Лекция № 3

ЛЕКЦИЯ № 3

План лекции:

1.  Адсорбция и хемосорбция.

2. Адсорбционный эффект понижения прочности (эффект Ребиндера).

3. Взаимное контактирование деталей.

4. Взаимное внедрение поверхностей.

5. Механизм изнашивания деталей пар трения и рабочих органов машин.

ПРОЦЕССЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ В ЭЛЕМЕНТАХ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Поверхностная энергия

Поверхностные атомы вследствие свободных связей обладают боль­шей энергией, нежели атомы внутри твердого тела.

Избыток энергии, от­несенный к единице поверхности, называют удельной поверхностной энергией или просто поверхностной энергией.

Полная энергия кристал­ла состоит из внутренней и поверхностной энергии.

При соприкосновении двух тел повер­хностная энергия исчезает и может выде­литься в виде теплоты или затратиться на подстройку в кристаллической решетке одного кристалла к другому

Адсорбция и хемосорбция

В результате взаимодействия ненасыщенных силовых полей твердо­го тела с силовыми полями молекул газа, движущихся к твердой поверх­ности, 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 твёрдого тела тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ либо поглощение этих веществ поверхностью тела называют адсорбцией.

Наибольшей способностью к адсорбции обладают поверхностно-активные вещества, т. е. вещества, молекулы которых ориентируются при адсорбции перпендикулярно к поверхности (например, органические кислоты, их металлические мыла, спирты и смолы). Вода проявляет боль­шую адсорбционную активность к резине и антифрикционным пласти­кам

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 поверх­ностью тела, образуют в ней моно­слой, сходный с химическим соединением. Подвижность молекул в результате этого сильно ограничи­вается.

Хемосорбция, в отличие от физической адсорбции, носит изби­рательный характер; она протекает с большой интенсивностью в местах нарушения регулярности кристаллической решетки (включениями либо "дырками"). Во многих случаях физическая и химическая адсорбция про­текает одновременно, но одна из них является преобладающей. Так, име­ются основания считать, что адсорбция жирных кислот на металличес­ких поверхностях при нормальной температуре носит в основном физи­ческий характер, а при повышенной температуре — химический.

Адсорбированный слой поверхностно-активных веществ является мономолекулярным.

Адсорбционный эффект понижения прочности (эффект Ребиндера)

Поверхностно-активная среда влияет на процессы деформации и разрушения твердых тел, значительно понижая их сопротивляемость деформированию и разрушению в результате физической (обратимой) адсорб­ции поверхностно-активных веществ из окружающей среды.

Этот эф­фект был установлен в 1956 г. и назван его именем. Различают внешний и внутренний адсорбционные эффекты.

Внешний адсорбцион­ный эффект происходит в результате адсорбции поверхностно-активных веществ на внешней поверхности деформируемого твердого тела, что вызывает пластифицирование поверхности и снижение предела текучес­ти σт, а также коэффициента упрочнения λ = dσ/dε, где σ — напряжение, ε — деформация (рис. 1).

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 от­верстие в металлическом образце (рис.2). При продавливании шарика избыточный поверхностный слой металла пластически деформируется, образуя наплыв перед шариком. При продавливании шарика без смазоч­ного материала в зону деформации вовлекается значительно больше ме­талла, чем в присутствии активной среды. На рис. 3. показана микрос­труктура металла в пластической волне при продавливании шарика. Силы продавливания при смазывании парафином в 3 раза меньше, чем в случае отсутствия смазочного материала.

Рис. 1 Зависимость напряжения σ от деформа­ции ε монокристаллов олова: 1 — в чистом вазелиновом масле; 2 — в 0,2%-ном растворе олеиновой кислоты в вазелиновом масле; 60 — предел текучести

Внутренний адсорбционный эффект вызывается адсорбцией по­верхностно-активных веществ на внутренних поверхностях раздела — зародышевых микротрещинах разрушения, возникаю­щих в процессе деформации твердого тела. Этот эффект заключается в адсорбции ато­мов поверхностно-активных веществ на поверхностях микротрещин при деформа­ции разрушения и облегчения их развития в результате сни­жения работы образования новой поверхности.

Отличительной особен­ностью эффекта Ребиндера является то, что он проявля­ется только при совместном действии среды и определенного напряженного состояния. Речь идет об обратимом участии среды.

Рис. 2. Наплыв металла при продавливании шарика без смазочного материала (а) и с окис­ленным парафином (б) (по данным ) (×3): 1— образец; 2 — пуансон; 3 — шарик; 4 - наплыв

Рис. 3. Микроструктура металла в пластической волне при вдавливании шарика без сма­зочного материала (а) и с окисленным парафином (б), ×30 (по данным )

Это принципиально отличает эффект Ребин­дера от химических или электрохимических процессов, коррозии или растворения твердого тела в окружающей среде. Эффект может быть вызван не только адсорбцией, но и воздействием жидкости.

