Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 2.13 – Номинальная (А

), контурная (А

) и фактическая (А

)

площади контактов поверхностей

Отношение

называют номинальным давлением (N – нор-

мальная нагрузка),

– контурным давлением и

– факти-

ческим давлением.

Фактическую площадь контакта рассчитывают по контурной площади

Так, например, для упругой деформации волн при R

max

< 0,1 Н

кон-

турная площадь равна:

86,0

43,0

14,0

2,2 N

а контурное давление будет

14,0

43,0

где

– высота волны;

– радиус волны;

– упругая постоянная двух деформируемых поверхностей.

где

– коэффициенты Пуассона деформируемых поверхностей;

и Е

– модули упругости деформируемых поверхностей.

Фактическое давление при упругой деформации выступов двух шеро-

ховатых поверхностей рассчитывают по формуле:

14,0

43,0

61,0

При пластической деформации выступов:

4,0

где

– микротвердость менее твердой поверхности.

И, наконец, при повторном нагружении пластически деформирован-

ных поверхностей фактическое давление будет

где

– нормальная нагрузка при первом нагружении.

Под влиянием нагрузки в результате внедрения, пластической и упру-

гой деформации микронеровностей и волн происходит сближение по-

верхностей. Суммарное сближение поверхностей составит:

hhh

где

– сближение за счет внедрения и деформации микронеровностей;

– сближение в результате деформации волн.

На рисунке 2.14 представлена зависимость сближения от контурного

давления.

Рисунок 2.14 – Зависимость сближения от контурного давления

Расчет сближения двух шероховатых поверхностей приближенно (без

учета волнистости) производится по формуле

4,3

С учетом волнистости

3,03,015,085,0

8,14,3

pRH

Элементарные акты взаимодействия поверхностей, приводящие к

возникновению трения и износа, осуществляются, как уже отмечалось, на

пятнах фактического контакта. Число пятен фактического контакта можно

рассчитать по формуле

66,0

14,3

rRK

где

– коэффициент, учитывающий характер контакта выступов,

для упругого контакта К

= 11, для пластического К

= 21.

Средняя площадь ∆А

одного пятна контакта

66,0

33,0

arr

RKA

Среднее расстояние между пятнами контакта S

66,0

5,0

57,0

arr

rRKS

От размера пятен контакта зависят размер частиц износа, время взаи-

модействия на единичном контакте и температура, развиваемая при тре-

нии. Среднее расстояние между пятнами фактического контакта влияет на

частоту взаимодействия пятен при трении.

Следует помнить, что фактическое давление рr, на контакте очень ве-

лико. Это часто приводит к пластической деформации выступов. В ряде

случаев в зоне контакта возникает ползучесть, вследствие чего характери-

стики контакта во времени могут изменяться при неизменности прилагае-

мой внешней нагрузки. Эти так называемые реологические свойства кон-

такта особенно сильно проявляются с повышением температуры в зоне

контакта.

2.12 Физико-химические свойства поверхностного слоя

2.12.1 О некоторых особенностях (свойствах) поверхностного слоя и

силах связи, действующих в его элементах

В обычных условиях, например, после механической обработки по-

верхность детали покрыта слоем окисных или гидроокисных плѐнок, мо-

лекулами веществ различной природы, адсорбированных на ней. Какие же

силы адсорбируют на поверхности твѐрдого тела (металла) плѐнки ве-

ществ различной природы? Физическая природа силового поля металли-

ческой поверхности предопределяется, в конечном счѐте электрическими

и магнитными микрополями, действующими вблизи поверхности. Эти

электрические и магнитные микрополя возникают в результате воздейст-

вия различных факторов, таких, как силы связи в различных веществах и

микрофигурация поля вблизи каждого участка поверхности, определяется

кристаллическим строением поверхности металла, наличием микрооблас-

тей спонтанного намагничивания и др.

Силы связи в веществах (металлах) могут быть разделены на пять ви-

дов: ионная, ковалентная, металлическая, Ван-дер-ваальсовая или моле-

кулярная, водородная или резонансная связь.

Ионная связь является химической; в этом случае атомы вещества либо

теряют один электрон, либо приобретают его, так что их внешняя электрон-

ная оболочка становится заполненной. При этом атомы превращаются в ио-

ны, т. е приобретают положительный или отрицательный заряд в зависимо-

сти от того, теряет или приобретает электрон данный атом. Атомы с проти-

воположными зарядами взаимно притягиваются. Примером ионной связи

может служить связь атомов в хлористом натрии (рисунок 2.15-а).

