1.4. Теория структурного приспособления при трении
Явление структурного приспособления материалов было открытое и детально исследовано Б.И.Костецким с сотрудниками. Теория структурного приспособления при трении описывает процессы, которые происходят на участке стационарного износа. Эти процессы состоят в изменении структуры поверхностных слоев в энергетически выгодном направлении, то есть в образовании структуры, наиболее стойкой для конкретных условий трения. Механизм реализации этого явления, в общих чертах, состоит в структурно-термической активации поверхностных слоев материала и их физико-химической пассивации; при этом наблюдается определенная периодичность процессов активации и пассивирования. Структурная схема процессов, которые составляют суть явления структурного приспособления, изображена на рис.1.25.
Трение двух твердых поверхностей неотвратимо вызывает упруго-пластическую деформацию их поверхностей. На стадии нормального трения пластическая деформация приобретает специфический механизм, при котором на поверхности возникает контактная (локализованная в очень тонких слоях) подповерхностная зона деформации. Состояние контактной зоны характеризуется аномальной пластичностью метала и однородностью деформации, что ведет к измельчению и текстурированию (ориентации) структуры. При нормальному трении на поверхности возникают слои толщиной 10-100 нм с ультрадисперсным строением, причем размеры ячеек деформированного металла (1,5-5 нм) составляют несколько межатомных расстояний. Такое состояние поверхностных слоев можно считать псевдоаморфным. Прочность аморфизированных металлических слоев приближается к теоретической прочности металла.
Ультрадисперсные (аморфизованные) слои характеризуются аномальным повышением свободной энергии, в их образовании состоит структурная активация поверхности в режиме нормального трения. Впрочем, эта активация дополняется влиянием температуры, которая повышается в зоне трения вследствие частичного перехода энергии трения в тепловую энергию. Таким образом, упруго-пластическая деформация является причиной структурно-термической активации очень тонких поверхностных слоев металла.
Любой материал не может находиться длительное время в активированном состоянии активации (т.е., в состоянии повышенной свободной энергии). За активацией очень быстро наступает пассивация поверхностных слоев, то есть они снижают свою энергию за счет взаимодействия с активными компонентами среды. Этому взаимодействию способствует резкое повышение скорости адсорбции, диффузии и химических реакций, имеющее место при трении (т.е., при пластической деформации). Экспериментально установлено, что в условиях трения коэффициенты диффузии возрастают в 105…109 раз в сравнении со статическими условиями механического взаимодействия. Атомы активных компонентов среды (Н2, О2, S, P, Cl, и др.), которые адсорбируются на поверхностном слое, стабилизируют, закрепляют его аморфизированное стояние. В результате образуются вторичные структуры 1-го рода (метастабильных твердые растворы) или вторичные структуры 2-го рода (химические соединения нестехиометрического состава). Пленки вторичных структур наследуют ультрадисперсное строение металла, то есть имеют высокую прочность, исключают прямой контакт металлических поверхностей, чем обеспечивают минимизацию разрушения при трении.
Рис.1.25. Процессы, определяющие явление структурного приспособления металлов.
Кроме образования ультрадисперсного деформированного слоя, трение приводит к его текстурированию, то есть к возникновению своеобразного «ворса» -ориентировки ячеек вдоль направления скольжения. Такое расположение ячеек (по движению) обеспечивает дополнительное снижение силы трения в зоне контакта (рис.1.26). Вторым этапом текстурирования является формирование субмикрорельефа поверхности за счет периодического разрушения и удаления фрагментов вторичных пленок. Вследствие этого поверхность приобретает гетерогенность строения, характеризуемое чередованием пленок вторичных структур и участков, где произошло их удаление. Субмикрорельеф также становится ориентированным по трению и образует оптимальную топологию (характер) поверхности, содействующую снижению коэффициента трения и максимальному удержанию граничного слоя смазочного вещества на деталях. При изменении направления скольжение структурное приспособление спустя некоторое время изменяет текстуру поверхностного слоя, то есть приспосабливает состояние поверхности к новым условиям трения. Следствием этого является возвращение системы к условиям нормального режима трения.
Рис. 1.26. Схема текстурирования поверхностного слоя при трении.
