Wykład 2 Wybrane zagadnienia dotyczące powierzchnii elementów maszyn

2. WYBRANE ZAGADNIENIA DOTYCZCE POWIERZCHNI
ELEMENTÓW MASZYN
2.1. Zagadnienia podstawowe
Ka\dy przedmiot, zarówno wytworzony przez przyrodę, jak i będący dziełem pracy ludzkiej,
utworzony jest z materii, którą za pomocą procesów chemicznych lub fizycznych mo\na rozło\yć na
proste składniki, zwane pierwiastkami. Składniki te nie ulegają zmianie w \adnych reakcjach
chemicznych.
Najmniejszą cząstką pierwiastka jest atom, będący skupieniem jeszcze drobniejszych cząstek materii,
zwanych elementarnymi. Cząstkami tymi są elektrony, protony i neutrony.
Ka\dy atom składa się z części wewnętrznej, tj. tzw. jądra i części zewnętrznej - powłok
elektronowych. Średnice wszystkich atomów są bardzo małe i zawierają się w granicach od 0,106 nm
(1 nanometr = 10-9m) dla azotu do 0,58 nm dla fransu. Znacznie mniejsze rozmiary mają jądra atomów
zbudowane z protonów i neutronów (średnice rzędu 0,0001 nm), a najmniejsze są średnice
elektronów, które zawsze wynoszą 0,000 002 8 nm, czyli 2,8 " 10-13 cm.
Podstawową cechą atomu jest jego masa atomowa (cię\ar atomowy), wyra\ona jednostką względną w
stosunku do 1/16 masy atomu tlenu (umownie przyjęto masę jednego atomu tlenu na 16 jednostek).
Praktycznie za masę atomu przyjmuje się masę jego jądra (tj. protonów i neutronów) gdy\ masa
elektronów jest bardzo mała i wynosi 9,009 " 10-28 g, tzn. 0,000 55 część masy atomu wodoru. Masa
protonów wynosi 1,6 " 10-24 g, tzn. jest równa masie atomu wodoru (w jednostkach względnych ma masę
równą 1), masa neutronów jest zbli\ona do masy protonów.
Elektrony krą\ą dookoła jądra z bardzo du\ą prędkością po ściśle określonych eliptycznych orbitach
(torach) i zawierają w sobie jeden elementarny ładunek elektryczności ujemnej, równowa\ąc w ten sposób
dodatnio naładowane jądro o ładunku równym sumie ładunków wszystkich elektronów, tak \e atom jako
całość jest elektrycznie obojętny. Trzeba jednak podkreślić, \e elementarne ładunki dodatnie, równe co do
wielkości elementarnym ładunkom ujemnym zawartym w elektronach, mają tylko protony, tote\ ich
liczba w atomie zawsze odpowiada liczbie elektronów. Natomiast liczba neutronów nie zawierających
ładunku elektrycznego jest ró\na.
Obecnie znanych jest 105 ró\nych pierwiastków chemicznych, przy czym ostatnich trzynaście
zostało wytworzonych sztucznie. Wszystkie te pierwiastki mo\na uszeregować w tzw. układ okresowy
(jako pierwszy zauwa\ył to chemik rosyjski Dymitr Mendelejew 1834 �1907) wg wzrastających (z
małymi wyjątkami) cię\arów atomowych, od najl\ejszego wodoru do pierwiastków najcię\szych. Ka\dy
z nich ma swoją kolejną liczbę porządkową określającą zarówno wielkość ładunku elektrycznego jądra, a
więc liczbę protonów, jak i miejsce w układzie okresowym, co jednocześnie ustala własności
chemiczne pierwiastka i większość własności fizycznych (temperaturę topnienia, przewodnictwo
elektryczne, budowę wewnętrzną, własności magnetyczne itd.).
Okresowy układ pierwiastków w postaci obecnie najczęściej stosowanej przedstawiono na rys. 1.1.
Jak widać, w niektórych przypadkach pierwiastek następny ma ni\szą masę atomową od poprzedniego
(np. potas i argon, nikiel i kobalt itd.). Dzieje się tak dlatego, \e większość pierwiastków jest
mieszaniną swych izotopów (odmiany tego samego pierwiastka, ró\niące się tylko ilością neutronów
w jądrze, np. nikiel ma 5 izotopów o masach atomowych równych 58, 60, 61, 62 i 64,
tzn. zawierających po 28 protonów i odpowiednio 30, 32, 33, 34 i 36 neutronów) o ró\nych masach
atomowych równych liczbom całkowitym. Występujący np. w potasie w największej ilości izotop ma
masę atomową 39, odpowiedni izotop argonu - 40, w wyniku czego mieszanina izotopów argonu ma
większą masę atomową, ni\ mieszanina izotopów potasu.
Z tego samego powodu masa atomowa pierwiastków mających izotopy wyra\a się przewa\nie
liczbą ułamkową (izotopy występują w ró\nych stosunkach).
Układ okresowy w pionowych kolumnach grupuje pierwiastki o podobnych własnościach. W
wierszach poziomych, zwanych okresami, umieszczone są z lewej metale, z prawej - niemetale; do metali
zalicza się wszystkie pierwiastki znajdujące się w układzie okresowym na lewo od galu, indu i talu, do
niemetali - pierwiastki znajdujące się na prawo od arsenu, antymonu i bizmutu. Natomiast pierwiastki
znajdujące się w kolumnach IIIb, IVb i Vb zajmują miejsce pośrednie, gdy\ bez zastrze\eń nie mo\na ich
zaliczyć ani do jednej, ani do drugiej grupy.
Jak wspomniano, elektrony poruszają się wokół jądra atomu po określonych torach, tworząc tzw.
powłoki i podpowłoki elektronowe. Pierwiastki pierwszego okresu (H, He) mają tylko jedną powłokę
elektronową, która nie mo\e zawierać więcej ni\ 2 elektrony (podpowłoka s). Pierwiastki drugiego
okresu (Li, Be, B itd.) mają dwie powłoki elektronowe; pierwsza zawiera 2 elektrony, druga - 1�8 (1�2
na podpowłoce s i 0�6 na podpowłoce p). Pierwiastki trzeciego okresu (Na, Mg, Al itd.) pierwszą i
drugą powłokę mają taką samą, jak ostatni pierwiastek drugiego okresu - neon, ale poza tym mają
jeszcze trzecią powłokę elektronową, zło\oną z dwóch podpowłok: s, na której znajduje się l�2
elektronów, i p, na której znajduje się 0�6 elektronów, przy czym maksymalną ilość elektronów
zawiera atom ostatniego pierwiastka tego okresu - argonu, którego liczba atomowa wynosi 18.
Strukturę elektronową atomów omówionych pierwiastków zapisuje się następująco:
1. H - 1s1
2. He - 1s2
3. Li - 1s22s1
& & & & & & &
7. N - 1s22s22p3
& & & & & & & &
10. Ne - 1s22s22p6
11. Na- 1s22s22p63s1
& & & & & & & & & &
18. Ar - 1s22s22p63s23p6,
gdzie: 1, 2, 3 ... są głównymi liczbami kwantowymi, określającymi poszczególne powłoki elektronowe
K, L, M, ...; s, p, ... poboczne liczby kwantowe określające podpowłoki elektronowe; indeksy górne
oznaczają liczbę elektronów w danej pod-powłoce elektronowej.
Rozbudowa zewnętrznych powłok elektronowych atomów pierwiastków czwartego okresu przebiega
nieco inaczej. Rozpoczynający ten okres potas ma zewnętrzny elektron umieszczony w podpowłoce 4s
zamiast 3d:
19. K - 1s22s22p63s23p64s1
podobnie
20. Ca - 1s22s22p63s23p64s2
Dopiero poczynając od skandu następuje rozbudowa podpowłoki 3d (mieszczącej maksymalnie
10 elektronów), poprzedzona całkowitym lub częściowym (chrom) zapełnieniem podpowłoki 4s:
1 2
21. S c - 1 s 2 s 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 4 s
22. Ti - 1s22s22p63s23p63d24s2
& & & & & & & & & & & & &
26. Fe - 1s22s22p63s23p63d64s2
23. Co - 1s22s22p63s23p63d74s2
24. Ni - 1s22s22p63s23p63d84s2
25. Cu - 1s22s22p63s23p63dio4s1
Pierwiastki o rozbudowującej się podpowłoce d nazywają się pierwiastkami przejściowymi lub
metalami przejściowymi.
Pozostałe pierwiastki tego okresu po wypełnieniu podpowłok 3d i 4s rozbudowują podpowłokę
4p, osiągając dla kryptonu konfigurację 4s2 4p6, charakterystyczną dla gazu szlachetnego.
Struktury elektronowe atomów pierwiastków piątego okresu rozbudowują się tak jak czwartego, tzn.
w kolejności 5s, 4d i 5p.
Okres szósty zawiera 32 pierwiastki. Cez, bar i lantan mają elektrony zewnętrzne rozmieszczone
kolejno w podpowłokach 6s i 5d:
57. La - 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p65d16s2
Kolejne jednak pierwiastki rozbudowują podpowłokę 4f, mieszczącą 14 elektronów. Te pierwiastki
(od ceru do lutetu) nazywa się lantanowcami lub pierwiastkami ziem rzadkich. Dopiero po wypełnieniu
podpowłoki 4f następuje uzupełnienie podpowłoki 5d, a pózniej 6p. Ostatni pierwiastek tego okresu radon
jest gazem szlachetnym, gdy\ ma konfigurację elektronów zewnętrznych 6s2 6p6.
W okresie siódmym trzy pierwsze pierwiastki frans, rad i aktyn mają zewnętrzne elektrony
rozmieszczone kolejno w podpowłokach 7s i 6d. Począwszy od toru następuje rozbudowa podpowłoki 5f.
Pierwiastki zawierające tę podpowłokę nazywają się aktynowcami.
Od struktury elektronowej, a zwłaszcza od konfiguracji elektronów powłoki zewnętrznej
zale\ą własności chemiczne pierwiastków. Atomy z powłoką zewnętrzną całkowicie wypełnioną
elektronami mają kulistą chmurę elektronów, są chemicznie obojętne i w przyrodzie występują
jako jednoatomowe. Atomy z powłoką zewnętrzną niecałkowicie wypełnioną elektronami mają mniej
symetryczną powłokę elektronową i są skłonne do łączenia się w cząsteczki (np. wodór).
Elektrony krą\ące w zewnętrznej powłoce nazywa się elektronami walencyjnymi lub
wartościowości. Od nich zale\ą wiązania atomowe. Atom z niecałkowicie wypełnioną zewnętrzną
powłoką, dą\ąc do uzyskania struktury elektronowej zbli\onej do struktury gazu szlachetnego, oddaje
swoje lub przyłącza elektrony walencyjne innego atomu. Pierwiastki oddające swe elektrony walencyjne
nazywa się elektrododatnimi, przyłączające elektrony - elektroujemnymi. Pierwiastki o małej liczbie
elektronów walencyjnych nazywają się elektrododatnimi, gdy\ łatwo następuje odłączenie tych
elektronów. Pierwiastki, których atomy mają du\ą liczbę elektronów walencyjnych (bliską konfiguracji 8-
elektronowej) nazywają się elektroujemnymi, gdy\ łatwiej przyłączają elektrony (brakujące do pełnej
konfiguracji 8-elektronowej).
Metale mają 1 lub 2 elektrony w zewnętrznej powłoce elektronowej i są zawsze pierwiastkami
elektrododatnimi. Najbardziej typowe metale, jak sód, potas, miedz, srebro i złoto, mają tylko jeden
elektron walencyjny. Do metali zalicza się tak\e pierwiastki przejściowe i pierwiastki ziem rzadkich.
Szczególna struktura elektronowa pierwiastków przejściowych wyjaśnia m.in. ich wysoką temperaturę
topnienia oraz zdolność tworzenia trwałych związków z węglem i azotem.
Pierwiastki mające trzy, cztery lub pięć elektronów walencyjnych (np. aluminium, cyna, bizmut)
mają własności amfoteryczne i mogą zarówno oddawać, jak i przyłączać elektrony walencyjne.
Pierwiastki o sześciu lub siedmiu elektronach walencyjnych są typowymi niemetalami.
