Физико-химические свойства поверхностей деталей и контактирование поверхностей.

Лекция

Физико-химические свойства поверхностей деталей и контактирование поверхностей

Физико-химические свойства поверхностей деталей и контактирование поверхностей.

Поверхностный слой металла обладает большой активностью. Это обусловлено тем, что внутри твердого тела каждый атом кристалла окружен другими атомами и связан с ними прочно по всем направлениям, а у атомов, расположенных на поверхности, нет с внешней стороны «соседей». Поэтому в поверхностном слое у атомов остаются свободные связи, наличие которых создает атомное (молекулярное) притяжение. Поверхностные атомы вследствие наличия свободных связей, обладают большей энергией, нежели атомы внутри тела. Этот избыток энергии называется поверхностной энергией и она тем больше, чем больше площадь свободной поверхности.

Все твердые поверхности могут взаимодействовать с газовой и жидкой фазами, которые при этом образуют наитончайшие пленки. Это явление называется адсорбцией. Наибольшей способностью к адсорбции обладают поверхностно-активные вещества. Характерной особенностью поверхностно-активных веществ является несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в их молекулах, в результате чего молекулы поляризуются. Такие молекулы притягиваются и удерживаются поверхностью. Так если поместить металлическое тело вблизи летучего вещества, например валериановой кислоты, то молекулы кислоты, испаряясь, покроют поверхность тела слоем толщиной в одну молекулу.

Конец молекулы, присоединяющийся к металлу, подобен маленькому магниту; его называют полярным или активным. Остальная часть молекул составляет так называемый хвост. У всех органических кислот и их мыл активной является карбоксильная группа, у спиртов гидроксил OH, у других веществ группа NH₂, COCl и др.

Молекулы веществ, адсорбированные на поверхности твердого тела, обладают способностью перемещаться по поверхности из областей, где имеется их избыток, в места, где их недостаточно для полного покрытия поверхности. Подвижность адсорбированных молекул зависит от вида адсорбции. Адсорбция бывает физическая и химическая. При химической адсорбции (хемосорбции) полярные концы молекул образуют с поверхностью монослой, сходный с химическим соединением. Подвижность молекул в результате этого сильно ограничивается. Силы взаимодействия между молекулами поверхностно-активных веществ и металлической поверхностью различны по природе. Они зависят от природы вещества и металла, а также и от температуры. Наиболее прочной связью обладают молекулы с активной карбоксильной группой. К ним относятся масла. Молекулы масел имеют удлиненную форму и образуют на поверхности особую структуру. Поверхностно-активные вещества, имеющиеся в них, образуют монослой активных молекул, а над ним образуется граничный слой полярных молекул масла. Молекулы в нем расположены не беспорядочно, а правильно ориентированы. Граничные слои находятся в особом агрегатном состоянии, имея квазикристаллическую структуру. При некоторой температуре пленка квазикристаллической структуры как бы расплавляется, происходит дезориентация адсорбированных молекул и теряется способность смазочного материала к адсорбции. (Эта температура колеблется от 40 до 150°С).

Эффект Ребиндера. Поверхностно-активная среда влияет на процессы деформации и разрушения твердых тел. Причем в результате физической адсорбции поверхностно-активных веществ из окружающей среды, сопротивляемость деформированию и разрушению значительно понижается. Этот эффект установлен П.А. Ребиндером и назван его именем. Различают внешний и внутренний адсорбционные эффекты. Внешний адсорбционный эффект наблюдается при адсорбции поверхностно-активных веществ на внешней поверхности деформируемого твердого тела. Он проявляется в снижении предела текучести и коэффициента упрочнения. Например, в монокристалле олова s_т при наличии ПАВ на поверхности снижается в два раза. Объясняется это облегчением выхода дислокаций из-за значительного снижения поверхностной энергии поверхности при адсорбировании на ней слоя ПАВ. Молекулы органических кислот и спиртов относительно велики; они не могут проникнуть в трещины и вызывают внешний адсорбционный эффект.

Внутренний адсорбционный эффект вызывается адсорбцией ПАВ на внутренних поверхностях раздела – зародышевых микротрещинах разрушения, возникающих в процессе деформации твердого тела. Этот эффект заключается в адсорбции атомов ПАВ на поверхностях микротрещин. В результате этого облегчается их развитие из-за снижения работы образования новой поверхности. Отличительной особенностью эффекта Ребиндера является то, что он проявляется только при совместном действии среды и определенного напряженного состояния. Наиболее сильно он проявляется в условиях образования новых поверхностей, а также при наличии в теле дефектов (в частности, границ зерен).

F – давление адсорбированного слоя; Q – расклинивающие силы

Рис. 2.1 – Схема адсорбционно-расклинивающего действия полярных молекул смазочного материала

Эффект Ребиндера и его закономерности распространяются и на полимерные материалы. Адсорбируемые поверхностно-активные молекулы, стремясь занять поверхность тела в зоне соприкасания с активной средой, проникают в ультрамикроскопические трещины, мигрируя по их стенкам со скоростями, значительно превосходящими скорость всасывания жидкости в зазор (Рис. 2.1). Когда активные молекулы достигают мест, где ширина зазора равна размеру одной-двух молекул, адсорбционный слой своим давлением стремится расклинить трещину для дальнейшего продвижения молекул. Давление на стенки трещины у ее вершины может доходить до 10 ГПа. Растягиващие напряжения, остаточные или от внешней нагрузки, раскрывают ультрамикротрещины и способствуют проявлению эффекта Ребиндера.

Расплавленные легкоплавкие металлы являются сильными поверхностно-активными средами по отношению к более тугоплавким металлам и могут вызвать резкое понижение их прочности. Эффект Ребиндера лежит также в основе облегчения резания пластичных материалов под влиянием поверхностно-активных компонентов смазочно-охлаждающих жидкостей.