4.6. Микродефекты поверхности.
Внешняя и внутренняя поверхности твердого тела
Любая шероховатая поверхность твердого тела постоянно взаимодействует с внешней средой. Развивающиеся окислительные процессы способствуют образованию на поверхности твердого тела окисных пленок. С течением времени они увеличиваются по толщине. Ввиду неоднородности строения поверхности окислительные процессы протекают на ее участках с разными скоростями и образуют пленки разной толщины.
Образующиеся под воздействием внешних факторов поверхностные и подповерхностные трещины имеют весьма разветвленную систему. Площадь внутренней поверхности трещин бывает очень значительной и часто в несколько раз превосходит площадь внешней поверхности твердого тела (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Схема дефектов поверхности твердого тела
Опорная поверхность, а также представления о состоянии и свойствах материала поверхностного слоя, позволяют судить о напряженном состоянии материала в зоне контакта трущихся тел, во многом определяющем закономерности трения и изнашивания твердых тел.
4.7. Физико-химические свойства поверхностей трения твердых тел. Свободная поверхностная энергия твердых тел. Адсорбция
Атомы, ионы и молекулы, находящиеся внутри твердого тела, испытывают со стороны окружающих их частиц сильное взаимодействие во всех возможных направлениях, причем результирующая этих сил равняется нулю, а сами частицы занимают положение, соответствующее минимуму их потенциальной энергии. Частицы же твердого тела, находящиеся на границе раздела с другой фазой, например, вакуумом, газом или жидкостью, где частиц нет вообще или они находятся в значительно меньшей концентрации, имеют полностью или частично нескомпенсированные связи (рис. 4.14), направленные в сторону этой среды и испытывают избыточное силовое воздействие со стороны частиц твердого тела, которое стремится втянуть частицы поверхностного слоя внутрь более плотной среды.
Рис. 4.14. Нескомпенсированные молекулярные поля поверхности Епов раздела двух фазовых состояний материалов
Наличие нескомпенсированных сил у частиц поверхностного слоя свидетельствует о том, что они обладают избыточной энергией по сравнению с аналогичными им частицами, находящимися в объеме. Эта энергия получила название избыточной свободной энергии, а будучи отнесенной к единице поверхности - удельной поверхностной энергии. Благодаря этому частицы, находящиеся на поверхности раздела фаз, занимают менее выгодное энергетическое положение. Однако их частицы закреплены в пространстве и не могут свободно перемещаться. Электрические поля свободной поверхностной энергии твердых тел являются дискретными вдоль поверхности твердого тела и анизотропны, как и сам кристалл. Особенность энергетического положения молекул поверхностного слоя твердых тел оказывает влияние и на многие их свойства. Например, для того чтобы увеличить поверхность твердого тела, при изометрическом процессе, необходимо совершить дополнительную работу внешних сил, эквивалентную увеличению свободной поверхностной энергии этого тела. Наличие нескомпенсированных молекулярных связей у молекул поверхностного слоя твердого тела приводит к тому, что молекулы газа или жидкости стремятся вступить с ними во взаимодействие (рис. 4.15).
Рис. 4.15. Адсорбция молекул на поверхности твердого тела
В результате этого на твердой поверхности появляются инородные молекулы, понижающие его поверхностную энергию и изменяющие соответственно свойства твердого тела. Процесс поглощения (сгущения) вещества на границе раздела фаз получил название адсорбции. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объема вещество - адсорбатом. Пропорционально уменьшению свободной поверхностной энергии твердого тела при адсорбции выделяется тепло.
Различают два вида адсорбции: физическую - обратимую, обусловленную действием относительно слабых Ван-дер-Ваальсовых сил, и хемосорбцию - необратимую и обусловленную проявлением достаточно больших по величине химических связей (валентных сил). Поверхность твердого тела гетерогенная, и ее участки обладают одинаковыми адсорбционными свойствами. Так, различные микродефекты поверхности обладают значительно большей способностью к адсорбированию, чем гладкие участки. Их называют обычно активными центрами. Общая площадь активных центров на поверхности твердых тел невелика, но, тем не менее, их значение во многих процессах бывает огромным.
Анизотропия свойств кристаллических тел и, в частности, их поверхностной энергии является причиной того, что адсорбционные процессы протекают неодинаково на различных границах кристалла. Для твердых тел свойственна и внутренняя адсорбция адсорбента, протекающая на внутренних поверхностях твердых тел (на границах зерен или дефектах его структуры).