Адсорбируемые поверхностно-активные молекулы, стремясь покрыть всю 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. Когда активные молекулы достигают мест, где ширина зазора равна размеру одной-двух молекул (рис. 4.), адсор­бционный слой своим давлением стремится расклинить трещину для даль­нейшего их продвижения. Давление на стенки трещины у её вершины может доходить до 10 ГПа.

Рис. 4. Схема адсорбционно-расклинивающего действия полярных молекул смазочного материала: F — давление адсорбированного слоя; Q — расклинивающие силы

Растягивающие напряжения, остаточные или от внешней нагрузки, раскрывают ультрамикротрещины и способствуют проявлению эффекта Ребиндера. Наоборот, при сжимающих напряжениях трещины замыка­ются, может даже произойти "самозалечивание" их, и эффект может не проявиться.

Химически неагрессивные, но поверхностно-активные среды сни­жают предел выносливости материала по сравнению с его величиной в неактивной среде.

Эффект Ребиндера лежит, также в основе облегчения резания пластичных тел (металлов) под влиянием поверхностно-активных ком­понентов смазочно-охлаждающих жидкостей.

Пленки на металлических поверхностях

Практически все металлы подвергаются окислению. Металлические поверхности в процессе обработки очень быстро покрываются первич­ной окисной пленкой. Такие пленки обнаруживаются и на благородных металлах. Несмотря на малую толщину, пленка всего в несколько эле­ментарных ячеек кристаллической решетки данной фазы окисла при нор­мальной температуре приостанавливает дальнейшее окисление. Разруше­ние поверхностей трения в среде воздуха тоже сопровождается их окис­лением.

Скорость образования оксидной пленки на поверхности металла исчисляется долями секунды. Так, для возникновения слоя толщиной 1,4 нм достаточно 0,05 с. С увеличением толщины рост пленки замедля­ется.

Оксидная пленка находится в напряженном состоянии, испытывая растяжение или сжатие в зависимости от соотношения объемов основно­го металла и образовавшегося на его базе окисла. С увеличением толщи­ны пленки возрастают силы упругости в самой пленке и на границе меж­ду пленкой и основным металлом. При некоторой толщине пленки про­исходит потеря её устойчивости, наступают мгновенные смещения, и пленка приобретает пористое (рыхлое) строение.

Взаимное контактирование деталей

Взаимное контактирование деталей происходит на выступах поверхностей на высотах, образованных микронеровностями. При изучении контакта деталей можно выделить:

номинальную площадь контакта, соответствующую номинальным сопрягаемым размерам деталей;

фактическую (физическую) площадь контакта, равную сумме фактических малых площадок соприкасания;

контурную площадь касания, представляющую собой сумму площа­док, ограниченных контурами, в которые вписаны области с близлежа­щими площадками фактического контакта.

Рис. 5 Схема контактирования деталей: а×б — номинальная площадь контакта

Контурные площадки легко обнаруживаются при проверке качества сопряжения 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 про­тивостоящие друг другу на сопряженных поверхностях выступы, сумма высот которых наибольшая. Деформация неровностей и их основ вызы­вает сближение поверхностей. По мере повышения нагрузки сближение поверхностей увеличивается, и в контакт вступают пары выступов с мень­шей суммой высот. Разновременность вхождения в контакт выступов, различающихся по высоте, дифференцирует их напряженное состояние и деформацию.

Возможны следующие виды деформации выступов: упругая; упругопластическая без упрочнения; упругопластическая с упрочнением. При первичном нагружении чисто упругая деформация неровностей возмож­на только у эластичных тел, например резины; упругая деформация пре­валирует при контактировании весьма гладких твердых металлических поверхностей. В большинстве случаев первичного нагружения пласти­ческой деформации принадлежит ведущая роль в формировании 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.

После деформации, даже сильной, шероховатость поверхностей лишь несколько видоизме­няется. Малые неровности пластически деформируются по своей высоте в той же пропорции, в какой пластически деформируется материал, ле­жащий под выступами (рис. 6). Аналогичное явление наблюдалось и у меди, подвергнутой сильному наклепу.

Площадь фактического контакта поверхностей состоит из множества дискретных малых площадок, расположенных на различных высотах пятна

Рис. 6. Косой срез глубокого отпечатка в отожженной меди, показывающий стойкость смятию неровностей поверхностей

касания в местах наиболее полного сближения поверхностей. Между площадками касания тел имеются соединенные между собой или закры­тые микрополости, заполненные воздухом или другой газовой средой, смазочным материалом, продуктами износа и т. п.

