Сошко В.А, Ляшков В.С., Симинченко И.П.

Херсонский национальный технический университет

Эффект адсорбционного облегчения процесса механической обработки металла.

Основателем относительно новой области науки – физико-химической механики материалов П.А. Ребиндером неизменно подчеркивалось и явилось предметом всестороннего предмета изучения в ряде работ его сотрудников и последователей [1-6], что в разнообразных контактных взаимодействиях деформируемого твердого тела со средой адсорбционное (и хемосорбционное) закрепление молекул поверхностно-активных веществ на контактируемых поверхностях приводит к облегчению процессов деформации и разрушения [2]. Отмечалось, однако, что этот эффект проявляется только в той мере, в какой стерические факторы позволяют, а кинетические обеспечивают поступление среды в вершину трещины [2]

Системные исследования, проведенные в этом направлении, подтверждают плодотворность этого научного направления, и его теория находится в полном соответствии с общими термодинамическими представлениями Гиббса о понижении поверхностного натяжения вещества под влиянием адсорбции.

Вместе с тем, в некоторых случаях, например в экстремальных условиях, которые создаются в зоне разрушения металла при его механической обработке, результаты влияния поверхностно-активной среды на параметры энергетических затрат при механической обработке не всегда согласуются с предложенной моделью адсорбционного понижения прочности.

То обстоятельство, что, с одной стороны, наблюдаемые экспериментальные данные подтверждают проявление эффекта Ребендера, как конечный результат влияния среды, а с другой стороны, общепринятая адсорбционная теория не всегда согласуется с ними, иллюстрируют следующие примеры.

Влияние среды на процессы хрупкого и пластического разрушения металла.

Хрупкое разрушение является следствием присутствия в материале субмикроскопических трещин с атомарно острыми концами, где концентрация напряжений превышает способность тела сопротивляться этим напряжениям. При этом, когда хрупкие трещины становятся нестабильными и переходят в конечную стадию разрушения – разрыв, их скорость достигает скорости звука в этой среде.

Таким образом, уже по определению самого процесса хрупкого разрушения молекулы, жидкой среды не могут участвовать в процессе разрушения из-за стерического фактора в первом случае, а во втором из-за стерического и кинетического.

Хрупкое разрушение и разрыв являются предельными формами разрушения. Между ними лежит пластическое разрушение, определяемое как разделение тела в присутствии некоторой пластической деформации. Оно происходит путем раскрытия и слияния пор, возникающих у включений или других неоднородностей, путем роста тонких трещин, путем деформационного разрушения и образования интенсивных полос скольжения путем роста пор, возникающих от дислокаций или их пересечений.

Все эти процессы, вызывающие пластическое разрушение тела происходят в его объеме и из-за стерического фактора молекулы среды не могут проникнуть в эту область и взаимодействовать с кристаллическими несовершенствами материала: дислокациями, границами зерен и фаз, вытянутыми частицами второй фазы. По той же причине эти несовершенства не могут быть путями проникновения среды в объем деформируемого тела.

Таким образом, с одной стороны, экспериментальные результаты и опыт применения поверхностно-активных сред в промышленных технологиях разрушения и диспергирования твердых тел свидетельствуют об их эффективности, а с другой общепринятая модель механизма влияния среды не позволяет объяснить наблюдаемые эффекты.

Особенно ярко эти противоречия наблюдаются при обработке металлов резанием и давлением.

Влияние среды на не механическую обработку металла.

При механической обработке скорость резания достигает огромных значений, иногда несколько метров в секунду, и при этом время воздействия на металл режущего инструмента, а значит и среды составляют всего 10³ – 10⁶ с^-1. При штамповке время соприкосновения пуансона с деформируемым металлом составляет всего 10³ – 10⁵ с^-1. При этом высокие скорости деформирования сочетаются с большими контактными давлениями на поверхность обрабатываемого металла (более 200 кгс/мм²), специфическими условиями нагружения, высокими температурами, градиентом напряжений и деформаций в зоне обработки. При таких условиях влияние поверхностно-активной среды, согласно адсорбционной теории, должно быть минимальным, или вообще отсутствовать (из-за кинетического и стерического факторов). На самом деле, во многих случаях эффективность среды, наоборот, достигает максимального значения [6].