а)

б)

в)

Рисунок 2.15 – Связи в

твѐрдом теле:

а – ионная;

б – ковалентная;

в – металлическая;

г – Ван-дер-ваальсовая;

д – водородная

г)

д)

Ковалентная связь также является химической. Она возникает в ре-

зультате того, что электроны, принадлежащие двум разным атомам (груп-

пам), становятся общими для обоих атомов (групп). Атомы вступают в

ковалентную связь, если при этом уменьшается полная энергия системы,

что происходит при уличении электронной плотности в пространстве ме-

жду ядрами. Примером ковалентной связи может служить связь атомов в

алмазе (рисунок 2.15-б).

При металлической связи все атомы теряют свои валентные электро-

ны и владеют ими сообща, т.е. в металле наблюдается некоторое подобие

облака электронов, оторвавшихся от своих атомов. Наличие «свободных»

электронов определяет ряд свойств металла и, в частности, их теплопро-

водность и электропроводность. На рисунке 2.15-в, схематично показана

металлическая связь в натрии.

Ван-дер-ваальсовая или молекулярная связь осуществляется силами,

обычно называемыми Ван-дер-ваальсовыми. Это типичная физическая

связь. Силы связи возникают здесь в результате некоторого смещения

центров электрического заряда электрически нейтральных атомов и моле-

кул. Такое смещение («разбалансировка») вызывает слабое притяжение,

которое и связывает атомы или молекулы друг с другом. На рисун-

ке 2.15-г, схематично показана Ван-дер-ваальсовая связь между атомами

твѐрдого водорода.

Водородная связь относится к группе химических связей. Однако если

обычные типы химических связей – ионная и ковалентная – имеют энер-

гию связи (20…200) ккал/моль, то водородная связь имеет значительно

меньшую энергию – от 5 до 8 ккал/моль. Водородная связь осуществляет-

ся путем взаимодействия ковалентно связанного атома водорода с каким-

либо атомом, относящимся к той же или другой молекуле и обладающим

непоселенной парой электронов. Широко распространенным веществом,

имеющим водородную связь, является вода. В ряде случаев структура

кристаллической решетки определяется водородной связью, например

лед, борная кислота и др. На рисунке 2.15-д, схематично показана водо-

родная связь, осуществляемая во льду.

Межатомные (или межмолекулярные) силы сцепления, связывающие

между собой частицы в кристалле, очень трудно измерить эксперимен-

тально, поскольку основные механические характеристики, в том числе

пределы упругости и прочности, зависят прежде всего от наличия дефек-

тов в структуре. Вместе с тем очевидно, что тот или иной вид сил связи

между частицами вещества (в кристалле) оказывает определенное влия-

ние на величину и характер поверхностных сил.

Вещества, имеющие один какой-либо вид связи, встречаются доволь-

но редко. Как правило, в большинстве случаев наблюдается сочетание

различных видов связей, но превалирующий вид связи предопределяет те

или иные физические, химические и механические свойства вещества.

2.12.2 Понятие об адгезии

Силы связи, действующие в веществах, приводят к адгезии или при-

липанию двух разнородных твѐрдых или жидких тел, приведенных в со-

прикосновение. Частным случаем адгезии является когезия, когда сопри-

касающиеся тела одинаковы. Предельный случай адгезии – химическое

взаимодействие на поверхности раздела с образованием слоя поверхност-

ного химического соединения.

При соприкосновении двух тел, например двух металлических образ-

цов, между соприкасающимися поверхностями возникает адгезия. Однако

силы связи между образцами при попытке оторвать один от другого ока-

зываются, как правило, небольшими, даже при наличии однородных ма-

териалов. Чем же объяснить это обстоятельство? Следует отметить два

основных фактора, резко уменьшающих адгезию между двумя образцами.

Первый фактор – величина площади фактического контакта, которая в

сотни и даже тысячи раз меньше геометрической площади контакта. Вто-

рой причиной является наличие на поверхности образцов пленок окислов

металлов и адсорбированного слоя молекул веществ различной природы.

Известно, что поверхности металлических образцов, прогретые в глубо-

ком вакууме с целью удаления слоя адсорбированных молекул, соединя-

ются при соприкосновении гораздо сильнее, чем на воздухе. Если же в

глубоком вакууме удалить тем или иным методом не только слой адсор-

бированных молекул, но и окисный слой, т.е. ввести в соприкосновение

ювенильные поверхности, образцы соединятся настолько прочно, что их

трудно будет рассоединить. На этом принципе основана сварка трением в

глубоком вакууме.

Кроме того, значительная по величине пластическая деформация ме-

таллических образцов, вызванная их сдавливанием, также может привести

к их полному контакту, а следовательно, к высокому адгезионному соеди-

нению. Высокую адгезию можно получить также нанесением жидкости на

поверхность твердого тела в условиях полного смачивания. В этом случае

после затвердевания образуется предельно прочный адгезионный шов.