Площадь фактического контакта составляет от одной десятитысяч­ной до одной десятой номинальной площади касания. Даже при высоких нагрузках площадь фактического контакта не превышает 40% номиналь­ной площади.

Площадь фактического контакта возрастает с увеличением удельной нагрузки, снижении шероховатости поверхности и росте радиуса закруг­ления вершин ее неровностей; она несколько увеличивается при боль­шей длительности действия нагрузки. Эта площадь убывает с увеличени­ем упругих характеристик, предела текучести материала и высоты неро­вностей поверхностей.

Взаимное внедрение поверхностей

До сих пор мы рассматривали касание поверхностей, погрешности которых обусловлены технологией обработки или износом. Между тем контактирование под нагрузкой поверхностей тел, из которых хотя бы одно поликристаллическое, а у другого однородная поверхность, связано с образованием шероховатости поверхности вследствие неоднородности деформации. Это означает, что будь поверхность с гетерогенной струк­турой даже идеально гладкой, она, как и сопряженная с ней поверхность, приобретает под нагрузкой шероховатость. Поясним причину.

Технические металлы состоят из большого числа кристаллитов раз­ного состава, ориентировки и формы с линейными размерами обычно от 0,001 до 0,1 мм. Свойства кристаллита, как и монокристалла, отличаются четко выраженной анизотропией, в то время как поликристаллу, у кото­рого любая ориентировка составляющих малых кристалликов равнове­роятна, свойственна изотропность как результат статистической устой­чивости свойств для всех направлений. У монокристалла константы уп­ругости и предел упругости зависят от направления растягивающей силы. Так, модуль продольной упругости Е монокристалла железа изменяется от 284 до 132 ГПа, тогда как для поликристалла Е=210 ГПа, для монок­ристалла цинка Еmax=123,6 и Еmin=34,3ГПа.

Если поликристаллическому чистому металлу свойственна неоднородность кристаллического строения, то большинство сплавов об­ладают также неоднородностью различных структурных составляющих по твердости и имеют разную ориентировку кристаллических зерен, вы­ходящих на поверхность. В результате на отдельных площадках факти­ческого контакта, начиная с малых нагрузок, происходит взаимное внед­рение твердых составляющих и кристаллов, обращенных к поверхности "сильными" гранями, в менее твердые структурные составляющие и "сла­бые" грани кристаллов.

Неоднородность металла, вызванная всевозможными включениями, сегрегацией примесей, трещинами, остаточными напряжениями и т. п., благоприятствует взаимному внедрению поверхностей.

Для изнашивания поверхностей трения имеет значение не сам факт изменения их шероховатости, обусловленный неоднородностями строе­ния металлов, а связанное с ним взаимное внедрение поверхностей.

Глубина взаимного внедрения зависит от физико-механических свойств ма­териалов, шероховатости поверхностей и нагрузки.

МЕХАНИЗМ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТРЕНИЯ И РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН

Основные понятия

Пара трения — совокупность двух подвижно сопрягающихся поверхностей деталей (образцов) в реальных условиях службы или испыта­ний.

Узел трения - узел маши­ны, содержащий пары трения.

Возможен износ поверхностей деталей, не входящих в состав пар трения, например при относительном микро­смещении соприкасающихся поверхностей деталей неподвижных соеди­нений.

Изменение размеров и формы детали в результате изнашивания име­нуют износом. Его выражают в единицах длины, объема или массы.

Интенсивность изнашивания — отношение износа детали (или испытуемого образца) к пути трения или объему выполненной работы.

Скорость изнашивания — отношение износа детали к времени, в те­чение которого проходило изнашивание.

Износостойкость оценивают величиной, обратной интенсивности или скорости изнашивания.

Предельным износом детали (узла) называют износ, при котором даль­нейшая эксплуатация становится невозможной вследствие выхода дета­ли (узла) из строя, неэкономичной или недопустимой ввиду снижения надежности механизма.

Механизм изнашивания металлических поверхностей

Для анализа расчленим процесс изнашивания на три явления: взаимодействие поверхностей трения; изменения, происходящие в поверхнос­тном слое металла; разрушение поверхностей.

Взаимодействие поверхностей может быть механическим и молекулярным. Механическое взаимодействие выражается во взаимном внед­рении и зацеплении неровностей поверхностей в совокупности с их соударением в случае скольжения грубых поверхностей. Молеку­лярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и схватывания. Адгезия не только обусловливает необходимость приложения касательной силы для относительного сдвига поверхностей, но и может привести к вырывам материала.