Влияние среды на поверхностную энергию.

Авторы и сторонники адсорбционной теории связывают изменение прочностных свойств деформирующего металла под влиянием среды с изменением его поверхностной энергии в результате обратимой адсорбции среды на образующихся новых поверхностях и компенсации сил разорвавшихся межатомных связей.

Рассмотрим ситуацию в которой осуществляется взаимодействие непрерывно образующейся новой поверхности металла в процессе его деформирования с молекулами, содержащимися в поверхностно-активной среде.

Сразу отметим, что любое суждение о прочности твердого тела будет нереальным, если оно не учитывает реакции материала на присутствие концентраторов напряжения, подобных острым трещинам с межатомным размером на ее кончике [7,8].

Существует бесчисленное множество вариантов разрушения металла в кончике трещины. Атомы могут просто оттягиваться друг от друга, как при чисто хрупком разрушении. Они могут соскальзывать один по другому, как в различных случаях пластического разрушения. В поликристаллах трещина может сначала переходить из одного зерна в другое, распространяясь в каждом вдоль определенных плоскостей, либо огибать зерна и идти по их границам, либо распространяться каким-нибудь более сложным образом, вызывая на части пути пластические деформации, а другие участки материала разделяя хрупко. В двухфазных материалах трещина может распространяться хрупко в одной фазе и вызывать текучесть, либо обходить одну из них, либо, наконец, обе и идти по слабым границам раздела [9].

Это только некоторые из возможных видов разрушения металла, но все они происходят либо на поверхности кончика трещины, либо за ним, в некотором объеме материала.

Для того, что бы молекулы среды могли оказывать влияние на прочность материала, они должны вмешиваться в процесс разрушения, т.е. находиться в очаге разрушения. Для этого они должны мигрировать по берегам трещины к ее вершине, размеры которой определяются межатомным расстоянием и деформировать в объем метала у вершины трещины. И в первом, и во втором случае такие процессы невозможны из-за стерических препятствий.

Кроме того следует отметить, что даже если допустить, возможность молекулы среды каким-то путем достигнуть вершины трещины, то в этом случае их контакт с деформируемым материалом не может вызывать заметные изменения прочности. Поскольку тепловой эффект процесса физической (обратной) адсорбции любой жидкости на стали невелик и обычно не превышает 2 – 4 ккал/моль, что свидетельствует о малой прочности связи молекул среды с металлом [10, 11].

Даже вследствие физической адсорбции водорода, химического элемента наиболее сильно влияющего на прочность стали, поверхностная энергия металла уменьшается всего на 900 эрг/см², что составляет весьма малую величину фактических энергетических затрат при разрушении (2*10⁵ эрг/см²).

Таким образом, с одной стороны, имеется обширный экспериментальный материал, убедительно показывающий проявление эффекта Ребиндера, а с другой стороны, предположенный механизм этого явления не всегда согласуется с этими результатами исследований, а также с данными практического применения поверхностно-активных сред в качестве разнообразных технологических средств. По этим же причинам нельзя объяснить многократное снижение энергетических затрат на процесс резания стали в поверхностно-активной среде если в неё добавить полимер, вещество не изменяющее адсорбционную активность среды. Кстати сказать, согласно адсорбционной теории, с повышением скорости резания в такой среде эффект от её влияния должен снижаться, а на самом деле, он значительно увеличивается.

Здесь следует также отметить, что связывать наблюдаемый эффект влияния среды на прочность твердого тела с её адсорбцией (физической или химической) и снижением, как следствие этого, поверхностной энергии на вновь образующихся поверхностях разрушаемого материала нет оснований т.к. такая поверхность уже оказывает сопротивления к процессу разрушения.

Сложность процессов, протекающих в результате взаимодействия поверхностно-активной среды с деформируемым твердым телом, по-видимому, обусловило выдвижение ряда гипотез, объясняющие эти процессы [12-14]. Вместе с тем, во многих случаях предлагаемые на микроуровне механизмы влияния среды, не всегда согласуются с данными, проявляемые на макроуровне.

