§ 257. Влияние поверхностно-активных веществ на деформацию

Всякое твердое тело содержит в себе множество дефектов структуры ультрамикроскопических размеров, возникающих как в результате тепловой подвижности атомов, так и из-за наличия посторонних примесей и механических повреждений. Эти дефекты распределены по всему объему твердого тела, и многие из них могут рассматриваться как зародышевые микротрещинки исчезающе малых размеров. Основным свойством таких зародышевых микротрещинок является способность к развитию в процессе деформации твердого тела.

Под воздействием внешних сил размеры микротрещинок увеличиваются, у их краев возникает концентрация напряжений, что в свою очередь облегчает дальнейшее развитие микротрещин. У хрупкого тела такое развитие микротрещин в процессе деформации приводит к преждевременному его разрушению, а у тела пластичного, каким обычно является металл, приводит к образованию пластических сдвигов. В объемно-напряженном состоянии тела эти микрощели имеют клиновидное сечение и характеризуются раскрытыми участками поверхности — устьями и тупиками, в которых щель сохраняет зародышевый характер. Реальные щели заканчиваются в тупиках как бы острым лезвием с весьма большой кривизной, с радиусом кривизны порядка постоянной решетки. При снятии деформирующих усилий (в области упругих деформаций) все микрощели постепенно «залечиваются», т. е. обратимо смыкаются от тупика к устью.

П. А. Ребиндер показал, что влияние окружающей среды на механические свойства твердых тел не исчерпывается химическим действием типа коррозии или растворения. Любая свободная поверхность твердого тела всегда покрыта тончайшей пленкой какого-либо вещества, содержащегося в окружающей среде и обладающего наибольшим сродством к данному твердому телу. Такими веществами могут быть различные газы или пары воды, обычно находящиеся в воздухе, а также специально вводимые в окружающую

среду вещества. Молекулы веществ, покрывающих поверхность твердого тела, или, как говорят, адсорбированных твердым телом, обладают способностью двигаться по этой поверхности и перемещаются из мест, где их избыток, в места, где их недостаточно для полного покрытия поверхности. Стремление адсорбированного слоя занять всю доступную ему поверхность твердого тела объясняется тем, что в результате адсорбции происходит понижение поверхностной энергии тела. Вещества, которые могут адсорбироваться на поверхности твердого тела, называются поверхностно-активными. Для металлов сильными поверхностно-активными веществами являются различные органические спирты и кислоты, а также соли этих кислот, т. е. мыла.

Адсорбция поверхностно-активных веществ вызывает понижение прочности твердого тела. Если разрушать твердое тело в среде, содержащей даже очень малые количества поверхностно-активных веществ (например, в растворе олеиновой кислоты в чистом вазелиновом масле), то усилия, необходимые для разрушения, снижаются. Особенно наглядно это проявляется при дроблении хрупких горных пород, а также при длительных или переменных воздействиях на металлы.

Воздействие адсорбированных молекул на прочность твердого тела объясняется следующим образом. Адсорбированные на внешней поверхности тела молекулы проникают внутрь микрощелей вследствие своей подвижности и стремления занять всю доступную им свободную поверхность адсорбента. Движущей силой при втягивании в микрощели адсорбированных слоев является вызываемое таким проникновением понижение поверхностной энергии твердого тела. Если на пути адсорбционного слоя, стремящегося занять еще не занятую поверхность твердого тела, поставить препятствие, то на него адсорбционный слой будет оказывать давление. Внутри микрощелей таким препятствием является собственный размер молекул, не позволяющий им проникнуть далее в глубь микрощели. Следовательно, в том месте, где создается граница адсорбированного слоя внутри микрощели, возникает давление, направленное в сторону дальнейшего развития щели в глубь твердого тела. Адсорбированные слои ведут себя как клинья, загоняемые в микротрещинки. Таким образом, проникновение адсорбирующихся молекул в устья микрощелей создает дополнительные раздвигающие усилия, что эквивалентно некоторому увеличению внешних деформирующих сил. Поэтому и разрушение твердого тела в присутствии адсорбирующихся веществ происходит при меньших напряжениях.