Физико-химические свойства поверхностей деталей

Практически все металлы в процессе обработки покрываются окисными пленками, которые предотвращают их дальнейшее окисление. Оксидная пленка испытывает растяжение или сжатие в зависимости от соотношения объема основного металла и образовавшегося окисла на его основе. Толщина пленки оказывает влияние на ее способность сопротивляться деформированию. При некоторой толщине пленки происходит потеря её устойчивости и пленка разрыхляется. Обычно пленки окислов обладают меньшей поверхностной энергией, чем поверхности чистого металла, что способствует уменьшению адгезии поверхности двух контактирующих поверхностей.

Поверхностная энергия.

Несмотря на наличие пленок 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, с внешней стороны нет «соседей» в виде таких же атомов. В связи с этим в поверхностном слое у атомов твердого тела остаются свободные связи, наличие которых создает вблизи поверхности атомное (молекулярное) притяжение. Чтобы при таком несимметричном силовом поле атом кристалла находился в равновесии, необходимо иное, чем внутри кристалла, расположение атомов самого верхнего слоя.

Поверхностные атомы вследствие свободных связей обладают большей энергией, нежели атомы внутри твердого тела. Избыток энергии, отнесенной к единице поверхности, называют удельной поверхностной 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 может выделиться в виде теплоты. В некоторых случаях поверхностная энергия может затратиться на подстройку кристаллической решетки 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 твердого тела тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ либо поглощение этих веществ поверхностью тела называют адсорбцией.

Наибольшей способностью к адсорбции обладают поверхностно-активные вещества (ПАВ), 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 пластмассам. Характерной особенностью поверхностно-активных веществ является несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в их молекулах даже в изолированном состоянии; иначе говоря, в их молекулах существуют как бы два противоположных пространственно разделенных заряда. Такие молекулы, называемые полярными, притягиваются и удерживаются поверхностью тела. Так, если поместить металлическое тело вблизи летучего вещества, например, валерьяновой кислоты, то молекулы кислоты, испаряясь и диффундируя через воздух, покроют поверхность тела слоем толщиной в одну молекулу. Если металл привести в контакт с раствором жирной кислоты в поверхностно-активной жидкости (жирные кислоты с большим числом атомов углерода при нормальной температуре находятся в твердом состоянии), то молекулы кислоты вытеснят с поверхности раздела жидкости итвердой стенки молекулы растворителя и прикрепятся к металлу строго определенным образом.

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 значительно уменьшается.

Хемосорбция, в отличие от физической адсорбции, носит избирательный характер; она протекает с большой интенсивностью в местах нарушения регулярности кристаллической решетки (наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций). Во многих случаях физическая и химическая адсорбции протекают одновременно, но одна из них является преобладающей. Так, например, адсорбция жирных кислот на металлических поверхностях при нормальной температуре носит в основном физический характер, а при повышенной температуре – химический.

Силы взаимодействия между молекулами поверхностно-активных веществ и металлической поверхностью различны по природе и зависят как от природы веществ, так и от металла. Наиболее прочной связью обладают молекулы с активной кар­боксильной группой. Существование адсорбированного слоя определяется температурой.

Адсорбированный слой поверхностно-активных веществ является мономолекулярным. Искусственным путем можно образовать многомолекулярную пленку, в которой каждый слой будет состоять из одинаково ориентированных молекул. К металлу прикрепляются активные молекулы первого ряда, к ним – молекулы второго ряда, затем – молекулы третьего ряда и т. д. Таким путем получали пленки в 1000 молекулярных слоев.

Большинство жидких сред с цепными молекулами, т. е. молекулами удлиненной формы, образуют на границе с металлической поверхностью особую структуру. Минеральные и растительные масла, а также соединения, входящие в состав животных жиров, являются представителями таких сред. Рентгеноструктурные и электронографические исследования показали, что даже масла, состоящие из углеводородов полнонасыщенных рядов, имеющие неполярные молекулы (например, очищенное вазелиновое масло), образуют на металле тонкую пленку из отдельных слоев с ориентацией молекул в них перпендикулярно к поверхности металла.

Наличие поверхностно-активных веществ в жидкости приводит к образованию над мономолекулярным слоем полярных молекул граничный слой, в котором молекулы ориентированы определенным образом (рис. 5). Граничные слои находятся в особом агрегатном состоянии, считается, что это в этом состоянии жидкость можно называть граничной. Причем при определенной температуре происходит дезориентация адсорбированных молекул и теряется способность смазочного материала удерживаться на поверхности детали.

Рис. 5. Строение граничной слоя

Адсорбционный эффект понижения прочности (эффект Ребиндера).

Присутствие на поверхности детали поверхностно-активных веществ (ПАВ) значительно понижает сопротивление деформированию и разрушению твердых тел в результате обратимой адсорбции ПАВ. Этот эффект обнаружен академиком П.А. Ребиндером.

Адсорбционные эффекты имеют внешнее и внутренне проявление. Внешний эффект происходит в результате адсорбции ПАВ на внешней поверхности деформируемого тела. В результате понижается поверхностная энергия тела и облегчается выход дислокаций. Пластифицирование поверхности снижает предел текучести и коэффициент упрочнения.

Внешний адсорбционный эффект вызывают молекулы органических кислот и спиртов, размеры которых не позволяют им проникнуть в микротрещины поверхности. Внешний эффект поясняется на примере продавливания через отверстие в металлическом образце стального шарика, размер которого несколько больше размера отверстия (рис. 6). При отсутствии смазочного материала в зону деформирования вовлекается значительно большее количество материала, чем при смазывании поверхности парафином.

Рис. 6. Внешнее проявление эффекта Ребиндера

Ни рисунке показаны: 1 - деталь; 2 - пуансон; 3 - стальной шарик; 4 - наплыв металла

Внутренний адсорбционный эффект проявляется вследствие адсорбции атомов ПАВ на внутренних поверхностях зародышевых трещин, которые образуются при деформировании материала. ПАВ мигрируют по поверхности тела с большими скоростями и проникая в трещины, стараются их расклинить (рис. 7). Давление на стенки трещины может достигать 10 ГПа. Трещины, возникающие под действием внешней нагрузки при проникновении в них атомов, еще больше расклиниваются в результате уменьшения работы, затрачиваемой на образование новой поверхности, и усиливают деформацию, которая в свою очередь еще больше расклинивает трещины и способствует дальнейшему проникновению молекул ПАВ. Отличительной особенностью эффекта является совместное действие среды и нагрузки на тело.

Приведенный эффект проявляется не только на металлических, но и на полимерных материалах.

Рис. 7. Внутреннее проявление эффекта Ребиндера

Раздел 2

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: