большие напряжения.
Все происходит совершенно иначе, когда
металлическая пластинка растягивается в присутствии небольшой
капли адсорбциоино-активного жидкого металла.
Рассмотрим ?ля примера пару цинк — ртуть. Повысим на-
.пряжение^ до уровня рс, при котором цинк начинает
хрупко разрушаться в присутствии соответствующего
расплава, в данном случае ртути. Сначала зародится
небольшая трещинка на поверхности цинка, там, где он
контактирует с ртутью; в остальной части образца
контакта с ртутью нет, и напряжения еще слишком малы,
чтобы разрушить цинк без участия ртути. Почему же
трещина все же растет в длину, в обе стороны от капли?
Естественно предположить, что трещина растет
благодаря тому, что ртуть постепенно распространяется
вдоль трещины и, проникая в ее вершину, ослабляет
межатомные связи в цинке, т. е. вызывает
адсорбционное понижение прочности в тех участках, куда она
успела проникнуть. Для подтверждения достаточно
доказать, что распространение ртути по трещине и рост
трещины происходят с одинаковой скоростью. Однако
измерить скорость распространения ртути по узкой
трещине — нелегкая задача. Чтобы облегчить ее,
распространение ртути и других адсорбционно-активных
металлов приходится изучать в более простых условиях,
например на поверхности твердого металла, очищенной
от окисной пленки. При этом нужно учитывать, что
стенки трещин, как правило, очень шероховаты: под
микроскопом на них хорошо видны многочисленные глубокие
ппадины и резкие выступы.
02

ВЛИЯНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ
По шероховатой поверхности ртуть распространяется
совсем иначе, чем по гладкой. Здесь она не
диффундирует, как по гладкой поверхности, а растекается
ручейками среди выступов и шероховатостей поверхности
излома. Растекание происходит гораздо быстрее, чем
диффузионное распространение, и, значит, перемещение
ртути в этом случае совершенно иначе зависит от
времени, чем в случае диффузии.
Н
—>
У*
Рис. 24. Микропрофилограмма поверхности
поликристаллического цинка после травления в
азотной кислоте (увеличение по вертикали
1000, по горизонтали 100)
Вот почему распространение жидкого металла в
трещине правильнее всего сравнивать с распространением
жидкости по очень шероховатой поверхности.
Эксперименты обычно проводятся на цинковых пластинах,
протравленных в азотной кислоте. Материал возле межзе-
ренных границ растворяется в кислоте быстрее, чем сами
зерна, и уже через несколько минут поверхность
пластины становится шероховатой. Характер микрорельефа
шероховатой поверхности металла (рис. 24)
определяется в специальном приборе микропрофилографе. С
помощью этого прибора установлено, что после травления
в кислоте рельеф цинковых пластин становится подобен
рельефу стенок трещины разрушения.
Капля ртути, нанесенная на протравленную
цинковую пластинку, сразу же растекается, образуя
блестящее круглое пятно. Для сопоставления с развитием
трещин разрушения удобнее исследовать растекание ртути
не по плоскости (в виде круга), а вдоль узкой полоски;
в этом случае геометрические условия распространения
расплава по стенке трещины ничем не отличаются от
условий распространения по шероховатой поверхности.
63

Экспериментальные данные показывают, что в обоих
случаях действуют одинаковые закономерности.
Например, и длина трещины, и расстояние, на которое
растекается ртуть, одинаково зависят от времени; очень
близки и значения скорости растекания ртути и роста
трещины.
Длина макроскопических трещин, образующихся в
металлической пластине в присутствии капли адсорбци-
онно-активного расплава, зависит от веса капли жидкого
металла. Ниже приведены данные, показывающие, что
трещины (в цинковых пластинах толщиной 2 мм) тем
длиннее, чем больше вес капли.
Вес ртутной капли, мг Длина трещины, мм
1 34
3 70
5 96
10 160
Проанализируем теперь полученные
экспериментальные данные о длине трещины. Мы говорили (стр. 34),
что в жидкостях максимальное, предельное значение
адсорбции достигается при насыщении
мономолекулярного слоя; к этому моменту и поверхностная энергия
жидкости снижается почти до минимально возможного
для данных условий уровня. Допустим, что аналогичная
картина имеет место при адсорбционном понижении
прочности металла. Тогда для хрупкого разрушения
было бы достаточно, чтобы слой адсорбированных
атомов расплава был насыщенным моноатомным слоем.
Исходя из такой предпосылки, оценим количество
ртути т, необходимое для образования трещины длиной L.
Пусть d — диаметр атома ртути, h — толщина пластины,
р — плотность ртути. Объем моноатомного слоя ртути,
образовавшегося на каждой стенке трещины, равен
~Lhdy т. е. объему параллелепипеда длиной L,
шириной h и высотой d. Чтобы создать такой слой на обеих
стенках, понадобилось бы 2 Lhdp мг ртути. Много ли
это? Возьмем для примера трещину длиной 34 мм.
Диаметр атома ртути равен 3,10 А, или 3,1 • 10~7 мм,
плотность ртути—13,6 мг/мл3. Следовательно, для
образования моноатомного слоя потребуется всего 2 • 34 «2 «3,10 •
• 10 7-13,6«6-10~4 мг ртути. Но н реальных условиях
дли оГфлжшлнии трещины таких размеров нужно не

6» 10~4, а 1 мг ртути, т. с. в тысячу с липшим раз
больше. Даже если мы ошиблись в оценке толщины
адсорбционного слоя в 10 раз, все равно расхождение остается
недопустимо большим. Значит, во время роста трещины
основная часть ртути оказывается «безработной», так
как не участвует непосредственно в адсорбционном
понижении прочности цинка. Аналогичное несоответствие
между расчетом и опытом наблюдается при образовании
макроскопических трещин и в других металлах и
сплавах. В чем же причина столь огромного расхождения с
опытом? Где ошибка в наших рассуждениях?
КУДА РАСХОДУЕТСЯ ЖИДКИЙ МЕТАЛЛ
Исследование развития трещин показало, что этот
процесс очень сложен. Скорость роста трещины
определяется скоростью распространения адсорбционного
металла вдоль стенок трещины. Чем быстрее поступает
металлический расплав в вершину трещины, тем быстрее
растет трещина. Однако одновременно с
распространением расплава вдоль стенок происходит еще один
чрезвычайно важный процесс— поглощение, впитывание
жидкого 'металла стенками образующейся трещины.
Распространение жидкого металла мы уже рассматривали,
остановимся подробно на процессе поглощения расплава.
Стенки каждой только что образовавшейся трещины
сильно деформированы, имеют множество дефектов —
мельчайших трещинок, пор и т. п. Поэтому поглощение
расплава происходит не только благодаря чисто
объемной диффузии. Большую роль здесь играют
капиллярное всасывание по сети мельчайших микротрещин и
поверхностная диффузия по многочисленным дефектам;
в результате расплав (ртуть) очень быстро поглощается
стенками трещины. Таким образом, конечная длина
трещины определяется своеобразной конкуренцией двух
указанных процессов. Щукин указал, что чем быстрее
распространяется расплав и чем медленнее он
впитывается стенками, тем длиннее становится трещина при прочих
равных условиях: одинаковой массе расплава,
одинаковых растягивающих напряжениях, размерах пластинки
и т. п.
Картину развития трещины в присутствии адсорбци-
ошю-активного жидкого металла можно пояснить с
5 Эффект Ребнмдера 65

помощью очень приблизительной, но довольно наглядной
аналогии. К длинному вокзальному перрону подошел
пустой электропоезд. Объявлена посадка. Все
пассажиры устремились на перрон, к поезду. Наиболее
проворные выбегут вперед и начнут заходить в вагоны.
Поскольку в узких дверях часто начинается давка, другие,
менее темпераментные пассажиры, не дожидаясь, пока
авангардная группа пройдет через двери первых вагонов,
идут дальше, вдоль поезда. По мере продвижения к
головному вагону пассажиров на платформе становится
все меньше и меньше. Очевидно, что число занятых
вагонов (по нашей аналогии длина трещины) будет тем
больше, чем быстрее двигаются пассажиры по перрону
и чем медленнее они заходят в вагоны.
В заключение этого раздела напомним, что при
быстром изгибе пластины образуется сеть коротких трещин
(см. рис. 2) вместо одной длинной. При быстром нагру-
жении создается перегрузка, т. е. фактически
действующие напряжения превышают критическое значение рс>
при котором начинается разрушение металла. Чем
больше напряжение, тем сильнее разрыхляются стенки
трещины, тем быстрее происходит впитывание расплава.
Поэтому в итоге трещина окажется короче, чем в
отсутствие лерелрузок. (Если продолжить наш пример с
электропоездом, то аналогом перегрузок было бы необычное
поведение многих пассажиров, которые вдруг начали бы
лезть в окна).
Объяснить разветвление трещины гораздо сложнее,
и здесь мы не будем останавливаться на этом вопросе.
Подчеркнем лишь, что одиночная неразветвленная
трещина гораздо опаснее для прочности образца, чем сеть
коротких разветвленных трещин.

ГЛАВА VI
УСЛОВИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ
ЭФФЕКТА РЕБИНДЕРА
Само возникновение эффекта адсорбционного
понижения прочности, так же как и степень его проявления,
зависит от многих факторов. Рассмотрим важнейшие
из них.
Прежде всего — это характер напряженного
состояния твердого металла. Исследования процесса хрупкого
разрушения показывают, что разрыв монокристаллов в
присутствии пленки адсорбционно-активного жидкого
металла наступает лишь при вполне определенной
величине нормальных и скалывающих напряжений.
Характерно, что нормальные напряжения обязательно
должны быть растягивающими. Еще ни разу не наблюдалось
адсорбционное понижение прочности в случае
приложения сжимающего напряжения. Поэтому при изгибе
металлического образца присутствие капли жидкого
металла на его сжатой стороне не опасно. Если же капля
попадает на растягиваемую сторону, возможны большие
неприятности — уже при небольшом напряжении может
образоваться макроскопическая трещина, приводящая
к разрушению образца. Адсорбционное понижение
прочности может происходить и при знакопеременных
нагрузках, например при вибрации.
Другим важным условием проявления эффекта
является хорошее смачивание поверхности твердого металла.
Подчеркиваем, речь идет именно о поверхности самого
металла, а не о покрывающей его окисной пленке,
которая может оказывать некоторое защитное действие. Если
с поверхности металла не удалить заранее акисную
пленку в том месте, куда мы собираемся нанести каплю
расплава, то смачивание ухудшается. Это явление
интересно с практической точки зрения: его можно исполь-
5* 67

зовать для ослабления агрессивного действия адсорб-
ционно-активных жидких металлов. Характер
смачивания поверхности твердого металла сильно зависит и от
примесей, содержащихся в жидком металле (расплаве).
Например, американский металловед Ростокер,
изучающий адсорбционное понижение прочности металлов,
обнаружил такой любопытный факт. Ртуть, в которой
растворено 4% цинка, смачивает алюминий и его сплавы
гораздо лучше, чем чистая ртуть, и снижает прочность
алюминия почти в 2 раза сильнее. Эти результаты
непосредственно указывают на прямую связь между
характером смачивания и величиной адсорбционного
понижения прочности.
НЕ ВСЕ РАСПЛАВЫ ВЫЗЫВАЮТ ХРУПКОСТЬ
Чрезвычайно важной особенностью эффекта
адсорбционного понижения,Прочности металлов является его ярко
выраженная избирательность. Мы уже отмечали, что
хрупкость и понижение прочности данного твердого
металла могут вызвать далеко не все, а только
совершенно определенные жидкие металлы. Отсюда ясно,
насколько важно овладеть теорией этого явления. Ведь
тогда появится возможность заранее знать, возникнет
ли эффект Реби'ндера при контакте той или иной пары
жидкий — твердый металл. А для решения этой
проблемы необходимо прежде всего найти ответы на два
коренных теоретических вопроса: 1) как изменяются силы
взаимодействия (силы связи) между атомами твердого
металла, когда в непосредственной близости от них
оказывается атом адсорбционно-активного металла; 2)
какими особенностями должны обладать атомы обоего
вида, чтобы их сближение сопровождалось резким
понижением прочности (ослаблением межатомных связей)
твердого металла?
Эти вопросы имеют, вероятно, наиболее важное ц.
принципиальное значение для понимания и объяснения
механизма адсорбционного понижения прочности «на
атомном уровне». Решение их, -безусловно, окажет
огромное влияние па дальнейшее развитие отрасли
физико-химической механики, занимающейся изучением
деформации твердых тел в присутствии адсорбционио-
активных сред. Но все это — в будущем. А сейчас пет.
08

к сожалению, даже достаточно обоснованных гипотез о
причинах, которые при взаимодействии атомов твердого
и адсорбциоипо-активного жидкого металлов
обусловливают ослабление межатомных связей в твердом теле.
Такое положение объясняется главным образом
чрезвычайной сложностью данной проблемы.
Отсутствие строгой теории заставило искать иные
пути, чтобы научиться предсказывать, возникнет ли
адсорбционное понижение прочности при контакте данной
пары металлов — жидкого и твердого. Здесь снова
(в который раз) оказался весьма плодотворным метод
сопоставления процессов, происходящих в изучаемых
металлах, с хорошо исследованными поверхностными
явлениями в жидкостях.
Как уже говорилось, в пределах одного
гомологического ряда веществ их поверхностная активность по
отношению к одной и той же жидкости быстро растет с
уменьшением растворимости (стр. 35). Поэтому можно
было ожидать, что и жидкий металл будет обладать
сильной адсорбционной активностью по отношению к
твердому лишь при условии малой растворимости в нем.
При этом хотя бы малая растворимость все же должна
быть, так как при полной нерастворимости не может
быть заметной адсорбции.
Конечно, понятие малой растворимости довольно
условно. Здесь трудно указать пороговую величину, до
которой растворимость надо считать малой, а выше —
большой. Казалось бы, это ограничивает возможность
ориентировки по величине растворимости. Но, к счастью,
это не так. Дело в том, что при малой растворимости
жидкого металла в твердом диаграмма их бинарной
системы имеет вполне «индивидуальный» вид.
Напомним кратко, что диаграммы состояния
бинарных систем выражают зависимость температуры начала
и конца кристаллизации от состава раствора (или
расплава), состоящего из двух компонентов. Рассмотрим
одну из наиболее простых диаграмм состояния (рис. 25,/)
где по оси ординат отложена темпепатурл, а по оси
абсцисс—состав системы. Точки Та и ^соответствуют
температуре плавления чистых веществ А и В. Растворение
компонента В в А понижает температуру
кристаллизации раствора по сравнению с чистым веществом Л; то же
самое происходит при растворении компонента А в В,