Istnieje ogólna korelacja między poło\eniem pierwiastka w układzie okresowym a jego promieniem
atomowym: promienie te rosną przy przesuwaniu się z góry ku dołowi kolumny układu okresowego, zaś w
rzędach poziomych maleją w miarę przesuwania się od lewej do prawej strony układu. Pierwsza
zale\ność jest spowodowana wzrostem głównej liczby kwantowej, tj. liczby warstw elektronowych, druga
zaś wzrostem ładunku dodatniego jądra, a więc silniejszym przyciąganiem elektronów do jądra.
Poza okresem pierwszym numer grupy pierwiastków rodzin głównych odpowiada liczbie elektronów,
znajdującej się w ostatniej warstwie (na zewnątrz) elektronowej, tzw. elektronów walencyjnych. Z tego
względu pierwiastki nale\ące do tej samej i grupy układu okresowego charakteryzują się zbli\onymi
właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Własności chemiczne i większość własności fizycznych
pierwiastków zale\ą wyłącznie od struktury powłok elektronowych atomu.
2.2. Siły przyciągania i siły odpychania między atomami lub cząsteczkami
Omówione wy\ej struktury elektronowe występują w atomach izolowanych. W zbiorach
atomów tworzących większe skupienia materii występują określone siły przyciągania i odpychania.
Ka\dy pierwiastek zale\nie od temperatury i ciśnienia mo\e istnieć w trzech stanach skupienia,
tj. gazowym, ciekłym i stałym. W stanie gazowym odległości między atomami są du\e rzędu
dziesiątków średnic atomowych, w stanach ciekłym i stałym atomy znajdują się blisko siebie. Dlatego
te oba stany nazywają się stanami skondensowanymi.
W skondensowanych stanach skupienia spójność materii jest wynikiem działania sił
przyciągających między sąsiednimi atomami lub cząsteczkami. Jednocześnie istnieją między nimi
krótko zakresowe siły odpychające, od których zale\ą odległości międzyatomowe lub
międzycząsteczkowe. Między tymi siłami istnieje równowaga, co przejawia się małą ściśliwością materii
w stanie skondensowanym.
Dla dwóch wyodrębnionych atomów siły przyciągania i odpychania mo\na przedstawić
graficznie w funkcji odległości między nimi (rys. 1.2). Jeśli na te atomy nie działają \adne siły
zewnętrzne, to znajdują się one w takiej od siebie odległości, przy której następuje zrównowa\enie sił
przyciągania przez siły odpychania (na rysunku odległość a). Zmiana tej odległości mo\e nastąpić jedynie
pod wpływem siły zewnętrznej, przy czym powiększenie odległości (np. do wartości ax) wymaga
przyło\enia siły rozciągającej (siły przyciągania maleją wolniej ni\ siły odpychania), a
zmniejszenie - siły ściskającej (siły odpychania rosną szybciej ni\ siły przyciągania). Jeśli siła
zewnętrzna jest niewielka, to wymuszone nią odkształcenie jest czysto sprę\yste i po odjęciu siły atomy
wracają do pierwotnego poło\enia równowagi w odległości a. Mo\na jednak spowodować trwałe
rozłączenie atomów, czyli pokonać siły spójności między nimi. Jak widać na rysunku, wypadkowa sił
międzyatomowych osiąga maksymalną wartość dodatnią przy odległości atomów a^ i następnie maleje.
Zatem warunkiem trwałego rozłączenia dwóch atomów jest rozsunięcie ich na odległość większą od
krytycznej pod działaniem siły rozciągającej większej od maksymalnej wypadkowej sił między-
atomowych.
Siły międzyatomowe stanowią wiązania między atomami lub cząsteczkami. Wiązania te dzielą
się na pierwotne (istniejące między atomami) i wtórne (występujące zwykle między cząsteczkami).
Wiązania pierwotne dzielą się z kolei na jonowe, atomowe i metaliczne. Wiązaniem wtórnym jest
wiązanie siłami van der Waalsa.
Wiązanie jonowe. Wiązanie jonowe, zwane te\ heteropolarnym, powstaje między dwoma jonami, z
których jeden jest jonem ujemnym, drugi - dodatnim. Jony te tworzą się wskutek przyłączenia elektronów
walencyjnych jednego atomu przez drugi, dzięki czemu ka\dy z nich uzyskuje w zewnętrznej powłoce
elektronowej trwałą konfigurację 8-elektronową. Na przykład, atom sodu po oddaniu elektronu
walencyjnego 3s1 uzyskuje konfigurację poprzedzającego go neonu (2s22p6), ale staje się jonem
dodatnim, chlor po uzupełnieniu zewnętrznej powłoki elektronowej jednym elektronem uzyskuje
konfigurację następnego po nim argonu (3s23p6), ale staje się jonem ujemnym. Dzięki sile przyciągania
elektrostatycznego jony te tworzą trwałą cząsteczkę związku jonowego - chlorku sodu.
Cząsteczka o wiązaniu jonowym jest jako całość elektrycznie obojętna, ale ma dwa ró\noimienne
bieguny elektryczne, gdy\ ładunek dodatni ma skupiony w kationie, a ujemny w anionie, dzięki czemu
mo\e oddziaływać na otoczenie. Cząsteczki o budowie biegunowej nazywają się dipolami. Dipole mogą
łączyć się przeciwnymi biegunami, tworząc większe zespoły, czyli kryształy.
Kryształy jonowe są przezroczyste, często zabarwione, nieplastyczne i nie przewodzą prądu
elektrycznego bądz go przewodzą słabo. Energia wiązania jonowego jest du\a, rzędu 200�800 kJ/mol.
Wiązanie atomowe. Wiązanie atomowe, zwane tak\e homeopolarnym lub kowalencyjnym występuje
między parami jednakowych atomów. Polega ono na utworzeniu z dwóch elektronów walencyjnych, z
których ka\dy pierwotnie nale\ał do innego atomu, wspólnej pary elektronów nale\ącej jednocześnie do
obu atomów. Dzięki temu ka\dy atom wodoru po utworzeniu cząsteczki H2 uzyskuje konfigurację
elektronową właściwą dla helu, ka\dy atom fluoru w cząsteczce F2 - konfigurację neonu, atom chloru w
cząsteczce Cl2 - konfigurację argonu, bromu - kryptonu
Pomiędzy dwoma wolnymi atomami lub cząsteczkami mogą działać jednocześnie siły przyciągania
i siły odpychania. Są to siły trzech rodzajów:
" siły elektrostatyczne (kulombowskie), wynikające z ładunków elektrycznych elektronów i jąder
obu atomów lub cząstek,
" siły magnetyczne, wynikające z istnienia pól magnetycznych wokół atomów lub cząstek,
" siły dyspersyjne, wynikające z ruchu składników atomów (w obrębie atomu).
Występowanie, wartość i zasięg działania oraz znak tych sił zale\y od rodzaju , rozpatrywanych
atomów lub cząsteczek. Wypadkowym skutkiem tych sił jest w ogólnym przypadku jednoczesne działanie
sił wzajemnego przyciągania i sił wzajemnego odpychania, przy czym przy większych odległościach
między atomami lub cząsteczkami przewagę mają siły przyciągania, zaś przy bardzo małych odległościach
przewa\ają siły odpychania.
Jeśli dwa izolowane, elektrycznie obojętne atomy zbli\yć do siebie, to w odległości rzędu średnic
ich atomów zaczyna objawiać się ich wzajemne przyciąganie. W miarę zbli\ania atomów wzrastają siły
przyciągania. Jednak, gdy atomy zbli\ają się na odległość bliską średnicy atomowej zaczynają szybko
wzrastać siły odpychania. Siły te są wywołane wzajemnym przenikaniem się zewnętrznych warstw
elektronowych atomów. Wskutek tego w pewnej odległości r0 między środkami atomów zostaje
osiągnięty stan równowagi między obu rodzajami sił, któremu odpowiada minimum
energii potencjalnej tego układu. Odległość r0 wynosi około 1�1,5 (1 (T-10m) dla wiązania
atomowego, 2�3 dla wiązania jonowego, 2,2�3,8 dla wiązania metalicznego i 3�4 dla sił
międzycząsteczkowych. Taki charakter zmienności sił przyciągania i sił odpychania ze zmianą odległości
między dwoma atomami, jonami lub cząsteczkami jest przedstawiony na rys. Z natury obu rodzajów sił
wynika, \e siły przyciągania mają większy zasięg (równy kilku średnicom atomu, jonu lub cząsteczki)
działania ni\ siły odpychania. Wartość sił odpychania dla małych odległości wzrasta znacznie szybciej
ze zmniejszeniem odległości ni\ wartość sił przyciągania. Szczególnie szybki wzrost sił odpychania
występuje dla odległości mniejszych od r0. Stan równowagi charakteryzuje się tym, \e dla zmniejszenia
odległości między atomami, jonami lub cząsteczkami w stosunku do ich odległości r0 odpowiadającej temu
stanowi, trzeba pokonać szybko wzrastające siły odpychania, zaś dla zwiększenia tej odległości trzeba
pokonać siły przyciągania. W jednym i drugim przypadku ze zmianą odległości wzrasta energia potencjalna
układu. Stan równowagi jest więc stanem utrwalenia, związania omawianych dwóch atomów, którego nie
mo\na naruszyć bez przyło\enia sił zewnętrznych do układu.
Rys. 2.1. Zmiany energii potencjalnej w zale\ności od odległości między atomami, jonami lub
cząsteczkami
Minimalna energia potencjalna stanowi energię wiązania między atomami. Określa się ją jako
spadek energii występujący wtedy, gdy atomy nieskończenie od siebie odległe zostają sprowadzone do
poło\enia równowagi. Miarą energii wiązania jest energia utworzenia z 1 mola materii z jej atomów lub
jonów. Energia wiązania ma wartość bezwzględną równą (znak przeciwny) energii dysocjacji. Siły
przyciągania stanowią o spójności materii, a siły odpychania ojej ściśliwości. Równowaga między tymi
siłami warunkuje stałe odległości między atomami lub cząsteczkami.
Wiązania atomów przez siły przyciągania mogą być ró\nych rodzajów, co zale\y i głównie od
struktury zewnętrznych elektronów atomów (elektronów walencyjnych).
Wiązania dzieli się na wiązania pierwszego rzędu (pierwotne), czyli chemiczne, oraz wiązania
drugiego rzędu (wtórne), czyli wiązania siłami van der Waalsa (siłami międzycząsteczkowymi).
Wiązania chemiczne dzieli się na trzy ogólne rodzaje: wiązania jonowe, wiązania atomowe i wiązania
metaliczne. Występują równie\ wiązania pośrednie między tymi trzema rodzajami. Za pomocą
przedstawionych typów wiązań atomy łączą się w cząsteczki oraz mo\e nastąpić wiązanie cząsteczek w
jedną wielką makrocząsteczkę. Je\eli cząsteczka została utworzona z atomów ró\nych pierwiastków, to
cząsteczka ta stanowi związek chemiczny.
2.3. Wiązanie jonowe
Wiązanie jonowe, zwane równie\ elektrostatycznym, heteropolarnym, elektro-walencyjnym lub
biegunowym powstaje, w wyniku całkowitego przejścia elektronów walencyjnych z jednego atomu na drugi,
pomiędzy utworzonymi w ten sposób jonami połączonymi siłami przyciągania elektrostatycznego. W wyniku
przejścia elektronu (elektronów) atom oddający elektron (elektrony) staje się jonem dodatnim, a atom
przyłączający elektron (elektrony) jonem ujemnym. Wiązanie jonowe zachodzi tylko pomiędzy
pierwiastkami elektrododatnimi a elektroujemnymi.
Dzięki przeniesieniu elektronów walencyjnych z jednego atomu na drugi obydwa atomy uzyskują
bardzo trwałą ośmioelektronową konfigurację w warstwie zewnętrznej (tzw. oktet). Jest to ugrupowanie
charakterystyczne dla gazów szlachetnych, dzięki któremu odznaczają się one bardzo du\ą trwałością.
Wiązanie jonowe występuje więc między takimi pierwiastkami, dla których liczba elektronów walencyjnych
atomu elektro-dodatniego powy\ej oktetu równa się liczbie elektronów brakujących do oktetu atomu lub
atomów elektroujemnych wchodzących w wiązanie. Dlatego powstaje na przykład wiązanie jonowe NaCl.
