Содержание к диссертации
Введение
Современные представления о природе, закономерностях проявления, механизме и возможностях практического использования электрокапиллярнога эффекта (литературный обзор )...4.. 7
І.1- Особенности влияния водных сред на механические свойства металлов » 7
1.2, Природа и закономерности проявления электрокапиллярного эффекта . 10
1.3. Механизм электрокапиллярного эффекта ., 37
2, Объекты и методы исследования, .52
2,1, Выбор объектов и методов исследования 52
2,.2, Объекты исследования . 57
2,3, Методы исследования, 61
3, Экспериментальное исследование электрокапиллярного эффекта при ползучести поликристаллического свинца , 85
3.1, Изучение .закономерностей проявления электрокапиллярного эффекта на поликристаллическом свинце 85
3.2, Ползучесть и долговечность свинца в условиях контролируемого изменения поверхностной энергии, напряжений и температуры95
4, Механизм электрокапиллярного эффекта при ползучести поликристаллического свинца,» ЗВ2
4.1 Анализ экспериментальных результатов 132
4.2, Основные положения модели . 136
4.3. Конкретизация модели „ 152
4,4, Сопоставление теории с экспериментом 164
5, Закономерности проявления электрокапиллярного эффекта при абразивной обработке *...,.. 180
Выводы 185
Список литературы. ,...,.. 188
Приложение 202
- Особенности влияния водных сред на механические свойства металлов
- Выбор объектов и методов исследования
- Изучение .закономерностей проявления электрокапиллярного эффекта на поликристаллическом свинце
- Основные положения модели
Введение к работе
Известно, что некоторые жидкие и газообразные среды, находясь в контакте с поверхностью деформируемого металла, способны вызывать заметное изменение его пластичности и прочности» Явления такого типа весьма распространены на практике, однако в одних: случаях они оказываются полезными: ( металлообработка с применением смазочно-охлаждающих жидкостей / СОЖ / ), в других, напротив, -вредны ( коррозия под напряжением ) В связи с этим возникает необходимость в разработке методов, позволяющих регулировать эффективность воздействия среды на механические свойства металлов, чт>, в свою очередь, требует наличия сведений о механизме и закономерностях проявления указанных явлений. Выяснению некоторых^ из этих весьма актуальных вопросов и посвящена настоящая работа.
Как показывают многочисленные исследования, к числу сред, способных вызывать изменение механических свойств металлов, относятся металлические расплавы и неполярные среды, содержащие в своем составе поверхностно-активные вещества ( ПАВ ) или химически активные компоненты, а также водные растворы электролитов. После*-дний случай в практическом отношении представляется наиболее важным вследствие широкой распространенности водных сред в природе и технике.
Согласно современным представлениям, развитым в работах П.А„ Ребиндера, Е.К.Венстрем, ВАЛихтмана, Е.Д.Щукина, Н.В.Перцова, Вествуда, Крамера, Латанисиона и др., влияние водных сред на механическое поведение металла связано с протеканием на межфазной границе металл/электролит некоторых электрохимических процессов: электрического заряжения металлической поверхности и/или адсорбции на ней, приводящих к снижению удельной поверхностной энергии ( Y ) межфазной границы ( эффект Ребиндера ), растворения ( эффект Крамера ) и модификации ( эффект Роско ) металлической поверхности, а также наводороживания металла.
Важнейшее место среди перечисленных эффектов, благодаря своей универсальности, занимает эффект Ребиндера или как его называют в случае, когда снижение поверхностной энергии осуществляется за счет электрического заряжения металлической поверхности - электрокапиллярный эффект изменения механических свойств металла ^. Этот эффект, открытый более 30 лет назад в СССР, чаще всего состоит в облегчении пластической деформации и разрушения металла при электрическом заряжении его поверхности.
В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал по исследованию электрокапиллярного эффекта. Установлено, что он может проявляться на металлах, различающихся по своей химической природе, типу кристаллической решетки и структуре, причем в разнообразных условиях механического воздействия на металл. Изучены некоторые закономерности проявления этого эффекта. Имеются успешные попытки его практического использования для повышения эффективности процессов металлообработки, что указывает на перспективность дальнейших исследований в данном направлении.