Рис. 25. Характерные фазовые диаграммы двойных металлических
систем
/ — простая эвтектическая система; // — эвтектическая диаграмма с узкой
областью растворимости легкоплавкого металла; /// — ограниченная
смешиваемость металлов в жидком состояния и полная несмешиваемость в твердом
состоянии; IV — система с образованием интерметаллида; V — полная
взаимная нерастиоримосгь металлов в жидком состоянии-; VI — полная взаимная
растворимость металлов и тмердом согюинии

Кривые, выражающие зависимость температуры начала
кристаллизации жидкости от ее состава, нанимаются
линиями ликвидуса. Концентрация Сэ, при которой линии
ликвидуса пересекаются, носит название эвтектической.
Из .рисунка видно, что жидкость эвтектического состава
начинает кристаллизоваться при самой низкой
температуре 'по сравнению с растворами любой другой
концентрации. Когда при охлаждении достигается эвтектическая
температура, лроцесс кристаллизации полностью
заканчивается. Линия S—S, соответствующая полному
затвердеванию системы, называется линией солидуса.
Для двойных металлических систем существует
несколько основных видов диаграмм состояния, 'или
диаграмм плавкости. Из них для нас особенно интересна
диаграмма II. Она соответствует системам, в которых
есть эвтектическая точка. Металлы, образующие эту
систему, не вступают в химическое соединение друг с
другом, т. е. в системе не образуются интерметаллидьь Для
систем с интерметаллидами характерны диаграммы
совершенно иного вида.
Другая важная особенность систем, состояние
которых отражается диаграммой типа //, состоит в
следующем. Легкоплавкий компонент В может растворяться в
твердом металле Л, причем величина растворимости при
эвтектической температуре очень невелика. Что
понимается под словами «растворение в твердом металле?».
Это значит, что в кристаллической решетке данного
твердого металла может разместиться определенное
количество атомов другого металла. В зависимости от типа
кристаллической структуры, от соотношения между
размерами атомов обоих видов и от ряда других факторов
растворимость в твердом состоянии может быть
различной. В одних системах она велика, в других, наоборот,
предельно мала. Для нас особенно интересен именно
случай малой растворимости. Исходя из аналогии
явлений на поверхности твердого тела и на поверхности
жидкости, можно ожидать, что сильное снижение
поверхностной энергии твердого металла будет происходить в
тех случаях, когда диаграмма состояния соответствует
типу //. Значит именно в таких системах и следует
ожидать проявления адсорбционного понижения прочности
твердого металла при нанесении легкоплавкого металла
(разумеется, расплавленного).
V
71

Итак, мы пришли к следующему очень важному
выводу. Адсорбционное понижение прочности металлов
возможно в первую очередь в тех случаях, когда
легкоплавкий металл не вступает в химическое
взаимодействие с твердым металлом и растворяется в нем в
крайне небольших количествах. При этом диаграмма
состояния имеет эвтектическую точку.
Этот вывод полностью подтвержден рядом
исследований. На основе анализа диаграмм плавкости было,
например, предсказано и лишь потам подтверждено опытом
понижение прочности олова и кадмия под влиянием
расплавленного галлия. Другие известные случаи
адсорбционного понижения прочности также вполне соответствуют
правилу «малой растворимости». Так, ртуть снижает
-прочность олова, цинка и алюминия; олово —кадмия и
цинка; висмут — меди и т. д. Можно также ожидать, что
у серебра могут вызвать хрупкость висмут, натрий,
свинец; у мйди —литий, свинец, таллий; у хрома — серебро,
'свинец, цинк. Анализ диаграмм плавкости позволяет
также предположить, что некоторые жидкие металлы
(галлий, олово, цинк, свинец) могут снижать прочность
полупроводниковых элементов — кремния и германия.
Следует, однако, подчеркнуть, что многие системы еще
не изучались экспериментально.
Наряду с диаграммами типа // на возможность ад-
.сорбционного понижения прочности указывают также
диаграммы типа ///. Они отражают состояние тех
бинарных систем, для которых характерна ограниченная
взаимная растворимость металлов в жидком состоянии.
Напротив, адсорбционное понижение прочности не
характерно для систем с интерметаллидами {IV), для
систем с полной нерастворимостью (V) и для систем с
очень широкой областью взаимной растворимости
металлов (VI).
Признак малой растворимости имеет большое
прикладное значение. По этому признаку можно выбирать
конструкционные материалы, работающие в
непосредственном4 контакте с жидкими металлами (например, при
проектировании атомных электростанций, где в качестве
теплоносителей применяются расплавленные металлы)
Вместе с тем признак малой растворимости мало
помогает и тех случаях, когда жидкий металл контактирует
не с чистым металлом, а со сплавом, особенно многоком-
72

понентным. В этом случае, по-видимому, не обойтись без
выяснения очень сложного взаимодействия атомов
твердого металла и расплава, т. е. без решения двух
основных вопросов, на которые мы указали в начале этой
главы. Но здесь только намечаются пути исследования.
Итак, признак малой растворимости позволяет
сделать определенное заключение о наличии или отсутствии
адсорбционной активности в любой конкретной бинарной
системе. Но достаточно ли одного лишь снижения hq-
верхностной энергии твердого металла (т. е. выполнения
термодинамического условия) для того, чтобы
понизились его прочность и пластичность?
КИНЕТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗРУШЕНИЯ
При изучении макроскопических трещин разрушения,
образующихся в присутствии небольшой капли жидкого
металла, выяснено, что для их роста необходимо
достаточно быстрое поступление расплава в вершину
трещины (стр. 61). Значит, для хрупкого разрушения образца,
помимо сильного снижения поверхностной энергии,
требуется еще одно условие — кинетическое. Рассмотрим
эту вторую сторону изучаемой проблемы.
Ранее отмечалось, что при замерзании расплава
эффект адсорбционного понижения прочности исчезает.
Теперь, после того как выяснен механизм поступления
атомов жидкого металла к зародышевым
микротрещинам внутри монокристалла, это явление вполне понятно.
Когда пленка поверхностно-активного металла
находится в жидком состоянии, скорость поступления атомов
расплава к поверхности зародышевых трещин
определяется в основном диффузией этих атомов по
дефектам кристаллической структуры; этот процесс
протекает с довольно большой скоростью. Картина резко
меняется при замерзании пленки. В этих условиях
большую роль начинает играть процесс отрыва
атомов адсорбционно-активного металла от
образовавшейся кристаллической решетки; скорость перехода их
в твердый металл уменьшается во много раз, и
соответственно резко снижается скорость проникновения атомов
к зародышевым трещинам. В итоге эффект
адсорбционного понижения прочности полностью исчезает:
разрушение монокристаллов вновь приобретает пластичный
73

характер, несмотря на то, что на границе с замерзшей
пленкой поверхностная энергия твердого металла,
конечно, тоже снижена. Однако для появления хрупкости и
снижения прочности нужно, чтобы уменьшилась
свободная энергия на совершенно иной поверхности — на
поверхности зародышевых пор и микротрещин, возникших
в объеме монокристалла в процессе его деформации,
или имевшихся там еще до приложения нагрузки. Если
температура настолько мала, что металлическая пленка
на поверхности образца замерзает и диффузия атомов
адсорбционно-активного компонента резко замедляется, то
атомы адсорбционно-активного металла не успевают
достаточно быстро проникнуть внутрь монокристалла и
адсорбироваться на поверхности внутренних дефектов.
В результате механические свойства монокристалла не
ухудшатся по сравнению с образцом, который
растягивается просто на воздухе или в иной инактивной среде.
Итак, мы выяснили, что для проявления
адсорбционного понижения прочности необходимо, чтобы атомы
расплава были достаточно подвижны и^могли быстро
распространяться по дефектам структуры
деформируемого твердого металла. Сейчас мы увидим, что отсюда
следует несколько важных практических выводов.
Пусть монокристаллический образец диаметром L
растягивается со скоростью деформации v. Обозначим
величину предельной деформации, при которой
происходит разрыв кристалла на воздухе е*. Например, для
монокристаллов чистого цинка гв при комнатной тем-
пературе равна 700%, т. е. разрыв монокристалла
происходит тогда, когда его длина увеличивается в 8 раз
по сравнению с исходной. Чтобы растянуть монокристалл
до такой длины, требуется время te*=vejv, сек.
Будем растягивать с той же скоростью деформации
монокристалл, на поверхность которого нанесена пленка
адсорбционно-активного расплава. Образец разрушится
при гораздо меньшем напряжении, чем в первом случае.
Напомним, как происходит разрушение в присутствии
адсорбционно-активного расплава. Сначала внутри мо«
нокристалла зарождается небольшая микротрещина,
постепенно растущая в длину и распространяющаяся по
всему поперечному сечению образца. Это сказывается
действие ртути, проникшей в вершину трещины. Если
же при этом скорость ее проникновения очень мала и за
74 -

время fe трещина не успеет разрастись по всему
поперечному сечению, то монокристалл разорвется почти при
том же напряжении, что и при растяжении на воздухе.
Таким образом, при малой скорости распространения
расплава и большой скорости деформации присутствие
пленки адсорбционно-активного жидкого металла почти
не влияет на механические свойства твердого металла.
Оценим, какова же максимальная скорость
растяжения vmax, при которой еще возможно проявление
адсорбционного понижения прочности. Совершенно очевидно,
что в этом случае время ta , необходимое для развития
зародышевой трещины, должно быть меньше времени U,
требующегося для разрушения в отсутствие расплава.
Пусть средняя скорость распространения расплава по
стенкам микротрещины, а следовательно, и скорость
роста этой трещины равна w. Значит, трещина пройдет
через iBce поперечное сечение кристалла за время ta =
=L/w. Но поскольку ta <&, то для проявления
адсорбционного эффекта необходимо, чтобы скорость
растяжения не превышала величину uraax=^ee/L. Эти
рассуждения подтверждены опытами по растяжению стальных
образцов с очень большой скоростью.
От чего зависит скорость распространения адсорб-
ционно-активных расплавов? Движущей силой
диффузионного распространения является разность, или
градиент, концентрации расплава на поверхности образца и
в вершине растущей трещины. Чем больше разность
концентрации, тем быстрее движется диффузионный поток.
Высокий градиент концентрации имеет место, когда на
поверхность твердого металла нанесен полиатомный слой
расплава. При тонком моноатомном слое самая малая
диффузия атомов в объем вызвала бы резкое
уменьшение их числа на поверхности. Значит, градиент
концентрации быстро снизился бы, и скорость диффузии атомов
расплава по дефектам кристаллической структуры
стала бы слишком малой для проявления адсорбционного
понижения прочности. Вот почему резкое снижение
прочности твердого металла наблюдается лишь тогда,
когда толщина слоя адсорбционно-активного расплава
составляет не менее долей микрона. Кроме того, скорость
деформации должна быть не слишком велика, а
температура—не слишком мала (выше точки замерзания
легкоплавкого компонента).
75

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СКОРОСТИ ДЕФОРМАЦИИ
Казалось бы, чем выше температура и чем ниже скорость
деформации, тем сильнее должен быть эффект Ребин-
дера. Однако, как это ни странно, такое заключение
будет ошибочным. Дело в том, что проявление эффекта
зависит не только от скорости распространения
расплава, но и от некоторых других факторов, которые в свою
очередь зависят от температуры и скорости деформации.
Что же произойдет, если температура, при которой
растягивается монокристалл, покрытый пленкой адсорб-
щгонно-активного расплава, будет повышена? Мы уже
знаем, (что растяжение амальгамированных
монокристаллов цинка при комнатной температуре со скоростью
деформации 10—20% в минуту приводит к хрупкому
разрушению уже при очень небольшом напряжении.
Увеличим температуру до 100°: образцы по-прежнему
будут хрупко разрушаться с образованием зеркального
скола по плоскости базиса. Но при дальнейшем подъеме
температуры (до 160°) обнаружится удивительное
явление— хрупкость цинка исчезнет, он полностью воссга-
новит свои пластические свойства, несмотря на
присутствие ртути. Предельная деформация снова достигнет
700%, снова разрыву будет предшествовать характерное
сужение образца (шейка); цинковая проволока вновь
станет превращаться в плоскую ленту. Словом, появятся
решительно все признаки пластического разрушения
металла.
Что же здесь происходит? Оказывается, в интервале
110—160° монокристаллы, покрытые ртутной пленкой,
обладают своеобразной частичной хрупкостью, которая
является результатом постепенного перехода от
хрупкого разрушения к пластичному. В этой области
зародившиеся трещины не распространяются по всему сечению
образца. Это видно из рис. 26, где представлены
фотографии амальгамированных образцов, разрушенных при
различной температуре — от ПО до 160°. Можно было
бы думать, что хрупкость исчезает из-за того, что
при нагреве образца ртуть улетучивается. Однако это не
так: при охлаждении образца до комнатной температуры
хрупкость вновь появляется.
Аналогичное явление наблюдается и при
постепенном уменьшении скорости деформации. При очень й
.76

SotIO
>160
Рис. 26> Деформация амальгамированных монокристаллов цинка при
разной температуре: до 110° имеет место разрыв хрупкий, при 110—
150° — частичная хрупкость, при 160° и выше — пластичный разрыв
скорости растяжения эффект адсорбционного
понижения прочности исчезает. Например, при растяжении
амальгамированных цинковых монокристаллов при
комнатной температуре со скоростью 0,1% в минуту
пластичность образцов резко возрастает и предельная
деформация достигает 200%. Характер разрушения в этом
случае примерно такой же, как и при растяжении на
воздухе. Так же ведут себя и другие пары металлов.
Каковы же причины исчезновения эффекта Ребинде-
ра при нагреве выше определенной температуры или
при уменьшении скорости деформации до определенного
минимального значения?
Вспомним, что и в отсутствие адсорбционно-активно-
го жидкого металла изменение температуры может
заметно, влиять на механические свойства металлов. При
сильном охлаждении многие металлы становятся
хрупкими, а при повышении температуры вновь приобретают
77