Powstała w wyniku tego wiązania cząsteczka składa się z jonów, dodatniego i ujemnego, pomiędzy którymi
występuje silne przyciąganie elektrostatyczne (rys. 2.2). Cząsteczka o wiązaniu jonowym jest w całości
elektrycznie obojętna, ma jednak ładunek elektryczny dodatni skupiony w jednej swej części, a ładunek
ujemny skupiony w drugiej. Cząsteczka taka ma więc dwa ró\noimienne bieguny elektryczne, czyli stanowi
tzw. dipol. Dipole oddziałują na otoczenie, a w szczególności łączą się ró\noimiennymi biegunami z innymi
dipolami w zespoły. Poszczególne jony wykazują tendencję do otaczania się mo\liwie du\ą liczbą jonów o
przeciwnym ładunku. W związku z tym w kryształach jonowych występuje równie\ odpychanie między
jonami tego samego znaku. Siły odpychania mają jednak znacznie mniejsze wartości ni\ siły przyciągania i
dlatego spójność kryształów jonowych jest du\a.
Rys. 2.2. Schemat wiązania jonowego
Powstanie wiązania jonowego jest uwarunkowane wielkością energii jonizacji pierwiastka
oddającego elektron, wartością powinowactwa elektronowego pierwiastka pobierającego elektron oraz
wartością energii tworzącej się sieci krystalicznej (jonowej). Wiązanie jonowe zachodzi najłatwiej przez
połączenie atomów pierwiastków o małej energii jonizacji, wykazujących du\ą łatwość oddawania
elektronów walencyjnych, z atomami pierwiastków o wysokim powinowactwie elektronowym.
Wiązanie jonowe jest charakterystyczne dla atomów pierwiastków chemicznie odmiennych, np. dla
związków chemicznych pierwiastków metalicznych, pierwiastków alkalicznych i ziem alkalicznych z
pierwiastkami niemetalicznymi. Atomy pierwiastków metalicznych łatwo tracą swoje elektrony
zewnętrzne, natomiast atomy pierwiastków niemetalicznych dą\ą do zdobycia dodatkowych elektronów.
Często wiązanie jonowe mają równie\ niektóre tlenki, np. MgO.
2.4. Wiązanie atomowe
Wiązanie atomowe (zwane równie\ kowalencyjnym lub homeopolarnym) jest wiązaniem między
atomami (pierwiastkami) elektroobojętnymi lub elektroujemnymi, względnie atomami obu tych
rodzajów. Wiązanie atomowe polega na wiązaniu dwóch atomów parami elektronów, wspólnymi dla
obu atomów, przez co ka\dy atom cząsteczki uzyskuje przy udziale drugiego atomu trwałą dwu- lub
ośmioelektronową konfigurację w warstwie zewnętrznej, właściwą dla gazów szlachetnych. Parą
elektronów wią\ących nazywa się taką parę elektronów, która ma wspólny dla obu atomów orbital.
Orbital ten zwany jest orbitalem cząsteczkowym (molekularnym), gdy\ nale\y w równym stopniu do
obu atomów tworzących cząsteczkę. Orbital cząsteczkowy tworzy się wtedy, gdy przy zbli\aniu do siebie
dwóch atomów elektron nale\ący do jednego z atomów dostaje się w zasięg działania pola
elektrostatycznego jądra drugiego atomu. W ten sposób niemo\liwe jest przyporządkowanie danego elek-
tronu określonemu jądru atomowemu.
W przypadku wiązania atomowego jednakowych atomów w cząsteczkę pierwiastka na wspólną
parę lub pary elektronów składają się w równej ilości elektrony obu atomów. Wiązanie takie mo\na
przedstawić na przykład następującymi równaniami, w których kropki przy symbolach pierwiastków
" "
" "
" "
oznaczają elektrony walencyjne: dla wodoru H" +H" -H:H, dla tlenu dla azotu
.-:N: : :N:
W przypadkach wiązania atomowego ró\nych atomów lub cząsteczek w cząsteczki ich związków
powstawanie konfiguracji dwu lub ośmioelektronowej bywa bardziej zło\one. Jako przykłady takich
wiązań mo\na podać następujące:
a) dla fluorowodoru, tj. atom wodoru uzyskuje konfigurację dwuelektrodową, zaś
atom fluoru ośmioelektrodową; fluorowodór jest przykładem cząsteczki asymetrycznej,
b) dla metanu, tj. wszystkie atomy wodoru uzyskują konfigurację
dwuelektronową, zaś atom węgla uzyskuje konfigurację ośmioelektronową w warstwie zewnętrznej.
Mechanizm powstawania wiązania atomowego (orbitalu cząteczkowego) mo\na wytłumaczyć na
podstawie mechaniki falowej. Podstawowym jego warunkiem jest to, by pary elektronów tworzące
wiązania miały spiny przeciwnie skierowane. Wówczas powstają du\e siły przyciągania. Wiązanie
atomowe jest najbardziej trwałym rodzajem wiązania pomiędzy atomami.
Wiązanie atomowe jest tym trwalsze, im ni\szy będzie stan energetyczny nowego układu, tzn. im
więcej energii wydzieli się podczas tworzenia orbitali cząsteczkowych. Minimum energii układu zostaje
osiągnięte wówczas, gdy orbitale elektronów wią\ących nakładają się w maksymalnym stopniu.
Poszczególne orbitale atomowe są w określony sposób rozło\one przestrzennie, tak więc maksymalne
pokrywanie się orbitali przy tworzeniu orbitalu cząsteczkowego mo\e być zrealizowane jedynie wówczas,
gdy tworzący się orbital cząsteczkowy będzie ukierunkowany przestrzennie. Ukierunkowanie
przestrzenne nale\y do podstawowych cech wiązania atomowego.
Wiązania atomowe posiadają dwuatomowe cząsteczki wodoru, chlorowców (F2, Cl2, Br2, J2), tlenu,
azotu i innych elektroujemnych pierwiastków szóstej i piątej grupy układu okresowego. Wiązanie atomowe
ma równie\ krzem, cyna szara (Sn) węgiel w diamencie, german i inne.
2.5. Wiązanie metaliczne
Wiązanie metaliczne jest wiązaniem między atomami (pierwiastkami) elektrodo-datnimi. Atomy
takie nie mają warunków do przyłączenia obcych elektronów, a więc nie jest mo\liwe między nimi
wiązanie jonowe, a mają zbyt małą liczbę elektronów walencyjnych dla tworzenia wiązania atomowego.
Natomiast atomy elektrododatnie odznaczają się tym, \e ich elektrony walencyjne poruszają się po
stosunkowo odległych od jąder orbitach, wskutek czego podlegają słabemu oddziaływaniu przyciąga-
jącemu jąder macierzystych. Elektrony te, podlegając równocześnie oddziaływaniu sąsiednich jąder nie są
trwale związane z określonym atomem, lecz tworzą swobodnie płynący między rdzeniami atomowymi
(zrębami atomowymi) tzw. gaz elektronowy. Wzajemne elektrodynamiczne oddziaływanie dodatnio
naładowanych rdzeni atomowych i ujemnie naładowanego gazu elektronowego określa siły wiązania
metalicznego. Model materii w stanie metalicznym w fazie stałej przedstawia się więc jako zbiór
rdzeni atomowych, zajmujących pozycje węzłowe w regularnej sieci przestrzennej, pomiędzy którymi
krą\ą wolne elektrony (gaz elektronowy), stanowiące wspólną własność tego zbioru.
Struktura fazy ciekłej ró\ni się tym, \e rdzenie atomowe nie tworzą regularnej sieci przestrzennej,
jednak odległości między nimi pozostajątego samego rzędu, co w fazie stałej. Istota wiązania
metalicznego w fazie ciekłej jest taka sama, jak w fazie stałej, tj. polega równie\ na wzajemnym
oddziaływaniu rdzeni atomowych i gazu elektronowego.
Opisana struktura tłumaczy brak charakteru kierunkowego wiązania metalicznego, a tak\e
szczególne własności materii w stanie metalicznym, zwłaszcza dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne
malejące ze wzrostem temperatury oraz plastyczność. Poza tym swobodne elektrony odznaczają się
absorpcją energii świetlnej, wskutek czego wszystkie metale są nieprzezroczyste.
Wiązanie metaliczne posiadają pierwiastki oraz stopy, które mogą być jednofazowe lub stanowić
wielofazowe mieszaniny. Wiązanie metaliczne i wynikające z niego własności metaliczne najdoskonalej
występują u określonej grupy pierwiastków, tzw. metalicznych (metali), a następnie w roztworach
stałych metali, słabiej zaś w związkach międzymetalicznych.
2.6. Wiązanie siłami van der Waalsa
Wiązanie siłami van der Waalsa, zwane równie\ wiązaniem międzycząsteczkowym, wynika z
wtórnych oddziaływań atomów i dlatego siły te są znacznie słabsze od sił poprzednio opisanych wiązań.
Do sił van der Waalsa zalicza się ró\nego rodzaju wzajemne oddziaływanie atomów, cząsteczek lub
jonów: elektryczne, magnetyczne, i dyspersyjne. Podstawowe znaczenie ma pierwszy rodzaj tych sił, gdy\
ma on du\y zasięg działania, równy kilku średnicom atomów i jest przyczyną wzajemnego przyciągania
pomiędzy izolowanymi atomami lub cząsteczkami i mo\e stanowić o wiązaniu.
Współczesna teoria budowy atomu jest oparta na mechanice falowej, operującej tzw. funkcją
falową. Na podstawie tej funkcji mo\na stworzyć pojęcie chmury elektronowej. Chmurę elektronową
mo\na sobie uzmysłowić jako przestrzenny rozkład ujemnego ładunku elektrycznego, wynikającego z
obecności, elektronów. Gęstość chmury w ka\dym miejscu jest proporcjonalna do gęstości
prawdopodobieństwa znajdowania się elektronu w tym miejscu.
Chmura elektronowa dowolnego atomu nie jest statyczna, a rozkład jej gęstości mo\e się zmienić w
związku z rozmieszczeniem elektronów. Jeśli do atomu zbli\y się na wystarczająco małą odległość inny
atom, to w chmurze rozpatrywanego atomu następuje zmiana rozkładu jej gęstości polegająca na
skupieniu większości ładunku ujemnego po jednej stronie jądra; powoduje to, \e w przeciwległym
miejscu chmury wystąpi wówczas odpowiednie zmniejszenie ładunku ujemnego. Przy takim rozkładzie
gęstości chmury elektronowej atom uzyskuje wyraznie zaznaczoną biegunowość, bowiem w jednym
miejscu chmury przewa\a ujemny ładunek elektronów, a w przeciwległym - dodatni ładunek jądra. Oznacza
to, \e atom staje się dipolem. Na skutek działania elektrostatycznego atomu - dipolu następuje w chmurze
elektronowej drugiego atomu zmiana rozkładu jej gęstości w kierunku spolaryzowania tego atomu
odpowiednio do biegunów atomu-dipolu. Takie przesunięcie rozkładu gęstości ładunku ujemnego i w
chmurach obu atomów zmniejsza energię tych atomów w stosunku do energii atomów izolowanych. Wskutek
tego między atomami powstaje trwała siła przyciągania wią\ąca i atomy w trwałą cząsteczkę (o ile nie
powstaje wówczas inny typ wiązania). Cząsteczki w ten sposób utworzone mają równie\ zaznaczoną
biegunowość, są więc trwałymi dipolami.
Wzajemne przyciąganie i utworzenie wiązania między takimi cząsteczkami, tj. mającymi charakter
trwałych dipoli, wynika ju\ nie tylko ze spolaryzowania chmur elektronowych współdziałających atomów, ale
głównie jest spowodowane przyciąganiem elektrostatycznym dipoli. Przyciąganie to następuje wówczas, gdy
w pobli\u dodatniego bieguna cząsteczki - dipolu znajdzie się ujemny biegun innej cząsteczki - dipolu.
Wzajemne oddziaływanie cząsteczek nie będących ani trwałymi dipolami, ani jonami wynika z tzw.
efektu dyspersyjnego. Efekt ten wynika z natury atomów, których elektrony znajdują się w ruchu względem
jądra. Wskutek tego gęstość chmury elektronowej wykazuje fluktuację, co powoduje powstawanie
chwilowych momentów dipolowych. Chwilowe pole elektryczne związane z tymi momentami indukuje
momenty dipolowe w sąsiednich atomach. Średnie oddziaływanie pierwotnego momentu i momentu
indukowanego powoduje wystąpienie sił przyciągających między atomami.
