» » Общность и различие адсорбционного, коррозионного и диффузионного факторов
11.01.2015

Описанные ранее эффекты влияния жидких металлов на твердые, находящиеся в напряженном состоянии, обусловлены действием адсорбционного, коррозионного и диффузионного факторов. Наблюдаемый экспериментально макроэффект является результатом отдельного или комбинированного влияния этих факторов.
Экспериментальные исследования показывают, что все три фактора действуют в одном направлении и приводят к понижению прочности и пластичности твердого металла, а в некоторых случаях способны пластифицировать его. Действие каждого из трех факторов термодинамически обусловлено, так как приводит систему твердый — жидкий металлы к состоянию с меньшим термодинамическим потенциалом, чем ее потенциал в исходном состоянии.
В основе одинакового характера влияния адсорбционного, коррозионного и диффузионного факторов на механические свойства деформируемого металла лежит одинаковый характер их влияния на силы атомных связей в твердом металле, а именно ослабление атомных связей. Механизм влияния жидкометаллической среды на прочность и пластичность твердого металла в предельных случаях влияния лишь одного из трех факторов удобно рассмотреть, используя схемы взаимодействия атомов среды и твердого металла в концевой части трещины (рис. 153). Устойчивость трещины в поле внешних сил обусловлена силами связи атомов в ее концевой части. Приближенно можно считать, что она определяется силой связи f0AA той пары атомов А—А, энергия взаимодействия которых максимальна.
Проникновение атомов адсорбционно-активного жидкого металла в трещину приводит к ослаблению силы связи f0AA до значения fAA и к установлению новых связей fAB (см. рис. 153, а). Теперь для продвижения трещины на одно межатомное расстояние необходимо разорвать связи fAA и fAB, а не связь f0AA, как ранее. Поэтому условие адсорбционного влияния среды записывается в виде
Общность и различие адсорбционного, коррозионного и диффузионного факторов

где индекс у указывает, что соответствующие величины являются проекциями векторов на ось у, совпадающую с направлением действия внешней силы.
Вследствие способности атомов адсорбционно-активной среды к поверхностной миграции в принципе достаточно одного атома среды для распространения трещины на все сечение твердого металла (имеется в виду плоская модель одноатомной толщины).
Общность и различие адсорбционного, коррозионного и диффузионного факторов

Особенностью адсорбционного воздействия является его обратимость: после удаления среды механические свойства металла становятся такими же, как и в исходном состоянии.
При коррозионном воздействии жидкого металла, связанном с растворением твердого металла — наиболее часто встречающемся виде коррозионного разрушения, происходит разрыв связей также двух однородных атомов А—А в концевой части трещины, причем этот разрыв облегчается благодаря переходу одного из атомов в жидкометаллический раствор (см. рис. 153,б). Таким образом, условие коррозионного влияния среды записывается в виде
Общность и различие адсорбционного, коррозионного и диффузионного факторов

Очевидно, что эффект коррозионного воздействия тем больше, чем меньше концентрация атомов А в жидком металле и чем выше концентрация насыщения монометаллического раствора. Наличие одного атома В в трещине не вызовет в этом случае изменения силы связей атомов А—А. После удаления среды изменение механических свойств металла возможно лишь за счет необратимых изменений поверхности (растворение), которые произошли в течение предварительной выдержки в жидком металле.
При диффузионном воздействии, связанном с диффузионным проникновением жидкого металла в твердый, происходит разрыв связи не однородных атомов А—А, как при адсорбционном и коррозионном воздействии, а разнородных атомов А—В (см. рис. 153,в).
Условие диффузионного влияния имеет вид
Общность и различие адсорбционного, коррозионного и диффузионного факторов

