CC BY
0УДК 539.4
ОБ ЭФФЕКТЕ РЕБИНДЕРА В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ
ЮРОВ ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ
кандидат физ.-мат. наук, доцент, ТОО «ТСК восток», Караганда, Казахстан
ГОНЧАРЕНКО ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ
Доктор технических наук, профессор, Московский авиационный институт,
Москва, Россия
ОЛЕШКО ВЛАДИМИР СТАНИСЛАВОВИЧ
Кандидат технических наук, доцент, Московский авиационный институт,
Москва, Россия
ЖАНГОЗИН КАНАТ НАКОШЕВИЧ
кандидат физ.-мат. наук, доцент, ТОО «ТСК восток», Алматы, Казахстан
Аннотация. Описана модель поверхностного слоя твердого тела. Показано: снижение поверхностной энергии этого слоя по сравнению с объемов; большие внутренние напряжения на границе между слоем и объемов; возникновение нанотрещин не связано с эффектом Ребиндера. Влияние среды и приложенные нагрузки увеличивают все процессы в поверхностном слое, суммарное действие которых и называется эффектом Ребиндера.
Ключевые слова: эффект Ребиндера, поверхностный слой, наноструктура, твердое тело, нанотрещина, деформация.
Академик П.А. Ребиндер в 1956 году совершил открытие, посвященное понижению прочности металлов под действием расплавов металла [1], а в дальнейшем адгезионному понижению прочности твердых тел за счет окружающей среды [2]. Все это открыло новое направление в науке - физико - химическая механика [3, 4]. Обзор по эффекту Ребиндера по металлам и горным породам представлен в работе [5], по полимерам - в работе [6]. По современным представлениям основой эффекта Ребиндера является разрыв межатомных связей твердых тел при участии активных компонент внешней среды или под действием механической нагрузки. Макроскопическим индикатором этого процесса является снижение поверхностной энергии. Однако, по мнению авторов работы [5], отсутствие заметного снижения поверхностной энергии ненагруженного твердого тела в контакте со средой не означает невозможности проявления эффекта Ребиндера. Влияние деформации межатомных связей на взаимодействие адсорбционно-активных компонентов среды с атомами твердого тела может приводить к сильному снижению работы пластической деформации и удельной работы разрушения в целом. Механизм проявления эффекта Ребиндера остается вопросом дискуссионным.
Цель настоящей статье заключается в описании модели поверхностного слоя и расшифровка эффекта Ребиндера.
В основе нашей модели лежит толщина поверхностного слоя твердого тела, описанного уравнением [7, 8]:
Я(I) = 0,1710-9 -а-и [ё ]. (1)
В работе [8] нами предложена формула:
(2)
Л(г)/Л(<ю) = 1 - Я(1)/г, г >> Я(1), Л(г)/Л(<ю) = 1 - Я(1)/Я(1) + г, 0 < г < Я(1),
где A(r) - физическое свойство нанослоя с координатой г; А(ю) - физическое свойство объемного образца (объемной фазы).
Если поверхностную энергию обозначить через 71, а объемной фазы - через у2, то второе слагаемое в уравнении (2) дает:
У1 = 72(1 - я(I)/ Я(I) + г) * 0,3у2,. (3)
Уравнение (3) показывает, что поверхностная энергия слоя R(I) в три раза меньше поверхностной энергии основного кристалла. Это связано с тем, что в слое R(I) твердых тел происходит релаксация или реконструкция поверхности, которая проявляется в эксперименте [9] (рис. 1).
Н а (—
о о о о о оТс
о о о о о о
ооооооооо ооооооооо ооооооооо ооооооооо
о о о о о о* оооооо^1
релаксация
оо оо оо о о о о о о о о о о о о о о о о о о
реконструкция Рисунок 1. Преобразование поверхности металла.
оо© ООО о оо© ©о© © ооооооооо ооооооооо
На релаксированной поверхности наблюдается изменение межплоскостных расстояний с, а на реконструированной же поверхности может изменяться расположение приповерхностных атомов а (рис. 1). Для поверхностей ГЦК металлов (таких, как Al, Au, №) характерны процессы релаксации, а ОЦК металлов (Те, W, Мо) - процессы реконструкции.
Вывод 1. Понижение поверхностной энергии в приповерхностном слое R(I) не связано с эффектом Ребиндера, а обусловлено размерными эффектами коллективного типа [10]. Слой R(I) имеет структуру для металов толщиной около 2 нм (табл. 1).
Таблица 1. Толщина поверхностного слоя некоторых металлов [11]
Металл R(I), нм Металл R(I), нм Металл R(I), нм
Cr 1.23 (4) Mn 1.30 (2) Cu 1.21 (3)
Mo 1.60 (5) Fe 1.21 (4) Ag 1.75 (4)
W 1.62 (5) Ni 1.12 (3) Au 1.73 (4)
В табл. 1 в скобках дано число монослоев в слое R(I).
Чтобы разделить слой R(I) от кристалла, нужно затратить энергию, которая называется по Дюпре энергией адгезии (рис. 2) и дается выражением:
^ =71 +72 -712 «71 +72 = 1372, (4)
где у12 - поверхностная энергия на границе раздела фаз, которая пренебрежимо мала, в силу фазового перехода II рода.