Z opisanej istoty sił van der Waalsa wynika przede wszystkim ich ogólne znaczenie. Są to siły
wynikające z podstawowych własności atomów: polaryzowalności ich chmur elektronowych oraz ruchu
elektronów względem jądra i obrotu względem własnej osi. Dlatego przyciąganie siłami van der Waalsa
występuje między dowolnymi atomami lub cząsteczkami, jeśli tylko odległość atomów lub cząsteczek nie
przekracza zasięgu działania tych sił.
Siły van der Waalsa w porównaniu z siłami wiązań pierwszego rzędu są znacznie słabsze.
Wartość tych sił przyciągania jest proporcjonalna do l/r7, gdzie r jest odległością między atomami lub
cząsteczkami. Siły van der Waalsa rosną ze wzrostem liczby atomowej pierwiastków. Objaśnia się to tym,
\e ze wzrostem liczby atomowej zwiększają się rozmiary chmur elektronowych, zaś elektrony zewnętrzne są
słabiej związane wpływem jądra, a więc ich ruch łatwiej ulega zakłóceniom i łatwiej daje się
zharmonizować z ruchem elektronów innego bliskiego atomu lub cząsteczki, czemu towarzyszy spadek
energii potencjalnej. Obrazowo mówi się, \e chmury elektronowe ze wzrostem ich rozmiarów stają się
łatwiej odkształcalne.
Opisany mechanizm powstawania sił van der Waalsa dotyczy atomów i cząsteczek symetrycznych.
Inną przyczyną powstawania sił van der Waalsa jest asymetryczna budowa cząsteczki, w wyniku której
cząsteczka jest dipolem elektrycznym. Na przykład cząsteczka fluorowodoru (rys. 2.3) tworzy dipol
elektryczny, poniewa\ atom wodoru ma w swej warstwie zewnętrznej dwa elektrony, zaś atom fluoru ma
ich osiem, a więc ładunek ujemny jest skupiony bardziej po stronie atomu fluoru. Takie spolaryzowanie
ładunków w cząsteczce warunkuje elektrostatyczne przyciąganie międzycząsteczkowe.
Rys. 2.3. Schemat struktury fluorowodowu
W metalach przyciąganie siłami van der Waalsa występować mo\e niezale\nie od ich wiązania
metalicznego. Dla własności wewnętrznych obszarów kryształów nie mają one na ogół większego
znaczenia, wobec znacznie większych sił wiązania metalicznego. Natomiast mają one du\e znaczenie dla
własności powierzchni ciał metalicznych.
2.7. Charakterystyka powierzchni ciała stałego, budowa warstwy wierzchniej
Powierzchnia ciała stałego jest powierzchnią graniczną między rozpatrywanym ciałem stałym a
otaczającym go ośrodkiem. Powierzchnia ta jest powierzchnią międzyfazową (dla ciała nie znajdującego
się w pró\ni) stanowiącą granicę pomiędzy dwoma ośrodkami, na której występuje skokowa zmiana
wartości parametrów opisujących własności obu faz.
Powierzchnia rzeczywista elementu maszyny jest to powierzchnia oddzielająca ten element od
otaczającego go ośrodka (rys. 2.4).
Rys. 2.4. Powierzchnia rzeczywista
Nale\y zwrócić uwagę na ró\nicę występującą w pojęciach powierzchni elementu maszyny w
sensie geometrycznym oraz w sensie fizycznym. Powierzchnia w sensie geometrycznym jest obiektem
dwuwymiarowym, natomiast powierzchnia fizyczna jest to obiekt trójwymiarowy, przy czym trzeci
wymiar tego obiektu (grubość) jest względnie niewielki. Wiele zjawisk fizykochemicznych zachodzących
na powierzchni elementów maszyn daje się wyjaśnić jedynie przy rozpatrywaniu powierzchni w sensie
fizycznym. W dalszej części opracowania przyjęto, \e powierzchnia elementów maszyn jest obiektem
trójwymiarowym.
W nauce o eksploatacji maszyn, a szczególnie w tribologii, posługujemy się pojęciem szerszym od
pojęcia powierzchni przedmiotu, mianowicie tak zwaną warstwą wierzchnią.
Na ogół pewna zewnętrzna warstwa materiału elementu wykazuje odmienne własności (w tym
strukturę) i właściwości w stosunku do reszty materiału. Ró\ne wartości cech materiałowych w strefie
przypowierzchniowej i tzw. rdzeniu są wynikiem ró\nic (co do charakteru lub wartości) w oddziaływaniu
fizykochemicznym, jakiemu, na etapie wytwarzania lub eksploatacji elementu maszyny, podlega ta strefa
i reszta materiału.
Warstwa wierzchnia to zewnętrzna warstwa materiału ograniczona rzeczywistą powierzchnią
elementu obejmująca tę powierzchnię oraz część materiału w głąb od powierzchni rzeczywistej, która
wykazuje inne (zmienne) cechy fizyczne i niekiedy chemiczne w stosunku do cech materiału rdzenia.
Nale\y zaznaczyć, \e zmiana właściwości i własności (w tym struktury) warstwy wierzchniej mo\e być
zarówno zamierzona - wtedy, kiedy jest wynikiem celowych działań na etapie wytwarzania (odpowiedni
proces obróbki cieplnej, specjalne obróbki wykańczające - np. zgniot itp.), jak i niezamierzona - gdy jest
skutkiem ubocznym procesu wytwarzania lub procesu eksploatacji (superpozycja obu procesów). W
przypadku metali odmienność budowy warstwy wierzchniej od budowy rdzenia polega na rozdrobnieniu
kryształów, odkształceniu plastycznym, ukierunkowaniu struktury, przemianach fazowych, itp.
2.7.1. Własności energetyczne powierzchni
Energię, którą posiada ciało stałe mo\na podzielić na dwa rodzaje:
- energię nie związaną ze strukturalną budową ciała,
- energię związaną ze strukturalną budową ciała.
Energia ciała nie związana z jego strukturą, to energia wynikająca z ruchu tego ciała (kinetyczna) i
poło\enia przestrzennego ciała w stosunku do punktu odniesienia (potencjalna).
Rozpatrując energię ciała związaną ze strukturalną budową ciała mo\na wyró\nić energię
wewnętrzną i energię powierzchniową.
Energia wewnętrzna jest to całkowity zasób energii zmagazynowany we wnętrzu ciała i jest
związana m.in. z energią jąder atomowych i stanów elektronowych, energią ruchów postępowych i
rotacyjnych atomów. Energia powierzchniowa jest to ró\nica pomiędzy całkowitą energią wszystkich
atomów lub cząsteczek obu faz na powierzchni ich rozdziału a taką samą energią, jaką by one posiadały,
gdyby się znajdowały wewnątrz ciała. Energia powierzchniowa związana jest z ró\nymi warunkami, w
jakich znajdują się atomy lub cząsteczki usytuowane wewnątrz przedmiotu a atomami i cząsteczkami
nale\ącymi do jego powierzchni. Na przykład je\eli ciało stałe jest otoczone fazą gazową, to atomy lub
cząsteczki wewnątrz ciała są otoczone ze wszystkich stron podobnymi atomami lub cząsteczkami (fazy
stałej), podczas gdy na powierzchni ciała podobnych atomów lub cząsteczek od strony fazy gazowej brak.
W takiej sytuacji występuje zjawisko niewysycenia pola sił międzycząsteczkowych na powierzchni ciała
stałego, którego efektem jest wy\sza energia atomów lub cząsteczek nale\ących do powierzchni ciała w
stosunku do energii, jaką posiadają atomy lub cząsteczki poło\one wewnątrz ciała. Na rys. 2.5
przedstawiono siły działające na cząsteczki znajdujące się wewnątrz ciała i na jego powierzchni.
Powy\sze zjawisko niewysycenia pola sił międzycząsteczkowych występuje w pewnej warstwie
przypowierzchniowej, gdy\ na cząsteczkę oddziałuje nie tylko pole sił cząsteczek le\ących w
bezpośredniej styczności z rozpatrywaną cząsteczką, ale równie\ pole sił cząsteczek le\ących w dalszej
odległości. Oczywiście oddziaływanie to szybko się zmniejsza wraz ze wzrostem odległości między nimi.
Na rys. 2.6 przedstawiono udział energii atomów warstwy przypowierzchniowej w całkowitej energii
powierzchni. Im stopień niewysycenia pola sił działających na atomy lub cząsteczki nale\ące do
powierzchni ciała jest większy tym większa jest energia powierzchniowa ciała. Stopień wysycenia pola
sił spójności działających na atomy lub cząsteczki nale\ące do powierzchni ciała stałego jest zale\ny od
tego w jakim stopniu są one otoczone innymi atomami lub cząsteczkami. Na rys. 2.6 przedstawiono
wpływ cech geometrycznych powierzchni na pole sił działających na atomy lub cząsteczki.
Rys. 2.5. Siły działające na cząsteczki znajdujące się wewnątrz ciała i na jego powierzchni
Rys. 2.7. Udział energii atomów warstwy powierzchniowej w całkowitej energii powierzchni (na
podstawie)
Rys. 2.8. Wpływ cech geometrycznych powierzchni na pole sił działających na atomy lub cząsteczki
(na podstawie)
Zgodnie z prawami mechaniki siły działające na układ znajdujący się w równowadze zawsze
przyjmują taką konfigurację, dla której energia układu osiąga minimum. Dotyczy to równie\ energii
powierzchniowej, która dą\y do osiągnięcia mo\liwie najmniejszej wartości. Minimum to zostaje
osiągnięte przy najmniejszej powierzchni dla danej objętości układu.
Miarą energii powierzchniowej jest praca, jaką trzeba wykonać, aby przenieść atomy lub cząsteczki
z wnętrza ciała na jego powierzchnię.
2.7.2. Rodzaje powierzchni ciał stałych w skali molekularnej
Na rys. 2.9 przedstawiono rodzaje powierzchni ciał stałych przy klasyfikacji w skali molekularnej.
Powierzchnie ciał stałych o wiązaniach atomowych (kowalencyjnych) nie mają lokalnych ładunków
elektrycznych, a więc nie wytwarzają pola elektrostatycznego. Cząstki zbli\ające się do takiej
powierzchni z zewnątrz mogą ulegać działaniu sił dyspersyjnych (Londona).
b)
a)
d)
c)
Rys. 2.9. Rodzaje powierzchni ciał stałych przy klasyfikacji w skali molekularnej:
a) powierzchnia ciała o wiązaniach atomowych,
b) powierzchnia ciała o wiązaniach międzycząsteczkowych,
c) powierzchnia ciała o wiązaniach jonowych,
d) powierzchnia ciała o wiązaniach metalicznych
Powierzchnie ciał stałych o wiązaniach międzycząsteczkowych równie\ nie mają lokalnych
ładunków elektrycznych lub, je\eli ciało jest zbudowane z cząsteczek polarnych, mają słabe ładunki.
Powierzchnie ciał stałych o wiązaniach jonowych mają ładunki elektryczne, a więc i pole
elektrostatyczne, którego oddziaływanie wychodzi poza powierzchnię kryształu i wywołuje specyficzne
zjawiska powierzchniowe.
Powierzchnie ciał stałych o wiązaniach metalicznych mają lokalne ładunki elektryczne, a więc i
pole elektrostatyczne. Ze względu na poruszanie się gazu elektronowego w polu zrębów atomowych
wytwarza się zmienne pole elektromagnetyczne, które w postaci fali elektromagnetycznej rozprzestrzenia
się wewnątrz metalu oraz wychodzi na zewnątrz. Takie silne pole elektromagnetyczne mo\e być
przyczyną oddziaływania elektrodynamicznego między powierzchniami dwóch ciał. Zatem na
powierzchni ciał stałych powstaje fala elektromagnetyczna w wyniku fluktuacji pola
elektromagnetycznego występującego wewnątrz ciała. Ta fala elektromagnetyczna mo\e być przyczyną
elektrodynamicznego oddziaływania pomiędzy powierzchniami ciał znajdujących się w pewnej
niewielkiej od siebie odległości.
Rodzaj powierzchni ciała stałego warunkuje wiele zjawisk zachodzących na tej powierzchni.