пластичность. Теория дислокаций объясняет такие
переходы следующим образом.
Хрупкое разрушение металла происходит при условии,
что внутри деформируемого.образца возникла
зародышевая микротрещина. Она может образоваться лишь в тех
участках металла, где имеют место очень высокие
локальные концентрации напряжения. В монокристаллах такую
концентрацию обычно создают скопления дислокаций.
Скопление образуют дислокации, перемещение которых в
плоскости скольжения затруднено каким-либо
препятствием. Чем больше дислокаций скопилось перед
препятствием, тем выше в данном месте концентрация
напряжения.
Количество дислокаций в скоплении зависит,
во-первых, от скорости деформации образца. Чем быстрее
растягивается образец, тем с большей скоростью
образуются новые дислокации и тем быстрее перемещаются они в
любой плоскости скольжения, в том числе и в той, где
находится скопление. Понятно, что если бы дислокации
только накапливались, то рано или поздно они
неизбежно создали бы концентрацию напряжения, достаточную
для зарождения микротрещины. Но они не только
накапливаются: отдельные дислокации благодаря тепло-
вым колебаниям могут приобрести дополнительную
энергию и преодолеть препятствие перед скоплением. Этот
процесс способствует рассасыванию скопления, а
следовательно, и снижению концентрации напряжения.
Чем выше температура, тем больше средняя
амплитуда тепловых колебаний, тем интенсивнее
рассасывается скопление дислокаций. Можно приближенно считать,
что взаимодействие процессов накопления и
рассасывания дислокаций приводит к своеобразному
динамическому равновесию, когда число дислокаций, подходящих
к препятствию в единицу времени, равно числу
дислокаций, уходящих из скопления за то же время. При
достаточно высокой температуре (или очень малой скорости
деформации) число дислокаций перед препятствием
будет уже слишком мало для того, чтобы создать
концентрацию напряжения, нужную для образования
зародышевой микротрещины. Именно при таком положении
хрупкое разрушение переходит в пластичное.
Температура, при которой совершается такой переход, называется
порогом естественной хладноломкости. Для чистых
монокристаллов цинка она равна — 70°.
78

В сущности то же самое происходит и при
растяжении монокристаллов в присутствии адсорбционно-актив-
ного металла. Только температура, при которой
совершается переход от хрупкого разрушения к пластичному,
лежит обычно гораздо выше, чем при растяжении тех же
монокристаллов в отсутствие активной среды. Эта
температура называется порогом вынужденной
хладноломкости. Для монокристаллов цинка, покрытых пленкой
ртути, такой порог находится около 130°, т. е. на 200°
выше порога естественной хладноломкости.
Таким образом, резкое снижение поверхностной
энергии твердого металла в присутствии пленки адсорбцион-
но-активного расплава смещает порог хладноломкости
в область более высоких температур. Возможность
такого смещения представляет определенный интерес для
исследования некоторых физических свойств кристаллов.
Например, очень пластичные металлы не становятся
хрупкими даже при очень глубоком охлаждении. Таков,
в частности, монокристаллический кадмий. Даже в среде
жидкого гелия у него не удается обнаружить естествен-
. ную хладноломкость. А в присутствии пленки жидкого
галлия и при скорости растяжения 200% в минуту
монокристаллы кадмия становятся хрупкими и, разрываясь,
дают зеркальные сколы по плоскости базиса. Такой опыт
может оказаться полезным при исследовании
кристаллографических особенностей металлов. Ведь с его
помощью под микроскопом, можно буквально в несколько
минут определить угол наклона плоскости базиса к оси
монокристалла. Обычно применяемые
рентгенографические способы определения ориентировки
монокристаллов хотя и более точны, но требуют много времени, слож«
ной аппаратуры и весьма квалифицированного труда
для расшифровки рентгенограмм.
Итак, проявление эффекта адсорбционного
понижения прочности возможно далеко не при любой
температуре и скорости деформации. Оптимальные (с точки
зрения проявления эффекта) пределы для обоих факторов
зависят, естественно, от физико-химической природы
контактирующих металлов и имеют вполне
определенные значения для каждого конкретного случая. Не попав
в нужный . температурно-скоростной интервал, можно
прийти к ложному выводу об отсутствии эффекта в той
системе, где он на самом деле возможен (по признаку
79

малой растворимости). Например, когда не было
изучено влияние скорости деформации, считалось, что ртуть
не понижает прочность олова. Это оказалось не так.
Просто скорость растяжения олова была слишком мала.
Как только сильно увеличили скорость деформации
оловянных монокристаллов, так сразу же обнаружилось,
что пленка ртути резко повышает их хрупкость.
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ
Изменяя температуру и скорость деформации, можно в
определенных пределах управлять адсорбционным
понижением прочности металлов. Но, к сожалению, для
практики этот способ мало пригоден прежде всего потому, что
он связан с нарушением технологического режима. Кроме
того, при изменении температуры или скорости деформа-.
ции переход от хрупкости к пластичности довольно резок.
Пользуясь терминологией автоматического
регулирования, можно сказать, что здесь осуществима лишь
релейная схема управления: «да» — «нет», т. е. эффект
понижения прочности или очень велик, или совсем незаметен.
Однако есть способ более плавного и гибкого
изменения прочности металлов, работающих в контакте с ад-
сорбционно-активными расплавами. При этом способе
адсорбционно-активной средой служит не чистый расплав
какого-либо металла, а расплав, содержащий примесь
другого металла, например 1%-ный раствор свинца в
ртути. Цинковые образцы в присутствии пленки такого
раствора становятся хрупкими уже при напряжении,
примерно на 20% меньшем, чем в присутствии чистой ртути.
Для такого дополнительного понижения прочности цинка
пригодны также растворы в ртути галлия, олова, висмута.
Интересно, что если в ртути растворено сразу несколько
металлов, то дополнительное понижение прочности цинка
все равно не превышает 20% по сравнению с действием
чистой ртути.
Растворимость указанных металлов в ртути при ком-
* натной температуре невелика. Свинец и галлий
растворяются лучше других, но и их растворимость не превышает .
1,3%.
Очень интересные результаты получаются при
добавлении к ртути хорошо растворимых в ней металлов —
кадмия, таллия, индия. Прочность цинка, растягиваемого
80

в присутствий пленки такого раствора, с увеличением
концентрации примеси быстро уменьшается до
некоторого минимального значения, а затем начинает постепенно
возрастать (рис. 27). При концентрации индия около 10%
и выше прочность цинка уже больше, чем в присутствии
чистой ртути. Таким образом, применение некоторых
хорошо растворимых добавок может привести к заметному
ослаблению агрессивного, охрупчающего действия
металлических адсорбционно-активных расплавов. Это явление
может быть использовано в промышленности для
разработки способов защиты конструкций, работающих в
контакте с такими расплавами.
Механизм
влияния малых примесей
на эффект
адсорбционного понижения
прочности пока не
ясен. Изучение его
еще только начато.
Возможно, что здесь
важную роль играет
изменение скорости
4
I
1
w го
Концентрация индия, %
Рис. 27. Влияние добавки индия к
ртути на прочность цинковых пластин
поверхностной
диффузии расплава,—
ведь мы знаем, что
< развитие
зародышевых и макроскопических трещин в твердом металле
возможно лишь тогда, когда атомы расплава достаточно
быстро поступают к вершине этой трещины. В связи с
этим изучалась диффузия различных ртутных растворов
по поверхности цинка. Распространение определяли
визуально, а также с помощью более тонкого метода с
использованием радиоактивных изотопов металлов,
растворимых в ртути. Оказалось, что при малой концентрации
гдобавки поверхностная диффузия расплава ускоряется,
а при большой — замедляется. Переход от ускоренной
диффузии к замедленной наблюдается примерно при той
же .концентрации, которая соответствует минимуму
прочности. Однако эти данные только косвенно подтверждают
рассматриваемую гипотезу.
Большое влияние на адсорбционное понижение
прочности оказывают также состав и структура твердого
6 Эффект Ребиндера
81

металла. До сих mop мы рассматривали проявление
аффекта Ребиндера на наиболее совершенных объектах —
монокристаллах чистых металлов. Например, в
монокристаллах цинка содержалось, как правило, не более
0,01% примесей, а в наиболее ответственных
экспериментах — не более 0,001 %.
Монокристаллы, выращенные не из очень чистого
металла, содержат сравнительно большое количество
примесей, и это влияет на эффект адсорбционного понижения
прочности. Обычно для разрушения легированных
монокристаллов требуется более высокое напряжение, чем
для образцов очень чистых металлов. Это относится и
к деформации в инактивной среде, и к деформации в
присутствии адсорбционно-активного вещества. Ниже
приведены данные о величине разрывного напряжения
амальгамированных монокристаллов цинка в
зависимости от количества примесей.
Содержание примесей, % Разрывное напряжение,
Г/мм2
0,001 (Pb, Cd, T1 и др.) .... 185
1,1 (Cd) . 250
0,2 (Cd) 430
0,5 (Cd) 650
Эти цифры показывают, что легирование
монокристаллов может повысить их прочность и в присутствии
адсорбционно-активных расплавов. Однако мы не можем
употребить выражение «примеси всегда повышают
прочность металлов», так как известны случаи, когда они
вызывают обратный эффект — дополнительное снижение
прочности в присутствии расплава.
ОСОБЕННОСТИ ЭФФЕКТА В ПОЛИКРИСТАЛЛАХ
Еще большие трудности возникают при исследовании
адсорбционного понижения прочности поликристаллических
металлов. Такие исследования непосредственно связаны
с запросами практики, поскольку все конструкционные
металлы имеют именно поликристаллическое строение/
В поликристаллах обнаруживается множество новых
. специфических особенностей проявления эффекта
Ребиндера. Прежде всего здесь появляется новый параметр —
размер зерна. Как правило, величина разрывного напря-
82

жения, при котором происходит хрупкое разрушение ме- .
талла в присутствии адсорбционно-активного расплава,
уменьшается с увеличением диаметра зерен; эта величина
обратно пропорциональна квадратному корню из
диаметра зерна. Такая зависимость обнаружена, например, при
растяжении меди и малоуглеродистой стали в
присутствии расплавленного лития, а также латуни в
присутствии ртути. Поэтому, изучая влияние
адсорбционно-активного вещества на прочность любого
поликристаллического металла, необходимо каждый раз учитывать размер
зерен.
Принципиальное значение имеет вопрос: как проходит
трещина в поликристаллах — по границам или по телу
зерен? В обычных условиях при хрупком разрушении
металлов гексагональной плотноупакованной структуры
(см. рис. 4, стр. 10), например цинка и кадмия, трещина
проходит в основном по телу зерен. В присутствии
жидкого металла (ртути или галлия) характер разрушения
меняется: основная трещина развивается, как правило, по
межзеренным границам и только немного небольших
трещин идет поперек зерна. Эта картина наблюдается во
всех случаях деформации поликристаллических металлов
в присутствии адсорбционно-активных расплавов.
Такой характер разрушения объясняется тремя
причинами. Во-первых, границы зерен, как всякая граница
раздела, обладают избыточной свободной поверхностной
энергией, так как молекулярные силы в этой области не-
компенсированы. Атомы адсорбционно-активного
расплава, адсорбируясь на межзеренных границах, понижают
их поверхностную энергию и тем самым способствуют
снижению прочности всего образца.
Во-вторых, для зарождения трещины необходимо
слияние множества дислокаций, скапливающихся перед
препятствием в плоскости скольжения. Чем труднее
преодолеть препятствие, тем больше скопление дислокаций,
тем выше склонность к хрупкому разрушению. Границы
зерен как раз и являются трудно преодолимыми
препятствиями для сдвига.
И, наконец, третья причина. Границы зерен
представляют собой своеобразные каналы (дефекты
кристаллической структуры), они очень удобны для диффузии атомов
расплава с поверхности в глубь образца. Наряду с
адсорбцией на границах зерен этот процесс вносит замет-
6* 83

ный вклад в общее снижение прочности образца. Этот
вклад можно резко увеличить, если нанести пленку ад-
сорбционно-активного расплава на образец
поликристаллического металла заранее, до приложения нагрузки. Как
снижается при этом величина напряжения, необходимого
для разрыва образца, видно из кривой рис. 28. Данные,
на основании которых построена кривая, получены при
выдержке цинковых пластинок толщиной 1 мм в контакте
с пленкой жидкого галлия. Уже спустя 15:—20 мин.
прочность пластинок понижается в 5 раз.
Уже в первых
работах, посвященных
эффекту Ребиндера,
отмечалось, что снижение
прочности под
влиянием адсор-бционно-ак-
тивного вещества тем
сильнее, чем .выше
прочность (твердость)
I
s г
15 30 ?5 6Р
время коитпНта}пин
Рис. 28. Предварительная выдержка
поликристаллического металла в
контакте' с пленкой расплава приводит
к сильному снижению прочности
металла. Как показали
исследования Кишки-
на, Потака и др. в
СССР и Ростокера в
США, чем прочнее
металл, тем при меиь-*
шем напряжении
происходит его
разрушение в присутствии
расплава.
ДЕЙСТВИЕ РАДИАЦИИ
В заключение этой главы рассмотрим, как влияет на
адсорбционное понижение прочности облучение твердого
металла. Этот вопрос имеет большой практический
интерес, поскольку адсорбционно-активные жидкие металлы
широко используются в атомных энергетических
установках; во многих реакторах теплоносителями служат
различные жидкие металлы.
Установлено, что в сочетании с действием радиации
. адсорбционно-активные расплавы могут особенно сильно
снижать прочность твердых металлов. Показателен в
этом отношении опыт Лихтмана и Троицкого. Монокри-
84

сталлы цинка, покрытые пленкой ртути, неделю
подвергали действию р-лучей; их источником служили р-актив-
ный изотоп фосфора Р32 с максимальной энергией
излучения 1,7 млн. электронвольт. При растяжении таких
образцов со скоростью деформации 10% в минуту
хрупкое разрушение «происходило при крайне малом
напряжении— всего 20 Г/мм2. Это напряжение примерно в 10 раз
меньше напряжения при разрыве монокристаллов цинка
также в присутствии ртути, но без предварительного
р-облучения. Действие радиации сказывается и при
кратковременном облучении. Когда амальгамированные
монокристаллы облучались только в момент растяжения, их
прочность понижалась на 25—40%. Понижение
прочности металлов, находящихся в контакте с адсорбционно-
активными расплавами, вызывают также а- и улУчи,
бомбардировка протонами и нейтронами.
Действие облучений связано, по-видимому, с тем, что
они нарушают структуру металлов, увеличивают
количество дефектов. А дефекты, как мы уже знаем,
способствуют быстрому проникновению атомов расплава к
зародышевым микротрещинам. В результате эффект
адсорбционного понижения прочности усиливается и для
разрушения металла требуется очень малое напряжение.
Таким образом, число внешних факторов, влияющих
на адсорбционное понижение прочности, довольно
велико, и это сильно затрудняет исследование этого явления.
Далеко не всегда легко выделить и определить влияние
какого-либо одного фактора, особенно важного при
применении эффекта Ребиндера на практике. Но, с другой
стороны, именно такое разнообразие факторов позволяет
надеяться, что, глубоко изучив природу и механизм этого
интересного явления, можно научиться им управлять в
соответствии с требованиями, выдвигаемыми наукой
и промышленностью., Регулируя температуру, характер
напряженного состояния, состав жидкого и твердого
металла, можно будет максимально усиливать или
ослаблять адсорбционное понижение прочности.

