Граничное трение. Формирование граничного слоя.
статья

ГРАНИЧНОЕ ТРЕНИЕ

      1.Основные процессы, происходящие в трибологической системе в условиях граничной смазки носят физический характер, а при повышенной температуре- химический.

      В присутствии смазочной среды работоспособность узлов трения определяется видом смазки: гидродинамической, эластогидродинамической, граничной или смешанной.

     Из всех видов смазки наиболее неблагоприятной и опасной  является граничная смазка.

      В соответствии с международным стандартом  ИСО 4378/3 под граничной смазкой понимают такой вид смазки, которому не могут быть приписаны объёмные  вязкостные свойства смазочного материала и который определяется свойствами граничных  слоёв, возникающих при взаимодействии материала поверхности трения и  смазочного материала в результате физической адсорбции или химической реакции.

     Числовые значения толщины смазочного слоя, согласно ранее проведенным исследованиям , приблизительно находятся в диапазоне от толщины одной молекулы  до 0,1 мкм.

     В качестве смазочного материала  используются различного рода масла. Все они обладают адсорбционным эффектом. Присоединение молекул к поверхности межмолекулярными ( ван –дер - ваальсовыми ) силами  называется физической адсорбцией. Явление образования на поверхности твёрдого тела тончайших плёнок жидкостей зависит как от  свойств твёрдой поверхности, так и от способности масла адсорбироваться на ней. Наибольшей способностью к адсорбции  обладают поверхностно-активные вещества (ПАВ), молекулы которых ориентируются при адсорбции перпендикулярно к поверхности (например: органические кислоты , их металлические мыла, спирты  и смолы).

     Жирные одноосновные кислоты (пальметиновая, стеариновая и др.)  соединения с общей формулой RCOOH , где R – радикал вида Сп Нп+1 . Их молекулы , имеющие среднюю длину, в 5-10 раз  превышающую  их поперечное сечение,  прикрепляются к поверхности металла своей  карбоксильной группой СООН. Насыщенный адсорбционный  монослой слой образуется, таким образом,  из плотно расположенных молекул, ориентированных  параллельно друг другу и перпендикулярно поверхности тела [27]. Молекулы веществ, адсорбированных на поверхности твёрдого тела,  обладают способностью перемещаться по поверхности из областей, где имеется их избыток, в места, где их недостаточно для полного покрытия поверхности . Подвижность их зависит от вида адсорбции.

   При  химической адсорбции полярные концы молекул, связываясь с поверхностью тела, образуют в них монослой, сходный с химическим соединением. Подвижность  молекул в результате  этого сильно ограничивается. Хемосорбия, в отличии от физической адсорбции, носит избирательный характер. Она протекает с большей интенсивностью в местах  нарушения регулярности кристаллической решётки. Таким образом, имеются основания считать, что адсорбция жирных кислот на металлических поверхностях при нормальной температуре носит в основном физический характер, а при повышенной температуре – химический. Силы взаимодействия между молекулами ПАВ и металлической подкладкой различны по природе и зависят как от природы вещества, так и металла. Адсорбированный слой ПАВ является мономолекулярным, однако возможно и образование полимолекулярного слоя, в котором каждый слой будет состоять из одинаково ориентированных молекул .

Формирование граничного слоя

Полярные молекулы, совершая тепловое движение в газовой или жидкой среде, встречаются с поверхностью металла, как с твердой стенкой бесконечно большой массы. Эти тепловые удары могут быть упругими или неупругими. В последнем случае, когда молекула обращена к поверхности своим полярным концом, она фиксируется одним из центров притяжения и при этом ориентируется приблизительно вертикально относительно поверхности.

Приближаясь к поверхности кристаллического зерна полярная молекула подвергается действию его молекулярного поля. При этом в полярной группе молекулы происходит перераспределение зарядов. Одновременно дипольные группы молекул подвергаются действию вращающего момента, поэтому молекулы полностью или частично ориентируются по направлению поля уже на подходе к твердой поверхности.

Молекулы не только ориентируются в поле, но и перемещаются по направлению к источнику поля – твердой поверхности.