Вместе с тем все еще остается невыясненным важнейший вопрос -о микромеханизме электрокапиллярного эффекта. Трудность здесь в том, что для его решения требуются, во-первых, детальные сведения о процессах, ответственных за деформацию и разрушение металла, и, во-вторых, количественные данные о влиянии на эти процессы поверхностной энергии. Анализ литературы показывает, что современные эк-^В дальнейшем просто - электрокапиллярный эффект. спериментальные и теоретические методы в принципе позволяют решить данную задачу. Для этого, однако, требуется, чтобы граница раздела исследуемого металла с электролитом по своим свойствам была близка к идеально поляризуемой межфазной границе. Из воех металлов указанному требованию лучше всего удовлетворяет свинец.
Цель работы состояла в изучении закономерностей проявления и микромеханизма электрокапиллярного эффекта при пластической деформации поликристаллического свинца.
Определенное внимание в работе уделялось также вопросам практического использования электрокапиллярного эффекта: исследовались закономерности его проявления в условиях абразивной обработки.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней разработана методика и впервые на примере поликристаллического свинца проведены систематические исследования влияния напряжений и температуры на величину и характер проявления электрокапиллярного эффекта, определен вклад в этот эффект основных парциальных механизмов пластического течения поликристаллического металла: внутризеренной и межзеренной деформации, консервативного и неконсервативного перемещения дислокаций. Обнаружен и изучен неизвестный ранее эффект ускорения зернограничного проскальзывания в поликристалле при снижении его удельной поверхностной энергии. Развиты новые представления о микромеханизме электрокапиллярного эффекта.
С практической точки зрения полученные результаты могут быть полезны для контроля и использования явлений, связанных с воздействием водных растворов электролитов и электрической поляризации на механические свойства металлов, например, при коррозии под напряжением и в случае металлообработки с применением СОЖ на водной основе, а также для управления процессами диффузионного массопере-носа в поверхностных слоях металла.
Особенности влияния водных сред на механические свойства металлов
Проблема, связанная с влиянием водных сред на механическое поведение металлов, в последнее время привлекает все большее внимание исследователей. Интерес к ней обусловлен, с одной стороны, способностью этих сред вызывать значительные изменения важнейших механических свойств металлов, каковыми являются пластичность, прочность, фрикционные свойства и т.д., и, с другой - возможностью с помощью простых электрохимических методов эффективно регулировать степень такого воздействия среды. Если при этом учесть-широкую распространенность водных сред в природе и технике, то становится ясно, что данная проблема имеет большое практическое значение. С нею, в частности, связано решение таких важных прикладных вопросов, как создание и применение СОЖ на водной основе, разработка методов борьбы с коррозионно-механическим разрушением металлов и т.д.
Согласно современным представлениям / I - 8 /, воздействие водных сред на механические свойства металлов обусловлено протеканием физико-химических процессов межфазного взаимодействия на границе металл/сре
Выбор объектов и методов исследования
Как видно из анализа литературы, при изучении электрокапиллярного эффекта важен правильный выбор объекта исследований, характеризующегося отсутствием "неэлектрокапиллярных" эффектов.и возможностью проводить эксперименты при контролируемом изменении поверхностной энергии, и методов исследования, которые позволяют производить количественную оценку влияния напряжений и температуры на электрокапиллярный эффект и вклад в него основных парциальных механизмов деформации, обусловленных процессами в зернах, на межзе-ренных границах, а также консервативным и неконсервативным перемещением дислокаций.
