2.5. Физико – механические свойства поверхностных слоев.
В соответствии с дислокационной теорией каждое кристаллическое тело характеризуется определенным типом дислокации и их плотностью. Поверхности реального кристаллического тела представляют собой сложную систему блоков, фрагментов, мозаик и выходов отдельных групп дислокации. Дислокационная структура в объеме реального кристаллического тела реализуется на поверхности этого тела в вид тонкой системы ступенек, впадин и выступов. Поверхность идеального кристаллического тела может быть совершенно гладкой и иметь только атомную и молекулярную шероховатость Поверхность же реального кристаллического тела всегда имеет шероховатость, обусловленную его мозаично-дислокационным строением. Эта шероховатость называется тонким рельефом или субмикрорельефом.
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, 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. Чтобы при таком несимметричном силовом поле атом кристалла находился в равновесии, необходимо иное, чем внутри кристалла, расположение атомов самого верхнего слоя.
Поверхностные атомы вследствие свободных связей обладают большей энергией, нежели атомы внутри твердого тела. Избыток энергии, отнесенной к единице поверхности, называют удельной поверхностной энергией или просто поверхностно энергией. Полная энергия кристалла состоит из внутренней и поверхностно энергии. Последняя пропорциональна поверхности раздела фаз, поэтому особенно возрастает при диспергировании твердых тел. Она во многом определяет свойства высокодисперсных систем – коллоидов.
Свойства поверхностных слоев детали существенно отличаются от объемных свойств материала, из которого она изготовлена. Силовое поле, создаваемое атомами поверхностного слоя, обладает высокой адсорбционной способностью, вследствие чего поверхность, как правило, покрыта адсорбированными слоями воздуха, воды и различных органических веществ. Под влиянием адсорбирующихся поверхностно – активных веществ /ПАВ/ происходит ослабление взаимодействия между атомами, расположенными на поверхности. Проникая в микротрещины, ПАВ создают давление, направленное в сторону дальнейшего развития щели в глубь твердого тела и ослабляют прочность поверхностного слоя /эффект Ребиндера/.
На поверхности металла, как правило, имеются окисные пленки, особенно интенсивно образующиеся при повышенных температурах. Свойства материала в поверхностном слое существенно зависят от характера обработки. При обработке материала резцом перед его передней гранью образуется зона пластической деформации, в которой происходит размельчение зерен структуру. Этот слой с нарушенной структурой простирается на глубину в десятки микрометров, а при грубой обработке – на сотни. Аналогичные явления наблюдаются и при шлифовании. При применении Высокодисперсного абразива и малой скорости обработки поверхность имеет наименьшую шероховатость при минимальной толщине деформированного слоя.
Если же металл подвергается механической обработке, то свойства и структура его поверхностных слоев коренным образом изменяются. Характер этих изменений, распространяющихся нередко на значительную глубину до нескольких микрон, зависит от исходных свойств металла от метода механической обработки и ее режима. При абразивном способе обработки, особо высокой степени дисперсности абразива и чрезвычайно малых скоростях резания достигается получение поверхностей наивысшего класса технической чистоты при минимальной толщине деформированного слоя, которой, с технической точки зрения, даже можно пренебречь.
Основной причиной нарушения объемных свойств металла в его поверхностных слоях является напрятанное состояние, влекущее за собой пластические деформации и повышение температуры. Пластическая деформация сопровождаются пластическим течением металла, размазыванием его по поверхности, что приводит к полному разрушению начальной структуры и образованию слоя деформированных зерен.
Повышение температуры может иметь свои последствия: а) образование нитридов, обезуглероживание металла, карбидов б) фазовые превращения структуры; в) возникновение остаточных механических напряжений.
Особый интерес представляют свойства полированных поверхностей которые, как оказалось, обладают целый рядом особенностей. Бейльби по – видимому, был одним из первых, кто обратил внимание на эти явления. Он обнаружил значительное повышение химический стойкости таких поверхностей и предположил, что они имеют беспорядочное атомное строение.
Дальнейшие исследования показали, что полированные поверхности обладают иными физическими свойствами по сравнению со свойствами поверхности того же металла, прошедшего иную обработку. Это касаемся способности к растворению, фотоэлектрических свойств, контактно разности потенциалов, твердости и т.д. Такие поверхности способны растворять мелкие кристаллы чуждого им металла. Процесс при этом течет как диффузионный, наподобие /по образному сравнению Шмальца/ растворению кристаллика NaCl, помещенного на поверхность влажной фильтровальной бумаги.
Рентгеновские и электронографические исследования полированных поверхностей приводят к заключению, что слои Бейльби, толщина которых колеблется в широких пределах от 10-3 мк до нескольких микрон, построены из большого числа беспорядочно расположенных и чрезвычайно мелких кристаллов, размером всего в несколько элементарны – ячеек. Такое заключение, несмотря на некоторую неопределенность результатов измерений из – за слабости и диффузности дифракционных колец, кажется правдоподобным. Аморфным, следовательно, является не металл, что трудно было бы примирить с современной точкой зрения на строение твердых тел, а его высокодисперсная кристаллическая структура. В этом смысле первоначальная гипотеза Бейльби находит подтверждение. Отсюда можно сделать заключение, что основные физические свойства полированных поверхностей объясняются их высокодисперсным кристаллическим строением.
С точки зрения физических свойств поверхности особый интерес вызывают два явления: высокодисперсное строение слоев Бейльби и наличие слоев металла, построенных из зерен с искаженными кристаллическими решетками.