Примером может служить пайка и горячее лужение металлических по-

верхностей, образование полимерных покрытий из растворов или распла-

вов, образование клеевых швов, лакокрасочных покрытий и др.

Таким образом, адгезия в конечном счете является результатом раз-

личного рода взаимодействий, т.е. действия сил связи в веществах. Выше

были рассмотрены существующие силы связи. Одни из них обладают

большой величиной и следовательно, способны образовать адгезионный

шов высокой прочности, другие имеют малое значение и естественно,

адгезионный шов будет слабым. Однако прочность адгезионного шва за-

висит не только от сил связи соединяемых веществ, но и от других факто-

ров, которые будут рассмотрены ниже при изучении смазочных материа-

лов, в частности, антиадгезионных покрытий (твѐрдых и других смазок).

2.12.3 Понятие о поверхностной энергии

Обработанная поверхность в связи с особенностями ее образования

отличается большой неоднородностью как по химической активности, так

и по физико-механическим свойствам. Кроме того, в поверхностном слое

образуются дефекты (слабые места поверхности детали), которые являют-

ся основой развития микротрещин. Разрушение поверхности при трении

начинается, прежде всего, именно в местах дефектов.

Поверхностный слой металла обладает большой активностью. Это

обусловлено тем, что внутри твердого тела каждый атом кристалла окру-

жен другими атомами и связан с ними прочно по всем направлениям и у

атомов, расположенных на поверхности, с внешней стороны нет «сосе-

дей» в виде таких же атомов. Поэтому в поверхностном слое атомы твѐр-

дого тела имеют свободные связи, вследствие чего вблизи поверхности

создается атомное (молекулярное) притяжение.

Поверхностные атомы вследствие свободных связей обладают боль-

шей энергией по сравнению с атомами внутри твердого тела. Избыток

энергии, отнесенный к единице поверхности, называют удельной поверх-

ностной энергией или просто поверхностной энергией.

Полная энергия кристалла состоит из внутренней и поверхностной

энергии. Последняя пропорциональна поверхности раздела фаз, поэтому

особенно возрастает при диспергировании твердых тел. Она во многом

определяет свойства высокодисперсных систем – коллоидов.

При соприкосновении двух тел поверхностная энергия исчезает и мо-

жет выделиться в виде теплоты или затратиться на подстройку в кристал-

лической решетке одного кристалла к другому.

2.12.4 Адсорбция и хемосорбция

В результате взаимодействия ненасыщенных силовых полей твердого,

тела с силовыми полями молекул газа движущихся к твердой поверхно-

сти, или взаимодействия жидкости, соприкасающейся с твердым телом,

поверхность последнего покрывается пленкой веществ, содержащихся в

окружающей среде: газов, паров воды, обычно находящихся в воздухе, и

паров других жидкостей, а также веществ, растворенных в жидкостях и

соприкасающихся с поверхностью твердого тела.

Явление образования на поверхности детали тончайших пленок газов,

паров или растворенных веществ либо поглощение этих веществ поверх-

ностью тела называют адсорбцией.

Рисунок 2.16 – Схема адсорбированного

монослоя (насыщенных полярных молекул)

и ориентация неполярных молекул

Наибольшей способностью к адсорбции обладают поверхностно – актив-

ные вещества, т.е. вещества, молекулы которых ориентируются при адсорб-

ции перпендикулярно к поверхности (рисунок 2.16). Это органические кисло-

ты, их металлические мыла, спирты и смолы. Вода проявляет большую ад-

сорбционную активность к резине и антифрикционным пластикам.

Жирные одноосновные кислоты (пальмитиновая, стеариновая и др.)

соединения с общей формулой RCOOH, где R – радикал вида С

2n+1

. Их

молекулы, имеющие удлиненную форму (длина в 5…10 раз превышает

поперечное сечение), прикрепляются к поверхности металла своей кар-

боксильной группой СООН. Насыщенный адсорбционный монослой об-

разуется, таким образом, из плотно расположенных молекул, ориентиро-

ванных параллельно друг другу и перпендикулярно к поверхности тела.

Структура монослоя такая же при адсорбции других полярных молекул.

Адсорбированные молекулы взаимодействуют не только с поверхностью,

но и между собой. Взаимодействие между молекулами в тангенциальном

к поверхности направлений называют продольной когезией. Сопротивле-

ние адсорбированной пленки продавливанию определяется силами про-

дольной когезии.

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 ОН, у

других веществ – группа NН

СОСН и др.

Над монослоем полярных молекул расположен граничный слой, в ко-

тором молекулы правильно, ориентированы. Граничные слои находятся в

особом агрегатном состоянии, имея квазикристаллическую структуру.

