Вести с полей: эффект Ребиндера

Всероссийская конференция «Поверхностные явления в дисперсных системах» была посвящена 125-летию со дня рождения выдающегося академика Петра Александровича Ребиндера. В 1928 году молодой ученый на Съезде русских физиков сделал доклад о влиянии адсорбционно-активной среды на прочность твердого тела. Впервые прочность рассматривалась как поверхностная, а не объемная характеристика. Наравне с теорией разрушения Гриффитса это стало прорывом в понимании процессов разрушения твердых тел и заложило основы нового научного направления — физико-химической механики. Об этом эффекте — эффекте Ребиндера — и пойдет речь в нашей статье.

Под адсорбционным понижением прочности (эффект Ребиндера) обычно понимают понижение прочности твердого тела при контакте с внешней адсорбционной средой без механической нагрузки. В этом заключается принципиальное различие между адсорбционными и коррозионными процессами при разрушении под воздействием окружающей среды.

Адсорбционное взаимодействие между твердым телом и окружающей средой по определению локализовано на поверхности твердого тела. Коррозия, напротив, всегда приводит к образованию объемных продуктов химического взаимодействия твердого тела с окружающей средой. В отличие от адсорбционного понижения прочности, процесс коррозии происходит после того, как компоненты окружающей среды адсорбируются на поверхности материала, и сопровождается растворением и накоплением твердых продуктов коррозии.

Коррозионный процесс необратим, в то время как в ряде случаев при адсорбционном понижении прочности после удаления поверхностно-активной среды твердое тело восстанавливает свои свойства (кроме случаев самодиспергирования). При этом процессы адсорбционного понижения прочности и коррозионного растрескивания под напряжением носят катастрофический характер.

Эффект Ребиндера — явление избирательное и наблюдается для определенных пар «твердое тело — среда», близких по химической природе. Например, разрушение горных пород в присутствии растворов солей. Или охрупчивание твердого металла жидким металлом или расплавом. Проявление эффекта возможно при совместном действии среды и механических напряжений. Если в образце уже имеются концентраторы напряжений, то последнее условие не является необходимым.

Яркий пример проявления эффекта Ребиндера — взаимодействие алюминия с расплавом галлия. При нанесении тонким слоем расплава на глубокую царапину на алюминиевой пластине пластичный в обычных условиях металл становится хрупким и ломается в руках. А если оставить смоченную галлием алюминиевую пластину на некоторое время во влажной атмосфере, то алюминий самодиспергируется до порошкообразного состояния. При этом изменение механических свойств твердого тела наблюдается непосредственно при контакте со средой.

Крайне важно понять механизм разрушения и условия проявления адсорбционного понижения прочности. Существует три основных механизма зарождения трещин. В кристаллах, поликристаллах и монокристаллах это в основном слияние дислокаций. Роль среды сводится к тому, что она активизирует поверхностные источники дислокаций и облегчает прорыв поверхностного слоя при формировании вблизи поверхности дислокационных скоплений. Второй известный механизм — это избирательное растворение мест выхода границ зерен или границ фаз на межфазной поверхности. Третий, самый редкий механизм — формирование смачивающей пленки на границах зерен или на границах фаз. Понимание этих механизмов позволяет управлять процессами разрушения твердых тел и имеет важное прикладное значение. В ряде случаев проявление эффекта Ребиндера обеспечивает пластификацию приповерхностных слоев, позволяя снизить коэффициент трения при контакте твердых тел.

Использование адсорбционно-активных сред снижает трудозатраты при механической обработке материалов, увеличивает срок службы инструмента в таких важных отраслях, как машиностроение, горное дело и других. Но применение эффекта Ребиндера этим не ограничивается. На данный момент существует ряд основанных на этом эффекте технологий, позволяющих получать полимерные и композиционные материалы с заранее заданными свойствами. Также перспективными направлениями считаются алюмоводородная энергетика и жидкометаллические теплоносители в ядерной энергетике.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».