ГЛАВА VII
СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ
В МЕТАЛЛАХ
В предыдущей главе, рассматривая различные формы
проявления эффекта Ребиндера, мы старались
подчеркнуть основную мысль, что этот эффект возможен только
в том случае, когда на твердое тело действуют внешняя
нагрузка и поверхностно-активная среда. Действие
должно быть одновременным, так как в ненапряженном
состоянии никакого изменения механических свойств
твердого тела не происходит. Можно сколь угодно долго
держать твердое тело в контакте с поверхностно-активным
веществом, но после того как последнее будет удалено,
механические свойства твердого тела будут точно такими
же, как и до контакта со средой *.
В этой главе мы расскажем об одном чрезвычайно
своеобразном проявлении эффекта Ребиндера, которое на
первый взгляд противоречит указанному условию.
Однако, как показали экспериментальные и теоретические
исследования, это противоречие только кажущееся.
Рассмотрим следующий опыт. На дно стеклянного ци-
циндра, заполненного раствором аммиака, помещено
немного галлия. Цилиндр поставлен в термостат, где
температура на 5—6° превышает точку плавления галлия.
В цилиндр погружается длинная пластинка
поликристаллического цинка толщиной 0,5 мм так, чтобы е& нижний
конец соприкасался с галлием. Спустя некоторое время
галлий начнет как бы ползти по пластинке вверх, образуя
на ней матовое пятно, подобное пятну, образующемуся
* Здесь необходимо заметить, что в некоторых случаях атомы
или молекулы поверхностно-активного вещества могут продиффун-
дировать в объем твердого тела и так или иначе повлиять на его
пластические свойства, но это частный случай и мы разберем его в
дальнейшем.
86

Рис. 29. Пропитанная галлием
цинковая пластинка уже под
действием собственного веса
теряет устойчивость и
свертывается в рулон
при поверхностной
диффузии ртути (стр. 60).
Цинковая пластинка при
этом медленно оседает
на дно цилиндра,
скручиваясь в своеобразный
рулон (рис. 29). Почему
цинк вдруг начал течь под
действием очень
небольшой нагрузки — своего
собственного веса? Ведь
обычно металлы ведут
себя так только при очень
высокой температуре,
близкой к температуре
плавления.
Такая фантастическая
пластичность цинковой пластинки связана
исключительно с влиянием галлия. Этот металл способен быстро
диффундировать вдоль межзеренных границ цинка,
обладающих избыточной (поверхностной) энергией и
поэтому адсорбирующих атомы галлия. В
результате поверхностная энергия границ снижается, а это
обязательно должно отразиться на прочности и пластичности
твердого тела. При растяжении такая пропитанная
галлием пластинка должна разорваться при очень малой
нагрузке и практически без всякой деформации. Но в
рассматриваемом нами опыте наблюдается
противоположное явление — из ряда вон выходящая пластичность
цинка. Значит, в зависимости от условий деформации
действие адсорбционно-активного расплава может
проявляться в различных формах. В данном случае, когда
приложенная нагрузка очень мала, резкое повышение
пластичности обусловлено структурными изменениями,
происходящими на границах зерен при снижении
поверхностной энергии из-за адсорбции атомов галлия.
87

По-видимому, этот процесс настолько ослабляет связь
между отдельными зернами цинка, что они получают
возможность легко смещаться друг относительно друга уже
при малом усилии.
Мы привели пример изменения структурных свойств
поликристаллического металла. Однако еще
поразительнее изменения структурных свойств монокристаллов. Ocoi
бенно четко они выявляются в паре галлий — олово. Тот
факт, что при растяжении в присутствии галлия
прочность и пластичность монокристаллов олова резко
падают по сравнению с деформацией на воздухе, не
удивителен. Здесь эффект Ребиндера проявляется в уже
знакомой нам форме. Но если образец олова подвергнуть
деформации не сразу после нанесения пленки жидкого
галлия, а спустя некоторое время, то начинают
проступать контуры совершенно иной формы эффекта
адсорбционного понижения прочности. Прежде всего прочность
и пластичность олова постепенно уменьшаются по мере
увеличения времени контакта с галлием. При растяжении
в начальный момент монокристаллы разрываются при
нагрузке 1,5 кГ/мм2, через сутки — всего при 400 Г/мм2,
а через неделю — при 50 Г/мм2. Если на такой образец
нажать ногтем, он превращается в порошок.
Сравнивая опыты с поликристаллом цинка и с моно--
кристаллом олова, сразу же отметим их качественное
различие. Свертывание цинковой полосы — это следствие
структурных изменений твердого металла возле межзе-
ренных границ. Постепенному падению прочности
монокристалла нельзя дать аналогичное объяснение. Ведь в
исходном монокристалле нет дефектов структуры,
подобных границам зерен. В чем же дело?
Ответ оказался неожиданным и парадоксальным.
В присутствии галлиевой пленки монокристалл олова
постепенно превращается в поликристаллический образец.
Убедительное доказательство такого необычного
структурного превращения дают следующие опыты. На
монокристалл (в нашем случае олово) направляют узкий
пучок рентгеновских лучей. При этом лучи как бы
отражаются от атомных плоскостей и дают на рентгеновской
пленке, поставленной за кристаллом, несколько пятен
(подчеркнем —^ как бы отражаются, так как на самом
деле здесь имеет место дифракция рентгеновских лучей
на кристаллической решетке). Лучи, направленные на по-
88

ликристалл, состоящий из большого числа различно
ориентированных кристаллов, отражаются каждым
кристалликом, и на пленке получается много пятнышек. Именно
такую картину — большое число довольно равномерно
расположенных пятнышек — дает долго пролежавший
галлированный монокристалл олова. Рентгеновский
анализ позволяет не только определить начальное и конечное
состояние образца, но и проследить весь процесс
перехода монокристалла в поликристалл, а также исследовать
влияние температуры, предварительной деформации,
количества галлия.
Важную роль в исследовании превращения
монокристалла в поликристалл сыграли опыты по изучению
электрического сопротивления. Оказалось, что на
удельное электрическое сопротивление металлических
монокристаллов сильное влияние оказывает анизотропия
кристаллической структуры. Вдоль одного
кристаллографического направления электрическое сопротивление часто
заметно больше, чем вдоль другого. Отсюда, естественно,
и сопротивление монсжристаллической проволоки
зависит от того, каким образом ориентирована
кристаллическая решетка по отношению к ее оси.
Для изучения природы структурных изменений гал-
лированного олова были выращены монокристаллы с
различной ориентировкой решетки и, следовательно, с раз-,
личными электрическими свойствами. Одни
монокристаллы имели исходное удельное электрическое
сопротивление 14, а другие 10 микроом/см. На поверхность
монокристаллов обоих сортов наносилось немного .жидкого
галлия, не более 1%, а затем измерялось их
электрическое сопротивление. Оказалось, что у монокристаллов с
большим начальным сопротивлением оно со временем
падает, а у монокристаллов с малым исходным
сопротивлением, напротив, возрастает. Эти изменения особенно
заметны в начале опыта. Через несколько суток
сопротивление обоих монокристаллов становится почти одинаковым
и, что самое главное, таким же, как у контрольного образ-
. ца — галлированного .поликристалла олова. Тем самым
данные об изменении электрического сопротивления не
только свидетельствуют о дроблении монокристаллов
олова; но и указывают на то, что образующиеся мельчайшие
кристаллики оказываются ориентированными совершенно
хаотически, точно так же, как в обычном поликристалле.
89

Теперь, описав поведение галлированного
монокристалла олова, попытаемся объяснить, что же здесь
парадоксально. Оказывается — направление процесса.
Переход поликристалла в монокристалл — явление хорошо
известное и совершенно понятное. Ведь границы зерен
являются носителями избытка свободной энергии. В
процессе роста зерен протяженность межзерешшх границ
уменьшается, следовательно, уменьшается и свободная
энергия. Но если это так, значит процесс энергетически
выгоден, и тогда почему же все металлы не
превращаются в монокристаллы?
Ответ прост: потому что такое превращение при
обычной температуре происходит бесконечно медленно и
становится заметным только при достаточно высокой
температуре.
Но каким же образом протекает без внешнего
воздействия самопроизвольный обратный процесс —
превращение монокристаллов в поликристаллы и вообще в каких
случаях он возможен? Прежде всего, как показали
работы Ребиндера, такой процесс возможен только тогда,
когда образующаяся поверхность обладает очень малым
избытком свободной энергии. А это имеет место в том
случае, когда среда очень сильно поверхностно-активна
по отношению к данному твердому телу и поверхностное
натяжение на границе твердое тело — среда весьма мало.
Но одного этого недостаточно: как бы ни было мало
поверхностное натяжение, образование новой поверхности
все равно требует затраты энергии. Откуда же ей
взяться? Оказывается, имеются два источника. Во всяком
монокристалле, даже выращенном со всеми
предосторожностями, существуют внутренние напряжения, вызванные
наличием дислокаций. При переходе монокристалл —
поликристалл эти напряжения снимаются, и
высвобождаемая при этом энергия идет на образование новых
поверхностей — границ зерен. Это первый источник энергии.
Другим источником являются напряжения, возникающие
при диффузии галлия в решетку олрва. Кроме этих двух,
существует еще один источник. При переходе от
монокристалла к поликристаллу порядок сменяется
беспорядком— правильная решетка заменяется хаотически
ориентированными обломками решетки. Такое разупорядоче-
ние, как переход к более вероятному состоянию, вызывает
уменьшение свободной энергии системы.
90

Мы не случайно столь подробно остановились на
явлении самопроизвольного внутреннего диспергирования
металла в условиях чрезвычайно сильного понижения
поверхностной энергии. Дело в том, что именно эта форма
проявления эффекта Ребиндера тесно связана с
принципиально новым путем повышения прочности металлов.
Да, как это ни странно на первый взгляд, но адсорбцион-
но-активные расплавы,которые до сих пор выстушали как
ярые враги прочности, могут играть и противоположную
роль — способствовать повышению прочности металлов.
Суть этого нового принципа состоит в следующем.
Реальная прочность твердых тел в сотни и тысячи раз
меньше их теоретической прочности, рассчитанной для
идеальной кристаллической структуры. Главные
виновники низкой прочности даже лучших материалов — это
дефекты их структуры. Если бы можно было избавить,
излечить твердое тело от этих дефектов, прочность сразу
возросла бы во много раз. Сейчас научились выращивать
очень маленькие нитевидные кристаллики, которые в
отличие от обычных кристаллов почти бездефектны.
Прочность таких нитевидных монокристалликов (их иногда
называют усами) необычайно велика. Например,
прочность цинковых нитевидных кристаллов достигает
225 кГ/мм2; это в 50 раз превышает прочность обычных
монокристаллов цинка. Но пока размеры нитевидных
кристалликов со столь замечательными механическими
свойствами очень малы: их длина обычно не превышает
10 мм, а толщина нескольких микрон, и пока нет
оснований ожидать, что в ближайшее время научатся
выращивать бездефектные кристаллы такой величины, что из них
можно было бы изготовлять детали машин. Самое
замечательное в нитевидных кристаллах то, что с их помощью
доказана реальность попыток повышения прочности
металлов до громадных, казавшихся ранее
неправдоподобными величин, близких к теоретической прочности,
иными словами открыты пути для поисков сверхпрочных
материалов.
Есть и другой способ повышения прочности металлов.
Он известен с глубокой древности, но подробное изучение
его начато только в последнее время. Путь этот прямо
противоположен только что указанному. Уже говорилось,
что реальная низкая прочность твердых тел обусловлена
наличием дефектов. Казалось бы, чем меньше дефектов,
91

тем лучше. Ho это слишком поспешный вывод: твердое
тело обладает большой прочностью при полном
отсутствии дефектов или, наоборот, при очень большом
количестве их. Это объясняется тем, что бывают дефекты двух
родов. Одни — это дислокации, свободно двигающиеся в
плоскостях скольжения; именно они обеспечивают
высокую пластичность материала, являются первопричиной
его непрочности. Дефекты другого рода более или менее
прочно закреплены в кристаллической решетке и лишены
подвижности. К ним относятся дислокации, не лежащие
в плоскости скольжения, а пересекающие ее под каким-
либо углом, группы дислокаций, инородные включения,
посторонние атомы и особенно скопления таких атомов.
Неподвижные дефекты, попадаясь на пути
перемещающихся дислокаций, препятствуют их движению. Чем
больше таких дефектов, тем сильнее затрудняют они
пластическое течение и тем, следовательно, прочнее
материал.
Одним из основных препятствий движению
дислокаций служат границы зерен. Если границ много и
расстояния между ними невелики, прочность повышается.
В древнейшие времена знали, что металл будет прочным,
если его структуру сделать мелкозернистой. Для этого,
металл подвергали ковке и нагреву. В результате
проковки кристаллическая решетка металла сильно искажается,
а при нагревании металл освобождается от возникших
внутренних напряжений и его структура становится более
однородной. Повторяя операции несколько раз, удается
получать металл с очень однородной мелкозернистой
структурой. В сочетании с закалкой эти операции
получили название термомеханической обработки металлов,
которая в наше время позволяет получать высокопрочные
стали; напряжение разрушения у таких сталей вдвое
выше, чем у самых прочных сталей, полученных
обычными способами.
Но какая же связь между термомеханической
обработкой металлов и структурными изменениями галлиро-
ванного монокристалла олова? Дело в том, что под
действием галлия и очень малых внутренних напряжений
кристалл олова распадается на мелкие кристаллики,
которые почти совершенно бездефектны. Ведь разделение
более крупных кристаллов на мелкие происходит именно
по дефектам, где поверхностно-активная среда действует
92

сильнее. И результате получается мелкозернистая и
однородная структура, состоящая из кристалликов,
окруженных тонкими прослойками жидкого галлия. Псте-
CTDCHHO, прочность такой структуры мала. Но мала она
только до тех пор, пока прослойки галлия жидкие. Стоит
заморозить образец, и он превращается в очень прочный
монолит. Мы получаем- при этом то, что нужно для
высокой прочности,— мелкие частицы, разделенные
тончайшими, очень прочными прослойками. Действительно,
прочность образца, замороженного после того, как
произошло внутреннее диспергирование, оказывается в
несколько раз больше прочности исходного недиспергиро-
ванного образца, как показали Щукин и авторы этой
книги.
Это пока только модель процесса. Но, возможно, в
будущем удастся найти способы измельчения при
высокой температуре одного металла — тугоплавкого — в
другом, менее тугоплавком расплавленном металле и
получать мелкозернистые высокопрочные сплавы. Измельчать
надо обязательно в присутствии жидкого металла. Это
во много раз облегчает помол, и получающиеся частицы
недеформированы и лишены дефектов.