При некоторой температуре пленка квазикристаллической структуры раз-

рушается, происходит дезориентация адсорбированных молекул, и теря-

ется способность смазочного материала к адсорбции. Температура дез-

ориентации на химически неактивных металлах (40…80) С, на химически

активных металлах (90…150) С.

Молекулы веществ, адсорбированных 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, связываясь с поверх-

ностью тела, образуют монослой, сходный с химическим соединением.

Подвижность молекул в результате этого сильно ограничивается.

Хемосорбция, в отличие от физической адсорбции, носит избиратель-

ный характер, она протекает с большой интенсивностью в местах нару-

шения кристаллической решетки. Во многих случаях физическая и хими-

ческая адсорбция протекают одновременно, но одна из них является пре-

обладающей. Так, имеются основания считать, что адсорбция жирных

кислот на металлических поверхностях при нормальной температуре но-

сит в основном физический характер, а при повышенной температуре –

химический. Силы взаимодействия методу молекулами поверхностно-

активных веществ и металлической поверхностью различны по природе и

зависят как от природы веществ, так и от металла.

2.12.5 Адсорбционный эффект понижения прочности

(эффект Ребиндера)

Поверхностно-активная среда влияет на процессы деформации и раз-

рушения твердых тел, значительно понижая их сопротивляемость дефор-

мированию и разрушению в результате физической (обратимой) адсорб-

ции поверхностно-активных веществ из окружающей среды. Этот эффект

был установлен П.А. Ребиндером и назван его именем. Различают внеш-

ний и внутренний адсорбционные эффекты. Внешний адсорбционный

эффект происходит в результате адсорбции поверхностно-активных ве-

ществ на внешней поверхности деформируемого твердого тела, что вызы-

вает пластифицирование поверхности и снижение предела текучести, а

также коэффициента упрочнения.

При внешнем адсорбционном эффекте благодаря адсорбированию

слоя поверхностно-активных веществ понижается поверхностная энергия

твердого тела, что приводит к облегчению выхода дислокаций.

Молекулы органических кислот и спиртов относительно велики, они

не могут проникнуть в трещины и вызывают внешний адсорбционный

эффект.

Эффект Ребиндера можно также продемонстрировать на примере

продавливания стального шарика через сквозное цилиндрическое отвер-

стие в металлическом образце (рисунок 2.17). При продавливании шарика

избыточный поверхностный слой металла пластически деформируется,

образуя наплыв перед шариком. При продавливании шарика без смазоч-

ного материала в зону деформации вовлекается значительно больше ме-

талла, чем в присутствии активной среды.

Рисунок 2.17 – Схема продавливания

шарика без смазочного материала (а) и

с окисленным парафином (б)

(по данным П.А. Ребиндера):

1 – образец; 2 – пуансон;

3 – шарик; 4 – наплыв

Силы продавливания при смазывании парафином в 3 раза меньше,

чем в случае отсутствия смазочного материала.

Внутренний адсорбционный эффект вызывается адсорбцией поверх-

ностно-активных веществ на внутренних поверхностях раздела – зароды-

шевых микротрещинах разрушения, возникающих в процессе деформации

твердого тела. Этот эффект заключается в адсорбции атомов поверхност-

но-активных веществ на поверхностях микротрещин при деформации

разрушения и облегчении их развития в результате снижения работы об-

разования новой поверхности (рисунок 2.18.). Давление на стенки трещи-

ны у ее вершины может доходить до 10 ГПа.

Рисунок 2.18 – Схема адсорбционно-

расклинивающего действия полярных

молекул смазочного материала:

F – давление адсорбционного слоя;

Q – расклинивающие силы

Отличительной особенностью эффекта Ребиндера является то, что он

проявляется только при совместном действии среды и определенного на-

пряженного состояния. Речь идет об обратимом участии среды. Это прин-

ципиально отличает эффект Ребиндера от химических или электрохими-

ческих процессов, коррозии или растворения твердого тела в окружающей

среде. Эффект может быть вызван не только адсорбцией, но и воздействи-

ем жидкости. Наиболее сильно эффект Ребиндера проявляется в условиях

образования новых поверхностей, а также при наличии в твердом теле

дефектов (в частности границ зерен). Расплавленные легкоплавкие метал-

лы являются сильными поверхностно-активными средами по отношению

к более тугоплавким металлам и могут вызвать резкое понижение их

прочности.

2.13 Явление наводороживания поверхностного слоя и влияние

водорода на свойство стали

В процессе различных технологических операций, а также при трении

происходит насыщение поверхностного слоя деталей водородом (наводо-

роживание). Основные источники наводороживания следующие.

1) При выплавке стали в доменном производстве из влаги дутья (во-

дяного пара) в результате его разложения под действием углерода образу-

ется водород, который и попадает в сталь.