Химия

Содержание раздела

Замечательные явления на границе между телами

Путь к прочности — через разрушение

Странно звучит, не правда ли? Всем известно, что прочность — это сопротивление твердого тела разрушению. И все-таки, как это ни парадоксально, путь к самой высокой прочности идет через разрушение твердого тела — через его превращение в мельчайшие крупинки. Чтобы понять это удивительное противоречие, выясним, что такое реальные твердые тела и чем они отличаются от идеальных. В кристаллах расстояния между молекулами, атомами или ионами в среднем очень малы и правильные ряды этих частичек образуют пространственную решетку. В жидкостях такого порядка в расположении молекул нет, хотя и здесь молекулы расположены очень плотно. Стекла — вязкие жидкости, они практически не текут и могут быть прочными и упругими, как кристаллы, хотя и лишены правильной структуры.

Но беспорядочное тепловое движение молекул образует и в кристаллах, и в стеклах изъяны, или дефекты, — места с меньшей плотностью упаковки молекул и с увеличенными расстояниями между ними. Такие дефекты плотной структуры — слабые места с пониженной прочностью. Они-то и есть причина того, что прочность реальных твердых тел в несколько сотен раз ниже, чем прочность идеальных кристаллов и стекол. У идеального твердого тела тот же состав и строение, что и в реальном теле, но в его правильной или просто плотной структуре нет слабых мест, изъянов.

Разрушение любого реального твердого тела — процесс постепенного раскрытия сначала наиболее слабых мест, а затем все менее и менее опасных дефектов. Представим себе, что тело образовано сеткой переплетенных стальных цепей, в которых на каждые 100 стальных звеньев приходится в среднем по одному бумажному звену. Ясно, что под нагрузкой в такой конструкции будут разрываться бумажные звенья, стальные же останутся нетронутыми. В обрывках сетки будет оставаться все меньше и меньше бумажных звеньев, наконец останутся только стальные. Такие обрывки цепей из стальных звеньев — маленькие осколки твердого тела — будут очень прочны, в них уже почти совсем не встретишь изъянов.

Теперь вам понятен парадокс: измельчение твердого тела — путь к его упрочнению. Легко сообразить, что крупинки твердого тела станут особенно прочными, близкими к идеальной, т. е. наибольшей, прочности, когда их размер приближается к среднему расстоянию между дефектами в структуре (рис. 7). Современные методы структурного анализа показывают, что в среднем один дефект — зародыш разрушения — приходится в твердом теле на несколько сотен нормальных расстояний между центрами молекул. Это нормальное расстояние равно десятимиллионным долям миллиметра. Значит, среднее расстояние между дефектами — десятые доли микрометра (около 10^-7 м). И действительно, тонкое измельчение твердых тел в обычных мельницах, постепенно замедляясь, прекращается вовсе, когда размеры крупинок достигают микрометра или долей микрометра. В таких крупинках уже почти нет изъянов, они становятся очень прочными.

Рис. 7. Чем мельче осколки твердого тела, тем они прочнее.

Но ведь нам нужны не отдельные, пусть даже сверхпрочные крупинки, а прочное тело большого размера. Устранив бумажные звенья, мы должны теперь соединить обрывки стальных цепей, т. е. склеить или сварить крупинки друг с другом. Это можно сделать, например, связав их тончайшими прослойками другого мелкокристаллического или стекловидного материала. Если эти прослойки будут очень тонкими, они окажутся упрочненными по тем же причинам.

Измельчение путем разрушения не единственный путь к высокой прочности. Самое главное — получить мелкозернистое (высокодисперсное) твердое тело. Прийти к этому можно и другим путем. В расплавленном металле или в другой жидкости, охлажденной ниже температуры плавления, создают условия для быстрого образования множества зародышей будущего твердого тела. Затвердевая, жидкость превращается в прочный сросток мельчайших беспорядочно расположенных кристалликов. Такие же кристаллики нового твердого тела могут образоваться и в старом теле после термомеханической обработки, в которой сочетаются нагрев, охлаждение и пластическая деформация. Таким же путем можно закристаллизовать и стекла. Так получают ситаллы, в которых мельчайшие кристаллики связаны тонкими прослойками твердого, но незакристаллизовавшегося стекла.

Рис. 8.

