Документ описывает влияние глубины и качества поверхностного слоя на механические свойства металлов, в частности углеродистой стали, в зависимости от различных факторов, включая адсорбцию поверхностно активных веществ. Он также рассматривает эффект Ребиндера, который снижает сопротивление деформации и разрушению твердых тел при адсорбции на поверхности и в микротрещинах, а также приводит результаты экспериментов по продавливанию шарика через металл с использованием смазочных материалов. Эффект проявляется только при наличии взаимодействия с окружающей средой и определенных напряженных состояний в материале.

1. Глубина поверхностного слоя и качество
поверхности зависят от основного материала, вида
обработки, основных параметров инструмента, режима
обработки и рода смазочно-охлаждающей жидкости.

2. Структура поверхностного слоя шлифованной детали из углеродистой
стали

3. •
Поверхностная энергия – избыток энергии, отнесенный к единице
поверхности. Поверхностный слой металла обладает большой
активностью. Это обусловлено тем, что внутри твердого тела
каждый атом кристалла окружен другими ато-мами и связан с ними
прочно по всем направлениям, а у атомов, расположенных на
поверхности, с внешней стороны нет «соседей» в виде таких же
атомов. В связи с этим в поверхностном слое у атомов твердого тела
остаются свободные связи, наличие которых создает вблизи
поверхности атомное (молекулярное) притяжение.
• Адсорбция – явление образования на поверхности твердого тела
тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ либо поглощение этих веществ поверхностью тела.
Наибольшей способностью к адсорбции обладают поверхностно
активные вещества (ПАВ), т.е. вещества, молекулы которых
ориентируются при адсорбции перпендикулярно к поверхности.

4. Молекулы веществ, адсорбированных на поверхности твердого тела,
обладают способностью перемещаться по поверхности из областей,
где имеется их избыток, в места, где их недостаточно для полного
покрытия поверхности. Подвижность адсорби­рованных молекул
зависит от вида адсорбции.

5. Схема адсорбированного монослоя полярных молекул и ориентация
неполярных молекул

6. Применение ПАВ значительно понижает сопротивление деформированию и
разрушению твердых тел в результате их физической (обратимой) адсорбции. Этот
эффект был установлен П.А. Ребиндером и назван его именем. Различают внешний
и внутренний адсорбционные эффекты.
Внешний эффект происходит в результате адсорбции ПАВ на внешней
поверхности деформируе­мого твердого тела, что вызывает пластифицирование
поверхности (переход поверхностного слоя детали из твердого состояния в
пластическое) и снижение предела текучести σт, а также коэффициента упрочнения
λ = dσ/dε, где σ ­ напряжение; ε ­ деформация.
Зависимость напряжения σ от деформации ε монокристаллов олова: 1 ­ в чистом вазелиновом
масле; 2 ­ в 0,2%­ном растворе олеиновой кислоты в вазелиновом масле; σ0 ­ предел текучести

7. Эффект Ребиндера можно также продемонстрировать на примере
продавливания стального шарика через сквозное цилиндрическое
отверстие в металлическом образце.
Схема продавливания шарика без смазочного материала (а) и с окисленным
парафином (б) (по данным П.П. Ребиндера):
1 - образец; 2 - пуансон; 3 - шарик; 4 - наплыв материала

8. При продавливании шарика избыточный поверхностный слой
металла пластически деформируется, образуя наплыв перед шариком.
При продавливании шарика без смазочного материала в зону
деформации вовлекается значительно больше металла, чем в
присутствии активной среды. На данном рисунке показана
микроструктура металла в пластической волне при продавливании
шарика.
Микроструктура металла (Х30) в пластической волне при продавливании шарика
без смазочного материала (а) и с окисленным парафином (б) (по данным П.А.
Ребиндера)

9. Силы продавливания при смазывании парафином в 3 раза меньше, чем
в случае отсутствия смазочного материала.
Внутренний адсорбционный эффект вызывается адсорбцией ПАВ
на внутренних поверхностях раздела – зародышевых микротрещинах
разрушения, возникающих в процессе деформации твердого тела. Этот
эффект заключается в адсорбции атомов ПАВ на поверхностях
микротрещин при деформации и разрушении твердого тела.
Схема адсорбционно-расклинивающего действия полярных молекул смазочного
материала: F - давление адсорбционного слоя; Q - расклинивающая сила

10. Отличительной особенностью эффекта Ребиндера
является то, что он проявляется только при совместном
действии среды и определенного напряженного состояния.
Речь идет об обратимом участии среды. Это принципиально
отличает эффект Ребиндера от химических или
электрохимических процессов, коррозии или растворения
твердого тела в окружающей среде. Эффект может быть
вызван не только адсорбцией, но и воздействием жидкости.
Наиболее сильно эффект Ребиндера проявляется в условиях
образования новых поверхностей, а также при наличии в
твердом теле дефектов (в частности, границ зерен).