Физико-химические свойства поверхностных слоев трущихся тел

Дата добавления: 2014-06-18 | Просмотров: 1601

Качество поверхности

Для обеспечения заданного ресурса любой машины или механизма наряду с требованиями выбора оптимального сочетания материалов деталей пар трения, условиями их смазки, точности изготовления важное значение имеет качество поверхностей. Термин «качество поверхности» в технике используется для характеристики комплекса свойств, приобретенных поверхностью в результате ее обработки. Качество поверхности деталей характеризуются микро - и макрогеометрией поверхности, волнистостью, структурой, упрочнением и остаточными напряжениями.

Остаточные напряжения и микротвердость

Остаточными напряжениями, называются напряжения, существующие в теле при отсутствии внешних силовых воздействии на него. Их наличие обусловлено:

- неравномерностью температуры по объему тела;

- пластическими деформациями поверхностных слоев;

- неоднородными по объему структурными превращениями;

- наличиями включений.

Остаточные напряжения могут возникать и уравновешиваться в различных по размеру объемах -соизмеримых с размером детали, одного или нескольких кристаллических зерен, небольшой группы атомов. Знак напряжений (растяжение или сжатие) в поверхностном слое зависит от того, какой из факторов, вызывающих их появление, превалирует. При трении остаточные напряжения изменяют напряженное состояние поверхностного слоя, а также приводят к появлению дефектов кристаллической решетки и понижению прочности.

Под влиянием пластической деформации, имеющей место при механической обработки и трении, как правило, механическая прочность и микротвердость поверхностных слоев увеличивается по сравнению с основным материалом. Однако, наряду с упрочнением могут происходить процессы, снижающие прочность: разрыхление деформируемого слоя и генерация температуры. В результате в процессе трения микротвердость наиболее близка к поверхности слоев, снижается и формируется положительный градиент механических свойств по глубине, способствующий протеканию внешнего трения.

Поверхностная энергия

Поверхностный слой твердого тела обладает большой активностью. Это обусловлено тем, что внутри тела каждый атом кристалла окружен другими атомами и связан с ними точно во всех направлениях, а у атомов, расположенных на поверхности, с внешней стороны нет соседей в виде таких же атомов. Поэтому в поверхностном слое у атомов твердого тела остаются свободные связи, наличие которых создает вблизи поверхности атомное (молекулярное) притяжение. На частицу, расположенную на поверхности, действуют несимметричные силы, равнодействующая которых направлена внутрь тела. Такое силовое взаимодействие вызывает искажение строения поверхностного слоя. Поверхностные атомы вследствие свободных связей обладают большей энергией, нежели атомы внутри тела. Избыток энергии, отнесенный к единице поверхности, называют удельной поверхностной энергией или просто поверхностной энергией.

При соприкосновении двух тел поверхностная энергия может выделиться в виде теплоты или затратиться на подстройку в кристаллической решетке одного кристалла к другому.

Адсорбция и хемосорбция

В результате взаимодействия ненасыщенных соловых полей твердого тела с силовыми полями молекул газа, движущегося к твердой поверхности, или взаимодействия жидкости, соприкасающейся с твердым телом, поверхность последнего покрывается пленкой веществ, содержавшихся в окружающей среде: газов, паров воды, паров других жидкостей, а также других веществ, растворенных в этих жидкостях. Это явление называется адсорбцией.

Наибольшей способностью к адсорбции обладают поверхностно-активные вещества, т.е. такие, молекулы которых ориентируются при адсорбции перпендикулярно поверхности: органические кислоты, их металлические мыла, спирты, смолы. Молекулы адсорбированных веществ обладают способностью перемещаться по поверхности твердого тела из областей, где имеется их избыток, до полного покрытия поверхности.

Адсорбция бывает физическая и химическая. При химической адсорбции (хемосорбции) полярные концы молекул, связанных с поверхностью тела, образуют с ней монослой, сходный с химическим соединением. Подвижность молекул в результате этого значительно уменьшается.