а) б)
Рисунок 2. Фазы металлов и сплавов (а) и работа адгезии (б). Напряжения Gis между фазами 71 и 72 просчитывают по формуле [12] (табл. 2):
gis =,/ [Wa/R(I)] • E, (5)
где Е - модуль упругости Юнга.
Таблица 2. Внутренние напряжения Gis некоторых металлов [11]
Металл ^,МПа Металл ^,МПа Металл ^,МПа
Cr 21977 Mn 15199 Cu 12000
Mo 24413 Fe 17776 Ag 7665
W 30611 Ni 17550 Au 7810
Вывод 2. Такие большие внутренние напряжения (табл. 2) не связано с эффектом Ребиндера, а обусловлено атомной структурой поверхностного слоя твердого тела.
В работе [13] нами было показано, что большие внутренние напряжения приводят к образованию нанотрещин в твердом теле (рис. 3), размер которых равен толщине поверхностного слоя Я(1).
Рисунок 3. Перпендикулярная (а), параллельная (б), сетчатые трещины (с).
Эти нанотрещины распространяются дальше образуя сеть микротрещин (рис. 3) по закону [14]:
L = 0.17 -10-5 и ,. (6)
где Ье - критическая длина трещин большинства металлов, после которой начинается его разрушение.
Состояние частицы (молекулы, атома, иона), находящейся в поверхностном слое конденсированной фазы, отличается от состояния той же частицы внутри объема этой фазы (рис. 4а). Из-за этого возникают дефектв Френкеля и Шоттки (рис. 4б), объединение которых рождают дислокации и сеть нанотрещин (рис. 3 с).
Рисунок 4. Атомы на поверхности и в объеме (а); схема образования дефектов по Френкелю (слева) и по Шоттки (справа) (б)
Вывод 3. Возникновение дефектов по Френкелю и по Шоттки, образование дислокаций и нанотрещин не связано с эффектом Ребиндера, а обусловлено тем, что отличны взаимодействия частиц на поверхности с ближайшими соседями, которые не уравновешены, так как различны силы, действующие со стороны внутренних слоев и со стороны смежной фазы.
Вопрос о механизмах зарождения и развитии трещин в условиях проявления эффекта Ребиндера требует дополнительного изучения [5].
Заключение
Влияние внешней среды и приложенные нагрузки на твердое тело увеличивают все процессы в поверхностном слоя, перечисленные выше, суммарное действие которых и называется эффектом Ребиндера.
Данная научная статья опубликована в рамках выполнения грантового финансирования на 2024-2026 годы ИРН № АР32488258 «Разработка инновационной технологии получения графена интеркаляцией графита микрокластерной водой и модификация графеном ВТСП керамики» (исследование финансируется Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1. Горюнов Ю.В., Перцов Н.В., Сумм Б.Д. Эффект Ребиндера. - М.: Наука, 1966. - 120 с.
2. Ребиндер П.А., Щукин Е.Д. Поверхностные явления в твердых телах в процессах их деформации и разрушения // УФН, 1972, Том 108, №1. - С. 3-42.
3. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. Избранные труды. - М.: Наука, 1979. - 384 с.
4. Коржов Е.Н. Физико-химическая механика. - Воронеж: Издательско-полиграфический цент ВГУ, 2010. - 70 с.
5. Малкин А.И., Попов Д.А. Эффект Ребиндера в разрушении металлов и горных пород // Физика металлов и металловедение, 2022, T. 123, № 12. - С. 1313-1324.
6. Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. Особенности эффекта ребиндера в полимерах. Обзор // Физикохимия поверхности и защита материалов, 2013, том 49, № 5. - С. 451-470.
7. Юров В.М., Гученко С.А., Лауринас В.Ч. Толщина поверхностного слоя, поверхностная энергия и атомный объем элемента // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2018, вып. 10. - С. 691-699.
8. Юров В.М. Толщина поверхностного слоя атомарно-гладких кристаллов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов, 2019, вып. 11. -С. 389-397.
9. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. Введение в физику поверхности. - М.: Наука. - 2006. - 490 с.
10. Уваров Н.Ф., Болдырев В.В. Размерные эффекты в химии гетерогенных систем // Успехи химии, 2001, Т. 70 (4). - С. 307-329.
11. Юров В.М. Толщина поверхностного слоя атомарно-гладких кристаллов // журнал Евразийского Научного Объединения "ЕНО", 2020, № 7. - С. 64-68.
12. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. - М.: Химия, 1977. - 352 с.
13. Юров В.М., Гончаренко В.И., Олешко В.С. Исследование первичных нанотрещин атомарно-гладких металлов // Письма в ЖТФ. - 2023, Т. 49, вып. 8. - С. 35-38.
14. Юров В.М. Жангозин К.Н. Поверхностный слой и нанотрещины в графите // «Глобальная наука и инновация 2024: Центральная Азия» серия «Физико-математические науки», 2024, №22. - С. 6-9.