Но возвратимся к разрушению твердого тела, к его превращению в мельчайшие крупинки. После того как предел измельчения достигнут, упрочненные крупинки начинают сцепляться друг с другом в прочные рыхлые агрегаты. Дальнейшее разрушение прекращается — идет обратный процесс. И тут нас снова выручают поверхностноактивные вещества. Их добавки облегчают разрушение твердого тела, помогают развитию в нем дефектов. Это явление называется адсорбционным понижением прочности, оно было открыто и исследовано советскими учеными.

Когда тело разрушается, у него образуются новые поверхности. Работа, идущая на их образование, и есть свободная поверхностная энергия. Возьмите толстую резиновую трубку и надрежьте ее в нескольких местах поперек на разную глубину. Растяните трубку. Вы увидите, как в местах надрезов развиваются новые поверхности (рис. 8). Отпустите трубку, и надрезы благодаря упругости (эластичности) резины сомкнутся. Если же трубку растянуть до предела, она разорвется по самому глубокому надрезу. В этом месте развивался самый опасный дефект — зародыш разрушения. Работа, идущая на развитие трещины, определяется поверхностной энергией, которая и понижается в присутствии поверхностноактивных веществ. Если за время развития трещины адсорбционный слой успеет распространиться по новой поверхности и покрыть ее, работа образования трещины и сопротивление тела разрушению понизятся. Это хорошо видно у металлов, которые в обычных условиях пластичны. Пластинка из такого металла (например, цинка) деформируется пластично — обнаруживает большие остаточные деформации, не разрушаясь при изгибе. Здесь сильнодействующими по-верхностноактивными веществами служат тоже металлы, только легкоплавкие и в жидком состоянии: для стали — олово, для цинка — ртуть или галлий (белый металл, плавящийся при температуре около 30° С). Поцарапайте немного цинковую пластинку и нанесите на обнажаемую поверхность (свободную от окисной пленки) капельку ртути. Если попытаться изогнуть пластинку, она даст трещину, а при медленном надавливании сломается, как стекло, даже не изогнувшись. Твердое тело из пластического стало хрупким, так как поверхностноактивное вещество облегчило развитие новой поверхности (рис. 9).

Рис. 9.

Невозможно растереть цинк в порошок без добавки ртути или галлия. Добавки поверхностноактивного вещества нужны для тонкого измельчения и всех других тел. Вся вновь возникающая поверхность тел должна по мере ее образования покрываться мономолекулярным адсорбционным слоем. Для обычного кварцевого песка, например, сильно по-верхностноактивным веществом оказывается простая вода: ее добавка к сухому песку позволяет тонко помолоть кварц; образующиеся при этом мельчайшие песчинки не слипаются в агрегаты.

Мы видим, что и образование частиц нэвого тела при кристаллизации, и процесс разрушения (измельчения) твердых тел определяются поверхностными явлениями. И в том и в другом случае образованием таких малых, а потому и прочных крупинок твердого тела можно управлять с помощью адсорбционных слоев. Они облегчают развитие дефектов — зародышей разрушения — и могут задержать дальнейший рост мельчайших кристалликов. Такие кристаллики-зародыши могут плотно срастаться иногда с тонкими, а потому и высокопрочными прослойками между ними. Именно так и образуются новые сплавы, сохраняющие свою прочность до очень высокой температуры 3000° С. Прочность таких металлов на растяжение достигает 2—3 ГПа.

Чтобы разорвать проволоку из такого металла диаметром 1 мм, т. е. площадью поперечного сечения около 0,8 мм², надо подвесить к ней груз массой 200 кг. Однако, как мы уже знаем, даже такая огромная прочность значительно ниже идеальной. Чтобы приблизиться к идеальной прочности, надо постараться (с участием поверхностноактивных веществ!) раскрыть все изъяны в крупинках-кристалликах, а затем сварить или плотно склеить эти крупинки.

Равномерно перемешать мельчайшие крупинки, а затем предельно плотно их упаковать — вот главная задача порошковой металлургии, а также технологии тонкой жаропрочной керамики, огнеупоров и металлокерамики. Тугоплавкие твердые тела могут быть сформованы без плавления и литья. Они формуются из тонких порошков с небольшим количеством связующего, роль которого часто играет поверхностноактивное вещество. Отформованное изделие спекается при температуре хотя и высокой, но не достигающей точки плавления. Спекание — поверхностное явление, подобное слиянию двух капель ртути в одну, — происходит благодаря уменьшению поверхностной энергии. В твердых телах ему способствует диффузия, скорость которой растет с повышением температуры.

