Приложения эффекта ребиндера

Способность адсорбционно-активных сред заметно облегчать разрушение твердых тел издавна используется при измельчении (см. VI.6): при помоле руды (перед флотационным обогащением), цемента и в других процессах диспергирования. Ребиндер указывал, что точное измельчение не может быть достигнуто чисто механическим путем: развитие огромной поверхности требует вмешательства физико-химических факторов для управления явлениями на возникающих поверхностях. Роль адсорбционного понижения прочности состоит при этом не только з облегчении разрушения твердого тела, но и в предотвращении агрегации, в разрушении коагуляционных контактов, возникающих между частицами.

Вместе с тем, адсорбционно-активные компоненты повсеместно применяются в составе смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) для облегчения разнообразных процессов механической обработки резанием (сверление, точение, фрезерование), шлифования и полирования, поскольку все эти процессы связаны с диспергированием обрабатываемого материала. Иллюстрацией возможностей использования сильных эффектов адсорбционного понижения прочности в этих процессах является применение малых количеств легкоплавких поверхностно-активных металлов при обработке закаленных сталей и твердых сплавов^[1]. Так, в полимерную связку шлифовальных кругов вместе с алмазным порошком вводят порошок легкоплавкого металла. При работе круга за счет повышения температуры при трении происходит выплавление микроколичеств активного металла, который снижает прочность обрабатываемых инструментальных материалов, в том числе твердых сплавов (спеченных порошковых композиций карбидов вольфрама и титана с кобальтом). Резкое понижение прочности обрабатываемого материала позволяет в несколько раз увеличить скорость обработки с одновременным увеличением долговечности самих шлифовальных кругов.

Поверхностные эффекты в процессах диспергирования не исчерпываются понижением поверхностной энергии и прочности в результате чисто физической адсорбции молекул. Так, при использовании СОЖ важную роль играют различные хемосорбционные и механохимические явления, связанные с деструкцией молекул органических веществ при совместном действии механических напряжений, высоких температур в зоне резания и взаимодействия молекул со свежеобразованной (ювенильной) поверхностью твердого тела, имеющей повышенную химическую активность.

Обширной областью использования пластифицирующего действия среды является применение поверхностно-активных веществ при обработке металлов давлением (волочение, штамповка, прокатка). Пластифицирование поверхностных слоев обрабатываемого металла при введении в смазки поверхностно-активных компонентов существенно уменьшает величину усилий, которые необходимо прилагать для осуществления этих процессов, приводит к улучшению качества поверхности и уменьшению степени наклепа (уровня внутренних напряжений) в приповерхностных слоях металла. Здесь, как и в процессах резания, одновременно проявляется и универсальное экранирующее действие адсорбционных слоев, которые препятствуют сцеплению (возникновению фазовых контактов) между поверхностью инструмента и обрабатываемого материала за счет своей невытесняемости из зоны контакта, особенно в условиях хемосорбции.

Велика роль смазок и в работе узлов трения разнообразных машин и механизмов. В этом случае активные вещества могут играть двоякую роль: на начальных этапах работы узла трения они ускоряют износ и тем самым приработку поверхностей трения; в дальнейшем, защищая поверхности, они обеспечивают их минимальный износ. Изучение роли поверхностно-активных сред в процессах трения и износа выделяется в качестве самостоятельной крупной задачи физико-химической механики.

Характерным примером проявления адсорбционного понижения прочности может служить эксплуатация разнообразных адсорбентов и катализаторов: адсорбция (хемосорбция) на поверхности твердой фазы, а следовательно, понижение поверхностной энергии и прочности являются неотъемлемым условием их функционирования. Здесь проявляется взаимное влияние поверхности твердого тела и молекул среды: контакт с твердой фазой облегчает разрыв и перестройку межатомных связей в адсорбируемых молекулах. Эти процессы адсорбции и перестройки молекул адсорбата, в свою очередь, приводят к ослаблению связей в поверхностных слоях катализатора. При этом для усиленного износа катализатора может быть достаточно вн>тренних напряжений, возникших на той или иной стадии приготовления гранул (см. IX.2). Процесс разрушения ускоряется давлением вышележащего слоя гранул и особенно сильно в интенсивном режиме кипящегослоя. Эффективным путем предотвращения ускоренного разрушения адсорбентов и катализаторов является формирование оптимальной конденсационной (кристаллизационной) структуры с прочными фазовыми контактами между составляющими гранулу частицами.

Закономерности связи эффектов понижения прочности твердых металлов в присутствии металлических расплавов с характером межатомных взаимодействий и типом диаграммы состояния позволяют прогнозировать возможность катастрофического понижения прочности конструкции при расплавлении антифрикционных сплавов и антикоррозионных покрытий, при пайке и сварке, а также изыскивать пути защиты от этих опасных явлений. В то же время в некоторых случаях защита металлических конструкций, находящихся в контакте с жидкими металлами, от избирательного воздействия расплава на границы зерен возможна посредством легирования твердого металла таким компонентом, который, не вызывая сам по себе адсорбционного понижения прочности, способен концентрироваться на границах зерен, снижать их энергию и препятствовать проникновению активного жидкого металла.

Ряд новых результатов получен при использовании основных представлений физико-химической механики для анализа процессов, протекающих в земной коре [17]. Это направление, названное физико-химической геомеханикой, рассматривает процессы образования и разрушения горных пород, в которых совместно проявляется роль механических напряжений и адсорбционно-активных жидких фаз — магматических расплавов и гидротермальных растворов. Так, непосредственные экспериментальные исследования показывают, что оксидные и силикатные расплавы могут в несколько раз понижать прочность горных пород. Это позволяет сопоставить действие сходных по составу магматических расплавов в таких явлениях, как образование разломов земной коры.

Подводя итоги, можно сказать, что в зависимости от характера взаимодействия между составляющими твердое тело и среду компонентами, структурных особенностей твердого тела, а также от совокупности внешних условий могут наблюдаться весьма разнообразные по форме и интенсивности проявления эффекты. Это — облегчение пластического течения твердого тела или, наоборот, хрупкое разрушение под действием пониженных напряжений; механохимические процессы в зоне контакта; механическая активация коррозии; процессы, приближающиеся по характеру к самопроизвольному диспергированию (квазисамопроизвольное диспергирование); истинное самопроизвольное диспергирование, приводящее к возникновению термодинамически равновесной лиофильной коллоидной системы. Сложный и разнообразный характер процессов взаимодействия между механически напряженным твердым телом и контактирующей с ним средой требует тщательного всестороннего анализа закономерностей и условий протекания этих процессов, а также их взаимосвязи для сознательного использования (или предотвращения) эффекта Ребиндера.

• [1] По данным разработок коллектива сотрудников кафедры коллоидной химииМГУ, ВНИИАлмаз и Института физической химии РАН.