3.4 Плёночные эффекты

Глядя на мир, нельзя не удивляться.

Козьма Прутков

Одним из следствий адсорбционно-диффузионных явлений на поверх-ности твердого тела является образование на ней различных пленок, оказы-вающих влияние на объемные и поверхностные механические свойства твердых тел. К подобным явлениям относится эффект Крамера [4] (экзоэлектронная эмиссия).

Внешне этот эффект проявляется в изменение степени наклепа кристаллитов металлов при их испытаниях в присутствии кислорода. При этом с поверхности наблюдалась экзоэлектронная эмиссия, которая не зави-села от степени деформации образцов.

Рис. 30. Экзоэлектронная эмиссия с поверхности магния в среде кислорода: 1 – ток экзоэмиссии; 2 – давление кислорода [4]

Было установлено, что экзоэлектронная эмиссия с металлических по-верхностей появляется только в результате взаимодействия с адсорбиро-ванным на активированной трением поверхности твердого тела кислородом. Кинетика процесса представлена на рис. 30.

Первый высокий пик экзоэлектронной эмиссии объясняется адсорбцией кислорода на поверхности металла. В процессе образования поверхностной пленки освобождается энергия, которая путем эмиссии электронов рассеивается в окружающую среду. Затем протекают хемосорбционные процессы с образованием пленки оксида, и наблюдается второй, меньший пик интенсивности эмиссии. Затем вся поверхность металла покрывается пленкой оксида, и эмиссия экзоэлектронов убывает.

Вторым эффектом, состоящим во влиянии оксидных пленок на механические свойства твердых тел, является эффект Роско [4]. Он состоит в увеличении микротвердости поверхностного слоя металлов в присутствии их оксида. Скольжение индентора по базовой плоскости монокристалла цинка при отсутствии оксидов вызывает пластическую деформацию в виде дорожки оттесненного металла в направлении скольжения. При тех же режимах трения скольжение по окисленной поверхности вызывало деформирование монокристалла по механизму двойникования, что визуально проявлялось в виде серии тонких линий – трещин, расположенных перпен-дикулярно направлению скольжения.

Аналогичный эффект вызывает образование галоидных пленок на золоте. При этом пластичность золота резко падает, и на дорожке трения появляются хрупкие трещины, ориентированные перпендикулярно скольже-нию.

Описанный эффект весьма важен, так как способен резко понизить износостойкость трибосистем, работающих в самых разных условиях. Благодаря изменению механизма пластической деформации, последний будет влиять на силу трения через ее деформационную составляющую.

Значительный вклад в характеристики трибоконтакта может внести еще одно пленочное явление – эффект Иоффе [4,15]. В результате этого эффекта такой, обычно хрупкий материал, как кристалл хлористого натрия (поваренная соль), становится очень пластичным. Так, в присутствии водных пленок на поверхности или во влажном воздухе брусок соли изгибается и перед его разрушением можно наблюдать некоторую деформацию. В водном растворе пластину соли можно гнуть почти как пластилин.

Повышение пластичности свидетельствует о том, что , зарождающиеся в результате предельно высоких напряжений, трещины блокируются водной пленкой. Более того, вода препятствует распространению уже имеющихся микротрещин, залечивая их.

Этот эффект проявляется не только у галоидных кристаллов, но и у оксидов магния и алюминия, чувствительных к присутствию водных поверхностных пленок (рис.31).

Рис.31. Микротвёрдость окисленной поверхности магния во влажно

воздухе 1 и в осушенном 2 [4]

Анализ графиков на рис.21 показывает, что влага не только снижает микротвердость магния, но и сообщает окисленной поверхности определен-ные реологические свойства: зависимость деформации от времени нагруже-ния.

Наиболее существенно проявление эффекта Иоффе на стали, где кислород затормаживает рост поверхностных трещин, являясь ингибитором поверхностного разрушения.

Проявление этого эффекта в трибосистемах может значительно изменить физико-механические характеристики поверхности твердых тел, подавляя зарождение и рост микротрещин, а также увеличивая пластичность контактного слоя, что должно обеспечить более быструю прирабатываемость пар трения.

В современной технике широко используются поверхностно-активные (ПАВ) или адсорбционно-активные вещества. ПАВ – это вещества, способ-ные понижать поверхностную энергию (поверхностное натяжение) тел. Молекулы поверхностно-активных веществ состоят из полярных групп (СООН,ОН,NH₂,H и т.п.), обладающих большим дипольным моментом и неполярной части – алифатического или ароматического радикала. Но поверхностно-активные вещества являются не только жидкостями. Так, аммиак вызывает растворение латунных деталей, а плавление баббитовых подшипников скольжения приводит к появлению трещин на шейках стальных валов.

В основе всех этих явлений лежит эффект Ребиндера, заключающийся в изменении механических свойств твердых тел под влиянием поверхностно-активных веществ, снижающих свободную поверхностную энергию и, как следствие, уменьшающих работу, необходимую для образования новых поверхностей.

В области трения и изнашивания эффект Ребиндера приводит к адсорбционному понижению сдвиговой прочности поверхностных слоев твердых тел, что пластифицирует металл и снижает деформационную составляющую силы трения (рис.32).

Эффект Ребиндера проявляется при наличии растягивающих напряжений и хорошего смачивания поверхности металла (отсутствие пленки оксида) поверхностно-активными веществами.

Поверхностно-активное вещество не столько диффундирует в глубь металла, сколько перемещается по внутренним поверхностям микротрещин. Это сопровождается капиллярными эффектами, так как внутренние поверх-

Рис.32. Влияние нагрузки N на коэффициент трения f :

1-обычной поверхности, 2-с поверхностно-активным веществом

ности микротрещин рыхлы и разветвлены. Расклинивающее действие поверхностно-активных веществ в сочетании с растягивающими напряжениями вызывает рост и слияние микротрещин, приводящие к разрушению. Трещины развиваются по межзёренным границам, и их рост усиливается при увеличении размеров зерен.

Действие жидких поверхностно-активных веществ на прочностные характеристики полимерных материалов имеет свою специфику. Характер и степень их влияния зависят от уровня релаксации напряженного состояния, в котором находится полимер. Кроме того, влияние жидких сред может быть связано с необратимым химическим взаимодействием и с обратимым физико-химическим, которое исчезает после удаления данной среды [27].

Разрушение полимерных материалов может происходит с разрывом межмолекулярных и молекулярных связей.

Таблица 6

Влияние поверхностно-активных сред на прочность полимерных

материалов

Материал	Марка	Среда
		Воздух		Вода		Масло МС-20		Ацетон
		s, МПа	e, %	s, МПа	e, %	s, МПа	e, %	s, МПа	e, %
Оргстекло	СТ-1	86	5,0	74	3,4	85	4,8	40	3,4
Полиэтилен	П2020-Т	18	540	18	550	12	400	13	420
Фторопласт	Ф-4	33	450	33	450	30	400	28	280

В итоге проявление эффекта Ребиндера существенно понижает прочностные и другие эксплуатационные характеристики полимерных материалов (табл.6 [41]), металлов и других твердых тел.

Таким образом, в любых гетерогенных системах с достаточно развитой поверхностью раздела между фазами поверхностная (межфазная) энергия является одним из факторов, определяющих состояние системы через проявление целого ряда физико-химических поверхностных эффектов, глубоко связанных с механическими характеристиками твердых тел.