Приближаясь с ускорением молекула либо наносит неупругий удар, отдавая часть своей кинетической энергии и фиксируясь на поверхности (адсорбируется) металла. Если молекула при ударе обращена к поверхности своим неполярным концом или удар наносится в области относительно низкого значения потенциала поля, то удар будет упругим, возникающая при этом силы придают молекуле ускорение, и она вновь уходит в объем. В условиях преобладания неупругих ударов, число молекул, фиксированных и устойчиво ориентированных поверхностью со временем растет. Адсорбированная молекула теряет присущую ей в объеме подвижность.

При формировании первичного монослоя, любое данное состояние слоя рассматривается с точки зрения динамического адсорбционного равновесия, то есть одновременно с адсорбцией течет и процесс десорбции. Часть адсорбированных молекул покидает поверхность, что является следствием тепловых флуктаций как самих молекул, так и адсорбировавшей их поверхности.

Процесс молекулярного обмена между адсорбционным слоем и граничащей с ним объемной фазой течет непрерывно при всех состояниях насыщенного монослоя и приводит с течением времени к полной замене всех адсорбированных молекул.

Состояние равновесия наступает при равенстве числа молекул адсорбируемых и десорбируемых за секунду элементом поверхности. Если число адсорбируемых поверхностью молекул соответствует их максимально возможной поверхностной плотности, мономолекулярный слой является насыщенным.

Насыщенный молекулярный слой представляет собой двумерный молекулярный агрегат, физико-химические свойства которого могут быть весьма различны.

Образование мономолекулярного слоя в случае ван-дер-ваальсовой адсорбции происходит за счет ориентационного (электрического) взаимодействия дипольных групп (карбоксилов) с металлом.

        Рассматривая поверхность металла с точки зрения Герцфельда, можно предположить, что в насыщенном мономолекулярном слое карбоксильной группы взаимодействуют с правильно чередующимися микрополями кристаллической решетки противоположных знаков. Смежные карбоксильные группы молекул жирных кислот имеют правильно чередующуюся позитивную и негативную ориентацию из электрических моментов.

Смежные полярные группы адсорбированных молекул связаны также и между собой силами ориентационного взаимодействия диполей, что способствует повышению прочности подобной структуры.

После образования конденсированного мономолекулярного слоя, то есть после заполнения молекулами всех свободных мест на адсорбирующей поверхности и при достаточно высокой концентрации их в объеме, происходит формирование последующих рядов мультимолекулярного граничного слоя. Такие слои построены в виде ряда параллельных слоев зеркально-ориентированных молекул.

Граничные слои с четным числом вертикально ориентированных                     (в последнем ряду) молекул не существует, так как формирование мультимолекулярного слоя течет как накопление и ориентация димеров с последовательным образованием одного ряда димеров за другим.

Вслед за насыщением монослоя сразу происходит формирование тримолекулярного, а затем пятимолекулярного и других слоев нечетной кратности. Слои с четным числом рядов молекул могут существовать только при условии наличия в последнем ряду лежащих плашмя димеров.

В граничных слоях карбоксильные (и вообще активные) концы молекул никогда не бывают свободные.

Структура граничных слоев

Структура граничных смазочных слоев определяется физико-химическими свойствами образующих ее молекул. Влияет на нее природа и состояние твердой поверхности.

Граничные слои имеют самое различное и нередко весьма сложное строение, проходя все формы структуризации от твердого кристаллического до жидкого состояния, включая и промежуточные мезоморфные виды молекулярной коллективизации.

Основные типы строения граничных слоев: слоистые (ламеллярные) и решетчатые (ретикулярные). Известные структуры гомогенные, построенные из тождественных молекул и гетерогенные.

Долгое время с точки зрения идеальной ламмелярной схемы трактовалась структура граничных смазочных слоев на поверхности реального металла.

     Однако при этом не учитывались свойства реальной поверхности твердого тела: ее микрогеометрический профиль и поликристаллическое строение.

