Путь к прочности-через разрушение

Путь к прочности-через разрушение

Странно звучит, не правда ли? Всем изве­стно, что прочность — это сопротивление твер­дого тела разрушению. И все-таки, как это ни парадоксально, путь к самой высокой проч­ности ведет через разрушение твердого тела — через его превращение в мельчайшие крупинки. Чтобы понять это удивительное противоречие, выясним, что такое реальные твердые тела и чем они отличаются от идеальных. В кристал­лах расстояния между молекулами, атомами или ионами в среднем очень малы и правиль­ные ряды этих частичек образуют простран­ственную решетку. Такого порядка в располо­жении молекул нет в жидкостях, хотя и здесь молекулы расположены очень плотно. Стекла — вязкие жидкости, они практически не текут и могут быть прочными и упругими, как кри­сталлы, хотя и лишены правильной структуры.

Но беспорядочное тепловое движение моле­кул образует и в кристаллах, и в стеклах изъя­ны, или дефекты,— места с меньшей плотно­стью «упаковки» молекул и с увеличенными расстояниями между ними. Такие дефекты плот­ной структуры — слабые места с пониженной прочностью. Они-то и есть причина того, что прочность реальных твердых тел в несколько сот раз ниже, чем прочность идеальных крис­таллов и стекол. У идеального твердого тела тот же состав и строение, что и в реальном теле, но в его правильной или просто плотной структуре нет слабых мест, изъянов.

Разрушение любого реального твердого те­ла — процесс постепенного раскрытия сначала наиболее слабых мест, а затем все менее и менее опасных дефектов. Представим себе, что тело образовано сеткой переплетенных стальных цепей, в которых на каждые сто стальных звень­ев приходится в среднем по одному бумажному звену. Ясно, что под нагрузкой в такой кон­струкции будут разрываться бумажные звенья, стальные же останутся нетронутыми. В обрыв­ках сетки будет оставаться все меньше и меньше бумажных звеньев, наконец останутся только стальные Такие обрывки цепей из стальных звеньев — маленькие осколки твердого тела — будут очень прочны, в них уже почти совсем не встретишь изъянов.

Теперь вам понятен парадокс: измельчение твердого тела — путь к его упрочнению. Легко сообразить, что крупинки твердого тела станут особенно прочными, близкими к идеальной, т. е. наибольшей прочности, когда их размер приближается к среднему расстоянию между дефектами в структуре (рис. 5).

Современные методы структурного анализа показывают, что в среднем один дефект — зародыш разруше­ния — приходится в твердом теле на несколько сот нормальных расстояний между центрами молекул. Это нормальное расстояние равно нескольким ангстремам — десятимиллионным долям миллиметра. Значит, среднее расстояние между дефектами — десятые доли микрона (около 10^-4 мм). И действительно, тонкое измельчение твердых тел в обычных мельни­цах, постепенно замедляясь, прекращается вовсе, когда размеры крупинок достигают мик­рона или долей микрона. В таких крупинках уже почти нет изъянов, они становятся очень прочными.

Но ведь нам нужны не отдельные, пусть даже сверхпрочные крупинки, а прочное тело большого размера. Устранив бумажные звенья, мы должны теперь соединить обрывки стальных цепей, т. е. склеить или сварить крупинки друг с другом. Это можно сделать, например, связав их тончайшими прослойками другого мелкокристаллического или стекловидного ма­териала. Если эти прослойки будут очень тон­кими, они окажутся упрочненными по тем же причинам.

Измельчение путем разрушения — не един­ственный путь к высокой прочности. Самое главное — получить мелкозернистое (высоко­дисперсное) твердое тело. А прийти к этому можно и другим путем. В расплавленном ме­талле или в другой жидкости, охлажденной ниже температуры плавления, создают усло­вия для быстрого образования множества заро­дышей будущего твердого тела. Затвердевая, жидкость превращается в прочный сросток мельчайших беспорядочно расположенных кристалликов. Такие же кристаллики ново­го твердого тела могут образоваться и в старом теле после термомеханической обра­ботки, в которой сочетаются нагрев, охлаж­дение и пластическая деформация. Таким же путем можно закристаллизовать и стекла. Так получают ситаллы, в которых мельчай­шие кристаллики связаны тонкими прослой­ками твердого, но незакристаллизовавшегося стекла.

Но возвратимся к разрушению твердого тела, к его превращению в мельчайшие кру­пинки. После того как предел измельчения достигнут, упрочненные крупинки начинают сцепляться друг с другом в прочные рыхлые агрегаты. Дальнейшее разрушение прекра­щается — идет обратный процесс. И тут нас снова выручают поверх­ностно-активные веще­ства. Их добавки облег­чают разрушение твер­дого тела, помогают раз­витию в нем дефектов. Это явление, называе­мое адсорбцион­ным понижением прочности, было открыто и исследовано советскими учеными.

