Микродефекты поверхности. Внешняя и внутренняя поверхности твердого тела

Любая шероховатая поверхность твердого тела постоянно взаи­модействует с внешней средой. Развивающиеся окислительные про­цессы способствуют образованию на поверхности твердого тела окис-ных пленок. С течением времени они увеличиваются по толщине.

Ввиду неоднородности строения поверхности окислительные процес­сы протекают на ее участках с разными скоростями и образуют пленки разной толщины.

Образующиеся под воздействием внешних факторов поверх­ностные и подповерхностные трещины имеют весьма разветвлен­ную систему. Площадь внутренней поверхности трещин бывает очень значительной и часто в несколько раз превосходит площадь внешней поверхности твердого тела (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Схема дефектов поверхности твердого тела

Опорная поверхность, а также представления о состоянии и свой­ствах материала поверхностного слоя, позволяют судить о напряжен­ном состоянии материала в зоне контакта трущихся тел, во многом оп­ределяющем закономерности трения и изнашивания твердых тел.

Физико-химические свойства поверхностей трения твердых тел. Свободная поверхностная энергия

Твердых тел. Адсорбция

Атомы, ионы и молекулы, находящиеся внутри твердого тела, ис­пытывают со стороны окружающих их частиц сильное взаимодействие во всех возможных направлениях, причем результирующая этих сил равняется нулю, а сами частицы занимают положение, соответствую­щее минимуму их потенциальной энергии. Частицы же твердого тела, находящиеся на границе раздела с другой фазой, например, вакуумом, газом или жидкостью, где частиц нет вообще или они находятся в значи­тельно меньшей концентрации, имеют полностью или частично неском-пенсированные связи (рис. 4.14), направленные в сторону этой среды, и испытывают избыточное силовое воздействие со стороны частиц твер­дого тела, которое стремится втянуть частицы поверхностного слоя внутрь более плотной среды.

Рис. 4.14. Нескомпенсированные молекулярные поля поверхности Е_пов раздела

двух фазовых состояний материалов

Наличие некомпенсированных сил у частиц поверхностного слоя свидетельствует о том, что они обладают избыточной энергией по срав­нению с аналогичными им частицами, находящимися в объеме. Эта энергия получила название избыточной свободной энергии, а будучи отнесенной к единице поверхности - удельной поверхностной энергии. Благодаря этому частицы, находящиеся на поверхности раздела фаз, занимают менее выгодное энергетическое положение. Однако их части­цы закреплены в пространстве и не могут свободно перемещаться. Электрические поля свободной поверхностной энергии твердых тел яв­ляются дискретными вдоль поверхности твердого тела и анизотропны, как и сам кристалл. Особенность энергетического положения молекул поверхностного слоя твердых тел оказывает влияние и на многие их свойства. Например, для того чтобы увеличить поверхность твердого тела, при изометрическом процессе, необходимо совершить дополни­тельную работу внешних сил, эквивалентную увеличению свободной поверхностной энергии этого тела. Наличие нескомпенсированных мо­лекулярных связей у молекул поверхностного слоя твердого тела при­водит к тому, что молекулы газа или жидкости стремятся вступить с ни­ми во взаимодействие (рис. 4.15).

В результате этого на твердой поверхности появляются ино­родные молекулы, понижающие его поверхностную энергию и изме­няющие соответственно свойства твердого тела. Процесс поглоще­ния (сгущения) вещества на границе раздела фаз получил название адсорбции. Вещество, на поверхности которого происходит адсорб­ция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объема вещество -адсорбатом. Пропорционально уменьшению свободной поверхност­ной энергии твердого тела при адсорбции выделяется тепло.

Различают два вида адсорбции: физическую - обратимую, обу­словленную действием относительно слабых Ван-дер-Ваальсовых сил, и хемосорбцию - необратимую и обусловленную проявлением достаточно больших по величине химических связей (валентных сил). Поверхность твердого тела гетерогенная, и ее участки обладают одинаковыми ад­сорбционными свойствами. Так, различные микродефекты поверхности обладают значительно большей способностью к адсорбированию, чем гладкие участки. Их называют обычно активными центрами. Общая пло­щадь активных центров на поверхности твердых тел невелика, но тем не менее их значение во многих процессах бывает огромным.

Анизотропия свойств кристаллических тел и, в частности, их по­верхностной энергии является причиной того, что адсорбционные процессы протекают неодинаково на различных границах кристалла. Для твердых тел свойственна и внутренняя адсорбция адсорбента, протекающая на внутренних поверхностях твердых тел (на границах зерен или дефектах его структуры).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что представляет основу окружающих нас твердых тел, жидкостей и газов?

2. Каковы особенности молекулярного взаимодействия между частицами, окружающими нас?

3. Каковы условия перехода материалов из твердого состоя­ния в жидкое и газы?

4. Что такое силы отталкивания и притяжения; потенциальная и кинетическая энергия при взаимодействии частиц? Каковы усло­вия их равновесия?

5. Что представляют собой кристаллические и аморфные тела; каковы их особенности и характеристики?

6. Что представляют собой монокристаллы? Каковы особенно­сти строения и анизотропия их механических свойств?

7. Каково влияние дефектов и дислокаций на механические свойства трущихся тел?

8. Каковы особенности внешней и внутренней поверхностей твердых тел?

9. Что такое свободная поверхностная энергия, и каков харак­тер ее распределения?

10. Каковы разновидности адсорбционных процессов, наблю­
дающиеся на реальных поверхностях трущихся тел?