Степень коррозионного воздействия тем больше, чем сильнее выражено неравенство (247) и чем больше растворимость жидкого металла в твердом. Эффект диффузионного воздействия необратимый, удаление среды с поверхности твердого металла не приводит к восстановлению его механических свойств до исходного уровня. Следует также отметить, что при высокой температуре изменение прочности и пластичности твердого металла может быть следствием увеличения коэффициента самодиффузии металла — основы твердого раствора.
Взаимодействие атомов твердого и жидкого металлов в концевой части трещины при адсорбционном, коррозионном и диффузионном влиянии можно учесть одинаковым формальным образом, а именно: вводя значение некоторой эквивалентной удельной работы разрушения. Использование их приводит к уравнениям одинакового вида: (181), (226) и (241), дающим величины предела прочности деформируемого металла в случае влияния на него жидкометаллической среды, определяемого одним из трех факторов.
Адсорбционный, коррозионный и диффузионный факторы отличаются не только механизмами влияния на процесс разрушения твердого металла, но также и механизмами пластифицирующего влияния. Так, показано, что в основе адсорбционного пластифицирования лежит эффект снижения поверхностного энергетического барьера b2γ, препятствующего выходу дислокаций на поверхность деформируемого металла. Облегчение пластической деформации вследствие коррозионного влияния жидкого металла возможно в результате растворения в жидком металле поверхностных атомов твердого металла, находящихся на пути выходящей на его поверхность дислокации. Диффузионное пластифицирование возможно, по-видимому, только при высокой температуре. Она проявляется в виде эффекта увеличения скорости ползучести твердого металла в жидкометаллической среде и обусловлено увеличением коэффициента самодиффузии основного металла за счет внедрения в кристаллическую решетку атомов среды. При низкой температуре диффузионное пластифицирование не проявляется ввиду того, что искажение кристаллической решетки в этом случае больше сказывается на пластических свойствах твердого раствора (как, впрочем, и на прочностных), чем уменьшение сил атомных связей.
Необходимо отметить, что влияние среды на процесс разрушения твердого металла больше, чем влияние на процесс деформации. Например, ранее показано, что при адсорбционном характере влияния жидкого металла изменение энергии активации разрушения (2b2Δγ) в два раза больше, чем изменение энергии активации выхода дислокации на поверхность металла (b2Δγ). Вследствие этого изменение характеристик прочности и пластичности (истинное сопротивление разрыву, энергия активации разрушения, предельное относительное удлинение) больше, чем характеристик пластифицирующего влияния среды (предел текучести, коэффициент упрочнения, энергия активации ползучести). В частности, этим объясняется тот факт, что при испытании металлов на разрыв в адсорбционно-активной жидкометаллической среде наиболее часто наблюдается совпадение диаграммы растяжения с такой же диаграммой, полученной при испытании в инертной среде, вплоть до момента разрушения, которое в жидком металле происходит при существенно меньшем удлинении образца. Расположение диаграммы растяжения исследуемого материала в жидком металле в области более низких напряжений, чем диаграмма растяжения материала в инертной среде, наблюдается, как известно, значительно реже.
Кроме отличия в механизмах адсорбционного, коррозионного и диффузионного воздействия жидкого металла на твердый есть отличие и в кинетике влияния этих факторов. Ранее показано, что в случае диффузионного воздействия среды критическое значение скорости деформации металла, при котором еще наблюдается изменение механических свойств металла, определяется неравенством (242), т. е. значение критической скорости пропорционально величине коэффициента диффузии атомов среды в твердом металле: vд*~Dт. Аналогичным образом могут быть получены неравенства вида (242) для критических скоростей деформации при адсорбционном (vа*) и коррозионном (vк*) воздействии среды. Отличие будет лишь в том, что для характеристики адсорбционного воздействия в неравенство вида (242) нужно подставить вместо Dт коэффициент поверхностной миграции атомов среды в трещине Dм, а при коррозионном — коэффициент диффузии атомов деформируемого металла в жидком металле Dж. Допуская в первом приближении, что б во всех трех неравенствах, записанных для каждого вида воздействия жидкого металла, близки по величине, получаем
Общность и различие адсорбционного, коррозионного и диффузионного факторов

Ввиду того, что скорость поверхностной миграции значительно больше скорости диффузии в жидком металле, а последняя больше скорости диффузии в твердом металле, т. е. Dк≥Dж≥Dт, находим следующее соотношение для значений критических скоростей деформации твердого металла: vа*≥vк*≥vд*. Таким образом, если жидкометаллическая среда способна оказывать на данный твердый металл адсорбционное, коррозионное и диффузионное воздействие, то при испытании образцов на растяжение с различными скоростями деформации вначале исчезнет диффузионное влияние, затем коррозионное и лишь при наиболее высоких скоростях деформации — адсорбционное.