С точки зрения указанных требований наиболее подходящим объектом исследований является свинец / 16, 18, 22 А Известно /9, 100 /, что при отсутствии в растворе окислителей, а на поверхности. Р& окисных или других фазовых пленок граница Ph /электролит в достаточно широкой области потенциалов, отрицательнее стационарного потенциала РЬ , по своим свойствам приближается к идеально поляризуемой межфазной границе. Существование на Р& электроде области идеальной поляризуемости, которая в случае большинства других твердых электродов вообще отсутствует или наблюдается в весьма узком диапазоне потенциалов / 9 /, позволяет получить для него количественные данные о характере электрокапиллярной Д Y ,у -кривой /9, 59, 100 /« Для этого разработан специальный метод, основанный на измерении зависимости емкости двойного электрического слоя Р& электрода от потенциала /59/( см. также раздел 1.2 )v
Изучение .закономерностей проявления электрокапиллярного эффекта на поликристаллическом свинце
Как следует из анализа литературы, проявление электрокапиллярного эффекта при ползучести свинца в настоящее время надежно установлено лишь для монокристаллов этого металла. Поликристаллический свинец в данном отношении изучен слабее. В единственной работе/19 /, посвященной этому вопросу, показано, что при изменении потенциала vp поликристаллического Р& ( фольга толщиной 0,05мм ) в 0,25 N растворе КСI от -0,42 В ( стационарный потенциал в данном растворе ) до -1,27 В относительное удлинение образца за 30 мин от момента нагружения ( I стадия ползучести ) при напряжении МПа увеличивается в 1,5 раза. Авторы / 19 / относят наблюдаемое пластифицирование за счет снижения поверхностной энергии у при электрическом заряжении его поверхности. Такое объяснение, однако, не кажется достаточно убедительным, т.к., во-первых, нет оснований считать, что при vp = -1,27 В поверхностная энергия ниже, чем при ip = -0,42 В: характер электрокапиллярной кривой для границы РЕ /0,25 А/ №. не известен, получено лишь значение потенциала нулевого заряда vpo s-0,8 В / 101 /, которое, как видно, лежит посередине между двумя, применявшимися в / 19 / значениями vp ; кроме того установлено, что ионы С1 на свинце адсорбируются специфически / 100, 101 /, следовательно, согласно / 9 /г при положительных зарядах поверхности свинца ( т.е. при v = -0,42 В ) можно ожидать даже большего снижения Y , чем при том же удалении от \fQ в отрицательном направлении. Во-вторых, при бтационарном потенциале поверхность РЬ в растворе КОС покрыта окисной пленкой, которая при снижении f до -1,27 В должна ВОСФ:: отанавливаться. Поскольку присутствие такой пленки на поверхности, как показано для ползучести монокристаллов Ро / 23 /, способствует уменьшению пластичности, то наблюдавшийся в / 19 / эффект пластифицирования можно отнести и за счет удаления указанной пленки при смещении Vf
Основные положения модели
Теперь, когда выяснены процессы, ответственные за ползучесть исследуемых образцов Р& , перейдем к рассмотрению вопроса о природе и механизме явлений, приводящих к наблюдаемой зависимости скорости ползучести от поверхностной энергии у .
Согласно нашим данным, в области напряжений ? 10"" 6 снижение у вызывает ускорение ползучести - эффект пластифицирования Поскольку в этих условиях, как показано в разделе 3.2, деформация образцов Н в основном обеспечи - 137 вается процессом зернограничного проскальзывания ( по толщине образца ), для определения механизма эффекта пластифицирования необходимо установить связь между поверхностной энергией и скоростью зернограничного проскальзывания.
В рамках современных представлений / 82, 83, 97, 108, ПО, 132, 137, 150 /, зернограничное проскальзывание трактуют как результат перемещения в границах зерен зернограничных дислокаций, имеющих краевые компоненты. Скорость движения таких дислокаций и,следовательно, скорость проскальзывания определяется неконсервативным перемещением этих компонент, которое, в свою очередь, контролируется скоростью диффузионного подвода к ним точечных дефектов. Таким образом, лимитирующей стадией зернограничного проскальзывания является диффузия точечных дефектов. В этих условиях ускорение проскальзывания при снижении поверхностной энергии % возможно лишь при наличии механизма, обеспечивающего влияние % на скорость диффузионного массопереноса в металле. Как показывает анализ литературы ( раздел 1.3 ), такой механизм в настоящее время известен: согласно представлениям, развитым в / 47 - 50 /, ускорение диффузионного массопереноса при снижении поверхностной энергии обусловлено происходящим при этом повышении атомарной шероховатости поверхности и ее эффективности как источника/стока точечных дефектов, участвующих в процессе массопереноса. Данные представления носят весьма общий характер, это позволяет использовать их и в обсуждаемом случае.
