ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Поверхностные структуры как компонент трибологической системы из "Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев " В первых исследованиях фрикционного взаимодействия твердых тел контакт последних рассматривался либо как чисто механический, либо как чисто физический. Смазочный материал рассматривался с позиций механики сплошной среды как вязкое тело, способное при определенных условиях полностью разделять контактирующие поверхности, перенося процесс трения в объем среды. Впоследствии были сделаны попытки учесть специфику трения как явления, протекающего на поверхности, в поверхностных слоях твердых тел, резко отличающихся по свойствам от объема данных тел. Кроме того, расширение объема знаний в области физики, химии и механики поверхности привело к пониманию сложности структуры поверхностного слоя, состоящего из дефектного слоя материала твердого тела, образовавшегося в процессе его обработки, пленок окислов, хемосорбированных и адсорбированных слоев из окружающей среды. [c.28] Представление о смазочной пленке также претерпело серьезные изменения, поскольку появился ряд экспериментальных доказательств специфичности ее молекулярной структуры на границе раздела с твердым телом, приводящей к появлению аномалии таких свойств, как сопротивление сдвигу, диэлектрическая проницаемость и др. вблизи данной границы. Открытие кристаллического порядка в некоторых жидкостях (жидких кристаллах), проявляющих свойства, резко чувствительные по отношению к изменению температуры, давления и других факторов, стало дополнительным фактором, свидетельствующим о важности учета характеристик тонкой пленки смазочного материала в общей картине фрикционного взаимодействия. [c.28] Работы, посвященные механизму избирательного переноса при трении, интересны также тем, что в них использовался, как правило, комплексный подход в трактовке фрикционного взаимодействия с позиций физико-химической механики контактного взаимодействия, основы которой были заложены работами П. А. Ребиндера. При этом, пожалуй, впервые в трибологической практике одновременно использовались методы тонкого структурного анализа, различные виды электронной микроскопии, акустические и электрические методы исследований. [c.30] Ряд интересных особенностей фрикционного взаимодействия связан с характером поведения тонких поверхностных слоев полимерных материалов при фрикционном взаимодействии. По-видимому, наиболее явно роль фрикционного переноса проявляется при трении и изнашивании полимеров и материалов на их основе [25]. Вид и кинетика образования пленок переноса у полимеров определяют их коэффициент трения и интенсивность изнашивания, в особенности в контакте с металлами, когезионная энергия которых значительно выше, чем у полимеров. При исследовании трения и изнашивания полимерных материалов выявлена связь фрикционных характеристик с такими фундаментальными характеристиками материалов, как энергия связи, спектры поглощения электромагнитного излучения и т. д. В этой связи чрезвычайно интересно открытие у полимерных материалов явления аномально низкого трения (Е. А. Духовской, А. А. Силин и др.), возникающего при облучении их поверхностных слоев частицами высокой энергии. Это открытие в явном виде обнаруживает связь основных характеристик фрикционного взаимодействия с энергетическим состоянием поверхностного слоя твердого тела. Указанная связь прослеживается и при обработке по гр-хностных слоев такими высокоэнергетическими методами, как ионная имплантация, лазерное, электронное и ионное облучение. [c.30] В присутствии смазочного материала на фрикционном контакте важное значение для формирования поверхностных структур имеет способность этой среды к трансформации своего состава, приводящей к выделению отдельных компонент и образованию из них пленок особого вида. Выше отмечено, что такой процесс происходит, например, в случае трибопо-лимеризации, а также при химической модификации металлических поверхностей активными присадками (в частности, соединениями серы и фосфора). Кроме того, вид смазочного материала во многом определяет состояние продуктов изнашивания, их дисперсность и характер воздействия на поверхности трения. Известны, например, экспериментальные данные, показывающие, что процессы старения и окисления смазочных масел в совокупности с накоплением мелкодисперсных продуктов изнашивания при определенных условиях улучшают смазочную способность и антизадирное действие этих масел. Смазочный материал служит своеобразным резервуаром для формирования поверхностных структур и поэтому его действие должно обязательно учитываться при оценке интенсивности массопереноса при трении. [c.32] Первыми работами, в которых было привлечено внимание к стру д-урным превращениям на контакте, можно считать исследования Бэйльби, обнаружившего существование трансформированной структуры на поверхности полированного металла. [c.32] Как отмечено выше, более 40 лет назад И. В. Крагельским предложена концепция третьего тела на фрикционном контакте [82]. Эта концепция основана на представлении о том, что при трении между контактирующими телами формируется пленка с новыми свойствами, которые и определяют фрикционные характеристики пары трения. Впоследствии были четко сформулированы требования к сдвиговым характеристикам третьего тела , которое в оптимальном случае должно иметь положительный градиент механических свойств, т. е. возрастающее сопротивление сдвигу от поверхности раздела в глубь объема. [c.33] В последние годы выявился третий подход к структурным превращениям на фрикционном контакте с позиций фрикционного поведения трибосистемы в процессе работы, разрабатываемый Н. А. Буше и его коллегами. Этот подход во многом близок к