Файл: Износа и смазки.pdf

38
Поверхностный слой может находиться в напряженном состоя- нии. Остаточные напряжения в нем при механической обработке мо- гут достигать 560…1000 МПа и быть как сжимающими, так и растя- гивающими (см. рис. 2.3).
Система дефектов – слабых мест поверхности детали – является основной, на которой, начиная с самых малых деформаций, развива- ются микротрещины. Вследствие наличия дефектов на поверхности естественно ожидать, что разрушение поверхности при трении будет происходить именно в этих местах, т.е. процесс изнашивания будет носить избирательный характер. По мере изнашивания поверхности слабые места будут возникать вновь.
Стремление получить поверхностный слой с наилучшими экс- плуатационными характеристиками привело к применению различ- ных технологических процессов финишной обработки, таких как шлифование, суперфиниширование, полирование, абразивная довод- ка и др. При этом на строение поверхностного слоя и его геометриче- ские и физические параметры оказывает влияние не только вид тех- нологического процесса окончательной обработки, но и режимы об- работки, обусловливающие сложные процессы формирования данно- го рельефа.
2.7. Физико-химические свойства поверхностного слоя
2.7.1. Поверхностный слой и силы, действующие
в его элементах
В обычных условиях, например, после механической обработки, поверхность детали покрыта слоем окисных или гидроокисных пленок, молекулами веществ различной природы, адсорбированных на ней.
Поверхностный слой металла обладает большой активностью, вследствие чего действующие силы адсорбируют на поверхности твердого тела (металла) пленки веществ различной природы.
Силы связи в веществах (металлах) могут быть разделены на пять видов: ионная, ковалентная, металлическая, Ван-дер-ваальсовая, или молекулярная, водородная, или резонансная связь (рис. 2.5).
Ионная связь является химической; в этом случае атомы веще- ства либо теряют один электрон, либо приобретают его, так что их внешняя электронная оболочка становится заполненной. При этом атомы превращаются в ионы, т.е приобретают положительный или

39 отрицательный заряд в зависимости от того, теряет или приобретает электрон данный атом. Атомы с противоположными зарядами взаим- но притягиваются. Пример ионной связи атомов в хлористом натрии
(см. рис. 2.5, а).
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 2.5. Связи в твердом теле: а – ионная; б – ковалентная;
в – металлическая; г – Ван-дер-ваальсовая; д – водородная
Ковалентная связь также является химической. Она возникает в результате того, что электроны, принадлежащие двум разным атомам
(группам), становятся общими для обоих атомов (групп). Атомы вступают в ковалентную связь. Примером ковалентной связи может служить связь атомов в алмазе (см. рис. 2.5, б).
При металлической связи все атомы теряют свои валентные электроны и владеют ими сообща, т.е. в металле наблюдается некото- рое подобие облака электронов, оторвавшихся от своих атомов. На- личие «свободных» электронов определяет ряд свойств металла и, в частности, их теплопроводность и электропроводность. На рисунке
2.5, в схематично показана металлическая связь в натрии.
Ван-дер-ваальсовая, или молекулярная, связь осуществляется силами, обычно называемыми Ван-дер-ваальсовыми. Это типичная физическая связь. Силы связи возникают здесь в результате некото- рого смещения центров электрического заряда электрически ней- тральных атомов и молекул. Такое смещение («разбалансировка») вызывает слабое притяжение, которое и связывает атомы или моле- кулы друг с другом. На рисунке 2.5, г схематично показана Ван-дер- ваальсовая связь между атомами твердого водорода.
Водородная связь относится к группе химических связей. Одна- ко, если обычные типы химических связей – ионная и ковалентная – имеют энергию связи 20...200 ккал/моль, то водородная связь имеет значительно меньшую энергию – от 5 до 8 ккал/моль. Водородная связь осуществляется путем взаимодействия ковалентно связанного
а б в г д