2.7.3. Zjawiska na powierzchni ciał stałych
Przyczyną zjawisk zachodzących na powierzchni ciał stałych, tzw. zjawisk powierzchniowych jest
niewysycenie pola sił działającego na atomy lub cząsteczki usytuowane w obszarze powierzchniowym
ciała, które wpływa na wartość energii powierzchniowej ciała. Efektem niewysycenia pola sił
powierzchniowych (energii powierzchniowej) jest występowanie ró\norodnych i o ró\nej intensywności
przebiegu zjawisk powierzchniowych. Do najwa\niejszych z nich nale\ą: adsorpcja, samodyfuzja
powierzchniowa, tworzenie się warstw granicznych, efekt Rebindera i adhezja.
Przebieg tych zjawisk jest ściśle zale\ny od rodzaju i zasięgu oddziaływania sił powierzchniowych.
2.7.3.1. Adsorpcja
Procesy powodujące obni\enie energii powierzchniowej lub wewnętrznej ciała poprzez
pochłanianie cząsteczek jednej fazy przez drugą (przenikanie cząsteczek przez granicę faz) lub
przyciąganie cząsteczek do powierzchni rozdziału faz (wysycanie cząsteczek powierzchni jednej fazy
cząsteczkami otaczającej fazy), nazywamy sorpcją.
Proces sorpcji polegający na pochłanianiu cząstek jednej fazy przez drugą (przenikanie cząstek
przez powierzchnię rozdziału faz) nazywa się absorpcją (sorpcją objętościową).
Sorpcja polegająca na przyciąganiu cząsteczek jednej fazy przez drugą do powierzchni rozdziału faz
nazywa się adsorpcją (sorpcją powierzchniową). Wynikiem adsorpcji jest inny stosunek ilościowy
występowania składników jednej z faz (zagęszczenie cząstek) w warstwie rozdziału faz i w głębi tej fazy
(rys. 2.6).
Procesy absorpcji i adsorpcji mogą zachodzić jednocześnie. Proces odwrotny do sorpcji nazywa się
desorpcją.
Ciało stałe, do którego powierzchni są przyciągane cząsteczki z otoczenia nazywa się adsorbentem,
a przyciągane cząsteczki adsorbatem.
Adsorpcja, polegająca na wiązaniu adsorbatu z adsorbentem siłami międzycząsteczkowymi (Van
der Waalsa) nazywa się adsorpcją fizyczną, natomiast je\eli pomiędzy adsorbatem i adsorbentem
zachodzi reakcja chemiczna (siły wiązania chemicznego są znacznie większe od sił Van der Waalsa) to
proces ten nazywa się adsorpcją chemiczną - chemisorpcją.
a) b)
Rys. 2.6. Procesy sorpcji:
a) schemat adsorpcji i absorpcji,
b) model adsorpcji - zagęszczenie adsorbowanych cząstek fazy l na powierzchni rozdziału
faz w porównaniu z ich stę\eniem w fazie l.
Zaadsorbowanie cząsteczki otoczenia przez ciało stałe powoduje zmniejszenie jego energii
powierzchniowej i jest związane z wydzieleniem pewnej ilości ciepła zwanego ciepłem adsorpcji (proces
egzotermiczny). Ciepło adsorpcji fizycznej przyjmuje wartości rzędu ciepła kondensacji adsorbatu -
zwykle mniejsze od 41,8 J/mol, natomiast ciepło chemisorpcji mo\e mieć wartości do 627 J/mol.
Pomiary intensywności procesu adsorpcji przeprowadza się na ogół metodą wagową lub
objętościową. W wyniku pomiaru otrzymuje się masę [g] lub objętość [cm3] zaadsorbowanej substancji.
Je\eli adsorbentem jest ciało stałe, a adsorbatem gaz to ilość zaadsorbowanych cząsteczek gazu rośnie ze
wzrostem ciśnienia gazu i maleje ze wzrostem temperatury. Intensywność adsorpcji zale\y równie\ od
rodzaju adsorbatu i adsorbentu. Adsorpcja fizyczna jest procesem dynamicznym - cząstki adsorbatu nie są
trwale związane z powierzchnią adsorbentu wobec czego następuje ciągły proces odrywania się
cząsteczek adsorbatu z powierzchni i przyciągania nowych cząstek. Na rys. 2.7 przedstawiono zale\ności
ilości zaadsorbowanej substancji od ciśnienia i temperatury.
Adsorpcja fizyczna jest procesem odwracalnym (pomijając niektóre warunki, dla których występuje
pole histerezy), zachodzącym stosunkowo szybko (w ciągu kilku sekund lub minut) i nie wymagającym
\adnej lub wymagającym niewielkiej energii aktywacji (przebiega szybko nawet w niskich
temperaturach).
Adsorpcja chemiczna, w odró\nieniu od fizycznej, charakteryzuje się znacznymi wartościami sił
występujących pomiędzy adsorbentem a adsorbatem będących wynikiem zachodzących pomiędzy nimi
oddziaływań chemicznych. Proces chemisorpcji na ogół rozpoczyna się i przebiega w wy\szych
temperaturach ni\ ma to miejsce w przypadku adsorpcji fizycznej. Ze względu na istnienie oddziaływania
chemicznego pomiędzy adsorbentem a cząstkami adsorbatu, cząstki te silniej - w porównaniu z adsorpcją
fizyczną - przywierają do powierzchni adsorbenta. Je\eli warunki rozpatrywanego układu nie ulegają
zmianie to cząstki zaadsorbowane chemicznie do powierzchni ciała względnie trwale do niej przylegają.
Ponadto w wyniku desorpcji często otrzymuje się produkty chemicznie zmienione. Powszechnie
przyjmuje się, \e w odró\nieniu od adsorpcji fizycznej chemisorpcja jest jednocząsteczkowa (istnieją
równie\ inne hipotezy), co oznacza, \e na powierzchni adsorbenta powstaje tylko jedna warstwa
chemicznie związanych cząstek adsorbentu.
a)
c)
b)
Rys. 2.7. Izotermy, izobary i izochory adsorpcji amoniaku na węglu drzewnym:
a) izotermy, b) izobary, c) izochory
Pomimo przedstawionych podstawowych ró\nic pomiędzy procesami adsorpcji fizycznej i
chemisorpcji ustalenie ostrej granicy pomiędzy tymi procesami jest praktycznie niemo\liwe i niecelowe,
gdy\ proces chemisorpcji jest zwykle poprzedzony procesem adsorpcji fizycznej.
W rzeczywistych warunkach oba te procesy mogą zachodzić łącznie i wówczas mo\na wyró\nić
jedynie proces przewa\ający. Na przykład procesy adsorpcji cząstek gazu do powierzchni ciała stałego
mogą przebiegać następująco: w początkowej fazie cząsteczki gazu są przyciągane do powierzchni ciała
stałego siłami międzycząsteczkowymi (Van der Waalsa), następnie po pewnym okresie styczności z
powierzchnią ciała stałego (adsorbentu) wchodzą z jego atomami w reakcję chemiczną - tworząc
pierwszą warstwę cząstek gazu zaadsorbowanych chemicznie. Kolejne cząsteczki gazu - tworzące
następną warstwę cząstek - są przyciągane słabszymi siłami międzycząsteczkowymi do powierzchni ciała
stałego, poniewa\ powstała warstwa chemicznie związanych cząstek, przylegających do jego
powierzchni, powoduje znaczne osłabienie oddziaływania sił Van der Waalsa. Prowadzi to do
spowolnienia tempa zachodzenia procesu, a nawet do jego wygaśnięcia.
2.1.3.2. Samodyfuzja powierzchniowa
Samodyfuzja powierzchniowa jest zjawiskiem polegającym na przemieszczaniu się atomów
powierzchniowych elementów metalowych (poza zakres przemieszczeń wynikających z ich ruchu
drgającego wokół poło\enia równowagi), zmierzającym do wyrównania lub zmniejszenia ich energii.
Mo\liwości przemieszczeń atomów, nale\ących do powierzchni elementów, na względnie du\e
odległości (wielokrotnie przekraczające ich wymiar charakterystyczny), są niewielkie ze względu na
występowanie du\ych sił spójności materiału. Dlatego te\ zakres występowania zjawiska samodyfuzji
powierzchniowej jest niewielki i uzale\niony od zaistnienia określonych warunków.
Podstawowym czynnikiem warunkującym zjawisko samodyfuzji powierzchniowej jest zapewnienie
atomom powierzchniowym dostatecznej ilości energii (np. poprzez podwy\szenie temperatury materiału),
umo\liwiającej ruch atomów wbrew siłom kohezji. Przyjmuje się, \e zjawisko samodyfuzji
powierzchniowej nabiera znaczenia dopiero w temperaturze wy\szej od około 0,3 bezwzględnej
temperatury topnienia danego metalu. Mo\na zatem przyjąć, \e poni\ej tej temperatury, atomy
powierzchniowe znajdują się w spoczynku, tzn., \e wykonują tylko niewielkie ruchy drgające wokół
swoich punktów równowagi lub quasi-równowagi. W temperaturze powy\ej <" 0,3 bezwzględnej
temperatury topnienia atomy powierzchniowe posiadają wystarczającą ilość energii, aby przemieścić się
w inne poło\enie.
Przyczyną przemieszczeń atomów powierzchniowych są ró\ne stopnie wysycenia pola sił
działającego na te atomy, co sprawia, \e atomy (grupy atomów) powierzchniowe posiadają ró\ne ilości
energii. Mo\na wyró\nić dwa szczególne przypadki, w których występuje istotna ró\nica w stopniu
wysycenia pól sił działających na atomy powierzchniowe.
Pierwszy dotyczy występowania znacznych nierówności powierzchni ciała - atomy poło\one na
szczytach nierówności są w mniejszym stopniu otoczone sąsiednimi atomami (znaczny stopień
niewysycenie pola sił - większa energia tych atomów) ni\ atomy poło\one w dolinach nierówności
(niewielki stopień niewysycenia sił - mniejsza energia tych atomów) - rys. 2.8. W przypadku, gdy atomy
posiadają wystarczającą ilość energii otrzymanej, np. w wyniku doprowadzenia ciepła co spowoduje
podwy\szenie temperatury ciała, nastąpi przemieszczenie atomów z miejsc, w których posiadają większą
energię (szczytów nierówności) w kierunku miejsc o ni\szym poziomie energetycznym (dolin
nierówności). Efektem tych przemieszczeń jest zmniejszenie wymiarów nierówności.
Rys. 2.8. Wpływ nierówności powierzchni na stopień niewysycenia pola sił
Drugi przypadek zachodzi wówczas, gdy występuje styk fizyczny powierzchni ciała z powierzchnią
innego ciała (zwłaszcza je\eli oba ciała są wykonane z tego samego metalu) - rys. 2.9. Atomy
powierzchniowe le\ące w obszarze styku fizycznego wysycają siły oddziałując z atomami stykającego się
ciała. Istniejąca ró\nica w energii atomów w obszarze styku (ni\sza energia) i energii atomów
powierzchni swobodnej jest przyczyną samodyfuzji powierzchni polegającej na przemieszczaniu atomów
powierzchni swobodnej w kierunku obszaru styku. Efektem tego procesu jest powiększenie obszaru styku
fizycznego.
Rys. 2.9. Wysycenie pola sił atomów powierzchniowych w wyniku współdziałania z atomami innego
ciała
Atomy przemieszczając się z poło\eń o wy\szej energii w kierunku poło\eń o ni\szej energii oddają
nadwy\kę energii w postaci ciepła. Nale\y zaznaczyć, \e efekt samodyfuzji powierzchniowej jest
makroskopowo dostrzegalny.
2.1.3.3. Warstwy graniczne
W celu zmniejszenia oporów tarcia (strat energetycznych) występujących pomiędzy dwiema
stykającymi się powierzchniami, znajdującymi się w ruchu względnym (w warunkach występowania
obcią\enia normalnego), wprowadza się pomiędzy te powierzchnie tzw. czynnik smarujący, najczęściej w
postaci cieczy.
Występowania pola sił powierzchni ciała stałego, o niewielkim zasięgu, działającego na cząsteczki
cieczy smarującej powoduje, \e ciecz ta w pobli\u ciała stałego ma odmienne własności od pozostałej
objętości cieczy i tworzy tzw. fazę przypowierzchniową.
Działanie na cząsteczki cieczy pola elektrostatycznego powoduje polaryzację indukowaną i
związaną z nią orientację cząstek równolegle do linii działania sił pola. Orientacja cząstek zwiększa
przestrzenne uporządkowanie cząstek i umo\liwia ich zagęszczenie w obszarze oddziaływania pola.
