Фізико-хімічні властивості поверхонь деталей

Физико-хімічні властивості поверхонь деталей. Плівки на металевих поверхнях. Взаємний контакт деталей. Взаємне впровадження поверхонь.

Поверхневий шар металу володіє великою активністю. Це обумовлено тим, що усередині твердого тіла кожний атом кристала оточений іншими атомами і пов'язаний з ними міцно по всіх напрямах, а у атомів, розташованих на поверхні, немає із зовнішньої сторони «сусідів». Тому в поверхневому шарі у атомів залишаються вільні зв'язки, наявність яких створює атомне (молекулярне) тяжіння. Поверхневі атоми унаслідок наявності вільних зв'язків, володіють більшою енергією, ніж атоми усередині тіла. Цей надлишок енергії називається поверхневою енергією і вона тим більше, чим більше площа вільної поверхні.

Всі тверді поверхні можуть взаємодіяти з газовою і рідкою фазами, які при цьому утворюють дуже тонкі плівки. Це явище зветься адсорбцією. Найбільшою здібністю до адсорбції мають поверхнево-активні речовини. Характерною особливістю поверхнево-активних речовин є неспівпадіння центрів тяжіння позитивних і негативних зарядів в їх молекулах, внаслідок чого молекули поляризуються. Такі молекули притягуються і утримуються поверхнею. Так якщо помістити металеве тіло поблизу летючої речовини, наприклад валеріанової кислоти, то молекули кислоти, випаровуючись, покриють поверхню тіла шаром товщиною в одну молекулу.

Кінець молекули, приєднується до металу, подібний маленькому магніту; його називають полярним або активним. Решта частина молекул складає так званий хвіст. У всіх органічних кислот і їх мил активною є карбоксильна група, у спиртів гідроксил OH, у інших речовин група NH₂, COCl і ін.

Молекули речовин, адсорбовані на поверхні твердого тіла, мають здатність переміщатися по поверхні з ділянок, де є їх надлишок, в місця, де їх недостатньо для повного покриття поверхні. Рухливість адсорбованих молекул залежить від виду адсорбції. Адсорбція буває фізична і хімічна. При хімічній адсорбції (хемосорбції) полярні кінці молекул утворюють з поверхнею моношар, схожий з хімічним з'єднанням. Рухливість молекул в результаті цього сильно обмежується. Сили взаємодії між молекулами поверхнево-активних речовин і металевою поверхнею різні за природою. Вони залежать від природи речовини і металу, а також і від температури. Найміцнішим зв'язком володіють молекули з активною карбоксильною групою. До них відносяться мастила. Молекули мастил мають подовжену форму і утворюють на поверхні особливу структуру. Поверхнево-активні речовини, які є в них, утворюють моношар активних молекул, а над ним утворюється граничний шар полярних молекул мастила. Молекули в ньому розташовані не безладно, а правильно орієнтовані. Граничні шари знаходяться в особливому агрегатному стані, маючи квазікристаличну структуру. При деякій температурі плівка квазікристаличної структури як би розплавляється, відбувається дезорієнтація адсорбованих молекул і втрачається здібність змащувального матеріалу до адсорбції. (Ця температура коливається від 40 до 150°С).

Ефект Ребіндера

Поверхнево-активне середовище впливає на процеси деформації і руйнування твердих тел. Причому внаслідок фізичної адсорбції поверхнево-активних речовин з навколишнього середовища, опірність деформації і руйнуванню значно знижується. Цей ефект виявлено П.А. Ребіндером і названо його ім'ям. Розрізняють зовнішній і внутрішній адсорбційні ефекти. Зовнішній адсорбційний ефект спостерігається при адсорбції поверхнево-активних речовин на зовнішній поверхні. Він виявляється в зниженні межі текучості і коефіцієнта зміцнення. Наприклад, в монокристалі олова s_т за наявності ПАР на поверхні знижується в двічі. Пояснюється це полегшенням виходу дислокацій через значне зниження поверхневої енергії поверхні при адсорбції на ній шару ПАР. Молекули органічних кислот і спиртів відносно великі; вони не можуть проникнути в тріщини і викликають зовнішній адсорбційний ефект.

Внутрішній адсорбційний ефект викликається адсорбцією ПАР на внутрішніх поверхнях розділу – зародкових мікротріщинах руйнування, виникаючих в процесі деформації твердого тіла. Цей ефект полягає в адсорбції атомів ПАР на поверхнях мікротріщин. Внаслідок цього полегшується їх розвиток через зниження роботи утворення нової поверхні. Відмітною особливістю ефекту Ребіндера є те, що він виявляється тільки при сумісній дії середовища і певного напруженого стану. Найбільш сильно він виявляється в умовах утворення нових поверхонь, а також за наявності в тілі дефектів (зокрема, меж зерен). Ефект Ребіндера і його закономірності розповсюджуються і на полімерні матеріали.

		F – тиск адсорбованого шару; Q – розклинюючи сили.

Мал. 2.1 – Схема адсорбційно-розклинюючої дії полярних молекул змащувального матеріалу

Адсорбовані поверхнево-активні молекули, прагнучи зайняти поверхню тіла в зоні стикання з активним середовищем, проникає в ультрамікроскопічні тріщини, мігруючи по їх стінах з швидкостями, значно перевершуючи швидкість всмоктування рідини в зазор (Мал. 2.1). Коли активні молекули досягають місць, де ширина зазору рівна розміру однієї-двох молекул, адсорбційний шар своїм тиском прагне розклинити тріщину для подальшого просування молекул. Тиск на стіни тріщини у її вершини може доходити до 10 ГПа. Розтягуючи напруги, залишкові або від зовнішнього навантаження, розкривають ультрамікротріщини і сприяють вияву ефекту Ребіндера.