ГЛАВА VIII
ОРГАНИЧЕСКИЕ
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА
ПЛАСТИФИЦИРУЮТ МЕТАЛЛЫ
В студенческом практикуме по коллоидной химии есть
такая задача. На металлическую пластинку наносится
капля воды и на специальном приборе измеряется
краевой угол смачивания. Чем лучше твердое тело
смачивается жидкостью, тем меньше этот угол. Если величина угла
близка к нулю, жидкость может растечься по
поверхности твердого тела, образуя на нем тонкую пленку; при
краевом угле более 90° жидкость не смачивает твердое
тело. Величина краевого угла определяется
поверхностным натяжением на границах: жидкость — воздух
(ai2), жидкость — твердое тело @31) и твердое тело —
воздух (аз2). Поверхностное натяжение на двух первых
границах препятствует растеканию капли жидкости; на
третьей границе оно играет противоположную роль, т. е.
стремится растянуть каплю (рис. 30).
Обычно вода смачивает металлическую поверхность.
Например, капля воды, помещенная на алюминиевую
пластинку, образует угол в около 60°. Но если ту же
пластинку предварительно погрузить на несколько минут в
раствор стеариновой кислоты в бензоле, то краевой угол
капли воды на ней превысит 90°. То, что алюминий
перестал смачиваться водой, объясняется следующими
причинами. Стеариновая кислота — типичное поверхностно-
активное вещество; оно состоит из полярной
карбоксильной группы СООН и неполярного углеводородного
радикала С17Н35. По общему правилу уравнивания
полярностей полярное стремится к полярному, а неполярное —
к неполярному. Поверхность металла, покрытого окисной
пленкой, обладает ярко выраженной полярностью,
поэтому молекулы стеариновой кислоты своими полярными
группами прочно присоединяются к поверхности металла.
94

Рис. 30. Силы, действующие на каплю жидкости,
находящуюся на поверхности твердого тела
При этом они ориентируются так, что их углеводородные
радикалы («хвосты»), имеющие очень малое сродство к
воде, направлены вверх, перпендикулярно поверхности
металла. Вода ведет себя по отношению к обработанной
стеариновой кислотой поверхности алюминия так же, как
по отношению к поверхности чистого парафина, ведь
наружу торчат только углеводородные хвосты.
Итак, к поверхности металлической пластинки, погруз
женной в раствор поверхностно-активного вещества,
прилипают его молекулы. На языке физической химии, это
означает, что молекулы адсорбируются. Но если есть
адсорбция, значит обязательно должно быть снижение
поверхностного натяжения, так как эти два процесса
связаны неразрывно. А поскольку в результате адсорбции
металлом молекул поверхностно-активного вещества
снижается его поверхностное натяжение, значит должны
изменяться и механические свойства металла.
Теперь эта связь довольно очевидна. Но 35 лет назад,
когда в лаборатории П. А. Ребиндера впервые
обнаружили понижение прочности металлов под действием
органических поверхностно-активных веществ, многие сочли
это совершенно невероятным. Но что поделаешь! В науке
так бывает сплошь и рядом. Ведь часто первая
непроизвольная реакция человека, услышавшего о новом,
совершенно необычном явлении, выражается восклицанием:
«Не может быть! Тут что-то не так!» Но затем новая идея
постепенно обрастает экспериментальными и теоретиче-
95

скимп данными, к ней приникают, и часто тот же скептик
через несколько лет уверенно заявляет; «Но это же
совершенно очевидно! Это вытекает из термодинамики!»
Приблизительно так и случилось с эффектом Ребиндера.
ДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Органические поверхностно-активные вещества — те
самые, которые употребляют для снижения поверхностного
натяжения воды,— способны изменять механические
свойства металлов. Наиболее ярко эта способность
проявляется на -металлических «монокристаллах, которые в
присутствии таких веществ становятся заметно
пластичнее. Это выражается в том, что при растяжении
монокристалла с постоянной скоростью деформирования в
растворе адсорбционно-активного вещества его предел
текучести и коэффициент упрочнения заметно снижаются.
Напомним, что пределом текучести называется такое
напряжение, при котором начинается деформация
монокристалла. После того как предел текучести пройден,
напряжение, необходимое для дальнейшего деформиро-
вания, постепенно повышается, однако значительно
медленнее, чем до предела текучести. Тангенс угла наклона
кривой деформации к оси абсцисс после предела текуче
сти называется коэффициентом упрочнения.
Из рис. 31 (работы Лихтмана) видно, насколько
большее напряжение требуется для того, чтобы
деформировать монокристалл олова в инактивной среде
(вазелиновое масло) по сравнению с деформацией в
поверхностно-активной среде @,2i%-ный раствор олеиновой кислоты;
в вазелиновом масле).
Пластичность металлов, и их ползучесть повышают
растворы многих органических поверхностно-активных
веществ (спиртов, кислот и т. д.) в неполярных
растворителях — бензоле, толуоле, вазелиновом масле.
Весьма существенным фактором при этом
является концентрация растворенного поверхностно-активного
вещества. Если она меньше или больше оптимальной, то
эффективность действия поверхностно-активного
вещества уменьшается. Оптимальной считается такая
концентрация, при которой на поверхности образца образуется
насыщенный мономолекулярный слой. Для разных ве-
96

О 1 2й SO
Относительная деформации,
180
Рис. 31. Крппыо расти жо-
itиvi монокристаллом
олова и инактивноп (/) к
активной B) среде
ществ она различна,
но всегда
соответствует правилу
Дюкло— Траубе (стр.
35): поверхностная
активность каждого
следующего члена
гомологического
ряда, как это было
показано А. Б. Тауб-
маном и Е. К. Венст-
рем, возрастает в
определенное число раз, а концентрация этого
вещества в растворе, необходимая для достижения
предельной адсорбции и максимального снижения прочности,
соответственно убывает.
Для проявления эффекта адсорбционного
пластифицирования не меньшее значение имеют скорость
деформации и температура. Действие органических поверхностно-
активных сред на металлические монокристаллы можно
наблюдать только в довольно узких интервалах
температуры и скорости растяжения. Вне этих интервалов
обнаружить эффект трудно, и часто, неправильно выбрав
режим деформирования, некоторые экспериментаторы
приходили к ошибочному выводу, что вообще нет никакого
влияния среды.
Поверхностно-активные вещества могут вызывать и
своеобразные структурные изменения деформируемых
монокристаллов. Как мы указывали в главе I, по своей
структуре монокристалл похож на стопку монет; при
деформации пачки монет скользят друг по другу. Под
действием поверхностно-активных веществ количество монет
в пачке резко уменьшается, в результате чего кристалл
растягивается гораздо равномернее.
При помощи микрокиносъемки в отраженном свете
удалось проследить весь процесс пластического течения
монокристаллов в инактив.ных и активных средах и
установить, что действие поверхностно-активных веществ
7 Эффект Ребиндера
97

-^§^ШШ1ШШ ^ -- : я Шшш&&&
начинает проявляться уже в самых начальных стадиях
деформации, до достижения предела текучести. На рис. 32
представлены кинограммы, полученные при съемке
монокристаллов олова, подвергнутых растяжению на
воздухе (а) и в растворе олеиновой кислоты в вазслинобом
масле (б). В присутствии поверхностно-активной среды
структура монокристалла гораздо тоньше: толщина
пачек скольжения не превышает 3—4 мк, тогда как при
растяжении на воздухе образуются пачки толщиной
до 500 мк.
98

' ^I^^Mi& - Ш&к. " г;ДШ||||«ШИЙ№'Ш1Ш1Шп1|:'
Рис. 32.
Кинограмма
монокристаллов олова,
деформируемых на
воздухе (а) и в
присутствии
поверхностно -
активного вещества (б)
ЭЛЕКТРОКАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Для выяснения механизма действия
поверхностно-активных веществ на металлические монокристаллы большое
значение имеют исследования так называемого
электрокапиллярного эффекта. Из электрохимии известно, что
поверхностное натяжение металла (например, жидкой
ртути) уменьшается, если его поверхность подвергнуть
поляризации. Наблюдать это явление можно в простом
приборе — капиллярном электрометре (рис. 33). При
7* 99

-0,5 О Щ5 1
Потенциал, В
Рис. 33. Капиллярный электрометр и
электрокапиллярная кривая
наложении потенциала ртуть получает заряд. При этом
изменяется ее поверхностное натяжение и происходит
перемещение мениска в капилляре U-образной трубки.
Зависимость поверхностного натяжения ртути от величины
поляризующего потенциала изображается
электрокапиллярной кривой. Подобные кривые характерны и для
других расплавленных металлов (галлия, таллия, свинца,
цинка).
Было высказано предположение, что наложение
потенциала на твердый металл также должнб привести к
понижению его поверхностного натяжения и,
соответственно, к изменению механических свойств.
Действительно, при потенциале, соответствующем максимуму
поверхностного натяжения для жидкого металла
(максимуму на электрокапиллярной кривой), имеет
место максимум твердости. При изменении потенциала в ту
или иную сторону твердость металла уменьшается. Вен-
стрем в СССР было показано также, что при
деформации металлических монокристаллов в точке нулевого
заряда скорость пластического течения металла
минимальна; в дальнейшем эти работы были развиты немецким
ученым Маз'ингом с сотрудниками.
Поскольку и наложение потенциала, и действие
поверхностно-активных веществ связаны с изменением по-
100

верхностного натяжения, которое в свою очередь влияет
на механические свойства твердых металлов, становится
очевидным, что оба эти явления имеют одну и ту же
природу. Таким образом, электрокапиллярный эффект
понижения прочности металлов является блестящим
подтверждением адсорбционной природы действия
органических поверхностно-активных веществ.
ПРИЧИНЫ ПЛАСТИФИЦИРОВАНИЯ
Теперь, когда описаны основные закономерности
влияния органических поверхностно-активных веществ на
механические свойства металлов, попытаемся представить
себе возможный механизм адсорбционного
пластифицирования. При этом нужно учитывать, что действие
органических веществ чисто поверхностное и что они не
сильно снижают поверхностое натяжение: обычно не более
чем на 10% исходного.
Напомним, что пластическое течение кристалла
представляет собой зарождение и движение дислокаций в шю-_
скости скольжения и их выход ,на поверхность кристалла.
Адсорбция поверхностно-активных веществ влияет, как
показал Щукин, на взаимодействие дислокаций с
поверхностью.
Схема на рис. 34 иллюстрирует механизм
пластифицирующего действия органических
поверхностно-активных веществ. Пусть в объеме кристалла находится
дислокация, лежащая в плоскости скольжения (а). При
наложении внешнего скалывающего напряжения дислокация
начнет перемещаться внутри кристалла (б), приближаясь
к поверхности (в). Для того чтобы дислокация вышла
на поверхность (г), надо преодолеть поверхностный
энергетический барьер, совершить работу для образования
на поверхности ступеньки (элементарный сдвиг). Эта
работа пропорциональна поверхностной энергии
деформируемого твердого тела и может снизиться, если на его
поверхности адсорбированы молекулы
поверхностно-активного вещества. Именно благодаря уменьшению
поверхностного энергетического барьера в результате
адсорбции и происходит пластифицирование материала:
для выхода дислокации на поверхность требуется уже
меньшее общее напряжение, и при постоянном
приложенном напряжении р единицу времени будет выходить

/
f
V
\
/
4
-
-
¦
у
\
m
(
1
/
Рис. 34. Схема образования на поверхности
кристалла элементарного сдвига
большее число дислокаций, т. е. произойдет больше
пластических сдвигов.
Преодоление дислокацией любого препятствия, в том
числе и поверхностного, облегчается с повышением
температуры, так какч благодаря интенсивному тепловому
движению дислокации сами преодолевают препятствия,
не требуя внешних дополнительных усилий. В этом
случае действие органических поверхностно-активных
веществ не проявляется.
При определенных условиях пластифицирующее
действие на моно- и поликристаллические металлы могут
оказывать и адсорбционно-активные металлические
расплавы. Например, обнаружено пластифицирующее
действие жидких ртути и олова на монокристаллы цинка.
Это явление наблюдается в условиях медленной
ползучести при растяжении под действием постоянной
нагрузки. При такой медленной деформации температурный
порог хладноломкости лежит ниже температуры опыта, и
цинк не становится хрупким в присутствии ртути.
102

Пластифицирующее действие расплавов аналогично
действию органических поверхностно-активных веществ:
в обоих случаях облегчается выход дислокаций на
поверхность. Однако атомы расплавов способны
пластифицировать и поликристаллические металлы, так как в
отличие от молекул органических веществ они могут быстро
проникнуть в поверхностный слой по границам зерен;
снизив свободную поверхностную энергию на этих
границах, атомы расплава облегчают сдвигообразование.
Итак, дислокационные представления помогают
понять, каким образом органические
поверхностно-активные вещества влияют на механические свойства
кристаллов и, в частности, почему их действие проявляется
только в узком (Интервале температур. А это .в свою очередь
дает возможность понять молекулярный механизм
процесса, пусть даже для одного частного случая:
органическая среда — металлические монокристаллы. В этом
частном случае получен ответ на один, можно сказать,
философский вопрос: как совмещаются во времени и
пространстве процесс адсорбции и процесс понижения
прочности? Ведь, казалось бы, адсорбция может происходить
только на уже имеющейся поверхности, а под действием
поверхностно-активных веществ должна снижаться
энергия той поверхности, которая еще только будет
развиваться. В общем здесь возникал парадокс, вроде
задачи о курице и яйце: что происходит раньше — адсорбция
или образование новой поверхности?
Вместе с тем, изучая действие органических
поверхностно-активных веществ, становится ясным, почему оно
заметно только на тонких металлических
монокристаллах. Ведь адсорбционно-активиая среда действует лишь
с поверхности; она облегчает дислокациям выход туда,
но никак не влияет на внутренние препятствия движению
дислокаций. Именно поэтому в поликристаллах, где
границы зерен препятствуют движению дислокаций гораздо
сильнее, чем поверхность, влияние
поверхностно-активных веществ почти не заметно.
Отсюда не следует делать вывод, что органические
поверхностно-активные вещества изменяют
механические свойства металлов только в таких экзотических
случаях, как растяжение тонких монокристаллов. В
следующем разделе мы рассмотрим приложение
адсорбционного понижения прочности к некоторым техническим
103

