лекции_1 / Лекция 3_ 1_Особенности контактирования

реакции и химическое взаимодействие на границе твердая фаза – газ. В третьих случаях реализуются оба механизма одновременно.

Между граничным и переходным слоями не всегда существует определенная поверхность раздела, так как молекулы граничных слоев способны проникать в переходные слои и в глубь твердой фазы основного материала. Адсорбционный граничный слой изменяет свободную энергию жидкой или твердой поверхности, а переходные слои способны изменять распределение зарядов в молекулах граничного слоя (поляризовать), осуществлять их изомерные превращения и вызывать другие изменения. Таким образом, свойства граничных слоев тесно связаны со свойствами переходных слоев.

При рассмотрении процессов трения со смазочным материалом особый интерес вызывает физическая адсорбция цепных молекул, из которых преимущественно состоят компоненты поверхностно активных веществ (ПАВ) и смазок. Допустим, что данные молекулы сорбируются на активных центрах поверхности твердого тела, являющейся кристаллической плоскостью. Положение молекулы на ней (рис. 3.17) характеризуется двумя координатами x, y и двумя углами α, β. В зависимости от наклона оси АВ молекулы возможны различные ее ориентации – горизонтальная, вертикальная и наклонная. Явление ориентации – общее свойство ассиметричных молекул, входящих в состав смазочных масел, независимо от их полярности. Наличие полярных молекул интенсифицирует этот процесс. При существовании двух и более активных центров у цепных молекул наблюдаются особые формы адсорбционного адаптирования молекул (рис. 3.18).

Изучение граничного трения показало, что наиболее эффективно снижается сопротивление трению, когда при адсорбции полярных цепных молекул они ориентируются вертикально или наклонно к поверхности трения. В этом случае образующийся молекулярный ворс разделяет пару контактирующих поверхностей и существенно снижает трение. Граничный слой, у которого молекулярные цепи образуют изогнутую конфигурацию (рис. 3.18, б) должен обладать значительной упругостью на сжатие, что может обеспечить высокую несущую способность трибосопряжения.

Отмечается еще одна интересная особенность многих смазочных веществ (Ахматов) – способность образовывать кристаллически правильные слои на поверхности твердого тела под действием небольших

материала с металлическими поверхностями при изменении температуры в диапазоне, лежащем ниже так называемой «температуры дезориентации», коэффициент трения также меняется. При достижении и превышении этой температуры происходит разрушение смазочного материала, вследствие чего его защитные свойства значительно снижаются или вообще исчезают. В результате коэффициент трения и износ очень резко возрастают.

Коэффициент трения при применении твердых или консистентных смазок уменьшается при повышении температуры, вплоть до температуры плавления. Переход смазки в жидкое состояние вызывает повышение коэффициента трения, который сохраняется в широком диапазоне температур.

Эффект Ребиндера

Проблема влияния структуры поверхностного слоя твердых тел, в частности, металлов на триботехнические свойства является в настоящее время одной из самых актуальных и сложных в трибологии. Она тесно связана с эксплуатационными характеристиками деталей и конструкций для машиностроения. Хорошо известно, например, что модифицирование поверхностного слоя металлов и сплавов различными физическими и химическими методами позволяет значительно повысить износостойкость сопряжений и снизить энергетические затраты на трение. Исследование влияния поверхности на поведение металлических материалов при трении позволило установить общий характер деградации поверхностного слоя при изнашивании, который проявляется во взаимосвязанном перемещении объемов материала (фрагментов) различного масштабного уровня и образовании микротрещин по их границам. Этот процесс приводит к образованию частиц износа. Подавление образования фрагментированной структуры путем создания упрочненного поверхностного слоя препятствует образованию частиц износа и, следовательно, уменьшает интенсивность изнашивания. К такому же эффекту при трении может привести и создание на поверхности тонкого пластичного слоя, в котором затухают напряжения, обусловленные взаимодействием микроконтактов сопряженных поверхностей. Такая локализация напряжений в пластичном слое не дает развиться фрагментированной структуре, следовательно, частицам износа.

Другим проявлением модифицирования структуры поверхностного слоя является его разупрочнение, что широко применяется при механической обработке материалов. Было установлено, что применение некоторых охлаждающих жидкостей при механической обработке металлов способствует снижению усилий при резании. В 1928 году П.А. Ребиндером было установлено, что понижение прочности твердого тела вызвано адсорбцией поверхностно-активных веществ (ПАВ). Он показал, что деформация металлов Al, Cu, Pb, Sn, Zn в растворе олеиновой кислоты в вазелиновом масле при адсорбции цепных молекул жирных кислот, спиртов и аминов выявляет снижение напряжений разрушения. Этот эффект проявляется также и в уменьшении предела текучести и коэффициента упрочнения металлов при их деформировании в растворах органических поверхностно-активных веществ. Механизм пластифицирующего действия

среды связан с проникновением активных молекул в микротрещины, присутствующих в поверхностном слое, и их расклинивании (рис. 3.19) в результате отталкивания полярных молекул друг от друга. Микротрещина растет, что вызывает падение твердости. В зависимости от ряда физико-химических и механических факторов и, прежде всего, снижения свободной поверхностной энергии твердого тела на границе со средой могут проявляться иные формы эффекта – возникновение хрупкости, появление склонности к самопроизвольному диспергированию.

В результате эффекта Ребиндера при трении формируется тонкий пластичный слой ( 10…100 нм) с низким сопротивлением сдвигу, что облегчает разрыв адгезионных и когезионных связей. Кроме того, поведение данного слоя при трении подобно описанному выше пластичному слою – в нем локализуются напряжения, обусловленные силой трения. Следует отметить, что адсорбированная пленка может оказывать противоположное действие, вызывая поверхностное упрочнение, например, за счет появления оксидов на некоторых металлах (эффект Роско). В любом случае адсорбированная пленка изменяет поверхностную энергию основного материала.

Таким образом, структура поверхностного слоя достаточно сложна (рис. 3.20), она зависит от условий изготовления детали и условий трения. Физическое состояние тонкого граничного слоя может быть различным (от близкого к газообразному до твердокристаллического) и зависеть как от параметров состояния (температуры, давления и т.д.), так и от характера взаимодействия с твердой фазой. При механической обработке (также при трении) под действием нормальных и тангенциальных усилий изменяются свойства не только граничного и переходного слоев, но и формируется нижележащая область деформированного материала. Схематически поверхность и прилегающая к ней область твердого тела представляется в виде слоистой системы, состоящей из граничного, переходного и структурно разнородных деформированных слоев, расположенных на твердой фазе основного материала. В процессе трения поверхностный слой претерпевает изменения, которые могут носить как обратимый, так и необратимый характер, являться причиной износа, схватывания и других явлений, обусловливающих выход из строя узла трения.

Рис. 3.20. Поперечное сечение контакта двух поверхностей

Рис. 3.19. Эффект расклинивания поверхностной микротрещины полярными молекулами: Р – давление, обусловленное адсорбционным слоем; σ - расклинивающее напряжение