Схватывание свойственно только металлическим повер­хностям и отличается от адгезии более прочными связями. Молекуляр­ное взаимодействие возможно также на участках взаимного внедрения поверхностей. Оно обязательно будет при разрушении масляной пленки.

Изменения на поверхностях трения обязаны деформации, по­вышению температуры и химическому действию окружающей среды.

Изменения, вызванные деформацией, заключаются в следующем.

1. Многократные упругие деформации из-за несовершенства струк­туры материала приводят в определенных условиях к усталостному выкрашиванию поверхностей качения, а многократные упругие деформа­ции микронеровностей поверхностей скольжения разрыхляют структуру.

2. Пластическое деформирование изменяет структуру материала поверхностного слоя..

Разрушение структуры—это заключительный этап пластической деформации по мере увеличения силового воздействия при однократном нагружении. Смещение кристаллических зерен сопровождается частич­ным нарушением сцепления, в результате при возрастании напряжения или многократном их повторении происходит ослабление, разрыхление, а в дальнейшем и разрыв структуры.

3. Пластическая деформация при температуре ниже температуры рекристаллизации приводит к наклепу поверхностного слоя — его уп­рочнению. Однако у самой поверхности структура несколько ослаблена, микротвердость понижена. Микротвердость достигает максимума на не­которой глубине, далее уменьшаясь до исходной.

4. При сильно отличающихся по твердости структурных составляю­щих материала и многократном воздействии нагрузки происходит внача­ле интенсивное изнашивание мягкой основы, вследствие этого повыша­ется давление на выступающие твердые составляющие, они вдавливают­ся в мягкую основу, некоторые из них дробятся и перемещаются допол­нительно под действием сил трения. В результате такого избирательного изнашивания поверхность обогащается твердыми структурными состав­ляющими и приобретает строчечную структуру.

Влияние повышения температуры.

1. Если по условиям службы или в результате трения температура поверхностных слоев выше температуры рекристаллизации металла, то поверхностный слой не наклепывается, а пребывает в состоянии повы­шенной пластичности (размягчения) — происходит выглаживание по­верхности за счет растекания всего металла или только одной составля­ющей сплава.

2. Высокая температура и пластическая деформация способствуют диффузионным процессам; в итоге возможно обогащение поверхности некоторыми элементами (например, поверхности стали углеродом), коагуляция отдельных структурных составляющих, взаимное диффузи­онное растворение материалов деталей пар трения.

3. При интенсивном локальном повышении температуры (температур­ной вспышке) и последующем резком охлаждении поверхности окружа­ющей холодной массой металла на поверхности могут образоваться за­калочные структуры. Этому способствует высокое давление (от нагруз­ки), снижающее температуру, при которой происходят структурные превращения.

4. Пластическая деформация, возможные высокие температурные градиенты и структурные превращения, каждое в отдельности и совмес­тно вызывают напряжения в материале, которые могут влиять на его раз­рыхление.

Химическое действие среды заключается в следующем.

1. В среде воздуха на обнаженных при изнашивании чистых металлических поверхностях образуются окисные пленки в результате дейст­вия кислорода газовой фазы или содержащегося в масле и его перекисях.

2. Металлические повер­хности, взаимодействуя с хими­чески активными присадками в масле химических соединений, роль которых аналогична роли окисных пленок. Пленки эффективно защищают поверхность от изнашива­ния, если скорость их образования превышает скорость изнашивания.

3. Возможно насыщение поверхности углеродом в результате разложения смазочного материала при высокой температуре.

4. Агрессивные жидкости и газовые среды активизируют изна­шивание. Очень интенсивно разрушает поверхности водород.

Разрушение поверхностей трения, обнаруживаемое визуально или под микроскопом, происходит в виде отдельных элементарных процес­сов, сочетание которых зависит от материалов и условий трения. Эле­ментарные виды разрушения поверхностей трения следующие.

Микрорезание. При внедрении на достаточную глубину твердая час­тица абразива или продукта износа может произвести микрорезание ма­териала с образованием микростружки. Микрорезание при трении и из­нашивании проявляется редко, так как глубина внедрения недостаточна для резания при назначаемых нагрузках.