В местах удаления разрушенных вторичных пленок снова происходит структурно-термическая активация металла, которая завершается восстановлением этих пленок.
Все обозначенные процессы приобретают стабильный характер лишь при условиях достижения динамического равновесия и саморегулирования. К понятию динамического равновесия относится стабилизация: поглощаемой поверхностью энергии, тепловых потоков, сил трения, скорости образования и разрушения защитных пленок, микрорельефа, скорости изнашивания.
В состоянии саморегулирования система способна любое время поддерживать стационарность всех термодинамических и структурных параметров трения. В нормальном режиме трения эти параметры сводятся в общем виде к таким энергетическим соотношениям:
,
(1.7)
где Е – поглощаемая объемом энергия; А - работа сил трения; J - износ.
Из приведенных соотношений следует, что в состоянии высокой износостойкости отношение поглощаемой объемом энергии к работе деформации этого объема достигает своего максимума, т.е. поверхностный слой поглощает лишь малую долю подводимой извне энергии. В то же время, отношение работы деформации к величине износа должно быть максимальным; это достигается лишь при малой величине износа.
Таким образом, достижение состояния высокой износостойкости (антифрикционности) становится возможной лишь при условиях совместного действия энергетических и структурных факторов, которые предопределяют стабильное действие механизма структурного приспособления металлов при трении.
Если условия трения (давление, скорость скольжения) выходят за рамки нормального режима (участок II на рис.1.17, 1.18), то происходит нарушение динамического равновесия системы. В случае низких значений Р или V (участок I на рис. 1.17, 1.18), упруго-пластическая деформация не достигает величины, при которой наступает необходимая активации поверхностных слоев материала. В результате, на поверхности не возникают защитные ультрадисперсные пленки, которые способны предотвращать разрушение трущихся поверхностей путем схватывания.
Если же условия трения ухудшаются (т.е. значительно возрастают Р и V - участок ІІІ на рис. 1.17, 1.18), то деформация и интенсивный разогрев резко активизируют поверхностные слои, которые начинают активно взаимодействовать с компонентами среды. Вследствие этого на поверхности возникают толстые пленки стабильных вторичных структур, которые имеют низкую прочность сцепления с металлом и потому легко разрушаются и удаляются, оголяя ювенильные (то есть, не покрытые пленками) металлические поверхности, приводя к их схватыванию.
В случае очень тяжелых условий трения (большие Р и V) скорость разрушения пленок превышает скорость их образования, и процессы схватывания приобретают катастрофический характер.
Использование явления структурного приспособления при управлении процессом изнашивания
Знание механизма структурного приспособления материалов при трении позволяет активно влиять на трение и износ деталей машин. Процессы активации и пассивации в значительной мере зависят от свойств материала деталей, состояния рабочей среды и условий трения. Если становится известной характер этих зависимости, то открывается возможность управления явлением структурного приспособления с целью достижения необходимых результатов.
Направлениями такого управления могут быть:
а) обеспечение динамического равновесия в парах трения с согласованием скоростей процессов активации и пассивации поверхностных слоев трущихся деталей. Целью этого является образование прочных защитных пленок на поверхностях деталей;
б) нарушение динамического равновесия с преобладанием процесса активации. Целью этого является снижение прочности поверхности и облегчение ее диспергирования (то есть, облегчение разрушения).
Направление “а” соответствует достижению условий нормального трения при эксплуатации машин (если нужна максимальная износостойкость при заданной антифрикционности ли фрикционности), а направление “б” соответствует облегчению резания, получению высокого качества поверхности при механической обработке деталей.
Достижение состояния динамического равновесия становится возможным за счет принудительного повышения или снижения интенсивности процессов активации или пассивации для их согласования. Например, если поверхность при эксплуатации очень сильно активируется (т.е. деформируется), то пассивация отстает, не успевая образовывать защитные пленки, в результате чего возрастает износ деталей. Равновесие в этом случае может быть восстановлено подавлением активации за счет повышения прочности поверхности (например, за счет цементации или поверхностной закалки с нагревом ТВЧ): упрочненная поверхность будет лучше сопротивляться трению, меньше деформироваться, следовательно – активироваться в меньшей степени.