процессам, которые .емшаны с деформацией,
локализованной в поверхностном слое. В таких случаях степень
проявления эффекта Ребипдера не зависит от структуры
и размеров металлических образцов.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
И РЕЗАНИЕМ
Хорошо известно, что для уменьшения трения между
двумя поверхностями, скользящими друг относительно
друга, применяют смазки, которые могут быть твердыми,
жидкими и даже газообразными.. Их используют в самых
разнообразных условиях: при низкой температуре и при
высокой, при больших давлениях и при малых, при
огромном числе обо1ро,то,в и при сов'сем медленном
движении. Общее, наиболее важное для смазок всех видов это
то, что они должны облегчать скольжение поверхностей
и препятствовать их прилипанию, задиру и износу.
Сущность процессов, протекающих при трении одной
поверхности о другую, сводится, по-видимому, к
следующему. Всякая, даже очень тщательно отполированная
поверхность обладает микрошероховатостыо. При
тесном сближении двух таких поверхностей между атомами,
образующими поверхностные слои, возникают настолько
значительные силы притяжения, что в ряде мест
микрошероховатости оказываются как бы сваренными. Весь
процесс скольжения одной поверхности по другой
представляется состоящим из бесконечного числа актов
сваривания и разрыва трущихся поверхностей. В результате
даже при малых нагрузках происходит деформирование
поверхностных слоев. В процессе трения поверхностная
деформация может развиться настолько, что если не
будет принято специальных мер, произойдет сваривание
больших участков поверхностей, что приведет к задиру
и преждевременному износу материала. Для
предотвращения этого трущиеся поверхности покрывают тонким
слоем смазывающих веществ.
Познакомившись с явлениями, сопровождающими
трение, мы можем сразу сказать, что лучшими смазками
должны быть поверхностно-активные вещества.
Действительно, легко адсорбируясь на свободной поверхности/
эти вещества прочно связываются с ней, образуя
устойчивую адсорбционную пленку из ориентированных мо-
104

л оку л. Прочность сцсилош-ш пленки с трущейся
поверхностью особенно важна в тех случаях, когдп новерхностп
находятся под большем давлением. Водь смазка,
непрочно связанная с поверхностью, быстро выдавливается, и
тогда трение между поверхностями резко возрастает.
В связи с этим поверхностно-активные смазки
используют главным образов при обработке металлов
давлением: при вытяжке, волочении, холодной прокатке.
Именно при такой обработке на границе металла с
инструментом возникает очень большое давление и устойчивость
смазки приобретает первостепенное значение.
Следует, однако, заметить, что трение при обработке
давлением имеет несколько специфический характер.
В этих условиях возникают большие давления и
площадь молекулярных контактов, т. е. возможных мест
сварки, очень велика. В результате при перемещении
поверхности изделия относительно поверхности
инструмента, обладающего повышенной твердостью, верхний
слой обрабатываемого металла испытывает пластическое
течение. Перед инструментом образуется наплыв металла
(валик), перемещение которого требует больших усилий.
В присутствии смазки наплыв уменьшается (рис. 35),
обработка металлов облегчается и поверхность металла
оказывается значительно лучшего качества.
В общем случае можно сказать, что при обработке
давлением внешнее трение переходит в пластическое'
деформирование поверхностного слоя обрабатываемого
металла. Естественно, что при этом сильнее всего
деформируются зерна металла, расположенные на
поверхности,— они вытягиваются в направлении движения
изделия и превращаются в тонкие пластинки. Структура
поверхностного слоя совершенно разрушается, глубинные
же слои металла при этом деформируются значительно
слабее.
Таким образом, при обработке металлов давлением
прилагаемые усилия затрачиваются, во-первых, на
придание образцу или заготовке нужной формы и,
во-вторых, на пластический сдвиг поверхностного слоя
металла. В первом случае результаты усилий полезны, а во
втором вредны, так как затрудняют обработку. На
пластический сдвиг металла часто затрачивается большая
часть усилий; при этом нередко поверхностный слой не
выдерживает столь большого напряжения, и на нем по-
105

Рис. 35. Профиль металла перед инструментом при
обработке без смазки (а) и со смазкой* (б)
являются трещины. Отсюда ясно, какое важное
практическое значение имеют способы предотвращения или
хотя бы уменьшения захвата металла инструментом.
В принципе для того, чтобы защитить обрабатываемый
металл от нежелательной избыточной деформации,
достаточно сосредоточить ее вне основного
обрабатываемого металла. Если нанести на его поверхность тонкий слой
какого-либо вещества (графита, молибденита, талька
и т. д.) или пленку другого, более пластичного металла,
то такая пленка примет на себя всю сдвиговую
деформацию, а основной металл будет подвергаться только
106

формоизменению. Как показывают опыты, достаточно
пленки толщиной 0,05—0,1 микрона, чтобы усилия,
например, волочения уменьшились в несколько раз.
Использовать для этой цели мягкие металлы дорого
и неудобно; лучше сделать поверхностный слой самого
обрабатываемого металла более пластичным. И здесь
важнейшую роль играют поверхностно-активные
вещества. В их присутствии поверхностный слой металла
пластифицируется, становится более текучим. При
обработке изделия давлением этот размягченный слой принимает
на себя всю избыточную сдвиговую деформацию. Таким
образом, получается, что смазывает металл не смазка,
содержащая поверхностно-активное вещество, а тонкий
слой самого металла, пластифицированный этим
веществом: металл как бы сам себя смазывает. Этот
интересный вывод сделан Вейлером и Лихтманом.
Действие тончайшего, легко деформируемого слоя
может усилиться в результате химического
взаимодействия металла с активными группами молекул
поверхностно-активного вещества. Образующиеся соединения
(типа металлических мыл) прочно связываются с
поверхностью и усиливают процесс ее пластификации.
Влияние поверхностно-активных веществ на
обработку металлов давлением можно ч изучать следующим
образом: взять какой-либо инструмент, применяемый в
производстве, например фильеру для волочения
проволоки, и измерить усилие, необходимое для протягивания
проволоки. Проделав то же самое с использованием
активной смазки, легко определить полученный эффект.
Однако в такой постановке опыта есть один существенный
недостаток. При протягивании металла через фильеру
мы можем получить сведения только о том, что такая-то
смазка на столько-то снижает усилие волочения и в
такой-то степени улучшает состояние поверхности. Однако
судить, насколько эффективно действует эта смазка,
можно только, сравнивая ее с другими. Абсолютного же
критерия оценки эффективности нет, так как неизвестен
предел снижения усилия, которого можно достигнуть с
помощью смазки.
Вот тут на помощь приходит простой прибор,
состоящий из двух параллельных соприкасающихся валков,
между которыми протягивается лист металла. Валки
могут быть закреплены неподвижно и могут свободно вра-
107

щаться. В первом случае получается полная аналогия с
фильерой. При протаскивании листа и зазор между
валками у входа в валки быстро образуется наплыв металла,
который затем перемещается по всему листу; при этом в
поверхностном слое происходят очень большие
пластические сдвиги. В результате оказывается, что нельзя
повысить производительность операции волочения: при усиле:
нии обжатия листа сопротивление волочению становится
настолько велико, что лист может разорваться. Таким
образом, при неподвижно закрепленных вилках большая
доля усилия волочения тратится впустую — на
пластические сдвиги в пЬверхностном слое, на перемещение
наплыва вдоль образца. При свободно вращающихся
валках все усилия идут только на изменение формы образца
(если пренебречь трением в подшипниках и трением
качения валка). Следовательно, описываемый прибор дает
возможность определить разницу усилий при двух раз-
йых способах протягивания образца. Эта разница
соответствует работе, затрачиваемой на пластическую
деформацию поверхностного слоя, т. е. расходуемой зря.
Именно эту работу надо уменьшить с помощью смазок, в
идеальном случае снизить до нуля. А усилие, с которым
протягивается образец через свободно вращающиеся
валки,— тот предел, к которому надо стремиться,
подбирая смазки.
Поверхностно-активные компоненты смазки не такие
уж редкие вещества. В небольших количествах они
присутствуют, например, в нефти как продукты окисления,
деструкции и других химических реакций. Вот почему
мнргие погоны нефти являются хорошими смазками.
Однако в современном производстве часто требуются
чистые индивидуальные поверхностно-активные вещества,,
которые получают синтетическим путем.
Народному хозяйству нужны миллионы тонн смазок, а
поверхностно-активные вещества, применяемые в
качестве смазывающих материалов, стоят дорого. Положе-.
ние спасает их высокая поверхностная активность,
способность концентрироваться на границе с
деформируемым металлом, т. е. именно там, где нужно оказать
пластифицирующее действие. В связи с этим совсем малые
добавки поверхностно-активных веществ вызывают
большой эффект; дальнейшее увеличение их концентрации
почти не сказывается.
198

Рис. 3(i. Заниси-
moctii усилия поло-
чспия стальной
проволоки от
толщины елся меди
(в мк)
/ —волочение всухую;
2 — в присутствии
смазки
80 У
| t
0
х 1
0,2 Qfi
Толщина
°-
~-~—*
i
0,6
- II —
1
медного слоя
——Ч-) /
Исследование структуры и свойств
пластифицированного слоя металла, образующегося под действием
поверхностно-активных веществ, представляет большой
теоретический и практический интерес. К сожалению,
непосредственных исследований такого слоя пока еще нет,
проводятся только косвенные опыты с использованием
материалов, моделирующих пластифицированный слой.
Таким материалом может служить, например, медь. Если
стальную проволоку покрыть топким слоем меди, то
усилия волочения будут уменьшаться с увеличением
толщины покрытия (рис. 36). Максимальное снижение
усилий наблюдается при толщине слоя 0,05—0,1 мк. В
присутствии смазок оптимум толщины покрытия не
изменяется. Отсюда был сделай вывод, что толщина
пластифицированного слоя при обработке металлов давлением
составляет 0,1 мк и меньше.
Все сказанное нами о снижении.в присутствии
активных смазок усилий волочения справедливо и для
других способов обработки металлов — прессования,
осаживания, вытяжки и т. д. Везде, где обработка связана со
скольжением инструмента по металлу, поверхностно-
активные вещества оказываются незаменимыми. Они
увеличивают допустимую степень обжатия металла,
способствуют повышению качества поверхностей,
уменьшают износ инструмента, снижают энергетические
затраты. Все это объясняется образованием на
поверхностях трения тонкого пластифицированного слоя металла,
принимающего на себя всю избыточную деформацию и
служащего смазкой в месте соприкосновения изделия и
инструмента.
109

Есть еще одна область обработки металлов, где
поверхностно-активные вещества нашли широкое
применение,— это резание металлов. Здесь они входят в состав
смазочно-охлаждающих жидкостей. Это вода,
содержащая поверхностно-активные электролиты и
антикоррозионные вещества (ингибиторы коррозии), масла с
добавкой органических поверхностно-активных веществ
или эмульсии этих веществ, в воде. Такие смазочно-
охлаждающие жидкости увеличивают
производительность операции резания и повышают чистоту
обрабатываемых поверхностей. Механизм их действия пока еще
не выяснен окончательно. Ранее считалось, что
жидкости, обладающие смазывающими свойствами,
уменьшают внешнее трение между резцом и стружкой металла.
Но, по-видимому, это не совсем так. Если все
заключалось бы только в образовании тонкой жидкой
смазывающей пленки, отделяющей резец от стружки, то при
высоком давлении (т. е. при больших усилиях резания)
она быстро бы выдавливалась и переставала
действовать. Однако этого не происходит. По аналогии с
действием смазок при обработке металлов давлением можно,
видимо, считать, что действие поверхностно-активных
присадок к охлаждающим жидкостям также сводится к
образованию пластифицированной зоны на поверхности
металла, прилегающей к резцу. Тем самым, как показал
Г. И. Епифанов, облегчается скольжение стружки по
резцу, предотвращается. налипание на него
металла.
Эта гипотеза удовлетворительно объясняет
установленные практикой условия, при которых смазочно-охлаж-
дающие жидкости действуют наиболее эффективно: они
облегчают резание только при снятии тонких стружек и
если скорость резания не превышает некоторой
критической величины — около 100 м/мин. Очевидно, при
большей скорости резания и при снятии толстых стружек
молекулы поверхностно-активного вещества не успевают
проникнуть в зону предразрушения, адсорбироваться
там и произвести свое пластифицирующее действие.
Поскольку в присутствии активной смазки
деформация сосредоточивается в тонком поверхностном слое,
понятно, почему действие смазки особенно сильно
сказывается при резании пластичных металлов, которые дают
большие сдвиги в зоне резания. Так, при обработке
110

стали-45 выигрыш в скорости резания при
использовании смазочно-охлаждающих жидкостей достигает 35—
40%, тогда как при обработке серого чугуна — всего 10—
15%. Также незначителен эффект применения
поверхностно-активных веществ при обработке металлов
твердосплавным инструментом.
СМАЗКИ-ПОМОЩНИКИ И СМАЗКИ-РАЗРУШИТЕЛИ
Поверхностно-активные вещества в качестве добавок
к смазочным материалам находят все большее
применение. Они оказались особенно эффективными
компонентами смазок, которые используются в начальные
периоды эксплуатации для ускорения приработки деталей
машин. Вот тут-то большую помощь оказывают
поверхностно-активные вещества. Добавленные к смазкам, они
размягчают тончайший поверхностный слой металла,
способствуют постепенному сглаживанию его
неровностей, ускоряют и облегчают процесс приработки поверх-,
ностей. Другими словами, они как бы облагораживают
обычные смазки, резко повышая эффективность их
действия.
Начальное сглаживание поверхностей — это полезный
износ, так как при дальнейшей работе машины износ
приработанных и смазанных поверхностей резко
снижается благодаря уменьшению местных напряжений. И это
естественно: усилия распределяются на гораздо большую
поверхность, тогда как на неприработанных поверхностях
они сосредоточиваются на отдельных выступах.
Отсюда, казалось бы, возникает вполне естественный
вывод: поверхностно-активные присадки надо вводить во
все смазочные масла. Надо-то надо, но с
осторожностью. Дело в том, что поверхностно-активные вещества
могут вызывать преждевременный выход из строя частей
механизма, находящихся в непрерывном движении.
Иначе говоря, поверхностно-активные вещества понижают
усталостную прочность металлов.
Уже в самом начале развития машиностроения было
замечено явление «усталости» металлов. Оно
проявляется в том, что под действием знакопеременных усилий
(вибрация, частые удары, изгибы и т. д.) металл внезапно
хрупко разрушается, хотя заведомо известно, что
приложенные напряжения намного меньше тех, которые вызы-
111