структурно-энергетическому подходу, описанному выше, но имеет ряд своеобразных черт, связанных прежде всего с тем, что в нем повышенное внимание уделяется трансформации механических свойств поверхностного слоя, роли исходной гетерогенности его свойств в формировании конечной пленки на поверхности (например, роли мягкой структурной составляющей в таком формирова-fihh) [32]. [c.33] В табл. 2.1 выполнена классификация результатов, относящихся к понятию третьего тела по известным литературным источникам. Схематическая модель трибосистемы, включающая третье тело как составной элемент, приведена на рис. 2.2. В этой модели отражены также параметры сопряжения, условия его функционирования и выходные характеристики системы. Основные факторы влияния третьего тела на фрикционное взаимодействие твердых тел, а также закономерности его образования требуют комплексного рассмотрения с точки зрения механики, физики и химии поверхности, термодинамики и других дисциплин. [c.35] Возможно по этой причине в литературе по трибологии существуют разногласия по многим вопросам, связанным с формированием и разрушением поверхностных структур на фрикционном контакте. Тем не менее можно сформулировать основные проблемы, решение которых может позволить создавать более эффективные с точки зрения фрикционных характеристик подвижные сопряжения. [c.35] Фрикционный перенос при трении без смазочного материала имеет место практически в любых условиях трения скольжения, что приводит к формированию перенесенных пленок сложной структуры и состава. Рассмотрим вначале перенос в металлических парах трения. [c.36] Как отмечено выше, для металлических пар трения предлагалось несколько механизмов переноса. Модель изнашивания, понимаемого как срез мостика сварки на реальном пятне фрикционного контакта, была использована в работах Боудена и Тейбора для объяснения причин переноса материала с одной поверхности на другую. [c.36] Такой перенос наблюдается, по мнению этих авторов, в том случае, когда прочность адгезионной связи на поверхности контакта твердых тел оказывалась выше когезионной прочности одного из контактирующих материалов. Модель Боудена и Тейбора подверглась серьезной критике по ряду причин. Во-первых, использование ее расчетов приводило к явному завышению данных по фрикционным характеристикам, наблюдаемым в экспериментах. Во-вторых, в результате физико-химических исследований установлено, что поверхность реального металла покрыта прочными адсорбированными и хемосорбированными пленками, разрушение которых маловероятно на пятнах касания, несущих нагрузку, вплоть до ее значений, приводящих к схватыванию поверхностей. Поэтому данная модель изнашивания в ее первоначальной трактовке могла быть использована в основном в таких случаях, как трение в инертной атмосфере или в вакууме, а также при трении таких резко отличающихся по свойствам материалов, как металлы и полимеры. [c.36] Упоминавшаяся выше (п. 2.1) гипотеза отслаивания в трактовке, предложенной ее авторами, была комплексной. Посколь ку она предусматривала постепенное накопление повреждений в подповерхностном слое в процессе трения, это сближало ее с усталостной теорией в отношении механизма разрушения. Поскольку же причиной отделения частицы изнашивания считалось адгезионное сцепление с контртелом на поверхности, данная модель являлась адгезионной. Гипотеза отслаивания позволила качественно описать некоторые экспериментально наблюдаемые явления при изнашивании, но поставила ряд новых вопросов, ответы на которые в ее рамках дать оказалось практически невозможно. [c.37] Предсказанные, исходя из нее, размеры частиц изнашивания чаще всего не соответствовали реальным данным, их состав и морфология также во многих случаях не соответствовали положениям модели Су. Все это вызвало дискуссию в литературе и скептицизм в отношении применимости данной, модели к практическим расчетам подвижных сопряжений. [c.37] Появление высокоэффективных физических методов исследования структуры и состава поверхностных слоев твердых. тел, в том числе непосредственно в процессе фрикционного взаимодействия, позволило в последние годы получить принципиальные результаты, которые можно использовать при описании изнашивания как динамического комплекса процессов разрушения исходных структур, формирования новых структур и их разрушения. [c.37] Первый из указанных результатов интересен тем, что рассчитанный из предположения о существовании субшероховатости размер пятна реального контакта должен быть порядка нескольких нанометров, что соответствует предположению об отделении частиц с микроконтактов. [c.38] Второй факт может быть оценен с точки зрения известного эффекта действия ПАВ при измельчении твердых тел, который проявляется в том, что ПАВ препятствуют агломерации мелкодисперсных частиц. Возможно поэтому частицы изнашивания, обнаруживаемые в поверхностно-активных средах, представляют собой фрагменты первичного разрушения, а не агломераты этих фрагментов. [c.38] Третье обстоятельство является наиболее веским аргументом в пользу предположения о малости размеров первичной частицы изнашивания, так как размеры элементов ячеистой структуры, обнаруженных независимо несколькими группами исследователей, имеют порядок значительно меньший, чем средний размер частиц, обнаруживаемых при трении без смазочного материала [12, 86]. [c.38] Накопление данных о морфологии, размерах и механизме образования частиц разрушения поверхностного слоя дало толчок созданию теорий фрикционного взаимодействия на основе описания процессов массопереноса при трении. Остановимся подробнее на рассмотрении одной из таких теорий, предложенной Ригни [165, 198]. Механизм фрикционного взаимодействия основывается в этих работах на следующих положениях. [c.39] Вернуться к основной статье