3. Лекция
Физико-химические свойства поверхностей деталей и контактирование поверхностей
Физико-химические свойства поверхностей деталей и контактирование поверхностей.
Поверхностный слой металла обладает большой активностью. Это обусловлено тем, что внутри твердого тела каждый атом кристалла окружен другими атомами и связан с ними прочно по всем направлениям, а у атомов, расположенных на поверхности, нет с внешней стороны «соседей». Поэтому в поверхностном слое у атомов остаются свободные связи, наличие которых создает атомное (молекулярное) притяжение. Поверхностные атомы вследствие наличия свободных связей, обладают большей энергией, нежели атомы внутри тела. Этот избыток энергии называется поверхностной энергией и она тем больше, чем больше площадь свободной поверхности.
Все твердые поверхности могут взаимодействовать с газовой и жидкой фазами, которые при этом образуют наитончайшие пленки. Это явление называется адсорбцией. Наибольшей способностью к адсорбции обладают поверхностно-активные вещества. Характерной особенностью поверхностно-активных веществ является несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в их молекулах, в результате чего молекулы поляризуются. Такие молекулы притягиваются и удерживаются поверхностью. Так если поместить металлическое тело вблизи летучего вещества, например валериановой кислоты, то молекулы кислоты, испаряясь, покроют поверхность тела слоем толщиной в одну молекулу.
Конец молекулы, присоединяющийся к металлу, подобен маленькому магниту; его называют полярным или активным. Остальная часть молекул составляет так называемый хвост. У всех органических кислот и их мыл активной является карбоксильная группа, у спиртов гидроксил OH, у других веществ группа NH2, COCl и др.
Молекулы веществ, адсорбированные 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. Адсорбция бывает физическая и химическая. При химической адсорбции (хемосорбции) полярные концы молекул образуют с поверхностью монослой, сходный с химическим соединением. Подвижность молекул в результате этого сильно ограничивается. Силы взаимодействия между молекулами поверхностно-активных веществ и металлической поверхностью различны по природе. Они зависят от природы вещества и металла, а также и от температуры. Наиболее прочной связью обладают молекулы с активной карбоксильной группой. К ним относятся масла. Молекулы масел имеют удлиненную форму и образуют на поверхности особую структуру. Поверхностно-активные вещества, имеющиеся в них, образуют монослой активных молекул, а над ним образуется граничный слой полярных молекул масла. Молекулы в нем расположены не беспорядочно, а правильно ориентированы. Граничные слои находятся в особом агрегатном состоянии, имея квазикристаллическую структуру. При некоторой температуре пленка квазикристаллической структуры как бы расплавляется, происходит дезориентация адсорбированных молекул и теряется способность смазочного материала к адсорбции. (Эта температура колеблется от 40 до 150°С).
Эффект Ребиндера. Поверхностно-активная среда влияет на процессы деформации и разрушения твердых тел. Причем в результате физической адсорбции поверхностно-активных веществ из окружающей среды, сопротивляемость деформированию и разрушению значительно понижается. Этот эффект установлен П.А. Ребиндером и назван его именем. Различают внешний и внутренний адсорбционные эффекты. Внешний адсорбционный эффект наблюдается при адсорбции поверхностно-активных веществ на внешней поверхности деформируемого твердого тела. Он проявляется в снижении предела текучести и коэффициента упрочнения. Например, в монокристалле олова sт при наличии ПАВ на поверхности снижается в два раза. Объясняется это облегчением выхода дислокаций из-за значительного снижения поверхностной энергии поверхности при адсорбировании на ней слоя ПАВ. Молекулы органических кислот и спиртов относительно велики; они не могут проникнуть в трещины и вызывают внешний адсорбционный эффект.
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. В результате этого облегчается их развитие из-за снижения работы образования новой поверхности. Отличительной особенностью эффекта Ребиндера является то, что он проявляется только при совместном действии среды и определенного напряженного состояния. Наиболее сильно он проявляется в условиях образования новых поверхностей, а также при наличии в теле дефектов (в частности, границ зерен).
F – давление адсорбированного слоя; Q – расклинивающие силы
Рис. 2.1 – Схема адсорбционно-расклинивающего действия полярных молекул смазочного материала
Эффект Ребиндера и его закономерности распространяются и на полимерные материалы. Адсорбируемые поверхностно-активные молекулы, стремясь занять поверхность тела в зоне соприкасания с активной средой, проникают в ультрамикроскопические трещины, мигрируя по их стенкам со скоростями, значительно превосходящими скорость всасывания жидкости в зазор (Рис. 2.1). Когда активные молекулы достигают мест, где ширина зазора равна размеру одной-двух молекул, адсорбционный слой своим давлением стремится расклинить трещину для дальнейшего продвижения молекул. Давление на стенки трещины у ее вершины может доходить до 10 ГПа. Растягиващие напряжения, остаточные или от внешней нагрузки, раскрывают ультрамикротрещины и способствуют проявлению эффекта Ребиндера.