Когда тело разруша­ется, у него образуются новые поверхности. Ра­бота, идущая на их образование, и есть сво­бодная поверхностная энергия. Возьмите тол­стую резиновую трубку и надрежьте ее в нескольких местах поперек на разную глубину. Растяните трубку. Вы уви­дите, как в местах надрезов развиваются новые поверхности (рис. 6).

Отпустите трубку, и надрезы благодаря упругости (эластичности) резины сомкнутся. Если же трубку растянуть до предела, она разорвется по самому глубо­кому надрезу. В этом месте развивался самый опасный дефект — зародыш разрушения. Работа, идущая на развитие трещины, определяется поверхностной энергией, которая и понижает­ся в присутствии поверхностно-активных ве­ществ. Если за время развития трещины адсорбционный слой успеет распространиться по новой поверхности и покрыть ее, работа образования трещины и сопротивление тела разрушению понизятся. Это хорошо видно у металлов, которые в обычных условиях пла­стичны. Пластинка из такого металла (напри­мер, цинка) деформируется пластично — обнару­живает большие остаточные деформации, не раз­рушаясь при изгибе. Здесь сильнодействующи­ми поверхностно-активными веществами служат тоже металлы, только легкоплавкие и в жид­ком состоянии: для стали — олово, для цин­ка — ртуть или галлий (белый металл, плавя­щийся при температуре около 30° Ц). Поцарапайте немного цинковую пластинку и нанесите на обна­жаемую поверхность (свободную от окисной плен­ки) капельку ртути. Если попытаться изогнуть пластинку, она даст трещину, а при медлен­ном надавливании сломается, как стекло, даже не изогнувшись. Твердое тело из пластического стало хрупким, так как поверхностно-активное вещество облегчило развитие новой поверх­ности (рис. 7).

Невозможно растереть цинк в порошок без добавки ртути. Добавки поверхностно-актив­ного вещества нужны для тонкого измельче­ния и всех других тел. Вся вновь возникающая поверхность тел должна по мере ее образова­ния покрываться мономолекулярным адсорб­ционным слоем. Для обычного кварцевого пе­ска, например, сильно поверхностно-активным веществом оказывается простая вода: ее добав­ка к сухому песку позволяет тонко помолоть кварц, и образующиеся мельчайшие песчинки не слипаются в агрегаты.

Мы видим, что и образование частиц нового тела при кристаллизации, и процесс разру­шения (измельчения) твердых тел определя­ются поверхностными явлениями. И в том и в другом случае образованием таких малых, а потому и прочных крупинок твердого тела можно управлять с помощью адсорбционных слоев. Они облегчают развитие дефектов — зародышей разрушения — и могут задержать дальнейший рост мельчайших кристалликов. Такие кристаллики-зародыши могут плотно срастаться. Именно так и образуются новые сплавы, сохраняющие свою прочность до очень высокой температуры — до 3000°. Прочность таких металлов на растяжение достигает 200— 300 кгс/мм² (по новой системе СИ — 2000— 3000 н/мм²).

Чтобы разорвать проволоку из такого ме­талла диаметром 1 мм, т. е. площадью попереч­ного сечения около 0,8 мм², надо подвесить к ней груз в 200 кг. А какой длины должна быть такая проволока, чтобы она разорвалась от собственного веса? Представим себе, что мы подняли ее на воздушном шаре, сматывая с огромной катушки, как кабель. Вес прово­локи длиной L см и с площадью сечения Q см² будет равен QLD, где D — плотность ме­талла в г/см³. На единицу площади сечения растягивающая сила веса составит LD, и, если проволока разорвется при длине L_m, прочность на разрыв будет P_m=L_mD. Отсюда

Для сталей D≈8 г/см³, и, следовательно, при P_m=24•10³ кгс/см² разрывная длина проволоки составит

 

  или 30 км,  т. е. наш воздушный шар должен быть стра­тостатом (рис. 8). Кстати, разрывная длина не зависит от диаметра (сечения) проволоки: она одна и та же и для проволоки диаметром 1 мм и для плетеного каната. Вес проволоки будет, конечно, пропор­ционален площади по­перечного сечения, но на единицу этой площа­ди он будет один и тот же.

Однако, как мы уже знаем, даже такая ог­ромная прочность зна­чительно ниже идеаль­ной. Чтобы приблизить­ся к идеальной проч­ности, надо, как мы ви­дели, постараться (с уча­стием поверхностно-ак­тивных веществ!) рас­крыть все изъяны в кру­пинках-кристалликах, а затем сварить или плот­но склеить эти кру­пинки.