Розплавлені легкоплавкі метали є сильними поверхнево-активними середовищами по відношенню до більш тугоплавких металів і можуть викликати різке пониження їх міцності. Ефект Ребіндера лежить також в основі полегшення різання пластичних матеріалів під впливом поверхнево-активних компонентів змащувально-охолоджуючих рідин.

Окислення поверхонь.

Практично всі метали піддаються окисленню. Металеві поверхні в процесі обробки дуже швидко покриваються первинною оксидною плівкою. Не дивлячись на свою малу товщину, вона припиняє подальше окислення. Швидкість утворення оксидної плівки на поверхні металу обчислюється частками секунди. Так, для виникнення шару плівки завтовшки 1,4 нм достатньо 0,05 с. Оксидна плівка знаходиться в напруженому стані; вона зазнає розтягування або стиснення залежно від співвідношення об'єму створеного оксиду до об'єму окисленого металу. Із збільшенням товщини плівки напруги у ній ростуть. При деякій товщині плівки відбувається втрата її стійкості, наступає миттєвий зсув і плі-

вка придбаває пористу (рихлу) будову.

Зовнішній шар поверхні складається із забруднень, які потрапляють на поверхню при обробці і адсорбованих газів і парів. Товщина цієї плівки 0,1...2,5 нм. Розташований під ним шар має на залозі товщину до 5 нм, на сталі до 2 нм, на алюмінії до 15 нм.

Взаємне контактування деталей

Взаємний контакт деталей відбувається на виступах поверхонь, утворених мікронерівностями. При вивченні контакту деталей професор И.В. Крагельский виділив:

– номінальну площу контакту, відповідну номінальним розмірам сполучаючихся деталей;

– фактичну (фізичну) площу контакту, яка дорівнюється сумі фактично малих майданчиків зіткнення;

– контурну площу торкання, яка є сумою майданчиків обмежених контурами, в які вписані області з довколишніми майданчиками фактичного контакту.

Контурні майданчики легко виявляються при перевірці якості зв'язаних деталей на фарбу – ця пляма торкання. Для плоских поверхонь, які не мають відхилення від площинності, контурна площа дорівнюється номінальній.

Процес контакту поверхонь при статичному навантаженні протікає таким чином. Поверхня сприймає навантаження вершинами виступів нерівностей на висотах, утворюваних макрогеометричними відхиленнями. Тут розташовуються зони, з яких складається контурна площа торкання. В контакт першими вступають найбільші виступи. Їх деформація викликає зближення поверхонь.

Можливі наступні види деформації виступів: пружна, пружно-пластична без зміцнення, пружно-пластична із зміцненням. Пружна деформація можлива тільки у еластичних тіл (гума). В більшості випадків спостерігається пластична деформація, якій належить провідна роль в утворенні фактичної площі контакту. Виступи, які входять в торкання пластично сплющуються, частіше всього з упровадженням: упроваджується більш твердий виступ або той, якому геометрична форма додає більший опір деформації.

Пластична деформація виступів починається при середньому тиску на контакті рівному приблизно потрійній межі текучості матеріалу. При цьому тиску матеріал під контурним майданчиком починає пластично деформуватися і завдяки цьому або збільшуються розміри майданчика, або виникають нові контурні площі контакту. Повне занурення виступів в не спостерігається. Після деформації, навіть сильній, шерехатість поверхні лише дещо видозміниться.

Площа фактичного контакту складається з безлічі дискретних малих майданчиків, розташованих на різних висотах плями торкання. Між майданчиками торкання тіл є мікропорожнини, заповнені повітрям або іншими матеріалами (мастило, продукти зносу і ін.)

Площа фактичного контакту складає від однієї десятитисячної до однієї десятої номінальної площі торкання. Вона зростає із збільшенням навантаження, зниженням шерехатості поверхні і зростанні радіусу закруглювання вершин її нерівностей. При контакті двох різних матеріалів площа фактичного контакту визначається фізико-механічними властивостями більш м'якого матеріалу і геометрією поверхні більш твердого матеріалу.

Окрім контакту поверхонь деталей можливо і взаємне упровадження поверхонь. Це пов'язано з анізотропією кристалитів. Властивості кристалитів сильно міняються залежно від напряму дії навантаження. Так для монокристала заліза модуль пружності міняється від 284 до 132 ГПа. Тоді як для полікристалу E = 210 ГПа. Полікристалічному чистому металу властива неоднорідність кристалічної будови, а більшості сплавів властива неоднорідність ще і по структурних складових. Завдяки цьому на окремих майданчиках фактичного контакту відбувається взаємне упровадження твердих складових своїми більш «сильними» гранями в менш тверді структурні складові. При цьому міняється шерехатість поверхні.

Для зношування поверхонь тертя має значення не сам факт зміни їх шерехатості, а пов'язані з ним взаємне упровадження поверхонь. Глибина взаємного упровадження залежить від фізико-механічних властивостей матеріалів, шерехатості поверхонь і навантаження. При малих навантаженнях взаємне упровадження носить в основному пружний характер і мале. Можливо також взаємне упровадження поверхонь при контакті металу з неметалом, тобто неоднорідність будови властива всім матеріалам, у тому числі і аморфним.