Uporządkowanie i zagęszczenie cząstek powoduje zwiększenie oddziaływań międzycząsteczkowych.
Warstwa przypowierzchniowa cieczy, w której występuje przestrzenne zorientowanie cząstek
(wytrzymała struktura tej warstwy) wykazuje niektóre właściwości charakterystyczne dla ciał stałych,
dlatego te\, nazywa się ją niekiedy warstwą quasi-krystaliczną. Taką przypowierzchniową,
uporządkowaną, od kilku do kilkudziesięciocząsteczkową warstewkę cieczy, znajdującą się w zasięgu
działania pola sił powierzchni nazywa się warstwą graniczną. Warstwa graniczna charakteryzuje się
niewielką grubością, rzędu co najwy\ej mikrometrów.
Wieloletnie badania wykazały, \e istnieją substancje zawierające tzw. cząsteczki powierzchniowo
aktywne, które dodane do cieczy smarującej znacznie zwiększają jej zdolność do tworzenia warstw
granicznych. Przykładem takiej substancji mogą być kwasy tłuszczowe zawierające w łańcuchu
węglowodorowym zamiast atomu wodoru nienasyconą grupę karboksylową COOH o własnościach
polarnych (rys. 2.10).
Rys. 2.10. Wzór strukturalny kwasu stearynowego
Cząsteczki kwasów tłuszczowych znajdujące się w zasięgu działania sił pola powierzchni metali
przywierają do niej grupą karboksylową (COOH), natomiast łańcuch węglowodorowy zostaje
zorientowany prostopadle do powierzchni (rys. 2.11).
Przywarte do powierzchni i zorientowane cząstki kwasów tłuszczowych tworzą monomolekularną
warstwę graniczną. W sąsiednich warstwach mo\e równie\ nastąpić orientacja cząstek, lecz ze względu
na wykładniczo malejące, wraz ze wzrostem odległości, oddziaływanie pola sił powierzchniowych, siły
ich wiązań są znacznie słabsze. W odpowiednich warunkach warstwa graniczna mo\e się składać z
większej liczby warstewek zorientowanych cząstek - tworząc tzw. warstwę polimolekularną. Na rys. 2.12
przedstawiono budowę warstw granicznych mono- i polimolekularnej.
Połączenie cząstek warstwy granicznej z powierzchnią ciała stałego mo\e zachodzić zarówno w
wyniku adsorpcji fizycznej, jak i chemisorpcji. Warstwa graniczna, w której pomiędzy cząstkami
czynnika smarującego (grupami polarnymi), a cząstkami powierzchni ciała stałego zachodzą reakcje
chemiczne (chemisorpcja), jest znacznie trwalsza i bardziej odporna na przerwanie (nawet przy bardzo
du\ych naciskach), a więc posiada wy\szą skuteczność przeciwcierną.
Rys. 2.11. Orientacja adsorbowanych do powierzchni metalu cząstek kwasu stearynowego
b)
a)
Rys. 2.12. Warstwy graniczne:
a) monomolekularna,
b) polimolekularna
Wytrzymałość warstwy granicznej (trwałość i odpornóść na przerwanie) zale\y od wielu
czynników, a w szczególności od obcią\enia normalnego i temperatury. Wraz ze wzrostem obcią\enie
normalnego następuje wzrost wytrzymałości warstwy granicznej. Natomiast wzrost temperatury, poza
przedziałem, w którym następuje przejście od adsorpcji fizycznej do chemicznej, powoduje obni\enie
wytrzymałości warstwy granicznej.
Warstwa graniczna wykazuje zmianę swoich własności wraz z odległością od powierzchni ciała
stałego, co jest związane z wykładniczo słabnącym wraz z odległością oddziaływaniem pola sił
powierzchni. Warstewka le\ąca bezpośrednio przy powierzchni ciała stałego posiada cechy ciała quasi-
krystalicznego, natomiast warstewki le\ące dalej od powierzchni lub przy słabym oddziaływaniu
powierzchni posiadają jedynie zwiększoną lepkość i gęstość.
Podana budowa i cechy warstwy granicznej wpływają na jej wyjątkowe właściwości przeciwcierne i
przeciwzu\yciowe.
2.1.3.4. Efekt Rebindera
Do zjawisk zachodzących na powierzchni ciał stałych w obecności substancji powierzchniowo
aktywnych nale\y tzw. efekt Rebindera.
Efekt Rebindera polega na rozsadzającym działaniu przenikających do wnętrza warstwy wierzchniej
metalu cząsteczek substancji powierzchniowo aktywnych, w wyniku czego następuje łączenie się
mikronieciągłości w makronieciągłości. Niekiedy spotyka się szersze ujęcie efektu, to znaczy przez efekt
Rebindera rozumie się zjawiska zmian powierzchniowych własności metali wskutek adsorpcji substancji
powierzchniowo aktywnych.
Badania przeprowadzone głównie przez Rebindera i jego współpracowników wykazały, \e wpływ
obecności na powierzchni metalu cieczy smarnych, zawierających substancje powierzchniowo aktywne,
nie ogranicza się do utworzenia adsorpcyjnej granicznej warstewki smarnej, ale mo\e mieć jeszcze szereg
innych skutków, korzystnych lub niekorzystnych dla odporności metalu na zu\ycie.
Cząstki substancji powierzchniowo aktywnej adsorbując i przenikając w nieciągłości powierzchni
sprzyjają rozwijaniu się mikroszczelin i innych wad w warstwie wierzchniej. Tłumaczy się to tym, \e
utworzone na powierzchniach mikroszczelin monomolekularne warstewki cząstek polarnych, nie
pozostają na ogół w spoczynku, lecz wykazują ruch wzdłu\ ścianek w kierunku dna szczeliny co sprzyja
jej pogłębianiu i poszerzaniu. Ponadto adsorbowana na powierzchni ciała stałego warstwa cząstek,
obni\ając poziom energii swobodnej tej powierzchni, mo\e powodować obni\enie granicy plastyczności
oraz twardości warstwy wierzchniej ciała.
Występująca niekiedy dyfuzja atomów z adsorbowanych do powierzchni metalu cząstek (np.
atomów węgla lub wodoru) w jego sieć krystaliczną ułatwia poślizgi.
2.1.4. Budowa warstwy wierzchniej
Odmienność budowy i właściwości warstwy wierzchniej elementów w stosunku do ich rdzenia jest
wynikiem zró\nicowania oddziaływania fizykochemicznego na warstwę wierzchnią i rdzeń,
zachodzącego na etapie wytwarzania (celowo lub nie) lub eksploatacji.
Ze względu na po\ądane właściwości u\ytkowe elementów maszyn często przeprowadza się
specjalne operacje i zabiegi technologiczne celem określonej zmiany budowy i innych własności warstwy
wierzchniej tych elementów. Jednak odmienna budowa warstwy wierzchniej mo\e być równie\ efektem
ubocznym (nie zamierzonym) procesu wytwarzania elementów maszyn.
W przeciwieństwie do etapu wytwarzania, w którym mo\na sterować przemianami zachodzącymi w
warstwie wierzchniej, na etapie eksploatacji elementy maszyn podlegają wielu procesom niesterowalnym,
a więc sterowanie przemianami (i ich zakresem) zachodzącymi w warstwie wierzchniej na tym etapie jest
praktycznie niemo\liwe.
Dokonanie przekroju warstwy wierzchniej umo\liwia ujawnienie jej niejednorodności. Na rys. 2.13
przedstawiono schematycznie zespół cech charakterystycznych dla przekroju poprzecznego warstwy
wierzchniej stopów \elaza.
Rys. 2.13. Model warstwy wierzchniej ciała stałego [51]:
G - grubość WW, B - struktura WW, U - uwarunkowanie (umocnienie) strefy
środkowej, S - ska\enie WW, � - naprę\enie własne warstwy wierzchniej, 1 -
mikropęknięcie, 2 - szczelina, 3 - rzadzizna, 4 - pory, 5 - wyrwa, 6 - wtrącenie
Warstwa wierzchnia jest z jednej strony ograniczona powierzchnią rzeczywistą elementu -
oddzielającą element od otaczającego ośrodka, a z drugiej wewnętrzną powierzchnią graniczną warstwy
wierzchniej - oddzielającą warstwę wierzchnią od rdzenia. Wewnętrzna powierzchnia graniczna warstwy
wierzchniej w sensie dwuwymiarowym praktycznie nie istnieje. Nie mo\na wskazać takiej powierzchni
(dwuwymiarowej) le\ącej wewnątrz ciała, która w sposób jednoznaczny rozgraniczałaby warstwę
wierzchnią od rdzenia. Problem związany z wyznaczeniem wewnętrznej powierzchni granicznej warstwy
wierzchniej w sposób oczywisty wpływa na trudność wyznaczenia grubości tej warstwy - tj. wymiaru w
kierunku normalnym do powierzchni geometrycznej przedmiotu określonego powierzchniami
granicznymi warstwy wierzchniej. W praktyce przyjęto następujące określenia:
o granica wewnętrzna warstwy wierzchniej to teoretyczna powierzchnia wyznaczona przez
punkty, w których występują wartości graniczne tej spośród cech warstwy wierzchniej, ze
względu na którą określona w ten sposób grubość warstwy wierzchniej jest największa
(rys. 2.14),
o wartość graniczna danej cechy to wartość ró\niąca się od wartości rozpatrywanej cechy w
rdzeniu materiału o umowną wartość d (rys. 2.14),
o grubość warstwy wierzchniej jest to średnia wartość odległości między płaszczyznami
stycznymi (przylegającymi) do granic warstwy wierzchniej (rys. 2.14).
Rys. 2.14. Umowne wyznaczenie granicy wewnętrznej i grubości warstwy wierzchniej
Na rysunku 2.15 przedstawiono model budowy (przekrój) warstwy wierzchniej elementu
metalowego (stali). Podaną na rysunku proporcję pomiędzy grubościami poszczególnych składowych
warstw - skala grubości jest skalą logarytmiczną - nale\y traktować orientacyjnie.
Zewnętrzną powierzchniową warstewkę stanowią na ogół tlenki metalu. Warstewka tlenków metalu
powstaje w wyniku utleniania czystego metalu (po obróbce mechanicznej) tlenem z atmosfery lub cieczy
chłodząco-smarującej. Warstewka tlenków działa na ogół hamująco na proces korozji metalu. Ponadto
wysycając pole sił powierzchni ciała stałego (obni\ając poziom energii swobodnej powierzchni) wpływa
hamująco na procesy adsorpcji oraz obni\a efektywność procesu tworzenia warstwy granicznej (obni\a
wytrzymałość warstwy granicznej czynnika smarującego). Na grubość warstwy tlenków wpływ mają
przede wszystkim własności chemiczne warstwy wierzchniej i warunki, w jakich zachodzi proces
utleniania. Na warstwie tlenków osadzają się adsorbowane do powierzchni cząstki z otoczenia ciała
stałego - cząstki gazów, cieczy i ciał stałych (pył), a w szczególnym przypadku na warstwie tlenków
zostaje utworzona warstwa graniczna czynnika smarującego. W sprzyjających warunkach zaadsorbowane
do powierzchni cząstki mogą wchodzić z nią w reakcję chemiczną (chemisorpcja).
Pod warstewką tlenków znajduje się tzw. warstwa Beilby ego charakteryzująca się amorficzną
(bezpostaciową) budową materii. Powstaje ona w wyniku zniszczenia krystalitów, stopnienia i płynięcia
materiału w procesie wytwarzania (obróbki) i w procesie eksploatacji (procesy tarcia i zu\ywania).
Poni\ej warstwy Beilby ego znajduje się strefa materiału odkształconego plastycznie i
steksturowanego (o ukierunkowanej strukturze), a następnie strefa materiału tylko odkształconego
plastycznie i strefa materiału nienaruszonego (rdzeń materiału).