Равномерно переме­шать мельчайшие кру­пинки, а затем предель­но плотно их упако­вать — вот главная за­дача порошковой металлургии, а также технологии тон­кой жаропрочной керамики, огнеупоров и ме­таллокерамики. Тугоплавкие твердые тела мо­гут быть сформованы без плавления и литья. Они формуются из тонких порошков с неболь­шим количеством связующего, роль которого часто играет поверхностно-активное вещество. Отформованное изделие спекается при тем­пературе хотя и высокой, но не достигающей точки плавления. Спекание — поверх­ностное явление, подобное слиянию двух капель ртути в одну,— происходит бла­годаря уменьшению поверхностной энергии. В твердых телах ему способствует диффузия, скорость которой растет с повышением темпе­ратуры.

Уплотнить мелкозернистый порошок не так-то просто. Для этого нужна огромная и дорогая прессовая аппаратура, развивающая высокие давления. Но и в таких прессах хо­рошо уплотняются только Пластичные зерна, например зерна мягких металлов, которые как бы текут под давлением и заполняют все пустоты. Зерна же твердых, тугоплавких и хруп­ких материалов не текут и лишь немного (упру­го) деформируются. В спрессованном материале возникают огромные внутренние (упругие) на­пряжения. Когда давление снимают, эти внут­ренние напряжения разрывают изделие иногда еще до спекания, возникает растрескивание, идет брак.

Новая отрасль науки — физико-химическая механика решает задачу, как управлять дис­персной структурой и свойствами будущего материала в процессе его образования. Физи­ко-химическая механика предлагает эффектив­ный и дешевый способ: все связи между кру­пинками разрушаются интенсивной вибрацией с частотой около 10 тыс. колебаний в минуту. Снова путь к прочности через разрушение! И дело вовсе не в том, чтобы просто подверг­нуть порошок вибрированию,— вибрационные воздействия применяют в технике давным-дав­но. Важно знать, какой должна быть вибра­ция, чтобы смешение было однородным, упа­ковка наиболее плотной, а следовательно, и конечная прочность материала максимально высокой. Нужно, чтобы подвижность смеси стала наибольшей, т. е. разрушились бы все молекулярные связи.

Вы, конечно, догадываетесь, что и тут дело не обходится без поверхностно-активных ве­ществ, обволакивающих каждую крупинку тончайшим смазочным слоем. Эти замечатель­ные вещества в сочетании с предельным вибри­рованием и позволяют обойтись без громозд­ких прессов. Теперь давление для наиболее плотной упаковки требуется в сотни раз мень­шее. Крупинки порошка укладываются плотно (рис. 9), внутренних напряжений не возни­кает, и изделие после спекания получается очень прочным.

Изменяя размеры зерен порошка, можно создавать высокопрочные тела с различной пористостью вроде фильтров, или поглотителей, или катализаторов в виде таблеток или гранул. Катализаторы — дисперсные тела с сильно раз­витой поверхностью пор, на которой в адсорб­ционных слоях быстро протекают химические реакции.

Современной химической технологии как раз и нужны прочные катализаторы, выдерживаю­щие интенсивные газовые потоки.

Самый распространенный строительный ма­териал— цементный, бетон. Частицы тонко молотого цемента при перемешивании с водой, песком и щебнем растворяются в воде, и из раствора выкристаллизовываются гидратные новообразования — химические соединения це­мента с водой. Кристаллики срастаются друг с другом и с поверхностью песчинок, щебня и стальной арматуры, объединяя всю массу в затвердевший монолит. Все это, казалось бы, несложно. Но беда в том, что для бетона тре­буется крупный песок и щебень, а того и дру­гого не так уж много, да и бетон получается плохого качества — рыхлый, непрочный, впи­тывает и пропускает воду, а потом не выдер­живает мороза.

Применение же методов физико-химической механики позволяет использовать в бетоне дешевый мелкозернистый песок, обходиться без дорогого щебня и получать очень плотный, однородный, а следовательно, и прочный, быст­ро твердеющий бетон. Выгода от этого при наших масштабах строитель­ства огромна. Новый бетон, плотный и звонкий, как ме­талл, не боится ни влаги, ни мороза, ни химически агрес­сивных жидкостей. Детали и конструкции из него го­раздо более легкие, изящ­ные и долговечные.

Изучение поверхностных явлений ведет к заветной цели современной науки о материалах — к получению материалов с задан­ными свойствами. Этим и занимается физико-химическая механика, воз­никшая на стыке техноло­гии с физической и коллоид­ной химией, молекулярной физикой твердого тела и ме­ханикой материалов. Химия должна решать сегодня две основные задачи: с одной стороны, синтезировать новые веще­ства или извлекать уже известные вещества из природных источников и, с другой стороны, перерабатывать вещества в разнообразнейшие твердые тела (технические материалы и изде­лия) в строительные материалы для зданий, в детали машин, в волокна, ткани, пленки и т. д. Без решения второй задачи первая не принесет пользы: можно получить новое веще­ство и не найти способ, как его применять, т. е. не суметь превратить его в материал, а именно материалы — основа технического прогресса. Физико-химическая механика вру­чает сегодня технологам простые и универ­сальные методы для решения этой, второй за­дачи, помогая рождению новых материалов.