Вероятно, некоторые спорные положения в объяснении влияния среды на прочность[12-15] вызваны протеканием сложных, трудно регистрируемых процессов и разнообразных явлений происходящих при деформации и разрушении. К этому, отметим также, что рассматриваемая проблема лежит на границе различных областей науки, которые, как правило, изучают только одну сторону процесса и не рассматривают совокупность одновременно действующих факторов, влияющих на его протекание. По этим причинам достижения в смежных научных областях не всегда можно в полной мере использовать при рассмотрении данной проблемы.

Таким образом, можно констатировать, что несмотря на большое количество исследований, выполненных отечественными и зарубежными учоными, единой всеобъемлющей теории действия СОТС при механической обработке металлов резанием и давлением пока нет.

Поэтому, для уточнения механизма физико-химических процессов, протекающих при деформации и разрушении твердого тела, учитывающего влияние на эти процессы совокупность одновременно действующих различных факторов – механических, состава и структуры исследуемого твердого тела, уровня температур и состава окружающей среды, необходимы дальнейшие исследования и апробация их результатов в промышленности.

В данной работе сделана попытка хотя бы качественно увязать фактические данные о влиянии жидкой среды на прочность деформируемого твердого тела, наблюдаемые на макроуровне, с реальными процессами и явлениями, протекающими при этом на микроуровне.

Для этого рассмотрим наиболее сложную ситуацию, которая складывается в локальной области металла, где сконцентрированы максимальные напряжения и исключительно сложные по своей многоплановости и экстремальности условия протекания процесса, каковым является процесс резания металла при непрерывном поливе жидкости с эмульгированным в ней компонент.

Известно [16,17], что в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого металла, параметров и способа его механической обработки, угла заточки режущего инструмента, вида СОТС на работу пластической деформации затрачивается до 90% суммарной роботы. Все остальные энергетические затраты на резание (работа, затрачиваемая на трение, упругую деформацию, образование и рост трещин) составляют только незначительную её часть. Отсюда следует, что для радикального снижения энергетических затрат на процесс резания необходимо искать пути внешнего воздействия на процесс пластической деформации металла. Это означает, что решить такую задачу путём увеличения адсорбционной активности СОТС не предоставляется возможным.

В поисках решения этой задачи была предположена модель влияния обратимой адсорбции на прочность твердого тела, которая предполагает многостадийное превращение поверхностно-активной на каталитически активных поверхностях, образующихся при разрушении металла, среды в химически активную.

В рамках этой работы [6] исследования были сконцентрированы главным образом на возможности применения водорода в качестве технологической среды в процессах механической обработки металла.

Известно, что среди всех химических элементов водород, введенный в металл, может наиболее радикально изменить различные его свойства и, в первую очередь механические. Растворяясь во многих металлах водород, вызывает расширение решетки металла. Каждый внедренный примесной атом водорода вызывает смещение атомов металла из их равновесных положений [18], и возникающие напряжения кристаллической решетки приводит к целому ряду изменений физических и механических свойств. Кроме этого необходимо принимать во внимание не только эффект, который дает водород сам по себе, но и возможность образования новой структуры, а также изменения, вызванные трансформацией самой кристаллической решетки.

В Японии предпринимались попытки применять газообразный водород в молекулярном состоянии в зоне резания. Хотя первые результаты были обнадеживающие, однако промышленного применения такой способ не получил из-за высокой пожаро-взрывоопасности газообразного водорода [19,20].

В дальнейшем, в качестве «поставщика» водорода в зону резания нами был предложен полимер, который состоит из многократно повторяющихся атомов водорода и углерода [21,22].

Находясь в составе СОТС, полимер (например, полиэтилен или поливинилхлорид) на нагретых поверхностях в зоне резания подвергается термодеструкции. Дальнейшие исследования были сконцентрированы главным образом на детальном изучении состава газообразных продуктов полимерных присадок в СОТС и модельных соединений и выявлены влияния тех или иных компонентов газовых смесей на процесс резания металла.

Первые опыты, проведенные в этом направлении, показали, что при пиролизе полимерной составляющей СОТС образуется углерод и водород в атомарной и другой активной форме (Н⁺, Н^- и радикальные фрагменты макроцепи полимера) [6]. В дальнейшем была выдвинута гипотеза о перманентной карбонизации режущей кромки инструмента, наводороживание металла в области максимальной концентрации напряжений и активном участии водорода в процессе деформации и разрушения металла [6]. Эта активность проявляется в радикальном снижении энергозатрат на процесс резания, значительном повышении стойкости режущего инструмента, улучшении качества обработанной поверхности [23].