Strefa materiału odkształconego plastycznie i steksturowanego jest wynikiem działania sił
normalnych do powierzchni elementu powodujących zgniot materiału oraz sił stycznych (wywołanych
tarciem) powodujących ukierunkowanie ziaren materiału.
a)
b)
Rys. 2.15. Model budowy warstwy wierzchniej ciał metalicznych
a) przekrój przez warstwę wierzchnią stali obrobioną mechanicznie,
b) proporcje grubości warstw składowych
Nierównomierne odkształcenia w sąsiadujących obszarach materiału warstwy wierzchniej oraz
zmiany strukturalne mogące zachodzić pod wpływem ciepła wydzielonego w procesie wytwarzania (np.
podczas obróbki skrawaniem) lub eksploatacji (np. procesy tarcia) prowadzą do powstawania naprę\eń
własnych warstwy wierzchniej oraz umocnienia materiału.
Niektórzy autorzy w swych pracach naukowych wyró\niają równie\, niemo\liwą do wyodrębnienia
w badaniach metalograficznych, strefę odkształceń sprę\ystych znajdującą się pomiędzy strefą materiału
odkształconego plastycznie a rdzeniem materiału.
Nale\y zaznaczyć, \e nie istnieje wyrazna granica pomiędzy wyró\nionymi strefami warstwy
wierzchniej. Przejście z jednej strefy w drugą następuje na ogół w sposób płynny.
Rzeczywista budowa warstwy wierzchniej elementów maszyn jest uzale\niona od warunków, w
jakich był prowadzony proces wytwarzania oraz warunków procesu eksploatacji i mo\e się nieco ró\nić
od przedstawionego modelu.
Nieco inny, uproszczony model strefowej budowy warstwy wierzchniej ciał metalicznych,
ukonstytuowanej w wyniku procesów wytwarzania lub procesów zachodzących w fazie eksploatacji
przedstawiono na rys. 2.16.
Rys. 2.16. Strefowy model warstwy wierzchniej
Model ten przyjęto w celu sformalizowania opisu warstwy wierzchniej oraz ujednolicenia sposobu
przedstawienia jej charakterystyk. Definicje podstawowych terminów stosowanych do opisu warstwy
wierzchniej są następujące:
warstwa wierzchnia - zewnętrzna warstwa materiału ograniczona rzeczywistą powierzchnią
elementu obejmująca tę powierzchnię oraz część materiału w głąb od powierzchni
rzeczywistej, która wykazuje zmienne cechy fizyczne i niekiedy chemiczne w
stosunku do cech materiału rdzenia,
rdzeń materiału - część materiału elementu usytuowana pod warstwą wierzchnią,
strefa warstwy wierzchniej - określona część warstwy wierzchniej elementu wyodrębniona ze
względu na występowanie jakiejś cechy fizycznej (jakichś cech fizycznych) materiału
właściwej (właściwych) tej części,
strefa przypowierzchniowa - strefa warstwy wierzchniej przylegająca bezpośrednio do
powierzchni rzeczywistej nie mająca właściwej sobie struktury. Mo\e ona być
zbudowana, np. z jonów zaadsorbowanych lub związanych chemicznie z podło\em,
strefa ukierunkowania - strefa warstwy wierzchniej, w której występuje ukierunkowanie ziarn
(np. na skutek odkształcenia plastycznego), widoczne za pomocą mikroskopu w
świetle odbitym,
strefa efektów cieplnych - strefa warstwy wierzchniej, w której na skutek procesów cieplnych
nastąpiły zmiany wielkości ziarn, przemiany fazowe, reakcje chemiczne itp.,
strefa steksturowania - strefa warstwy wierzchniej, w której występuje tekstura krystaliczna,
strefa zgniotu - strefa warstwy wierzchniej, w której nastąpiło odkształcenie plastyczne.
Stan warstwy wierzchniej mo\e być scharakteryzowany zespołem parametrów, których wartości są
zale\ne od własności materiału i warunków tworzenia tej warstwy. Stan warstwy wierzchniej
charakteryzuje w ogólnym przypadku następujący zbiór jej cech: stan nierówności powierzchni, budowa
warstwy, stan umocnienia warstwy, tekstura warstwy, stan naprę\enia warstwy.
Dobór określonego zespołu parametrów opisującego w sposób jednoznaczny stan i właściwości
warstwy wierzchniej elementów maszyn i umo\liwiającego ocenę warstwy wierzchniej ze względu na
po\ądane właściwości u\ytkowe elementu jest problemem zło\onym. W praktyce warstwę wierzchnią
opisuje się przez podanie jej wybranych charakterystyk. W polskich normach podano przykład sposobu
przedstawienia charakterystyki ogólnej warstwy wierzchniej obejmującej charakterystykę geometryczną
(rys. 2.17) i fizykalną (rys. 2.18).
a) b)
c) d)
Rys. 2.17. Charakterystyka geometryczna warstwy wierzchniej
a)
b)
c)
Rys. 2.18. Charakterystyka fizykalna warstwy wierzchniej
Podziałka powiększenia p na osi odciętych powinna być jednakowa dla wykresów b) i
c), natomiast na fotografii a) w przypadku przekroju prostopadłego podziałka
powiększenia wynosi p, a w przypadku przekroju skośnego pod kątem ą wynosi p�"siną.
Stosowane oznaczenia: H - twardość materiału (jednostki w zale\ności od metody
pomiaru), h - odległość od powierzchni rzeczywistej [�m], e - długość nie mniejsza od
grubości warstwy wierzchniej [�m], " - naprę\enia własne; [MPa];
Charakterystyka geometryczna (rys. 2.17) zawiera:
profilogram o długości nie mniejszej ni\ długość odcinka pomiarowego chropowatości z
zaznaczeniem jego długości ln oraz podaniem podziałki powiększenia pionowego Vv i
poziomego Vh,
krzywą nośności profilu chropowatości tp wraz z podaniem wartości G20 i G50, gdzie:
dt
p
G20 = dla c = 0,2 Rm,
dc
dtp
G50 = dla c = 0,5 Rm,
dc
fotografię powierzchni, powiększenie M1; w polu fotografii podaje się kierunek pomiaru profilu
powierzchni; w rubryce struktura powierzchni wpisuje się rodzaj struktury (np. struktura
anizotropowa lub struktura izotropowa ) oraz symbol kierunkowość śladów obróbki; w
rubryce wady struktury opisuje się występujące ewentualne skazy, rysy, pęknięcia itp.,
fotografię powierzchni, powiększenie M2 > M1; fotografię o powiększeniu M2 zamieszcza się tylko
w uzasadnionych przypadkach, np. w celu przedstawienie typowego szczegółu fotografii
powierzchni o powiększeniu M1.
Charakterystyka fizykalna (rys. 2.18) zawiera:
a) mikrofotografię przekroju prostopadłego lub ukośnego,
b) wykres mikrotwardości lub mezotwardości,
c) wykres naprę\eń własnych.
Du\e znaczenie znajomości budowy, stanu i innych własności warstwy wierzchniej oraz przebiegu
ich zmian w procesie eksploatacji wynika ze względu na wpływ jaki wywierają one na wiele istotnych
właściwości u\ytkowych elementów maszyn, a w szczególności na trwałość.
2.1.4.1. Warstwa wierzchnia tworzyw sztucznych
W przeciwieństwie do metalowych elementów maszyn, procesy wytwarzania elementów z tworzyw
sztucznych, ze względu na swoją specyfikę, mają mniejszy wpływ na powstawanie istotnych ró\nic w
budowie i innych własnościach pewnej zewnętrznej warstwy materiału w stosunku do warstw poło\onych
głębiej. Nie mniej jednak istnieje wiele takich operacji technologicznych z zakresu przetwórstwa tworzyw
sztucznych, które ró\nicują oddziaływania fizykochemiczne, jakim podlegają obszary materiału poło\one
na ró\nych głębokościach, mogące powodować zmiany budowy i innych własności materiału w tych
obszarach. Przykładem mo\e być proces kształtowania elementów maszyn z tworzyw termoplastycznych
metodą wtryskiwania tworzywa do formy nieogrzewanej, w którym występują ró\nice w szybkości
stygnięcia poszczególnych obszarów materiału. Szybkość stygnięcia obszarów materiału uzale\niona jest
od ich poło\enia względem ścianek formy.
Na konstytuowanie się warstwy wierzchniej elementów maszyn z tworzyw sztucznych decydujący
wpływ mają procesy zachodzące w fazie eksploatacji, a w szczególności procesy tarcia.
Na rys. 2.19 przedstawiono model warstwy wierzchniej polimerów, wytworzonej w procesie tarcia.
W warstwie wierzchniej polimerów utworzonej w procesie tarcia mo\na wyró\nić kilka
charakterystycznych stref. W strefie B materiału, bezpośrednio sąsiadującej z rdzeniem materiału (płynne
przejście pomiędzy strefami) występują uszkodzenia struktur nadmolekularnych, np. globuli, fibryli,
sferolitów. Gęstość uszkodzeń rośnie w kierunku powierzchni zewnętrznej, tzn. im bli\ej powierzchni
zewnętrznej tym stopień rozdrobnienia warstwy wierzchniej jest większy. W warstwie tej występuje
równie\ orientacja struktury nadmolekularnej w kierunku ruchu przeciwpowierzchni. Struktura materiału
w strefie C warstwy wierzchniej na skutek działania sił tarcia jest wysoce zorientowana. Zewnętrzną
strefę warstwy wierzchniej materiału tworzy warstewka D, która styka się z otoczeniem i powierzchnią
współpracującą. Warstewka ta charakteryzuje się mniejszym cię\arem cząsteczkowym ni\ pozostała
objętość polimeru i związaną z tym małą wytrzymałością na ścinanie.
W wyniku zachodzących w warstwie wierzchniej polimerów reakcji chemicznych, wywołanych, np.
procesem tarcia - destrukcja polimeru oraz ciepło tarcia są aktywatorami reakcji chemicznych, w strefie
przypowierzchniowej E mo\e wystąpić równie\ faza gazowa (o ró\nym składzie chemicznym).
Występowanie w strefie przypowierzchniowej fazy gazowej wpływa na procesy tarcia i zu\ycia.
Oddziaływanie tej fazy mo\e być dwojakiego rodzaju, tzn. mechaniczne - następuje miejscowe
oddzielenie współpracujących powierzchni warstwą fazy gazowej ( poduszka gazowa ) oraz chemiczne -
cząsteczki gazu mogą wchodzić w reakcje z materiałem sąsiedniej powierzchni lub otoczeniem.
Rys. 2.19. Strefowy model warstwy wierzchniej polimerów, wytworzonej w procesie tarcia:
A - rdzeń polimeru,
B - strefa uszkodzeń struktury nadmolekularnej,
C - strefa wysokozorientowana,
D - strefa materiału o zmniejszonym cię\arze cząsteczkowym,
E - strefa fazy gazowej biorącej udział w procesie tarcia (strefa przypowierzchniowa),
WW - warstwa wierzchnia.
2.1.5. Struktura geometryczna powierzchni
Pierwotna geometria powierzchni elementów maszyn jest kształtowana w procesie wytwarzania.
Bez względu na rodzaj zastosowanej metody wytwarzania elementu, jego powierzchnia rzeczywista
charakteryzuje się ró\nego rodzaju błędami geometrii w stosunku do geometrii powierzchni teoretycznej.
Odchyłki geometrii powierzchni mo\na zaobserwować na jej zarysie (profilu), tj. linii cięcia
powierzchni płaszczyzną. Błędy (odchyłki) geometrii powierzchni w zale\ności od rozpatrywanej skali
mo\na podzielić na (rys. 2.20):
" makroskopowe (błędy kształtu i poło\enia, falistość),
" mikroskopowe (chropowatość),
" submikroskopowe (submikronierówności).
Zbiór wszystkich nierówności powierzchni rzeczywistej (błędów geometrycznych powierzchni), tj.
odchyłki kształtu, falistość, chropowatość, submikronierówności - tworzy strukturę geometryczną
powierzchni. Podstawowe określenia dotyczące struktury geometrycznej powierzchni zawarte są w
polskich normach.
Kryterium klasyfikacji błędów geometrycznych (odchyłek) powierzchni stanowi stosunek
wysokości nierówności do długości nierówności. Wysokość nierówności mierzona jest na zarysie
powierzchni w kierunku normalnym do powierzchni względem powierzchni nominalnej, natomiast
długość nierówności określa się w kierunku równoległym do zarysu powierzchni nominalnej.