Уплотнить мелкозернистый порошок не так-то просто. Для этого нужна огромная и дорогая прессовая аппаратура, развивающая высокие давления. Но и в таких прессах хорошо уплотняются только пластичные зерна, например зерна мягких металлов, которые как бы текут под давлением и заполняют все пустоты. Зерна же твердых, тугоплавких и хрупких материалов не текут и лишь немного (упруго) деформируются. В спрессованном материале возникают огромные внутренние (упругие) напряжения. Когда давление снимают, эти внутренние напряжения разрывают изделие иногда еще до спекания: возникает растрескивание, появляется брак.

Новая отрасль науки — физико-химическая механика решает задачу, как управлять дисперсной структурой и свойствами будущего материала в самом процессе его образования. Физико-химическая механика предлагает эффективный и дешевый способ: все связи между крупинками разрушаются интенсивной вибрацией с частотой около 10 тыс. колебаний в минуту. Снова путь к прочности через разрушение! И дело вовсе не в том, чтобы просто подвергнуть порошок вибрированию, — вибрационные воздействия применяют в технике давным-давно. Важно знать, какой должна быть вибрация, чтобы смешение было однородным, упаковка наиболее плотной, а следовательно, и конечная прочность материала максимально высокой. Нужно, чтобы подвижность смеси стала наибольшей, т. е. разрушились бы все молекулярные связи между крупинками.

Вы, конечно, догадываетесь, что и тут дело не обходится без поверхностноактивных веществ, обволакивающих каждую крупинку тончайшим смазочным слоем. Эти замечательные вещества в сочетании с предельным вибрированием и позволяют обойтись без громоздких прессов. Теперь давление для наиболее плотной упаковки требуется в сотни раз меньшее. Крупинки порошка укладываются плотно (рис. 10), внутренних напряжений не возникает, и изделие после спекания получается очень прочным.

Рис. 10. Прессование порошков: слева — без вибрации; справа — под действием вибрации. Нижняя кривая — без смазки; верхняя — с активной смазкой.

Изменяя размеры зерен порошка, можно создавать высокопрочные тела с различной пористостью вроде фильтров, или поглотителей, или , катализаторов в виде таблеток или гранул. Катализаторы — дисперсные тела с сильно развитой поверхностью пор, на которой в адсорбционных слоях быстро протекают химические реакции. Современной химической технологии как раз и нужны прочные катализаторы, выдерживающие интенсивные газовые потоки.

Самый распространенный строительный материал — цементный бетон. Частицы тонкомолотого цемента при перемешивании с водой, песком и щебнем постепенно растворяются в воде, и из раствора выкристаллизовываются гораздо менее растворимые в воде, гидратные новообразования — химические соединения цемента с водой. Кристаллики этих соединений срастаются друг с другом и с поверхностью песчинок, щебня и стальной арматуры, объединяя всю массу в затвердевший монолит. Все это, казалось бы, несложно. Но беда в том, что для бетона требуется крупный песок и щебень, а того и другого не так уж много, да и бетон получается очень плохого качества — рыхлый, непрочный, впитывает и пропускает воду, а потом не выдерживает мороза.

Применение же методов физико-химической механики позволяет использовать в бетоне дешевый мелкозернистый песок, обходиться без дорогого щебня и получать очень плотный, однородный, а следовательно, и прочный, быстро твердеющий бетон. Выгода от этого при наших масштабах строительства огромна. Новый бетон, плотный и звонкий, как металл, не боится ни влаги, ни мороза, ни химически агрессивных жидкостей. Детали и конструкции из него более легкие, изящные и долговечные.

Изучение поверхностных явлений ведет к заветной цели современной науки о материалах — к получению материалов с заданными свойствами. Этим и занимается физико-химическая механика, возникшая на стыке технологии с физической и коллоидной химией, молекулярной физикой твердого тела и механикой материалов. Химия должна решать сегодня две основные задачи: с одной стороны, синтезировать новые вещества или извлекать уже известные вещества из природных источников и, с другой стороны, перерабатывать вещества в разнообразнейшие твердые тела (технические материалы и изделия), в строительные материалы для зданий, в детали машин, в волокна, ткани, пленки и т. д. Без решения второй задачи первая не принесет пользы: можно получить новое вещество и не найти способ, как его применять, т. е. не суметь превратить его в материал, а именно материалы — основа технического прогресса. Физико-химическая механика вручает сегодня технологам простые и универсальные методы для решения этой второй задачи, помогая рождению новых материалов.

Что прочнее — сухой или влажный слой песка!