40 атома водорода с каким-либо атомом, относящимся к той же или дру- гой молекуле и обладающим непоселенной парой электронов. Широ- ко распространенным веществом, имеющим водородную связь, явля- ется вода. На рисунке 2.5, д схематично показана водородная связь на примере льда.
Межатомные (или межмолекулярные) силы сцепления, связы- вающие между собой частицы в кристалле, очень трудно измерить экспериментально, поскольку основные механические характеристи- ки, в том числе пределы упругости и прочности, зависят прежде всего от наличия дефектов в структуре. Очевидно, что тот или иной вид сил связи между частицами вещества (в кристалле) оказывает определен- ное влияние на величину и характер поверхностных сил.
Вещества, имеющие один какой-либо вид связи, встречаются довольно редко. Как правило, в большинстве случаев наблюдается сочетание различных видов связей, но превалирующий вид связи предопределяет те или иные физические, химические и механические свойства вещества.
2.7.2. Адгезия
Силы связи, действующие в веществах, приводят к адгезии. Ад-
гезия (от лат. adhaesio – прилипание) – сцепление поверхностей раз- нородных твердых и (или) жидких тел. Адгезия обусловлена межмо- лекулярным взаимодействием в поверхностном слое и характеризует- ся удельной работой, необходимой для разделения поверхностей.
Предельный случай адгезии – химическое взаимодействие на поверх- ности раздела с образованием слоя поверхностного химического со- единения.
Частным случаем адгезии является когезия. Когезия (от лат. cohaesus – связанный, сцепленный) – сцепление молекул (атомов, ио- нов) физического тела под действием сил притяжения. Это силы меж- молекулярного взаимодействия, водородной и (или) химической связи.
При соприкосновении двух тел, например, двух металлических образцов, между соприкасающимися поверхностями возникает адге- зия. Однако силы связи между образцами при попытке оторвать один от другого оказываются, как правило, небольшими, даже при наличии однородных материалов.
Следует отметить, что адгезия зависит от двух основных факто- ров. Первый фактор – величина площади фактического контакта, ко-

41 торая в сотни и даже тысячи раз меньше геометрической площади контакта. Второй причиной является наличие на поверхности образ- цов пленок окислов металлов и адсорбированного слоя молекул ве- ществ различной природы. Известно, что поверхности металлических образцов, прогретые в глубоком вакууме с целью удаления слоя ад- сорбированных молекул, соединяются при соприкосновении гораздо сильнее, чем на воздухе. Если же в глубоком вакууме удалить тем или иным методом не только слой адсорбированных молекул, но и окисный слой, т.е. ввести в соприкосновение ювенильные поверхно- сти, образцы соединятся настолько прочно, что их трудно будет рас- соединить. На этом принципе основана сварка трением в глубоком вакууме.
Кроме того, значительная по величине пластическая деформа- ция металлических образцов, вызванная их сдавливанием, также мо- жет привести к их полному контакту, а следовательно, к высокому адгезионному соединению. Высокую адгезию можно получить также нанесением жидкости на поверхность твердого тела в условиях пол- ного смачивания. В этом случае после затвердевания образуется пре- дельно прочный адгезионный шов. Примером может служить пайка и горячее лужение металлических поверхностей, образование полимер- ных покрытий из растворов или расплавов, образование клеевых швов, лакокрасочных покрытий и др.
Таким образом, адгезия является результатом различного рода взаимодействий, т.е. действия сил связи в веществах. Выше были рассмотрены существующие силы связи. Одни из них обладают большой величиной и, следовательно, способны образовать адгези- онный шов высокой прочности, другие имеют малое значение и, ес- тественно, адгезионный шов будет слабым. Прочность адгезионного шва зависит не только от сил связи соединяемых веществ, но и от различных факторов, например, присутствия антиадгезионных по- крытий (твердых и других смазок).
2.7.3. Поверхностная энергия
Обработанная поверхность в связи с особенностями ее образо- вания отличается большой неоднородностью, как по химической ак- тивности, так и по физико-механическим свойствам. Кроме того, в поверхностном слое образуются дефекты (слабые места поверхности детали), которые являются основой развития микротрещин. Разруше-

