Физические свойства поверхностных слоев

ВВЕДЕНИЕ

Физические свойства поверхностного слоя отличаются от физических свойств основного металла. Это объясняется тем, что при обработке резанием поверхностный слой подвергается воздействию высоких температур и значительных сил, которые вызывают упругие и пластические деформации. Поверхностный слой детали после обработки состоит из пленки адсорбированных из атмосферы газов, слоя окислов, нитридов, обезугле-роженного слоя и слоя деформированных зерен. Толщина дефектного слоя составляет при предварительном шлифовании 30 - 50 мкм, а при тонком шлифовании 10 мкм. Таким образом, даже при такой чистовой операции, как тонкое шлифование, поверхностный слой толщиной более 10 мкм отличается от основного металла. Шероховатость и волнистость поверхности оказывают весьма значительное влияние на такие важные эксплуатационные свойства деталей машин, как износостойкость, усталостная прочность, контактная жесткость, антикоррозионная стойкость, стабильность посадок и др. Вследствие шероховатости и волнистости поверхностей сопрягаемых деталей фактическая площадь их контакта становится значительно меньше номинальной, что ведет к увеличению удельных нагрузок, нарушению масляной пленки, разрушению и деформированию выступающих неровностей.
Большое влияние на эксплуатационные параметры обработанной поверхности оказывают физические свойства поверхностного слоя. Эти свойства, являющиеся следствием значительных силовых и температурных воздействий на поверхность детали при ее обработке, обусловлены, во-первых, образованием в результате обработки дефектного наклепанного слоя с разрушенной кристаллической решеткой и, во-вторых, возникновением в нем остаточных напряжений.
1 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ. Атомы и другие частицы, находящиеся внутри тела, взаимодействуют при наиболее плотной укладке с 12 соседними (рис. 1). 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.
Рисунок 1. Атомы в объеме и на границе
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.
2 ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА.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. 2). Молекулы ПАВ активными группами сорбируются на активных центрах поверхности, образуя молекулярный ворс, который разделяет пару контактирующих поверхностей и существенно снижает трение.
Рисунок 2. Молекула ПАВ
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). При смачивании 0£Q<p/2, при несмачивании p/2 <Q£ p.
Рисунок 3. 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.
3 КОЭФФИЦИЕНТ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ. Мерой избыточной поверхностной энергии является коэффициент поверхностного натяжения, равный избыточной энергии в расчете на единицу площади поверхности или силе натяжения, действующей на единицу длины контура элемента поверхности. На рис. 3. показаны силы натяжения на границах раздела фаз: σ12 – твердое тело – жидкость; σ23 – жидкость – газ; σ13 – твердое тело – газ. Поскольку система находится в равновесии, сумма сил равна нулю, а cosθ = σ12 – σ13/σ23 .
Рисунок. 4. Капиллярный эффект
За счет сил натяжения жидкость в капиллярах образует мениски (рис. 4), под которыми возникает давление, рассчитываемое по формуле Лапласа, направленное к центру кривизны:
4 КАПИЛЛЯРНЫЙ ЭФФЕКТ. Под действием этого давления наблюдается капиллярный эффект, заключающийся в подъеме либо опускании уровня жидкости в капилляре на высоту:
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, уменьшают 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.
5 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ. Наиболее важными для трибологии физико-механическими показателями поверхностных слоев являются микротвердость (Нμ ), модули Юнга и сдвига (Е, G), предел сдвиговой прочности ( τs).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:
Метод стандартизирован. Величина микротвердости связана с пределом текучести при растяжении ( σs) и пределом сдвиговой прочности:
С понижением температуры (начиная от комнатной) микротвердость меняется слабо в сторону повышения. При увеличении температуры микротвердость существенно снижается.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Формирование поверхностного слоя на детали в процессе ее изготовления или восстановления определяется характером и величиной внешней энергии, обеспечивающей взаимодействие атомов детали и наносимого материала. В зависимости от уровня энергетического воздействия, вносимого в поверхностный слой в процессе его создания, его прочностные свойства и характер сцепления с основой детали может существенно изменяться.
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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.Гаркунов Д.Н. Триботехника. – М.: Машиностроение, 1985. – 424с.
Основы трибологии (трение, износ, смазка) учебник для технических вузов / Э.Д. Браун, Н.А. Буше, И.Я. Буяновский и др. Под ред. А.В. Чичинадзе. – М.: Центр «Наука и техника», 1995. – 778 с.
Рещиков В.Ф. Трение и износ тяжелонагруженных передач. – М.: Машиностроение, 1975. – 216 с.
Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ/ Под ред. А. В. Белого, К. Лудемы, Н. К. Мышкина. – М.: Машиностроение; Нью-Йорк: Аллертон Пресс, 1993.
Силин А. А. Трение и его роль в развитии техники. – М.: Наука, 1983.
Голего Н. Л., Будя А. П., Коценко А.В., Натансон М. Э. Особенности построения и реализации банка данных по трибологии// Проблемы трения и изнашивания. – 1989, вып. 36.

10 определений по дисциплине ТриботехникаТриботехника – наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазки машин.
Внешнее трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии.
Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.
Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах.
Смазка – действие смазочного материала, в результате которого между двумя поверхностями уменьшается сила трения и (или) интенсивность изнашивания.
Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.
Антифрикционные материалы – материалы, используемые для работы в несущих или направляющих узлах трения (подшипниках скольжения, радиальных и торцовых уплотнениях).
Фрикционные материалы – материалы, предназначенные или используемые для работы в узлах трения, передающих или рассеивающих кинетическую энергию движущихся масс (в тормозах, муфтах, сцеплениях, демпферах, вариаторах и др.).
Присадка – вещество, добавляемое к смазочному материалу для придания ему новых свойств или усиления существующих.
Надежность – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.