вают разрушение при статических испытаниях металла
(например, при растяжении). Это чрезвычайно
неприятное явление объясняется тем, что под действием
многократно прикладываемых нагрузок, когда деталь
находится то в сжатом, то в растянутом состоянии,
структура металла постепенно расшатывается. На поверхности
детали появляются мелкие трещины, которые затем
увеличиваются и вызывают разрушение. Для каждого
металла и сплава существует так называемый предел
усталостной прочности, т. е. максимальное напряжение,
которое они выдерживают, не обнаруживая признаков
усталостного разрушения. Предел прочности можно
характеризовать также числом циклов приложения
нагрузки, которое выдерживает металл.
Мы заговорили об усталостной прочности металлов
потому, что и здесь поверхностно-активные вещества
играют важную роль, но, к сожалению, прямо
противоположную — из помощников они «превращаются в
разрушителей. Они снижают предел усталостной прочности
металла, уменьшают число циклов, которое
выдерживают детали, преждевременно выводят из строя
коленчатые валы, шатуны, пружины и т. д. Вот данные,
подтверждающие разрушительное действие поверхностно-
активлых веществ. П,ри испытании на кручение образцы
стали 40Х выдерживают на воздухе или в среде
неполярных углеводородов 1,6 млн. циклов, а в присутствии
поверхностно-активного вещества — олеиновой
кислоты— всего 700 тыс. пиклов.
Естественно, как только выяснилось вредное действие
поверхностно-активных веществ на усталостные свойства
металлов (особенно стали), так были начаты подробные
исследования этого явления, в первую очередь для
изыскания методов повышения стойкости металлов к
усталости в агрессивных средах. Работами Г. В. Карпенко с
сотрудниками установлено, что действие среды
проявляется по-разному в зависимости от состава и структуры
исследуемого металла. У мягких сталей с малым
содержанием углерода предел усталостной прочности сни- .
жается в агрессивной среде на 3—7%, а у
сталей *с повышенным содержанием углерода—на 15—
20%. Было обнаружено также, что по мере увеличения
толщины образцов действие поверхностно-активной
среды ослабевает.
112

Разрушение металла под действием периодически
действующих нагрузок — сложный процесс пластической
микродеформац-ии отдельных зерен металла,
расположенных на поверхности. По мере развития усталости
поверхность металла постепенно разрыхляется и на ней
появляются зародышевые микротрещины. Если металл
покрыт пленкой активной смазки, то ее молекулы
проникают в микротрещины и препятствуют их смыканию в тот
момент, когда на образец действует сжимающее усилие.
Естественно, что крупные молекулы органических
поверхностно-активных веществ могут проникать только в
трещины, выходящие на поверхность, размеры молекул
препятствуют их проникновению в решетку металла. Но
если трещины достаточно велики, среда может
засасываться в них капиллярными силами, а в очень узких
трещинах, где вязкое сопротивление течения тонкого слоя
•жидкости велико, поверхностно-активные молекулы
могут достигать вершины трещины (зоны предразрушения)
путем поверхностной диффузии — двухмерной миграции
по стенкам трещины.
Преждевременная усталость металлических деталей
зачастую * приводит к большим материальным потерям.
Приведем пример. Несколько лет назад для смазки
механизмов, работающих в очень жестких условиях, стали
использовать масла с небольшими добавками сернистых
соединений и поверхностно-активных веществ.
Применение таких масел значительно уменьшало износ трущихся
поверхностей и сулило большие выгоды, но оказалось,
однако, что оно влечет за собой некоторые неприятные
последствия. Дизели некоторых тепловозов довольно
часто выходят из строя из-за поломки чугунного
коленчатого вала. Этот вал работает в сложных условиях
знакопеременных нагрузок (изгибающие и скручивающие
усилия); естественно, что для его эксплуатации требуется
усиленная смазка. Исследования показали, что именно
тэна-то и является одной из причин частых поломок вала.
Пока для смазки дизельных двигателей применяли
дизельное масло без присадки поверхностно-активных мы-
лоподобных веществ, валы работали в 2 раза дольше.
То же самое отмечается для поршней и латунных
подшипников: там, где применяются смазки с поверхностно-
активными веществами, эти детали выходят из строя
гораздо быстрее.
8 Эффект Ребивдера > ИЗ

Из сказанного видно, с какой осторожностью надо
подходить к смазке деталей поверхностно-активными
веществами. Однако не надо впадать в крайность и совсем
отвергать активные присадки к маслам: очень часто
такие присадки полезны, иногда даже необходимы —
например для ускорения приработки деталей. Здесь важно
определить наиболее эффективные условия их
использования, а это и является одной из основных задач физико-
химической механики металлов.
. Мы уже говорили о том, что в некоторых тепловых
установках, в частности в атомных, широко применяются
жидкие металлы. Это значит, многие детали и механизмы
таких установок работают при очень высокой
температуре и в непосредственном контакте с жидким металлом.
Естественно, что вопрос о долговечности
конструкционных металлов приобретает здесь особую остроту.
Конечно, жидкими теплоносителя ми служат обычно
совсем неактивные или малоактивные по отношению к
металлу расплавы. Никому не придет в голову
использовать в установке, работающей на ртути, латунные или
алюминиевые детали — они немедленно выйдут из строя.
Однако и малоактивные расплавы при длительной
эксплуатации способны вызывать преждевременное
разрушение конструкций.
Детальные, широкие исследования действия жидких
металлов на твердые в самом широком диапазоне
температуры, при различном составе компонентов, при
разной продолжительности и разном характере
напряжения—также неотложная задача физико-химической
механики металлов.

ГЛАВА IX
ПОНИЖЕНИЕ ПРОЧНОСТИ
НЕМЕТАЛЛОВ
Исторически исследования адсорбционного понижения
•прочности твердых тел развивались в такой
последовательности. В 1928 г. П. А. Ребиндер впервые йоказал,
что прочность на раскалывание неорганических
кристаллов в водных растворах поверхностно-активных веществ
меньше, чем на воздухе, и в довоенные годы именно
влияние органических поверхностно-активных веществ на
прочность твердых тел (металлов и неметаллов)
изучалось наиболее интенсивно. Это направление оставалось
основным в течение десяти лет после войны. Только в
середине 50-х годов начинается последовательное
исследование адсорбционных эффектов в присутствии жидких
металлов. Новое направление — адсорбционное
понижение прочности под действием металлических расплавов —
привлекло внимание многих физико-химиков, и за
сравнительно короткий срок здесь удалось добиться больших
успехов.
Однако не следует делать вывод, что изучение
адсорбционных эффектов в присутствии поверхностно-активных
веществ органического происхождения сошло на нет;
напротив, оно и теперь представляет большой практический
и научный интерес. По-видимому, здесь, как это часто
бывало в истории науки, интересное экспериментальное
открытие послужило истоком не одного, а нескольких
самостоятельных научных направлений. Изучение
адсорбционного эффекта изменения механических свойств
металлов под действием растворов поверхностно-активных
веществ, так же как и изменение прочности в присутствии
металлических покрытий, представляет сейчас уже
вполне самостоятельную научную дисциплину со своими
специфическими представлениями и методами исследования.
8* 115

Приведём некоторые примеры, показывающие, какой
важный вклад вносит эта область физико-химической
механики твердых тел в развитие многих отраслей
народного хозяйства.
ПРОЧНОСТЬ КАТАЛИЗАТОРОВ
Роль катализаторов в современной химической
промышленности огромна. Без катализаторов сейчас не может
обойтись почти ни одно химическое производство.
Получение таких важнейших продуктов химической
промышленности, как синтетический каучук, пластические
массы, аммиак, серная и азотная кислоты, было бы
невозможно, если бы не было катализаторов. Ежегодное
потребление катализаторов исчисляется десятками тысяч
тонн, несмотря на то что стоимость многих из них очень
велика.
Катализаторы не вступают в химические реакции и
поэтому не расходуются; в принципе они могли бы служить
очень долгое время. Однако практически это не так:
раньше или позже, но каждый катализатор выходит из
строя. Происходит это обычно вовсе не из-за химического
отравления катализатора, не из-за снижения его
активности. Причина другая — катализатор разрушается
механически, превращается в процессе эксплуатации в
пыль, в труху.
Твердые катализаторы чаще всего применяют в виде
зерен — гранул. Такими гранулами заполняют
громадные (до нескольких метров в высоту) колонны, через
которые пропускаются газообразные или жидкие
вещества— участники химической реакции. Струйки
реагентов свободно текут между гранулами, но с течением
времени гранулы постепенно разрушаются, \и пыль, об-4
разующаяся при их разрушении, забивает все проходы;
в результате реагенты уже не могут проходить через
колонну. Приходится останавливать процесс и разбирать
колонну, удалять из нее содержимое, а затем загружать
свежим катализатором. Мало того, что при этом
тратится много катализатора, производство терпит большие
убытки из-за остановки процесса: не так просто снова
восстановить нужный режим колонны. Отсюда ясно, что
механическая прочность катализаторов имеет
первостепенное значение, часто даже большее, чем химическая
116

активность. Многие прекрасные катализаторы нельзя
использовать именно из-за их механической нестойкости.
Отчего же разрушаются катализаторы? Прежде всего'
при изготовлении катализатора в гранулах возникают
большие внутренние напряжения. Далее, в загруженной
колонне на гранулы, особенно лежащие внизу колонны,
давит весь слой катализатора. Кроме того,
химическое взаимодействие реагентов очень часто
сопровождается выделением тепла, и из-за неравномерного
нагрева в гранулах возникают термические напряжения.
Эти факторы и многие другие трудно учесть при расчете
механической прочности гранул катализатора. Поэтому
всегда создается некоторый запас прочности, но все же,
как правило, в производственных условиях катализатор
оказывается гораздо менее прочным, чем в условиях
предварительных испытаний. Отсюда следует, что
анализа механических свойств катализаторов на основе
теории сопротивления материалов явно недостаточно для
объяснения причин низкой прочности катализаторов и
для изыскания методов удлинения срока их службы.
Совершенно новые перспективы открываются при
изучении катализаторов на основе представлений физико-
химической механики. Главной принципиальной
особенностью катализа на твердых телах является то, что в
этом процессе хотя бы один из участников
каталитической реакции обязательно должен хорошо
адсорбироваться на поверхности данного катализатора.
Следовательно, это вещество должно быть поверхностно-актив-
• ным по отношению к катализатору.
Катализатор все время работает в присутствии по-
верЯностно-активного вещества, и это радикально из-'
меняет весь подход к проблеме. Становится понятным,
почему катализатор в реальных условиях оказывается
значительно менее прочным, чем при механическом
испытании. В реакторе на него одновременно действуют
постоянное напряжение от давления слоя катализатора,
циклические термические напряжения и поверхностно-
активная среда. Вот при каком сложном комплексе
механических и физико-химических условий работает
катализатор. Естественно поэтому, что испытание, например на ,
раздавливание, создает очень слабое представление о
механических свойствах катализатора, о том, как он будет
вести себя в условиях промышленного аппарата. Чтобы
117

разобраться в этом, нужны испытании па прочность в
условиях, воои-рошнодящнх сложное напряженное
состояние катализатора в химическом реакторе. При этом
совершенно необходимо проводить их не на воздухе, а в
присутствии того компонента реакции, который обладает
максимальной поверхностной активностью по отношению
к данному катализатору. Как показали работы Щукина
с сотрудниками, устраняя внутренние напряжения в
гранулах катализатора в самом процессе их изготовления,
можно значительно повысить механическую прочность
катализатора.
Мы остановились на рассмотрении роли
адсорбционного эффекта понижения прочности в каталитических
процессах для того, чтобы подчеркнуть актуальность и
важность исследований, связанных с явлениями, которые
происходят на поверхности твердых тел при
соприкосновении их с активной средой. Прежде чем перейти к
следующим примерам применения поверхностно-активных
веществ, рассмотрим некоторые результаты испытания
твердых тел в разных средах.
ИСПЫТАНИЯ ПРОЧНОСТИ
I \
N
Ц
н
Адсорбционное понижение прочности
неорганических кристаллов и других
хрупких тел в основном исследовалось
так называемым методом
маятникового склерометра, или методом
затухающих колебаний. Благодаря простоте и
высокой чувствительности этот метод
получил очень широкое
распространение. Сущность его заключается в
следующем. На горизонтальную
поверхность твердого тела опирается острие
маятника (рис. 37). Острие изготов-
Рис. 37. Схема маятникового склерометра
/_Острие; 2 — образец; 3 — опора; 4— рамка;
~> — груз
118

л я ют из очень твердого материала ••- алмаза, победита,
закаленной стали. Маятник устанавливается таким
образом, чтобы его центр тяжести находился ниже точки
опоры. Когда маятник выводят из положения равновесия,
он начинает совершать затухающие колебательные
движения. Быстрота затухания колебаний зависит от
твердости и прочности поверхности, на которую опирается
острие маятника. Если поверхность тверда, острие не
может сильно вдавливаться в нее и колебания затухают
медленно, так как им препятствует лишь трение
маятника о воздух. Но если материал хрупок и не очень прочен,
то острие в процессе колебаний разрушает его; в
пластичном материале острие вызывает пластическую
деформацию поверхности. Потери энергии колебательного
движения маятника в обоих этих случаях резко возрастают.
Оказалось, что склерометрическая твердость многих
материалов сильно зависит от характера среды, в
которой находится образец. В средах, не обладающих
адсорбционной активностью, склерометрическая твердость
материала практически не изменяется. Это подтверждают
испытания многих твердых тел на воздухе и в
углеводородной среде. Иная картина наблюдается при контакте
материала с адсорбционно-активной средой. По
отношению ко многим минералам адсорбционной активностью
обладает вода, так как и в ней и в таких минералах есть
группы с достаточно выраженной полярностью»
Смачивание минералов водой часто приводит к снижению их
твердости (по сравнению с твердостью на воздухе) на
20—30%, а иногда и более. Еще сильнее понижают
прочность электролиты, растворенные в воде, причем их
действие бывает максимальным при очень малой
концентрации— не более 0,25%. Наиболее эффективно
действуют электролиты, содержащие какой-либо
многовалентный ион или ион, одинаковый с ионом минерала
(изоморфные ионы). Например, прочность кварцита (ноли;
кристаллический кварц SiO2) на 50—60% понижают
многовалентные электролиты (TiCU, FeCl3, A1C13) и
силикат натрия (Na2Si03). На твердость известняка
(СаСОз) сильнее всего влияет опять-таки силикат
натрия, а также его карбонат, фторид и гидроокись. Для
пирита (FeS2) лучшим понизителем твердости оказался
раствор FeCb.
Большое влияние на хрупкие тела оказывают также
органические поверхностно-активные вещества — иеэлек-
119