42 ние поверхности при трении начинается прежде всего именно в мес- тах дефектов.
Поверхностный слой металла обладает большой активностью.
Это обусловлено тем, что внутри твердого тела каждый атом кри- сталла окружен другими атомами и связан с ними прочно по всем направлениям и у атомов, расположенных на поверхности, с внеш- ней стороны нет «соседей» в виде таких же атомов. Поэтому в по- верхностном слое атомы твердого тела имеют свободные связи, вследствие чего вблизи поверхности создается атомное (молекуляр- ное) притяжение.
Поверхностные атомы вследствие свободных связей обладают большей энергией по сравнению с атомами внутри твердого тела.
Избыток энергии, отнесенный к единице поверхности, называют
удельной поверхностной энергией, или просто поверхностной
энергией.
Полная энергия кристалла состоит из внутренней и поверхностной энергии. Последняя пропорциональна поверхности раздела фаз, поэто- му особенно возрастает при диспергировании твердых тел. Она во мно- гом определяет свойства высокодисперсных систем – коллоидов.
При соприкосновении двух тел поверхностная энергия исчезает и может выделиться в виде теплоты или затратится на подстройку в кристаллической решетке одного кристалла к другому.
2.7.4. Адсорбция и хемосорбция
В результате взаимодействия ненасыщенных силовых полей твердого тела с силовыми полями молекул газа, движущихся к твер- дой поверхности, или взаимодействия жидкости, соприкасающейся с твердым телом, поверхность последнего покрывается пленкой ве- ществ, содержащихся в окружающей среде: газов, паров воды, обыч- но находящихся в воздухе, и паров других жидкостей, а также ве- ществ, растворенных в жидкостях и соприкасающихся с поверхно- стью твердого тела (рис. 2.6).
Явления образования на поверхности твердого тела тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ, либо поглощение этих веществ поверхностью тела называют адсорбцией. В результате уменьшения запаса поверхностной энергии выделяется теплота ад- сорбции. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией.

43
Граничная фаза
Монослой
Рис. 2.6. Схема адсорбированного монослоя полярных молекул
и ориентации неполярных молекул
Молекулы веществ, адсорбированных на поверхности твердого тела, обладают способностью перемещаться по поверхности из об- ластей, где имеется их избыток, в места, где их недостаточно для полного покрытия поверхности. Подвижность адсорбированных мо- лекул зависит от вида адсорбции. Различают адсорбцию физическую и химическую. Физическая адсорбция связана с притяжением ино- родных молекул за счет сил Ван-дер-Ваальса. Хемосорбция вызвана действием валентных связей. Поверхность в разных точках имеет разную поверхностную энергию. В отличие от физической адсорб- ции, химическая носит избирательный характер, она протекает с большой интенсивностью в местах нарушения кристаллической ре- шетки. Во многих случаях физическая и химическая адсорбция про- текает одновременно, но одна из них является преобладающей. Так, имеются основания считать, что адсорбция жирных кислот на метал- лических поверхностях при нормальной температуре носит в основ- ном физический характер, а при повышенной температуре – химиче- ский. Силы взаимодействия между молекулами поверхностно- активных веществ и металлической поверхностью различны по при- роде и зависят как от природы веществ, так и от металла. Микроде- фекты обладают повышенной адсорбционной активностью.
За счет физической адсорбции на поверхности молекулы газов и воды оседают в первую очередь на активных участках – центрах ад- сорбции. Сорбированные молекулы вступают в химическую реакцию с материалом. Так протекает окисление поверхностей, вызывающее

44 коррозию. Образуется окисная пленка. Сорбированная влага и темпе- ратура стимулируют процесс окисления. Рост окисной пленки снача- ла происходит быстро, затем замедляется. Пленки различают по толщине: тонкие (толщина до 40 нм), средние (до 500 нм), толстые – видимые (толщиной более 500 нм). Окислы бывают мягкими и рых- лыми, например, у меди, железа и его сплавов (ржавчина). Твердые и сплошные пленки образуются на алюминии, благородных металлах.
Свойства окисных пленок обычно существенно отличаются от свойств материала основы. Наиболее важными являются коэффици- ент теплового расширения, хрупкость, соотношение адгезионной и когезионной прочности. Из-за различия в свойствах пленки могут растрескиваться и отслаиваться, что существенно влияет на изнаши- вание при трении.
Особое значение имеет физическая адсорбция молекул поверх- ностно-активных веществ (ПАВ). Молекулы ПАВ активными груп- пами сорбируются на активных центрах поверхности, образуя моле- кулярный ворс, который разделяет пару контактирующих поверхно- стей и существенно снижает трение.
ПАВ, адсорбированные на поверхности твердого тела, способны изменять характер взаимодействия с жидкостью (смачивание). В за- висимости от того, как ориентируются молекулы ПАВ по отношению к твердой поверхности, последняя может хорошо смачиваться (гид- рофильная) или плохо (гидрофобная поверхность). Так, если молеку- лярный ворс направлен полярными группами к поверхности, а проти- воположные концы являются неполярными, то смачивание хорошее, если ориентация молекул противоположная – смачивание плохое.
Оценка гидрофильности проводится по величинеугла смачивания
(рис. 2.7).
23 3
13 2
12 1
Рис. 2.7. Силы натяжения

