ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Физико-химические свойства поверхностей деталей из "Триботехника " Поверхностная энергия.] Поверхностный слой металла обладает бол ьшой 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. Поэтому в поверхностном слое у атомов твердого тела остаются, как говорят, 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 [20]. [c.60] 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. Последняя пропорциональна поверхности раздела фаз, поэтому особенно возрастает при диспергировании твердых тел. Она во многом определяет свойства высокодисперсных систем — коллоидов. [c.60] При соприкосновении двух тел поверхностная энергия исчезает и может выделиться в виде теплоты или затратиться на подстройку в кристаллической решетке одного кристалла к другому. Если поверхностную энергию данного кристалла обозначить И а работу разрушения на создание новой поверхности 2S—U то Us = 2SU , следовательно, 0, = Us/2S. [c.60] Конец молекулы, присоединяющийся к металлу, подобен маленькому магниту его называют полярным или активным. Остальная часть молекулы составляет так называемый хвост. У всех органических кислот и их мыл активной является карбоксильная группа, у спиртов— гидроксил ОН, у других веш,еств — группа NH2 O I и др. [c.62] 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 ограничи-вается. [c.62] 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 концы молекул первого ряда, к их хвостам хвосты молекул второго ряда, а к их активным концам концы молекул третьего ряда и т. д. Таким путем получали пленки в 1000 молекулярных слоев. [c.63] жидкости с молекулами большой дли ны, содержащие в растворе поверхностно-активные вещества, образуют над монослоем полярных молекул граничный слой, в котором молекулы расположены не беспорядочно, как в объеме жидкости, а правильно ориентированы. Граничные слои находятся в особом агрегатном состоянии, имея квазикристаллическую структуру, что дает основание говорит об особой фазе жидкости — граничной фазе. При некоторой температуре пленка квазикристаллической структуры как бы расплавляется силы продольной когезии между молекулами исчезают, происходит дезориентация адсорбировавшихся молекул и теряется способность смазочного материала к адсорбции. Температура дезориентации на химически неактивных металлах для жирных кислот близка к температуре их плавления (40. .. 80 °С), а на химически активных металлах — к температуре плавления их металлических мыл (90. .. 150°С). [c.64] Кроме описанного вида адсорбции цепных молекул с ориентацией, перпендикулярной поверхности твердого тела, существует другой вид адсорбции, когда оси цепных молекул лежат в плоскости, касательной к поверхности твердого тела. Такую лежачую ориентацию приобретают неполярные молекулы углеводородов способны к ней и цепные молекулы с полярными группами на обоих своих концах, например, двухосновные жирные кислоты СООН—(СНа) — СООН (рис. 3.4). Если карбоксильная группа расположена посередине цепной молекулы, то обе ветви цепи могут занимать различное положение относительно нормали к поверхности (рис. 3.5) [4]. [c.64] Такую ориентацию имеют молекулы мыл жирных кислот и двухвалентных металлов. [c.65] 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 их окружающей среды. Этот эффект был установлен П. А. Ребиндером 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 сТт, а также коэффициента упрочнения Я = da/de, где о — напряжение, е — деформация (рис. 3.6). [c.65] При внешнем адсорбционном эффекте благодаря адсорбированию слоя поверхностно-активных веществ понижается поверхностная энергия твердого тела, что приводит к облегчению выхода дислокаций. [c.65] 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. 3.7). 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. П7 показана микроструктура металла в пластической волне при продавливании шарика. Силы продавливания при смазывании парафином в 3 раза меньше, чем в случае отсутствия смазочного материала. [c.65] Отличительной особенностью эффекта Ребиндера является то, что он проявляется только при совместном действии среды и определенного напряженного состояния. Речь идет об обратимом участии среды. 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. [c.66] Наиболее сильно эффект Ребиндера проявляется в условиях образования новых поверхностей (in Statu nas enti), а также при наличии в твердом теле дефектов (в частности, границ зерен). [c.66] Поскольку адсорбция поверхностно-активных веществ уменьшает поверхностную энергию t/ , то можно проследить, как это отразится на уменьшении прочности твердого тела сг . [c.66] Значение о) может на несколько порядков превосходить ист 1ц-ное значение U . Однако со симбатна U и резко снижается при понижении Un- В этом и состоит природа охрупчивания твердого тела под влиянием поверхностно-активной среды [34]. [c.66] 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 и не проявиться. При упругой, а тем более при пластической деформации, в отдельных местах поверхности возникают трещины (щели) с незагрязненными стенками. Адсорбируясь по этим стенкам, активные молекулы производят расклинивающий эффект и усиливают деформацию. Последняя создает предпосылки для проявления расклинивающего действия, которое затем интенсифицирует саму деформацию. [c.67] Вернуться к основной статье