Следовательно, механизм снижения прочности под влиянием обратимой адсорбции среды является значительно сложнее и адсорбция молекул среды на деформируемом твердом теле является только первым актом в многостадийном процессе ее химических преобразований, на последней стадии, которой образуется водород в активных формах (Н⁺, Н^- и Н).

Было установлено также, что при резании в поверхностно-активных средах в снимаемом и в приповерхностном слое обработанного металла, а также в образцах стали после их статического деформирования в поверхностно- активных средах даже без добавки полимера всегда присутствует водород (добавление в состав поверхностно-активной среды увеличивает концентрацию водорода, более, чем на порядок) [6].

Таким образом, полученные данные дают основание заключить, что решающая роль в снижении прочности металла в процессе его деформирования в поверхностно-активной среде принадлежит не адсорбционному взаимодействию молекул среды с атомами твердого тела, а водороду, который образуется в результате химических реакций молекул среды, содержащих водород.

Литература

1. Ребиндер П.А. Изд. ОМЕН АН СССР. Сер. Хим., 1936, №5, с.639.

2. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А., физико- химическая механика

материалов, изд. АН СССР, 1962, с. 303.

3. Горюнов Ю.В. Эффект Ребиндера, Изд. Наука, М., 1966, с. 171.

4. Карпенко Г.В., Крипякевич Р.И., Влияние водорода на свойства стали, М.,

Металлург- издат, 1962. –с. 51.

5. Тетерский В.А., Сошко А.И. //сб. Влияние рабочих сред на свойства

металлов.- К.: изд. Наук. Думка, 1964. –с 51.

6. Сошко А.И., Сошко В.А. Смазочно- охлаждающие технологические

средства в механической обработке металлов, изд. Олди плюс, Херсон,

2008, ч.1, с. 388

7. Финкель В.М. Физика разрушения, изд. Металлургия, М., 1970, с.343.

8. Stepanov A.W. Z. Phys., 1934, Bd 92, Niundz, s. 42.

9. Механические свойства новых материалов. Сб. под ред. Г.Н. Баренблатта,

Изд. Мир, М., 1966. -254 с.

10. Emmet P., Harckness B. Journ. Amer. Chem. Soc, 1935. -57p.

11. Галакбионова Н.А. Водород в металлах, Изд. «Металлургия», М., 1967, -

297 с.

12. Треннел Е.М. Хемосорбция. М., ИЛ., 1958, -217 с.

13. Басоло Ф., Джонсон Р., Химия координационных соеденений, М., «Мир»,

1966, -197 с.

14. Rogers H.C., Acta Metallurg, 1956, 4,№ 2, -117 p.

15. Кариенко Т.В., Ткачев В.И., Литвин А.К., ДАН СССР, 1974, 214, №1.

16. Зорев Н.И., Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких сплавов. –

М., -1966, -77с.

17. Ломадзе Г.Н. сб. Трение и износ при резании металлов, М., Маличиз,

1955, -120 с.

18. Водород в металлах под ред. Г. Алефельда и Н. Фёлькля М., изд. Мир, 1,

1981, -475 с.

19. Proc. 19^th Gap. Cougr. Mater. Res, Kyoto, 1976. -101 p/

20. Hori S., Kishi K., Kato H., Jim S -43,1968, -352 p/

21. А.С. 582268 (СССР) Смазочно-охлаждающая жидкость для

механической обработки металлов/ Сошко А.И., от 8.07.1977.

22. А.С. 1641873 (СССР) Смазочно-охлаждающая жидкость для

механической обработки металлов резанием/ Сошко А.И., от15.12.1990

23. Справочник, Смазочно-охлаждающие технологические средства для

обработки металлов резанием / под ред. Энтелиса С.Г., М.,

Машиностроение 1986, -352 с.

24. Блат Т.Ф. Физика электронной проводимости твердых тел: пер. с англ.

М.: Мир, 1971, -470 с.