Хемосорбция, в отличие от физической адсорбции протекает одновременно, но одна из них, в зависимости от конкретных условий (твердое тело, вещество, температура и т.д.) является преобладающей.

Эффект Ребиндера (Эффект адсорбционного понижения прочности)

Адсорбция молекул, особенно молекул, поверхностно-активных веществ (ПАВ), приводит к понижению поверхностной энергии, а имеющее место при трении разрыхление поверхностного слоя облегчает проникновение молекул вглубь материала, что создает условия для проявления эффекта Ребиндера. Различают внешний и внутренний адсорбционные эффекты понижения прочности.

Внешний эффект вызывает пластификацию поверхности и снижение предела текучести. Благодаря понижению поверхностной энергии облегчается выход дислокаций по поверхности.

Внутренний эффект вызывается адсорбцией ПАВ на внутренних поверхностях раздела -зародышевых микротрещинах разрушения, возникающих в процессе деформации твердого тела. Это уменьшает энергию, необходимую для роста трещин, и оказывает расклинивающее действие в устье, способствуя их раскрытию.

Отличительной способностью эффекта Ребиндера является то, что он проявляется только при совместном действии среды и определенного напряженного состояния (Рис.2.1).

ХЗО

Б.

Рис.2.1.
Проявление эффекта Ревиндера. хзо

а-деформация при отсутствии ПАВ.

б-деформация при наличии ПАВ(глицерин).

Диффузия

Диффузия - самопроизвольное перемещение атомов или молекул в газах, жидкостях или твердых телах. Диффузионные процессы в поверхностных слоях твердых телах протекают значительно интенсивнее, чем в основном материале, особенно при трении. Это связанно с повышенным содержанием дефектов, высокими температурами, наличием градиентов концентрации, напряжением и температуры. При трении имеют место практически все виды диффузии:самодиффузия, гетеродиффузия, диффузия в градиенте температур и напряжений, поверхностная диффузия из газовых, жидких и твердых источников, реактивная диффузия, связанная с фазовыми превращениями и химическими реакциями.

Химическая активность

Химическая активность (реакционная способность) поверхностных слоев при трении по сравнению с основным материалом повышается во много раз. Причиной этого является интенсификация диффузионных процессов и причины, приводящие к ней. В результате протекания химических и электрохимических реакций на поверхности трущихся тел образуются пленки химических соединений, окислов и происходит растворение отдельных структурных составляющих.

Агдезия

Адгезией называется возникновение молекулярной связи между поверхностными слоями соприкасающихся твердых тел. Все твердые тела имеют поверхностное поле сил, поэтому они должны подвергаться адгезии. Однако сила или энергия адгезионного взаимодействия различны для разных сочетаний материалов. Большое влияние также оказывают различные пленки на поверхностях тел (окисные, адсорбционные), которые обычно снижают адгезию.

При адгезии поле сил экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния от поверхности, поэтому для адгезионного сцепления необходимо соответствующее сближение. При контроле реальных твердых тел адгезия может существовать только на площади фактического контакта и на уровне контакта субмикрошероховатостей

Структура поверхности

В результате протекания описанных ранее процессов поверхностные слои деталей имеют сложную слоистую структуру, схематично представленную на рис. 2.2.

Рис.2,2.

Схема поверхностного слоя детали.

-слой 1 - основной материал;

-слой 2 - сильно деформированный наклепанный слой с остаточными напряжениями растяжения или сжатия. Он характеризуется повышенной плотностью дефектов и наличием микротрещин; -слой 3 - слой окислов толщиной 20...200 мкм; -слой 4 - хемосорбированных слой;

-слой 5 - адсорбированных паров воды; -слой 6 - слой адсорбированных газов;

-слой 7 - слой молекул смазочного материала (или ПАВ), ориентированных перпендикулярно поверхности;

-слой 8 - слой молекул, ориентированных параллельно поверхности; -слой 9 - слой беспорядочно ориентированных молекул.

Такое строение поверхностных слоев приводит к тому, что контакт поверхностей при трении происходит между слоями, существенно отличающимися по свойствам от основного материала.