Физические свойства поверхностных слоев

Атомы и другие частицы, находящиеся внутри тела, взаимодействуют при наиболее плотной укладке с 12 соседними (рис. 3.6). Результирующая всех сил взаимодействия стремится к нулю. Частица, находящаяся на поверхности, взаимодействует с 6 соседними. Равнодействующая сил притяжения со стороны соседей F направлена внутрь тела. Иначе говоря, F действует на граничную молекулу. Поскольку энергия сил притяжения отрицательна, то поверхностная частица обладает энергией, избыточной по сравнению с находящимися внутри (поверхностной энергией). Избыточная энергия характеризует способность к межмолекулярному притяжению поверхностей, которое называют адгезией. Адгезия проявляется в прилипании. Притяжение между слоями атомов внутри тела называют когезией.

Наличие нескомпенсированных связей у граничных частиц приводит к оседанию на поверхности молекул окружающей среды, что снижает запас поверхностной энергии. Процесс поглощения поверхностью молекул называется адсорбцией. В результате уменьшения запаса поверхностной энергии выделяется теплота адсорбции. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Различают адсорбцию физическую и химическую. Физическая адсорбция связана с притяжением инородных молекул за счет сил Ван-дер-Ваальса. Хемосорбция вызвана действием валентных связей. Поверхность в разных точках имеет разную поверхностную энергию. Микродефекты обладают повышенной адсорбционной активностью. За счет физической адсорбции на поверхности молекулы газов и воды оседают в первую очередь на активных участках - центрах адсорбции. Сорбированные молекулы вступают в химическую реакцию с материалом. Так протекает окисление поверхностей, вызывающее коррозию. Образуется окисная пленка. Сорбированная влага и температура стимулируют процесс окисления. Рост окисной пленки сначала происходит быстро, затем замедляется. Пленки различают по толщине: тонкие (толщина до 40 нм), средние (до 500 нм), толстые - видимые (толщиной более 500 нм). Окислы бывают мягкими и рыхлыми, например, у меди, железа и его сплавов (ржавчина). Твердые и сплошные пленки образуются на алюминии, благородных металлах. Свойства окисных пленок обычно существенно отличаются от свойств материала основы. Наиболее важными являются коэффициент теплового расширения, хрупкость, соотношение адгезионной и когезионной прочности. Из-за различия в свойствах пленки могут растрескиваться и отслаиваться, что существенно влияет на изнашивание при трении.

Особое значение имеет физическая адсорбация молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ). К ним относятся, в частности, органические вещества, молекулы которых имеют полярные группы (OH, COOH, NH₂) и неполярные - CH₂ (рис. 3.7). Молекулы ПАВ активными группами сорбируются на активных центрах поверхности, образуя молекулярный ворс, который разделяет пару контактирующих поверхностей и существенно снижает трение (см. гл. «Смазочные материалы»).

ПАВ, адсорбированные на поверхности твердого тела, способны изменять характер взаимодействия с жидкостью (смачивание). В зависимости от того, как ориентируются молекулы ПАВ по отношению к твердой поверхности, последняя может хорошо смачиваться (гидрофильная) или плохо (гидрофобная поверхность). Так, если молекулярный ворс направлен полярными группами к поверхности, а противоположные концы являются неполярными, то смачивание хорошее, если ориентация молекул противоположная - смачивание плохое. Оценка гидрофильности проводится по величине угла смачивания Q (рис. 3.8). При смачивании 0£Q<p ¤ 2, при несмачивании p/2 <Q£ p.

Р и с. 3.6. Атомы в объеме и на границе	Р и с. 3.7. Молекула ПАВ	Р и с. 3.8. Силы натяжения

Поскольку система стремится сократить запас поверхностной энергии, то тело пытается уменьшить площадь поверхности. Капля жидкости принимает сферическую форму, так как сфера имеет наименьшее отношение площади поверхности к объему. Поэтому поверхность находится в растянутом состоянии, и если из нее выделить элемент, то действие оставшейся части на элемент можно заменить равнораспределенными по контуру силами натяжения.

Мерой избыточной поверхностной энергии является коэффициент поверхностного натяжения s, равный избыточной энергии в расчете на единицу площади поверхности или силе натяжения, действующей на единицу длины контура элемента поверхности. На рис. 3.8. показаны силы натяжения на границах раздела фаз: s₁₂ - твердое тело – жидкость; s₂₃ - жидкость-газ; s₁₃- твердое тело-газ. Поскольку система находится в равновесии, сумма сил равна нулю, а . За счет сил натяжения, жидкость в капиллярах образует мениски (рис. 3.9), под которыми возникает давление, рассчитываемое по формуле Лапласа, направленное к центру кривизны:

Р и с. 3.9. Капиллярный эффект

. (3.7)

Под действием этого давления наблюдается капиллярный эффект, заключающийся в подъеме либо опускании уровня жидкости в капилляре на высоту

, (3.8)

где r - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения. Капиллярный эффект имеет большое значение для пористых тел. Он используется для подачи масла в зону трения в подшипниках с пористыми втулками.

Адсорбированные молекулы ПАВ, понижая поверхностное натяжение, умень-шают сопротивление пластической деформации поверхностного слоя, пластифицируют его. Это явление называют эффектом П.А.Ребиндера. Материал легче обрабатывается, поэтому в состав смазочно-охлаждающих жидкостей, применяемых при механической обработке металлов, добавляют ПАВ. Вторым проявлением эффекта является проникновение молекул ПАВ в систему микротрещин и места скопления дислокаций. Добираясь до устья микротрещины, молекулы ПАВ, стремясь к началу устья, действуют как клин, раздвигают микротрещину, и она продвигается дальше внутрь материала. Так понижается прочность всего тела, которое при определенных условиях без силового воздействия может распасться на мелкие блоки.

Наиболее важными для трибологии физико-механическими показателями поверхностных слоев являются микротвердость (Н_m), модули Юнга и сдвига (Е, G), предел сдвиговой прочности (t_s).Эти показатели определяют процессы трения и изнашивания. Микротвердость определяется чаще всего методом вдавливания в исследуемую поверхность алмазной пирамиды с углом между гранями 136° под нагрузкой N. Под микроскопом измеряют диагональ отпечатка (d). Величина микротвердости рассчитывается по формуле

. (3.9)

Метод стандартизирован. Величина микротвердости связана с пределом текучести при растяжении (s_s) и пределом сдвиговой прочности:

. (3.10)

С понижением температуры (начиная от комнатной) микротвердость меняется слабо в сторону повышения. При увеличении температуры микротвердость существенно снижается для многих металлов по закону:

, (3.11)

где А, α – коэффициенты; Т_пл - температура плавления.

Для оценки физических свойств поверхностных слоев применяются методы оптической, электронной, ионной микроскопии, рентгеновского спектрального микроанализа, дифракции медленных электронов и рентгеновских лучей с малыми углами скольжения, экзоэлектронной эмиссии и др.