3. Физико-механические свойства поверхности

Внешнее трение – это поверхностное взаимодействие твердых тел, поэтому будем рассматривать характеристики только поверхностных слоев материалов. Эти свойства, независимо от природы материала, всегда отличаются от его объемных свойств. Такое различие вызывается неуравновешенностью поверхностных атомов или молекул, определяющих свободную поверхностную энергию тела.

Следует отметить, что в природе не существует физически чистых, состоящих только из атомов (молекул) данного материала или ювенильных поверхностей. Так при комнатной температуре и атмосферном давлении на ювенильной поверхности появляется пленка адсорбированного мономолекулярного слоя газа за одну наносекунду (10^{– 9} с).

Адсорбция – это концентрация жидкости или газа (адсорбата) на поверхности тела или жидкости (адсорбента) в результате взаимодействия их полей.

На реальных контактирующих в паре трения поверхностях всегда имеются адсорбированные слои молекул атмосферных газов, паров воды и просто грязи. Рассматривая процессы адсорбции в рамках технологической наследственности, на контактных поверхностях можно обнаружить адсорбированные масла, технологические эмульсии, моечные растворы и другие поверхностноактивные вещества (ПАВ). В ряде случаев адсорбаты диффундируют в глубь тел, что изменяет свойства последних. Кроме того, полярные молекулы ПАВ оказывают расклинивающее действие на поверхностные микротрещины, вызывая эффект адсорбционной пластификации поверхности (эффект Ребиндера).

Термодинамическая неустойчивость кристаллитов металлов и адсорбированные поверхностью молекулы кислорода и воды способствуют быстрому ( 30 минут) образованию оксидных пленок.

Если провести латунной монетой по стальной поверхности - остается полоса латуни, которая очень прочно сцеплена со стальной подложкой (субстратом). Это пример фрикционного переноса, возникающего в результате адгезии.

Адгезия (прилипание) – возникновение связи между поверхностными слоями соприкасающихся тел.

Источником адгезии являются нескомпенсированные поверхностные силы в зоне контакта твердых тел. Наибольшие по величине адгезионные взаимодействия возникают при контакте ювенильных поверхностей, на которых в результате трения разрушены адсорбционные и окисные пленки.

Энергия, подводимая к контактным поверхностям при трении (или механической обработке) вызывает деформацию поверхностных слоев материала. Если это происходит при температурах ниже фазовых переходов в металлах (например, температура аустенитных превращений для стали), то возникает "холодная" деформация, следствием которой являются наклеп и остаточные напряжения.

Наклеп – это комплексное изменение состояния (типа фаз, размеров элементов структуры и т.п.) и свойств (предела прочности, текучести, относительного удлинения и т.п.), вызванное холодной пластической деформацией.

Контактные механические взаимодействия при температурах выше фазовых переходов могут вызывать (в зависимости от уровня температуры) рост кристаллитов, возникновение закалочных структур, зон отпуска, локализацию карбидов на границах зерен и т. п.

Изменения фазового состава и размеров структурных единиц отдельных частей твердого тела приводят к изменению микрообъемов, занимаемых этими фазами. Если при этом тело не разрушается, то между его частями возникают остаточные напряжения первого рода. Они уравновешиваются в объеме детали.

Остаточные напряжения – это внутренние напряжения, сохраняющиеся в твердом теле после снятия внешних воздействий (силового, теплового и т.п.).

При деформировании поверхностных слоев возникает, направленная в сторону вектора скорости скольжения, ориентация деформированных микрообъемов – текстурирование или образование текстуры.

Текстура – преимущественная ориентация деформированных зон материала (зерен структуры, макромолекул полимеров) по направлению действующих усилий.

Вызывая анизотропию физико-механических и теплофизических свойств, текстурирование может привести к местному снижению прочности и перегреву. С другой стороны, повышенная ориентация структурных единиц является проявлением адаптационных процессов в трибосистемах, которые повышают их ресурс и несущую способность.

Рассмотрев физику поверхностных процессов, протекающих при трении твердых тел, можно схематизировано представить строение поверхностных слоев материала (см. рисунок 1.7).

Общая толщина адсорбированной пленки по Б.В. Дерягину достигает 0,001 мкм.

Схема на рисунок 1.7 идеализирована, но она полностью отвечает реальной качественной структуре приведенных слоев.

Следует отметить, что на металлических поверхностях всегда присутствует естественная пленка окислов. На сплавах железа эта, невидимая простым глазом пленка, достигает толщины 0,001 мкм, что соответствует длине ребра элементарной ячейки , из которой, по данным электронографии, эта пленка и состоит.