Окисление поверхностей.

Практически все металлы подвергаются окислению. Металлические поверхности в процессе обработки очень быстро покрываются первичной оксидной пленкой. Несмотря на свою малую толщину, она приостанавливает дальнейшее окисление. Скорость образования оксидной пленки на поверхности металла исчисляется долями секунды. Так, для возникновения слоя пленки толщиной 1, 4 нм достаточно 0, 05 с. Оксидная пленка находится в напряженном состоянии; она испытывает растяжение или сжатие в зависимости от соотношения объема образовавшегося оксида к объему окислившегося металла. С увеличением толщины пленки напряжения в ней растут. При некоторой толщине пленки происходит потеря ее устойчивости, наступает мгновенное смещение и пленка приобретает пористое (рыхлое) строение.

Внешний слой поверхности состоит из загрязнений, попавших на поверхность при обработке и адсорбированных газов и паров. Толщина этой пленки 0, 1…2, 5 нм. Расположенный под ним слой имеет на железе толщину до 5 нм, на стали до 2 нм, на алюминии до 15 нм.

Взаимное контактирование деталей происходит на выступах поверхностей, образованных микронеровностями. При изучении контакта деталей профессор И.В. Крагельский выделил:

– номинальную площадь контакта, соответствующую номинальным размерам сопрягающим деталей;

– фактическую (физическую) площадь контакта, равную сумме фактически малых площадок соприкосновения;

– контурную площадь касания, представляющую собой сумму площадок,

ограниченных контурами, в которые вписаны области с близлежащими площадками фактического контакта.

Контурные площадки легко обнаруживаются при проверке качества сопряжённых деталей на краску – это пятно касания. Для плоских поверхностей, не имеющих отклонений от плоскостности, контурная площадь равна номинальной.

Процесс контактирования поверхностей при статическом нагружении протекает следующим образом. Поверхность воспринимает нагрузку вершинами выступов неровностей на высотах, образуемых макрогеометрическими отклонениями. Здесь располагаются зоны, из которых складывается контурная площадь касания. В контакт первыми вступают наибольшие выступы. Их деформация вызывает сближение поверхностей.

Возможны следующие виды деформации выступов: упругая, упруго-пластическая без упрочнения, упруго-пластическая с упрочнением. Упругая деформация возможна только у эластичных тел (резина). В большинстве случаев наблюдается пластическая деформация, которой принадлежит ведущая роль в образовании фактической площади контакта. Входящие в касание выступы пластически сплющиваются, чаще всего с внедрением: внедряется более твердый выступ или тот, которому геометрическая форма придает большее сопротивление деформации.

Пластическая деформация выступов начинается при среднем давлении на контакте равном примерно утроенному пределу текучести материала. При этом давлении материал под контурной площадкой начинает пластически деформироваться и в результате либо увеличиваются размеры площадки, либо возникают новые контурные площади контакта. Полное погружение выступов в пластически деформируемую основу не наблюдается. После деформации, даже сильной, шероховатость поверхности лишь несколько видоизменится.

Площадь фактического контакта состоит из множества дискретных малых площадок, расположенных на различных высотах пятна касания. Между площадками касания тел имеются микрополости, заполненные воздухом или другими материалами (смазка, продукты износа и др.)

Площадь фактического контакта составляет от одной десятитысячной до одной десятой номинальной площади касания. Она возрастает с увеличением нагрузки, снижением шероховатости поверхности и росте радиуса закругления вершин ее неровностей. При контактировании двух различных материалов площадь фактического контакта определяется физико-механическими свойствами более мягкого материала и геометрией поверхности более твердого материала.

Кроме контактирования поверхностей деталей возможно и взаимное внедрение поверхностей. Это связано с анизотропией кристаллитов. Свойства кристаллитов сильно меняются в зависимости от направления действия нагрузки. Так для монокристалла железа модуль упругости меняется от 284 до 132 ГПа. Тогда как для поликристалла E = 210 ГПа. Поликристаллическому чистому металлу свойственна неоднородность кристаллического строения, а большинству сплавов присуща неоднородность еще и по структурным составляющим. В результате на отдельных площадках фактического контакта происходит взаимное внедрение твердых составляющих своими более «сильными» гранями в менее твердые структурные составляющие. При этом меняется шероховатость поверхности.

Для изнашивания поверхностей трения имеет значение не сам факт изменения их шероховатости, а связанные с ним взаимное внедрение поверхностей. Глубина взаимного внедрения зависит от физико-механических свойств материалов, шероховатости поверхностей и нагрузки. При малых нагрузках взаимное внедрение носит в основном упругий характер и незначительно. Возможно также взаимное внедрение поверхностей при контактировании металла с неметаллом, т.е. неоднородность строения свойственна всем материалам, в том числе и аморфным.