Другие конкретные примеры управления механизмом структурного приспособления приведены ниже:
1. В подшипниках качения вероятность схватывания намного ниже, чем в подшипниках скольжения. Это обусловлено отсутствием значительных тангенциальных напряжений в зонах контакта шариков (роликов) с поверхностью кольца подшипника, приводящих к схватыванию. В то же время, поверхность шариков и кольца активируется (то есть, деформируется) довольно интенсивно, что приводит к интенсивной пассивации - образованию в точках контакта толстых вторичных пленок, предельно насыщенных кислородом. Ввиду высокой хрупкости и слабого сцепления с основой эти пленки легко удаляются с поверхности, что ускоряет износ (в данном случае изнашивание протекает по механохимическому механизму - см. последующие разделы). Повышения износостойкости подшипников достигают подавлением процесса пассивации (т.е. окисления) за счет ограничения доступа кислорода к поверхностям трения (подавление процесса активации уже не представляется возможным, поскольку подшипники качения имеют максимальное для шарикоподшипниковой стали сопротивление деформации – их твердость превышает 60 НRС). Количество кислорода в рабочей для подшипника среде снижают за счет введения в смазку специальных веществ-антиокислителей или путем нанесения на дорожки качения тонких экранирующих слоев металла. Уменьшение количества кислорода в зоне трения приводит к образованию ненасыщенных кислородом структур 1-го типа, которые прочно сцеплены с основным металлом и потому с трудом удаляются с поверхности подшипников при трении.
2. В тяжелых условиях трения (например, в тормозных устройствах машин) значительная структурно-термическая активация поверхностей приводит к быстрому разрушению фрикционных материалов за счет их интенсивного окисления. Для таких условий эффективным может быть применение пассивирующих сред некислородного происхождения, среди которых наиболее эффективным является аммиак (NH3). При трении аммиак диссоциирует с выделением атомарного азота, который диффундирует в поверхностные слои металла. Активированные атомы металлической поверхности пассивируются, соединяясь с азотом и образуя пленки нитрида железа Fe4N. Результатом этого процесса есть значительное снижение износа деталей.
Добавки химически-активных веществ в смазку оказывают содействие улучшению износостойкости узлов трения за счет образования на поверхности пленок некислородного происхождения. Присутствие в смазке роданидов и дитизонатов меди, марганца, железа, комплексных соединений, содержащих серу, фосфор, хлор, обеспечивают появление на поверхности трения структур, которые имеют более высокую износостойкость по сравнению с кислородными структурами.
3. Если трение не сопровождается необходимой активацией поверхности, то не “работает” механизм пассивации, то есть на поверхности не возникают прочные защитные пленки вторичных структур. Отсутствие таких пленок приводит к схватыванию 1-го рода. Дополнительную активацию поверхности осуществляют введением в смазку поверхностно-активных веществ. Благодаря проявлению внешнего эффекта Ребиндера снижается прочность поверхности, то есть облегчается ее деформирование. Пластифицированные (размягченные) поверхностные слои значительно легче деформируются при тех же условиях трения, и это обеспечивает условия для образования ультрадисперсных слоев металла с последующей их пассивацией. Возникающие окислительные пленки экранируют поверхность от доступа молекул ПАВ, и пластифицирование (размягчение) перерывается на некоторое время, пока разрушение пленок не приведет к оголению поверхностных слоев металла.
4. Явление структурного приспособления используют также с целью достижения результатов, противоположных к случаю достижения высокого уровня антифрикционности и износостойкости. Речь идет об облегчении процессов технологической обработки резанием, шлифованием, и т.п. Состояние улучшенной обрабатываемости достигается за счет разбалансирования процессов активации и пассивации поверхности путем предотвращения образования защитных вторичных структур. Активацию стимулируют введением молекул ПАВ в состав смазки, полировальных паст, смазочно-охлаждающих жидкостей, а подавление пассивации достигают введением присадок антиокислителей, которые связывают (нейтрализуют) свободный кислород. В результате поверхность металла при обработке интенсивно деформируется, диспергируется и разрушается, при этом исключается образование защитных кислородсодержащих пленок. Часто антиокислители объединяют в себе поверхностно-активные свойства и высокую химическую активность к кислороду.