Первое явление связано с чрезвычайно сильным развитием в слое Бейльби фазовых поверхностей металла и, следовательно, с интенсификацией всех физико-химических процессов, протекающих на таких поверхностях. Слои Бейльби характеризуются повышением "объемной" плотности свободной энергии фазовых поверхностей элементов структуры. Так, например, в основе повышенной твердости слоев Бейльби лежит механизм дисперсионного твердения, непосредственно связанны с сильным развитием межфазных взаимодействий кристаллитов.
Второе явление также связано со значительным изменением запаса энергии поверхности металла. Искажение строения кристаллической решетки, выражающееся в изменении ее межатомных интервалов и происходящее за счет работы внешних сил, эквивалентно увеличению запаса потенциальной энергии в поверхностных слоях металла. Такие поверхности, в частности, характеризуются значительным повышением их адсорбционного потенциала.
На эти важные термодинамические особенности реальных поверхностей технического металла уже давно обращал внимание П. А. Ребиндер. Им же был получен ряд экспериментальных доказательств такого рода эффектов.
М.С. Белецкому особенно наглядно удалось продемонстрировать указанные свойства металлических поверхностей на примере алюминия; рекристаллизованный алюминий в отсутствие, следовательно, каких-либо искажений зерен, образующих структуру его поверхности, практически не адсорбирует стеариновую кислоту. Тот же алюминий после деформации /растирание алюминиевой пудры в ступке/ дает на электронограммах ясную картину адсорбции этой кислоты.
Поверхностный слой неоднороден по строению /рис. 19/. Граничный слой 1 состоит из адсорбированной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости, которую можно удалить лишь нагревом девали в вакууме. Слой 2 – деформированный, сильно раздробленный металл с искаженной решеткой кристаллов и с обезуглероженными под действием высоких температур при шлифовании участками; в нем находятся окислы и нитриды, пустоты, надрывы и трещины. Слой 3 состоит из зерен, сильно деформированных под действием давления шлифовального круга и тангенциальных сил при шлифовании; в нем содержится структурно-свободный цементит, образовавшийся под действием высоких температур. Слой 4 – металл с исходной структурой. При более тонкой обработке /абразивными брусками, лентами и т.д./ слой 1 не изменяется по толщине, а слои 2 и 3 уменьшаются соответственно меньшим давлению и температуре поверхности при обработке.
Рис. 19 Структура поверхностного слоя шлифованной детали из углеродистой стали.
У полированного металла самый верхний слой состоит из мельчающих кристаллических образований, многие из которых не имеют законченной решетки и представляют собой как бы обломки правильных кристаллических образований. Такое строение позволило считать этот слой аморфным. Под ним находится слой очень мелких кристаллов, ориентированных в направлении полирования. Далее следует переходная к исходной структуре прослойка слабо наклепанных кристаллов без выраженной текстуры.
Лишь при условии полного отсутствия на поверхности твердого тела /металла/ чуждых ему атомов и молекул поверхность твердого тела может быть признана "физически чистой", или "ювенильной". Физико – химические свойства ювенильных поверхностей интересны и необычны. Например, стальные ювенильные поверхности обладают коэффициентами трения скольжения, неизвестными в технике и достигающими многих единиц, легко амальгамируются /Бриджмен/; такие поверхности обладают характеристическими оптическими константами, собственными значениями контактных потенциалов, особыми химическими и каталитическими свойствами.
Поверхность твердого тела со свойствами, близкими к ювенильным можно получить путем нарушения его целостности /излома, раскола по плоскости спайности, всех видов резания/, сильного нагревания в высоком вакууме, быстрого растяжения в пластически вязком состоянии, обработки /протирания/. Свойства ювенильных поверхностей изучались Бриджменом /сталь/, И.Г.Архиповым и А.С.Ахматовым /монокристаллы NaCl, стекло/. Б.В.Дерягиным /слюда/, Ф.Р. Боуденом /металлы/.
Однако поверхность твердого тела может сохранять ювенильные свойства лишь в условиях высокого вакуума или в атмосфере инертного газа. При соприкосновении со смежной средой /жидкой или газообразной/ поверхность теряет ювенильные свойства в результате взаимодействия с атомами и молекулами среды. Такое взаимодействие характеризуется целым рядом ступеней: от прямых химических реакций /например, окисления/ до ван – дер – вальсовой адсорбции.
Процессы, сопровождающие трение, также в значительной мере влияют на свойства поверхностных слоев. Вследствие внедрения контактирующих выступов при тангенциальном перемещении имеет место упругопластическое перед сформирование поверхностных слоев. Толщина деформированного слоя зависит от скорости скольжения, она уменьшается с увеличением скорости. Многократные упругие деформации поверхности приводят к возникновению усталостных явлений. Пластическая и упругая деформации поверхностного слоя в процессе трения при водят не только к изменению его свойств, но и к образованию нового микрорельефа, типичного для данных условии трении. Высокая температура, развивающаяся при трении, ведет к отжигу и размягчению поверхностного слоя и сглаживаний микронеровностей, к структурным изменениям материала, а также в возникновению диффузивнных процессов. Существенное влияние на свойства поверхности трения оказывает градиент температурь; по глубине, приводящий к градиенту механических свойство Изменение структуры поверхностного слоя существенно меняя его механические свойства. Оценивать механические свойства поверхностного слоя можно по результатам измерения его микротвердости. Обычно поверхностный слой металлов имеет больную твердость, что объясняется его наклепом. Этот наклепанный слои может быть обнаружен методами рентгеноструктурного анализа.