тролиты — высшие жирные кислоты и спирты, канифоли,
а также коллоидные электролиты (мыла). Самыми
сильными понизителями твердости оказались растворы, мыл,
особенно щелочные. В отличие от неорганических
электролитов» действие органических веществ сильнее
сказывается при высокой- концентрации. Так, для снижения
твердости кварца <и известняка на 40—60% требуется
около 1 % поверхностно-активного органического вещества.
С помощью метода маятникового склерометра
удалось установить эффективность действия многих
поверхностно-активных веществ, дать рекомендации по их
промышленному использованию. В научном же отношении
этот метод страдал одним существенным недостатком.
Разрушение испытуемого материала под действием
острия маятника происходит в условиях чрезвычайно
сложного напряженного состояния. Острие маятника
давит на материал с более или менее постоянной
нагрузкой и расшатывает его структуру знакопеременными
воздействиями с убывающей амплитудой. Это вносит
неопределенность в изучение действия поверхностно-активной
среды: неясно, на какие именно виды механического
воздействия среда оказывает наиболее сильное влияние.
В связи с этим представилось необходимым исследовать
действие поверхностно-активных сред при менее сложном
напряженном состоянии.
В первую очередь был изучен процесс расщепления
слюды. Слюда — кристалл с чрезвычайно ярко
выраженной плоскостью спайности. Благодаря этому она
легко расщепляется на листочки и может служить
прекрасным объектом для исследования разрушения
кристалла. Опыты по расщеплению слюды в вакууме,
проделанные более 35 лет назад крупнейшим советским
физиком академиком И. В. Обреимовым, представляют
собой пример классического эксперимента, до сих пор
не потерявшего своего значения. Эти опыты впервые
позволили непосредственно измерить поверхностную
энергию твердого тела.
Опыты проводились следующим образом. У
пластинки слюды осторожно отщепляли край тоненького
лепестка. В расщелину вставляли полированный
стеклянный клин, который, передвигаясь, мог постепенно
расщепить всю пластинку. Пластинку с клином помещали в
вакуум. Чтобы определить работу, затрачиваемую на
120

расщепление пластинки, нужно знать силу, с которой
вдвигается в нее клин. Динамометром служил сам
отщепляемый лепесток — сила измерялась по величине его
прогиба. По работе расщепления легко рассчитать
поверхностную энергию слюды: работа, затраченная на
образование новой поверхности, делится на величину этрй
поверхности. Результаты опытов хорошо сходились с
теоретическими вычислениями.
Было показано, что расщепление слюды в вакууме
является полностью обратимым процессом: при удалении
клина трещина смыкается, и, чтобы вновь отщепить
лепесток, требуется затратить ту же работу, что и в начале
опыта. На воздухе расщепление слюды заметно
облегчается и становится уже необратимым (очевидно, из-за
адсорбции газов и паров воды на вновь образующихся
поверхностях). Эти опыты особенно наглядно
показывают, что адсорбирующиеся вещества не только
облегчают образование новых поверхностей, но и
препятствуют обратному смыканию трещин после снятия нагрузки.
Ребиндер с сотрудниками (Г. И. Лрггинов, Д. П.
Орлов) и другие исследователи проводили опыты по
расщеплению слюды в различных жидкостях и в растворах
органических поверхностно-активных веществ. По
сравнению с расщеплением на воздухе жидкие неполярные
углеводороды не вносят ничего нового. В воде усилие,
необходимое для расщепления, уменьшается на 18%; в
водных растворах анилина, сахарозы, олеата натрия и
изоамилового спирта усилие снижалось на 30—40%.
При разрыве тонких лепестков слюды
перпендикулярно плоскости спайности выявлены те же закономерности:
толуол и толуольные растворы не влияли на прочность,
а вода и водные растворы поверхностно-активных
веществ снижают прочность примерно в таких же
размерах, как и при расщеплении.
Опыты по разрушению слюды выявили адсорбционное
действие среды в наиболее чистом виде. Кроме того, они
помогли обнаружить совершенно навое явление, еще раз
подтвердившее многообразие форм проявления
адсорбционного эффекта.
Кристаллы слюды являются истинно упругими
телами. В атмосфере сухого воздуха при нагрузке они
деформируются точно по закону Гука (деформация
пропорциональна напряжению); после снятия нагрузки дефор-
121

мация тотчас исчезает. Совершенно иначе ведут себя
листочки слюды во влажном воздухе или в воде. Здесь
они обнаруживают так называемое упругое
последействие: нагрузка, кроме мгновенно возникшей упругой
деформации, вызывает постепенно развивающуюся
дополнительную деформацию. После снятия нагрузки исчезает
мгновенно лишь некоторая часть общей деформации, *
остальная деформация снимается длительное время.
Особенно ярко упругое последействие проявляется в
растворах поверхностно-активных веществ; образец при-,
обретает первоначальные размеры лишь через несколько
суток. Это явление связано, по-видимому, с тем, что
молекулы поверхностно-активных веществ постепенно
проникают внутрь слюды по различным дефектам
кристаллической структуры. В результате твердое тело как
бы адсорбционно размягчается и перестает быть
истинно упругим.
Представление об адсорбционном размягчении
делает понятным известное в инженерной практике
явление ползучести строительных гипсовых деталей под
влиянием влаги. Строительные детали из гипсобетона имеют
вполне удовлетворительные механические свойства. Но.
эти свойства гипс сохраняет только в сухом воздухе.
В присутствии влаги гипсовые детали даже при
небольшой нагрузке, далекой от предела прочности, начинают
деформироваться, течь, со все возрастающей скоростью.
Причиной такой катастрофической ползучести может
быть насыщенный водяной пар, конденсирующийся в
пористом гидрофильном материале, или -внешнее
смачивание водой, например дождь.
Изучение природы ползучести под действием
поверхностно-активных сред позволило разработать методы ее
предотвращения, например, метод гидрофобизации
гипса и введение в него крупнозернистых армирующих
наполнителей, препятствующих развитию пластической де-'
формации. В результате применение пипса в качестве
строительного материала значительно расширено.
Аналогично слюде ведет себя и другой материал,
который мы привыкли считать абсолютно упругим,—
стекло. И оно действительно совершенно упруго, но
только в сухом воздухе и в неполярной углеводородной среде.
Здесь прочность стекла максимальна — вся деформация
после снятия нагрузки немедленно исчезает. При дефор-
122

мации во влажном воздухе, воде, водных растворах
поверхностно-активных веществ прочность стекла
снижается и оно приобретает упругое последействие. Чем
медленнее нагружение и деформация, тем более ощутим
эффект адсорбционного понижения прочности. Так, в
сухом воздухе или в неполярном керосине стеклянные во-
*локна очень долго выдерживают нагрузку, близкую к
пределу прочности; во влажном же воздухе и в воде они
быстро разрушаются от вдвое меньшей нагрузки. Осо-
,бенно сильно прочность стекла снижают водные
растворы органических поверхностно-активных веществ.
По-видимому, здесь, как и в случае слюды, главную
роль играют поверхностно-активные вещества,
проникающие в поверхностные дефекты стекла. Дефекты,
возникшие в процессе образования стеклянных нитей,
раскрываются под действием нагрузки ;и служат как бы
каналами для поверхностно-активной среды. Эти
соображения подтверждают следующие опыты. Поверхностный
слой стеклянных волокон стравливают плавиковой
кислотой. При толщине стравленного слоя 0,3—0,5 мк
прочность волокна возрастает в 3 раза. При этом заметно
уменьшается склонность стекла к упругому
последействию.
ПОНИЗИТЕЛИ ТВЕРДОСТИ
Явление понижения прочности неметаллических тел под
влиянием поверхностно-активных веществ быстро нашло
практическое применение. Например, понизители
твердости минералов заметно интенсифицируют процесс
бурения горных пород. В ряде случаев с их помощью скорость
проходки скважин повышается на 20—60% и более.
Промышленный метод такого бурения разработан П. А. Ре-
биндером, Л. А. Шрейнером и К. Ф. Жигачом.
Применение понизителей твердости особенно
эффективно при разрушении горных пород действием частых
циклических нагрузок. Это относится прежде всего к
перфораторному способу бурения, а также к колонковому
разведочному бурению. И это станет понятным, если
вспомнить влияние поверхностно-активных веществ на
усталостные свойства твердого тела.
Поверхностно-активные вещества не только ускоряют переход материала
в состояние, близкое к пределу прочности, но и препят-
123

ствуют «залечиванию» образующихся дефектов п
перерывах между ударами. lie менее нажно и то, что в
присутствии поверхностно-активных веществ режущий
инструмент изнашивается гораздо медленнее. Л смена
режущих элементов бура (долот, резцов или шарошек)
при глубине скважины километр и более дело не легкое:
бур приходится поднимать наружу, разбирая при этом
всю колонну труб.
Поверхностно-активные вещества не только
предохраняют режущую кромку инструмента от затупления, но и,
способствуют ее самозатачиванию: при повышении
пластичности тончайшего поверхностного слоя металла
материал инструмента сошлифовывается с поверхностей,
прилежащих к режущей кромке.
В промышленности понизителями твердости при
бурении часто служат полимерные органические вещества —
карбоксиметилцеллюлоза, лигносульфонаты
сульфитно-спиртовых щелоков, гуматы из бурого угля или торфа.
Иногда их применяют в смеси с электролитами,
например растворимыми силикатами. Такие смеси резко
снижают число смен режущего инструмента, так как
заметно ускоряют проходку глубоких скважин.
Широкие перспективы открываются при применении
поверхностно-активных веществ для тонкого
измельчения твердых тел. Здесь они играют двоякую роль. С
одной стороны, они облегчают процесс разрушения,
повышают эффективность и производительность операций,
связанных с этим процессом. С другой стороны, адсор-
бируясь на мельчайших частицах, полученных в
результате помола, поверхностно-активные вещества
препятствуют слипанию, стабилизируют порошкообразную
массу. Вот почему тонкий помол часто производят в жидкой
среде, содержащей поверхностно-активное вещество; по
мере образования новых поверхностей молекулы
вещества немедленно адсорбируются на них. Применяя силь-.
но действующие поверхностно-активные вещества,
удается измельчать пластичные материалы, которые в
обычных условиях не поддаются помолу. К таким материалам
относятся многие металлы. Помолоть пластичный
металл, например, в вибрационной мельнице практически
нельзя — многочисленные удары мелящих тел приводят
лишь к пластической деформации металла. Небольшая
добавка поверхностно-активного вещества (жидкого ме-
124

t;i./m;i) радикально меняет Д(\/к>: к«iк покапали опыты
II. В. Перцова, пластичный металл стапомитен хрупким и
легко измельчается.
Применение поверхностно-активных веществ не
только позволило в значительной степени повысить
производительность таких важных технологических процессов,
как шлифование и полироэка, но и обеспечило улучшение
качества поверхности 'изделий; такое влияние этих
веществ объясняется тем, что они оказывают свое действие
прежде всего на механические свойства поверхностных
слоев твердого тела, а в подобных операциях именно это
обстоятельство и оказывается наиболее существенным.
Мы рассказали лишь о немногих областях
применения поверхностно-активных веществ для снижения
прочности твердых тел, поскольку вопросы промышленного
использования их не являлись основной темой этой
книги. Наши старания были направлены на изложение
основной сущности эффекта Ребиндера, и они будут
оправданы, если идеи, изложенные в книге, вызовут интерес у
читателей. Может быть, некоторые из них смогут
по-новому оценить явления снижения прочности, с которыми
им приходится сталкиваться в повседневной практиче?
ской деятельности. Авторы будут чрезвычайно
признательны за сообщения о новых случаях проявления
эффекта Ребиндера, а также за критические замечания о книге.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
П. А. Ребиндер. Поверхностно-активные вещества. «Знание», 1961
П. А. Ребиндер.. Физико-химическая механика. Новая область
науки. «Знание», 1958.
П. А. Ребиндер. На границах наук. «Знание», 1963.
Б. В. Дерягин. Что такое трение? Изд-во АН СССР, 1963.
B. И. Лихтман, Е. Д. Щукин, П. А. Ребиндер.
Физико-химическая механика металлов. Изд-во АН СССР, 1962.
C. Я. В е й л е р, В. И. Л и х т м ан. Действие смазок при обработке
металлов давлением. Изд-во АН СССР, 1960.
Я. М. Пота к. Хрупкие разрушения стали и стальных деталей.
Оборонгиз, 1955»
У. Ростокер, Дж. Мак-Коги, Г. Маркус. Хрупкость под
действием жидких металлов. ИЛ, 1962.
Г. В. Карпенко. Прочность стали в коррозионной среде. Машги.ч»
1963.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение... .. ... . .3
Глава I. Структура и механические свойства кристаллов . 7
Кристаллическое строение металлов 9
Растяжение монокристаллов и поликристаллических тел 11
Теоретическая и реальная прочность твердых тел . . 13
Дислокации 15
Глава II. Поверхностная энергия жидкостей и твердых тел 18
Природа поверхностной энергии 18
Методы измерения поверхностного натяжения ... 21
Глава III. Адсорбция поверхностно-активных веществ . . 28
Поверхностно-активные вещества ... 29
Основные закономерности адсорбции . 33
Поверхностные явления в металлах ... 37
4 Адсорбция на твердой поверхности ... 40
Глава IV. Металлы становятся хрупкими ..... 42
Эффект Ребиндера 42
Опыты с монокристаллами 46
Причины понижения прочности металлов .... 50
Глава V. Как растут трещины 56
О диффузии — объемной и поверхностной .... 57
Трещина растет, пока поступает расплав . . . . 61
Влияние микрорельефа поверхности 63
Куда расходуется жидкий металл 65
Глава VI. Условия проявления эффекта Ребиндера ... 67
Не все расплавы вызывают хрупкость ...... 68
Кинетические условия разрушения . . 73
Влияние температуры и скорости деформации ... 76
Влияние примесей 80
Особенности „эффекта в поликристаллах .... 82
Действие радиации 84
127

Глава VII. Структурные изменении в металлах . 86
Глава VIII. Органические поверхностно-активные вещества
пластифицируют металлы » . * 94
Действие органических поверхностно-активных' вещее г в 96
Электрокапиллярные явления . ...... 99
Причины пластифицирования . . ; . . . . 101
Обработка металлов давлением и резанием . . . 104
Смазки-помощники и смазки-разрушители . . » . 111 <
Глава IX. Понижение прочности'неметаллов 115
Прочность катализаторов 16
Испытания прочности .... $18 <
Понизители твердости . . 123
Рекомендуемая литература . 126
Юрий Валерьянович Г о р ю н о в,
Николай Валериевич П е р ц о в,
Борис Давидович Сумм
ЭФФЕКТ РЕБЙНДЕРА
Утверждено к печати редколлегией
научно-популярной литературы Академии наук СССР
Редактор В, М.. Тарасенко. Художник Ю. И. Зеленков
Технический редактор Г. Астафьева
Сдано в набор 28/V 1965 г. Подписано к печати 12/VIII 1966 г.
Формат 84 ХA08»/з2. Печ. л. 4. Усл. печ. л. 6,72. Уч.-изд. л. 6,1.
Тираж 10000 экз. Т-11642. Изд. № 1011/66. Тип. зак. 6240.
Цена 37 коп.
Издательство «Наука». Москва, К-62, Подсосенский пер., д. 21
2-я типография издательства «Наука». Москва, Г-99, Шубинский пер., 10

ОПЕЧАТКИ
Стр.
39
57
64
82
125
Строка
11 сн.
8 сн.
4 сн.
20 сн.
2 св.
Напечатано
0,83
x/t^xW
мг/мл8
1,1
Н. В.
Должно бшть
0,083
xit^xW
мг/мм8
0,1
А. В.

-1..
.


"


"


\...


.


.