Согласно [1] стр. 225 граничный слой вблизи металлической поверхности имеет поликристаллическое строение, определяемое строением металла          

    Так как кристаллиты металлической поверхности вместе с образованными на них участками граничного слоя ориентированы беспорядочно, то возникают стерические препятствия к росту димерных рядов между соседними элементами граничного слоя. По мере адсорбционного заполнения граничного пространства вследствии развивающихся при соприкосновении димерных рядов боковых давлений углы между кристаллографическими осями монокристаллических элементов граничного слоя, постепенно уменьшаясь, становится равными нулю. По этой же причине приходят в частичное, а затем полное совпадение и плоскости скольжения.

Таким образом, над поликристаллической возникает монокристаллическая зона граничного слоя (В рисунок 3). Она характеризуется макроскопически правильным слоистым строением и плоскостями скольжения, едиными для всей         поверхности металла. Возможность образования монокристаллической зоны зависит от толщины граничного слоя, которая должна быть достаточной для выравнивания погрешностей регулярности его строения (по сравнению с плоскостью), вызванных поликристаллическим строением твердой поверхности.

Ламмелярная монокристаллическая зона граничного слоя представляет собой область наименьшего сопротивления скольжению. При полном ее развитии граничное трение поверхностей течет в переходном режиме к гидродинамическому.

                                  Свойства граничного слоя

С изменением структуры слоя изменяются его механические, а следовательно и фракционные свойства.

Б.В . Дерягин,  М.М. Снитковский  и А .Б. Ляшенко выдвинули гипотезу о то, что молекулы смазочного материала в граничном слое сгруппированы в домены. Домены формируются электромагнитными силами и как бы копируют кристаллическое строение подложки. Кроме того, установлено, что граничные слои  обладают свойствами полупроводникового элемента.

Вязкость масла не влияет на процесс граничной смазки, так поведённые экспериментальные исследования для масел с одинаковой вязкостью, о разных марок имеют различное смазывающее действие. Здесь главным параметром является маслянистость. Маслянистость – это комплекс свойств. Обеспечивающих эффективную граничную смазку [3] .

Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенциальном направлении молекулярные слои легко изгибаются и  при толщине слоя больше некоторой критической толщины  скользят друг по другу. По нормали к твёрдой поверхности плёнка обладает высоким сопротивлением к сжатию, она способна выдерживать без разрушение давление до 100 Мпа.

Поверхностно-активные молекулы граничных слоёв в результате взаимодействия с твёрдыми телами и способности к миграции по поверхности могут проникать в микротрещины и оказывать механическое действие, приводящее к углублению микротрещин, разрушению тонкого поверхностного слоя ( эффект Ребиндера), вызывая его адсорбционное  пластифицирование [4]. Если такой процесс локализуется на неровностях поверхностей и приводит к их сглаживанию и приработке, смазывание поверхностей улучшается. При высоких нагрузках и разрушении поверхностей подобные граничные слои ведут себя не как смазочные, а скорее как режущие.

Как показал анализ проведенных исследований, формирование адсорбционного слоя  происходит под действием  электрического поля металлической поверхности. Сила взаимодействия между молекулами ПАВ и металлической подложкой зависит от природы вещества (смазочного материала и природы металлической поверхности). Таким образом, прочность адсорбированной пленки в первую очередь определяется величиной электрического поля, под действием которого происходит процесс поляризации молекул жидких смазочных сред.  Силовое поле металлической поверхности ослабевает пропорционально 3-4-й степени расстояния. Учитывая действие адсорбированных молекул можно считать, что его влияние с силой, достаточной для удержания молекул, распространяется на сотни и тысячи ангстрем. В этой зоне связь адсорбированных молекул с металлом уменьшается, по мере удаления от адсорбиррующей поверхности нарастает обмен молекул и увеличивается число нарушений правильной квазикристаллической  структуры слоёв.

Свойства граничного слоя , то есть свойства масла, находящегося в особых условиях граничного слоя , резко отличаются от свойств того же масла в объёме.

Список использованных источников:

1 Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. – М.: Физматгиз, 1963. – 430 с.

2. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. – М.: Мир, 1977.

3. Эриксен Дж. Исследование по механике сплошных сред. – М.: Мир, 1977.

4.  Жидкие кристаллы и их практическое применение: Межвузовский сборник/ Под. ред. И.Г. Чистякова. – Иванов. ун – т, 1976.