Применение склерометрии для оценки энергии активации термомеханической деструкции смазочных материалов

Тонкая пленка масла ведет себя подобно многослойному кристаллическому образованию высокой упругости, способному выдерживать без разрушения большие нормальные давления. Однако существуют условия, при которых смазка не способна защищать поверхности от непосредственного контакта вследствие десорбции или деструкции молекул смазочного вещества под влиянием термических и механических воздействий. Деструкция молекул проявляется не только при эксплуатации, но и при хранении смазочных материалов. Поскольку молекула является носителем свойств вещества, процесс разложения способен повлечь изменение физических и химических свойств смазочной среды.

Деструкция является кинетическим процессом и, следовательно, может происходить по термофлуктуационному механизму при термическом, механическом и термомеханическом воздействии. В связи с этим наиболее благоприятные условия для деструкции смазочных материалов создаются в зоне фактических пятен контакта, где нагрузки и температуры при трении максимальны. Кроме того, деструкция смазочных материалов при трении стимулируется каталитическим действием воды и металлов, с которыми соприкасается масло, и быстро прогрессирует с повышением температуры.

Следствием деструкции молекул смазочного материала является образование активных свободных радикалов, которые могут вступать в химическое взаимодействие с металлической поверхностью и кислородом, растворенным в смазочной среде. Последнее приводит к окислению масла и образованию лаков и нагаров на трущихся поверхностях. В результате окисления масла изменяется его вязкость, плотность, ухудшается деэмульгирующая способность, образуются растворимые в масле и летучие кислые продукты, обусловливающие коррозионную агрессивность масла, плотные продукты окисления выпадают в осадок. Появление осадка в масле приводит к его потемнению, а продукты окисления служат катализаторами старения масла. При добавлении в использованное масло нового процесс старения ускоряется.

Мерой эксплуатационной прочности молекул смазочных материалов может служить величина энергии активации деструкции смазочных материалов.

Существует связь между напряженным и структурным состояниями сма­зочного материала в объеме и в граничном слое, контактирующем с металли­ческой поверхностью, где смазочный материал определенным об­разом организуется: приобретает кристаллическую структуру, происходит ори­ентация полярных молекул, что вызо­вет напряженное состояние молекул смазочного материала. Поэтому для реальной оценки прочности пленки смазочного материала процесс деструкции необходимо исследовать на поверхности металлического образца.

Для оценки энергии активации деструкции смазочных материалов учитывается принцип Ле Шателье-Брауна или принцип наименьшего принуждения, определяющего условия стабильности термодинамической системы. Он формулируется следующим образом: в любой системе, находящейся в равновесном состоянии, всякое изменение параметра, выводящее систему из равновесия, сопровождается такими изменениями, которые стремятся свести на нет возмущающее изменение параметра.

Из этого следует, что если на металлической поверхности вызвать разрушение смазочного материала, находившегося до этого в состоянии динамического равновесия с материалом поверхностного слоя, то, стремясь сохранить равновесный баланс, материал поверхностного слоя должен отреагировать повышением внутренней энергии на ту же величину, которая высвобождается при деструкции молекул смазочного материала за счет взаимодействия поверхности с активными радикалами.

Как оказалось, действительно, в ходе деструкции смазки при трении на контактирующих поверхностях происходит реакция активных центров (ион-радикалов) металла с продуктами распада молекул смазочных материалов, что модифицирует материал поверхностного слоя и изменяет его энергию активации.

Таким образом, энергию актива­ции деструкции смазочных материалов U₀^см можно оценить как абсолютную раз­ность между значениями энергии активации разрушения немодифицированного U₀ и модифици­рованного U₀^мод материала поверхностного слоя металлического образца:

. (3.34)

Энергия активации разрушения материала поверхностного слоя U₀ до химической модификации и U₀^мод после его модификации определяется по методике, изложенной выше. Долговечность смазочных материалов оценивается по величине энергии активации деструкции: чем выше энергия, тем труднее активируется процесс деструкции молекул и, следовательно, долговечнее смазочный материал.

Так как деструкция молекул происходит по механизму бифуркации, то данный процесс инвариантен к виду подводимой энергии. Поэтому для активации деструкции можно использовать не только механическое, но и термическое воздействия. В первом случае модификацию поверхностного слоя можно производить в процессе трения поверхностей при введении в зазор испытуемого смазочного материала. Во втором - модификацию поверхности можно выполнять путем нагрева металлического образца с нанесенным на его поверхность слоем испытываемого смазочного материала до температуры химической модификации.

Проведенные исследования значений энергии активации деструкции различных смазочных материалов при термическом воздействии показали, что их значения составляют десятки килоджоулей на моль (см. табл. 3.6). Данный порядок соответствует слабейшим ковалентным связям в молекуле смазочного материала, которые в первую очередь подвергаются разрушению.

Заключение

В данной главе изложены сведения о строении и свойствах конструкционных материалов, дефектах структуры и их влиянии на физико-механические свойства поверхностей. Особое внимание уделено механизмам, влияющим на состояние и свойства поверхностного слоя. Процессы передеформирования и разрушения материалов поверхностных слоев рассмотрены с привлечением представлений молекулярно-кинетической теории прочности. Описаны методы определения основных активационных параметров - энергии активации и структурно-чувствитель-ного параметра. Показано, что наиболее перспективным для практических целей оценки механических характеристик поверхностей является метод склерометрирования, который помимо активационных характеристик поверхностей трения позволяет оценить энергию активации деструкции смазочных масел, а следовательно, их качество.