45
При смачивании выполняется условие
0 ,
(2.7) при несмачивании
/2 < .
(2.8)
Поскольку система стремится сократить запас поверхностной энергии, то тело пытается уменьшить площадь поверхности. Капля жидкости принимает сферическую форму, так как сфера имеет наи- меньшее отношение площади поверхности к объему. Поэтому по- верхность находится в растянутом состоянии, и если из нее выделить элемент, то действие оставшейся части на элемент можно заменить равно распределенными по контуру силами натяжения.
Мерой избыточной поверхностной энергии являетсякоэффици- ентповерхностного натяжения , равный избыточной энергии в рас- чете на единицу площади поверхности или силе натяжения, дейст- вующей на единицу длины контура элемента поверхности.
Под действием этого давления наблюдаетсякапиллярный эф- фект, заключающийся в подъеме либо опускании уровня жидкости в капилляре на высоту.
Капиллярный эффект имеет большое значение для пористых тел. Он используется для подачи масла в зону трения в подшипниках с пористыми втулками.
Наиболее важными для трибологии физико-механическими по- казателями поверхностных слоев являются микротвердость Н , моду- ли Юнга Е и сдвига G, предел сдвиговой прочности
s
. Эти показате- ли определяют процессы трения и изнашивания.
Для оценки физических свойств поверхностных слоев применя- ются методы оптической, электронной, ионной микроскопии, рентге- новского спектрального микроанализа, дифракции медленных элек- тронов и рентгеновских лучей с малыми углами скольжения, экзо- электронной эмиссии и др.

46 ской адсорбции ПАВ из окружающей среды. Молекулы ПАВ ориен- тируются при адсорбции перпендикулярно к поверхности тела, с ко- торым взаимодействуют (органические кислоты, спирты, смолы, дис- тиллированная вода). Эти молекулы полярные. Например, если по- местить металлическое тело рядом с летучим веществом (например, валерьяновой кислотой), то молекулы кислоты, испаряясь и переме- щаясь через воздух, покроют поверхность тела слоем в одну моле- кулу, причем, если намочить поверхность, то получается многомоле- кулярный слой строго ориентированных молекул ПАВ (см. рис. 2.6).
Этот эффект был установлен П.А. Ребиндером и назван его име- нем. Различают внешний и внутренний адсорбционные эффекты.
Внешний эффект происходит в результате адсорбции ПАВ на внешней поверхности деформированного твердого тела, что вызывает пластифицирование поверхности и снижает предел текучести. Пони- жается поверхностная энергия, что приводит к облегчению выхода дислокаций. Молекулы органических кислот и спиртов относительно велики, они не могут проникнуть в трещины и вызывают внешний адсорбционный эффект. Эффект Ребиндера можно продемонстриро- вать на примере продавливания стального шарика через сквозное ци- линдрическое отверстие в металлическом образце (рис. 2.8).
При продавливании шарика избыточный поверхностный слой металла пластически деформируется, образуя наплыв перед шариком.
При продавливании шарика без смазочного материала в зону дефор- мации вовлекается значительно больше металла, чем в присутствии активной среды.
а)
б)
1 3
4 2
2
Рис. 2.8. Схема продавливания шарика без смазочного материала (а)
и с окисленным парафином (б): 1 – образец; 2 – пуансон; 3 – шарик;
4 – наплыв
а б

47
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 микро- трещин при деформации разрушения и облегчения их развития в ре- зультате снижения работы образования новой поверхности. Давление на стенки трещины у ее вершины может доходить до 10 ГПа.
Эффект Ребиндера проявляется только при совместном дейст- вии среды и определенного напряженного состояния. Он 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.
Адсорбционные пленки приводят к эффекту пластификации и снижению предела текучести, т.е. облегчают пластическое течение в зернах, расположенных в поверхностном слое, так как адсорбирован- ный слой понижает поверхностное натяжение металла. Кроме того, попадая в микротрещины, смазка оказывает расклинивающее дейст- вие и может снизить прочность твердого тела (рис. 2.9).
Q F
Q
Рис. 2.9. Схема адсорбционно-расклинивающего действия полярных
молекул смазочного материала: F – давление адсорбированного слоя;
Q – расклинивающие силы
Отличительной особенностью эффекта Ребиндера является то, что он проявляется только при совместном действии среды и опреде- ленного напряженного состояния. Речь идет об обратимом участии среды. Это принципиально отличает эффект Ребиндера от химиче- ских или электрохимических процессов, коррозии или растворения