Расплавленные легкоплавкие металлы являются сильными поверхностно-активными средами по отношению к более тугоплавким металлам и могут вызвать резкое понижение их прочности. Эффект Ребиндера лежит также в основе облегчения резания пластичных материалов под влиянием поверхностно-активных компонентов смазочно-охлаждающих жидкостей.
Окисление поверхностей.
Практически все металлы подвергаются окислению. Металлические поверхности в процессе обработки очень быстро покрываются первичной оксидной пленкой. Несмотря на свою малую толщину, она приостанавливает дальнейшее окисление. Скорость образования оксидной пленки на поверхности металла исчисляется долями секунды. Так, для возникновения слоя пленки толщиной 1,4 нм достаточно 0,05 с. Оксидная пленка находится в напряженном состоянии; она испытывает растяжение или сжатие в зависимости от соотношения объема образовавшегося оксида к объему окислившегося металла. С увеличением толщины пленки напряжения в ней растут. При некоторой толщине пленки происходит потеря ее устойчивости, наступает мгновенное смещение и пленка приобретает пористое (рыхлое) строение.
Внешний слой поверхности состоит из загрязнений, попавших на поверхность при обработке и адсорбированных газов и паров. Толщина этой пленки 0,1…2,5 нм. Расположенный под ним слой имеет на железе толщину до 5 нм, на стали до 2 нм, на алюминии до 15 нм.
Взаимное контактирование деталей происходит на выступах поверхностей, образованных микронеровностями. При изучении контакта деталей профессор И.В. Крагельский выделил:
– номинальную площадь контакта, соответствующую номинальным размерам сопрягающим деталей;
– фактическую (физическую) площадь контакта, равную сумме фактически малых площадок соприкосновения;
– контурную площадь касания, представляющую собой сумму площадок,
ограниченных контурами, в которые вписаны области с близлежащими площадками фактического контакта.
Контурные площадки легко обнаруживаются при проверке качества сопряжённых деталей на краску – это пятно касания. Для плоских поверхностей, не имеющих отклонений от плоскостности, контурная площадь равна номинальной.
Процесс контактирования поверхностей при статическом нагружении протекает следующим образом. Поверхность воспринимает нагрузку вершинами выступов неровностей на высотах, образуемых макрогеометрическими отклонениями. Здесь располагаются зоны, из которых складывается контурная площадь касания. В контакт первыми вступают наибольшие выступы. Их деформация вызывает сближение поверхностей.
Возможны следующие виды деформации выступов: упругая, упруго-пластическая без упрочнения, упруго-пластическая с упрочнением. Упругая деформация возможна только у эластичных тел (резина). В большинстве случаев наблюдается пластическая деформация, которой принадлежит ведущая роль в образовании фактической площади контакта. Входящие в касание выступы пластически сплющиваются, чаще всего с внедрением: внедряется более твердый выступ или тот, которому геометрическая форма придает большее сопротивление деформации.
Пластическая деформация выступов начинается при среднем давлении на контакте равном примерно утроенному пределу текучести материала. При этом давлении материал под контурной площадкой начинает пластически деформироваться и в результате либо увеличиваются размеры площадки, либо возникают новые контурные площади контакта. Полное погружение выступов в пластически деформируемую основу не наблюдается. После деформации, даже сильной, шероховатость поверхности лишь несколько видоизменится.
Площадь фактического контакта состоит из множества дискретных малых площадок, расположенных на различных высотах пятна касания. Между площадками касания тел имеются микрополости, заполненные воздухом или другими материалами (смазка, продукты износа и др.)
Площадь фактического контакта составляет от одной десятитысячной до одной десятой номинальной площади касания. Она возрастает с увеличением нагрузки, снижением шероховатости поверхности и росте радиуса закругления вершин ее неровностей. При контактировании двух различных материалов площадь фактического контакта определяется физико-механическими свойствами более мягкого материала и геометрией поверхности более твердого материала.
Кроме контактирования поверхностей деталей возможно и взаимное внедрение поверхностей. Это связано с анизотропией кристаллитов. Свойства кристаллитов сильно меняются в зависимости от направления действия нагрузки. Так для монокристалла железа модуль упругости меняется от 284 до 132 ГПа. Тогда как для поликристалла E = 210 ГПа. Поликристаллическому чистому металлу свойственна неоднородность кристаллического строения, а большинству сплавов присуща неоднородность еще и по структурным составляющим. В результате на отдельных площадках фактического контакта происходит взаимное внедрение твердых составляющих своими более «сильными» гранями в менее твердые структурные составляющие. При этом меняется шероховатость поверхности.
Для изнашивания поверхностей трения имеет значение не сам факт изменения их шероховатости, а связанные с ним взаимное внедрение поверхностей. Глубина взаимного внедрения зависит от физико-механических свойств материалов, шероховатости поверхностей и нагрузки. При малых нагрузках взаимное внедрение носит в основном упругий характер и незначительно. Возможно также взаимное внедрение поверхностей при контактировании металла с неметаллом, т.е. неоднородность строения свойственна всем материалам, в том числе и аморфным.