Царапание (пластическое оттеснение). Вдавившийся участок поверхности или частица при скольжении оттесняет перед собой и в сторо­ны и подминает под себя материал, оставляя царапину. Последняя обры­вается при выходе внедрившегося элемента из зоны фактического кон­такта, при раздроблении частицы, ее впрессовывании или уносе за пре­делы области трения. Повторное царапание по одной трассе с одной и той же интенсивностью в парах трения бывает редко, чаще происходит царапание, при котором зона пластического оттеснения перекрывает ра­нее образовавшуюся царапину. Поверхность трения покрывается цара­пинами, расположенными почти параллельно пути скольжения, а между царапинами располагается материал, претерпевший многократную плас­тическую деформацию, наклепанный и перенаклепанный, т. е. исчерпав­ший способность пластически деформироваться. При нагружении в та­ком участке легко образуются трещины, с развитием которых материал отделяется от основы.

Отслаивание. Материал при пластическом течении может от­тесняться в сторону от поверхности трения и после исчерпания способ­ности к дальнейшему течению отслаиваться. В процессе течения матери­ал наплывает на окисные пленки и теряет связь с основой. Если при ли­нейном и точечном контакте тел напряжения по глубине слоя больше со­противления усталости материала, то при работе образуются трещины, приводящие к чешуйчатому отделению материала. Такое явление встре­чается на закаленных или цементированных деталях. Дефекты металла в виде шлаковых включений, свободного цементита и т. п. и значительные растягивающие остаточные напряжения способствуют отслаиванию.

Выкрашивание — это распространенный вид повреждения рабочих поверхностей деталей в условиях качения. Для выкрашивания характерна произвольная форма язвинок с рваными краями. Могут выкрашивать­ся: твердые структурные составляющие сплава после того, как износится его мягкая основа; частицы белого слоя; островки основной массы серого чугуна, окаймленные графитовыми включениями; частицы антифрикци­онного металлического слоя при усталостных повреждениях; твердые окисные пленки (на железоуглеродистых и алюминиевых сплавах); час­тицы металлизационного покрытия и др.

Непосредственно выкрашиванию предшествует образование и раз­витие трещин, ограничивающих малые единичные объемы от остально­го материала. Таким образом, трещинообразование является составной частью процесса выкрашивания, а также отслаивания. Трещинообразо­вание из-за термических напряжений может охватить значительную пло­щадь и на определенной стадии развития трещин может даже служить браковочным признаком, поэтому оно должно рассматриваться как осо­бый вид повреждения поверхностей трения.

Глубинное вырывание возникает при относительном движении сцепившихся тел, когда образовавшийся вследствие молекулярного взаимо­действия спай прочнее одного или обоих материалов. Разрушение про­исходит в глубине одного из тел. Поверхности разрушения у пластичных материалов представляют собой выступающие вытянутые по направле­нию движения гребни и суживающиеся в глубь материала конусы. При­легающие к местам вырывов участки пластически деформируются в боль­шей или меньшей степени. Вырванный материал остается на сопряжен­ной поверхности. Это одна из причин переноса материала при трении. Может наблюдаться процесс схватывания отдельных составляющих спла­ва, остальные составляющие уносятся в смазочный материал или уходят из зоны трения.

Описанный механизм отражает процессы изнашивания независимо от вида трения и режима смазки. Даже в режиме трения при жидкостной смазке, нарушаемом в отдельных участках поверхности, изнашивание протекает как при трении без смазочного материала и трении при гра­ничной смазке. В рабочих органах машин процесс изнашивания может быть расчленен так же, как в парах трения, на те же элементарные акты разрушения. В отличие от пар трения инструмент, рабочие органы ма­шин в каждый момент времени взаимодействуют с новыми поверхностя­ми обрабатываемого материала.

Можно было бы полагать, что износ увеличивает силу трения. Одна­ко это происходит не всегда. Если с повышением интенсивности изна­шивания наблюдается увеличение коэффициента трения, то это, как уже отмечалось, является следствием изменения в контактном взаимо­действии поверхностей в результате износа. Так, увеличение шерохова­тости поверхностей в результате износа приводит к их взаимному внед­рению.

Аналогично можно сказать и о влиянии переноса материала на силу трения. Не всякий перенос может увеличить силу трения. Перенос стали на хром, стали на сталь, бронзы на сталь увеличивает силу трения; при ИП сила трения не увеличивается, при переносе олова, выделяющегося из антифрикционного материала, на сталь или полимерного материала на сталь коэффициент трения не возрастает.

Вопросы для самостоятельного изучения:

1.  Усталость при изнашивании металлических поверхностей.

2.  Влияние реверсивного трения на изнашивание.

3.  Механизм изнашивания полимеров и резины.

4.  Стадии изнашивания пар трения.

5.  Распределение износа между деталями.

6.  Влияние электрического тока на износ.

7.  Влияние вибрации на изнашивание деталей.

Литература:

1.  . ТРИБОТЕХНИКА. ИЗНОС И БЕЗЫЗНОСНОСТЬ