Rys. 2.20. Błędy geometrii powierzchni rzeczywistej, mierzone na jej zarysie (profilu)
Z punktu widzenia zjawisk tribologicznych istotne znaczenie mają równie\ błędy geometryczne
powierzchni nie związane z jej kształtem, tj. falistość, chropowatość, submikronierówności. Ponadto
istotne znaczenie ma rozkład nierówności na powierzchni, który mo\e być kierunkowy -
charakterystyczny dla kierunkowej metody obróbki wykańczającej (toczenie, struganie, frezowanie itp.),
jak i jednorodny we wszystkich kierunkach (polerowanie elektrolityczne itp.). Rozkład nierówności na
powierzchni, zwany jest kierunkowością. Zbiór błędów geometrycznych powierzchni, takich jak falistość,
chropowatość, submikronierówności oraz kierunkowość nazywa się topografią powierzchni.
Rys. 2.21. Warstwicowy obraz powierzchni
Do porównywania ró\nych powierzchni oraz dokonania uproszczonego opisu topografii
powierzchni wykorzystuje się szereg wskazników opisujących poszczególne rodzaje błędów
geometrycznych powierzchni. Wskazniki te nazywane są parametrami powierzchni. Ze względu na
stopień zło\oności topografii powierzchni elementów maszyn powszechnie stosowane parametry
powierzchni są niewystarczające do precyzyjnego opisu powierzchni. Przykłady parametrów powierzchni
rozszerzających opis topografii powierzchni elementów maszyn i mogących mieć zastosowanie do
analizy i rozwiązywania problemów z dziedziny tribologii podano m. in. w pracach z literatury
przedmiotu.
Rola, jaką rzeczywisty kształt powierzchni odgrywa w procesach tribologicznych, sprawia, \e do
ich analizy konieczny jest dokładny opis geometrii powierzchni. Przykładem takiego opisu mo\e być
warstwicowy obraz powierzchni (mapa warstwicowa powierzchni). Warstwicowy obraz powierzchni jest
to obraz powierzchni powstały w wyniku przecięcia powierzchni rzeczywistej określoną liczbą
przekrojów równo odległych (rys. 2.21). Ze względu na koszty związane z wyznaczeniem
warstwicowego obrazu powierzchni jest on wykorzystywany na ogół jedynie w badaniach naukowych.
2.1.6. Wzajemne oddziaływanie powierzchni ciał chropowatych
Kontakt między dwoma ciałami stałymi dociskanymi siłą normalną do powierzchni kontaktu jest
stykiem powierzchniowym i występuje na tzw. rzeczywistej powierzchni styku. Ze względu na
występowanie błędów geometrycznych powierzchni elementów maszyn rzeczywista powierzchnia styku
jest zawsze mniejsza od powierzchni nominalnej - określonej wymiarami powierzchni teoretycznej, tj.
idealnie gładkiej i pozbawionej błędów kształtu.
Występujące na powierzchni ciała stałego niewysycone pole sił oraz obcią\enie stykających się ciał
siłami normalnymi do powierzchni styku powoduje występowanie w strefie kontaktu ciał ró\nych
zjawisk fizykochemicznych. Rozpatrując te zjawiska nale\y rozgraniczyć dwa przypadki, tzn. gdy
kontakt zachodzi pomiędzy powierzchniami ciał nie przemieszczających się względem siebie oraz gdy
ciała te znajdują się w ruchu względnym. Do najwa\niejszych zjawisk zachodzących w strefie kontaktu
ciało stałe - ciało stałe nale\ą: adhezja, sczepianie, powstawanie zrostów tarciowych oraz mechaniczne
oddziaływanie nierówności powierzchni ciał będących w ruchu względnym. W ogólności charakter
oddziaływania powierzchni dwu stykających się ciał zale\y od rzeczywistej powierzchni styku, własności
fizykochemicznych materiałów stykających się ciał oraz warunków, w jakich zachodzi styk powierzchni
ciał.
2.1.6.1. Rzeczywista powierzchnia styku
Kontakt dwu ciał, których powierzchnie są idealnie gładkie i nie zawierają błędów kształtu zachodzi
na całym obszarze nominalnego styku, a więc rzeczywista powierzchnia styku Sr jest równa tzw.
powierzchni nominalnej Sn styku określonej wymiarami nominalnymi obszaru styku - rys. 2.22.
Rzeczywiste elementy maszyn posiadają powierzchnie zawierające ró\nego rodzaju nierówności
(błędy geometrii powierzchni). Kontakt (styk) między rzeczywistymi ciałami stałymi polega na
zetknięciu się poszczególnych nierówności powierzchni stykających się ciał. Nierówności te pod
wpływem obcią\enia ulegają odkształceniom sprę\ystym lub plastycznym. Rodzaj odkształceń
nierówności zale\y głównie od obcią\enia styku i cech materiałów ciał. Oczywistym jest, \e w takiej
sytuacji rzeczywista powierzchnia styku ciał jest du\o mniejsza od powierzchni (obszaru) nominalnego
styku ciał.
Rys. 2.21. Styk ciał idealnie gładkich i nie zawierających błędów kształtu
W tribologii rozró\nia się trzy rodzaje powierzchni styku, tj. nominalną powierzchnię styku Sn,
konturową powierzchnię styku Sk i rzeczywistą powierzchnię styku Sr.
Nominalna powierzchnia styku Sn jest to suma wszystkich mo\liwych powierzchni styku, zale\na
od wymiarów stykających się ciał.
Konturowa powierzchnia styku Sk jest definiowana jako suma pola powierzchni obrysu
rzeczywistych pól styku. W celu wyjaśnienia pojęcia konturowej powierzchni styku, w du\ym
uproszczeniu mo\na przyjąć, \e powierzchnie dwu ciał stykają się w obszarach szczytów fal i w
obszarach wynikających z błędów kształtu i poło\enia obu powierzchni - rys. 2.23. Wartość pola tej
powierzchni zale\y od błędów kształtu, poło\enia, falistości powierzchni i obcią\enia styku.
Rys. 2.23. Schemat wyznaczania konturowej powierzchni styku
Rzeczywista powierzchnia styku Sr (rys. 2.23) jest sumą wszystkich elementarnych powierzchni
stykających się obszarów na wierzchołkach nierówności. Wartość rzeczywistego pola powierzchni styku
dla danej pary materiałów zale\y od geometrycznego zarysu powierzchni (błędów kształtu, poło\enia,
falistości i chropowatości powierzchni, itd.) i obcią\enia styku.
Pomiędzy wyró\nionymi rodzajami powierzchni styku zawsze zachodzi zale\ność:
Sn > Sk > Sr .
Z tribologicznego punktu widzenia największe znaczenie ma rzeczywista powierzchnia styku.
Istnieją jednak trudności w opracowaniu praktycznych i niedrogich metod pomiaru rzeczywistej
powierzchni styku ciał dających zadowalające wyniki. Podstawowe sposoby pośredniego pomiaru pola
rzeczywistej powierzchni styku polegają na:
" pomiarze przewodności elektrycznej, cieplnej i ultradzwiękowej obszaru styku,
" badaniu zmian własności fizykochemicznych obszaru styku.
Analityczne wyznaczenie rzeczywistej powierzchni styku wymaga przyjęcia określonego modelu
mikronierówności oraz modelu styku ciał. Na ogól wyró\nia się dwa rodzaje styku ciał, tj. styk sprę\ysty
i styk plastyczny. Styk sprę\ysty zachodzi wówczas, gdy w wyniku obcią\enia oddziałujące
mechanicznie nierówności stykających się powierzchni podlegają tylko odkształceniom sprę\ystym.
Mo\na przyjąć, \e styk plastyczny zachodzi wówczas, gdy co najmniej jedna ze stykających się
nierówności została odkształcona plastycznie. Zale\ności pozwalające analitycznie wyznaczyć wartość
rzeczywistej powierzchni styku zawarto w pracach z literatury przedmiotu.
Rys. 2.24. Schemat zmiany rzeczywistej powierzchni styku (długości nośnej profilu powierzchni)
wskutek odkształcenia nierówności powierzchni pod wpływem siły normalnej Fn; tp -
współczynnik długości nośnej profilu
Przebieg zmian rzeczywistej powierzchni styku metali (i ich stopów) pod wpływem obcią\enia
normalnego w skali mikronierówności w uproszczeniu mo\na przedstawić następująco. W początkowej
fazie styku następuje fizyczny kontakt najwy\szych naprzeciwległych nierówności. Stykające się
nierówności, pod wpływem obcią\enia początkowo ulegają odkształceniom sprę\ystym powodującym
zwiększenie powierzchni styku i zbli\enie powierzchni. Odkształcenie sprę\yste stykających się
początkowo tylko najwy\szych nierówności umo\liwia kontakt fizyczny coraz ni\szych nierówności i
zwiększenie pola powierzchni styku. Po przekroczeniu określonej wartości naprę\eń następuje plastyczne
odkształcenie nierówności i dalszy wzrost rzeczywistej powierzchni styku, który trwa tak długo, jak
długo rzeczywista powierzchnia styku nie jest w stanie przenieść przyło\onego obcią\enia. Nale\y tutaj
zaznaczyć, \e odkształcenia plastyczne zachodzące w strefie styku mogą spowodować umocnienie
materiału. Występowanie zjawiska umocnienia materiału oraz innych zjawisk natury fizykochemicznej
występujących w obszarze styku sprawia, \e zdolność powierzchni do przenoszenia obcią\enia zmienia
się w pewnych granicach wraz ze zmianą obcią\enia. Na rys. 2.24 przedstawiono w sposób poglądowy
zmiany rzeczywistej powierzchni styku, którym odpowiadają zmiany długości nośnej profilu powierzchni
widoczne na profilogramie, pod wpływem zwiększającego się obcią\enia.
Rozpatrując styk ciał wykonanych z ró\nych tworzyw konstrukcyjnych mo\na stwierdzić, \e
rzeczywista powierzchnia styku zale\y, oprócz struktury geometrycznej stykających się powierzchni i
obcią\enia styku, równie\ od własności i właściwości tych tworzyw (cech materiałowych).
2.1.6.2. Adhezja
Zjawisko polegające na sczepianiu się mikroobszarów powierzchni współpracujących ciał w
wyniku oddziaływania fizycznego zachodzącego pomiędzy cząsteczkami tych obszarów nazywa się
adhezją. Adhezję powoduje wzajemne oddziaływanie powierzchniowych pól sił stykających się ciał.
Zjawisku temu mogą podlegać zarówno ciała stałe jak i ciecze.
Uwa\a się, \e zjawisko adhezji wywołują przyciągające oddziaływania sił natury elektrycznej -
zarówno siły elektrostatyczne wytwarzane w zale\ności od budowy ciała przez ładunki atomów, jonów
lub cząstek, z których zbudowane są warstwy wierzchnie stykających się ciał, jak i siły
elektrodynamiczne związane z drganiami atomów. W zale\ności od budowy stykających się ciał zasięg
oddziaływania sił powierzchniowych oraz wartości tych sił są ró\ne. Pole sił elektrostatycznych
powierzchni o budowie jonowej ma znacznie mniejszy zasięg działania ni\ pole sił elektrodynamicznych
powierzchni ciał metalicznych lub ciał o wiązaniu atomowym.
Na zjawisko adhezji tworzyw sztucznych (oraz par tworzywo-metal) wpływ ma równie\
występowanie w tworzywie grup polarnych, których obecność sprzyja temu zjawisku.
Za miarę wartości adhezji mo\na przyjąć stosunek siły normalnej, jaką nale\y przyło\yć po
odcią\eniu styku, aby rozdzielić połączenie adhezyjne do rzeczywistego pola mikroobszarów
powierzchni, na której wystąpiło sczepienie adhezyjne.
Siły adhezyjne mają charakter addytywny (sumowanie sił), dlatego im większa jest rzeczywista
powierzchnia styku, tym większą siłę nale\y przyło\yć, aby rozdzielić sczepione w wyniku adhezji ciała.
Mo\na więc przyjąć, \e całkowita wartość sił przyciągania adhezyjnego jest proporcjonalna do
rzeczywistej powierzchni styku ciał.
Warunkiem koniecznym do wystąpienia zjawiska adhezji jest zbli\enie powierzchni na odległość
mniejszą ni\ zasięg działania pola sił powierzchni. W zale\ności od budowy ciała oddziaływanie sił Van
der Waalsa w odległości 0,5�3 nm od powierzchni uwa\a się za nieistotne dla zjawiska adhezji.
Istnieją ciała, przy zetknięciu których nie obserwuje się zjawiska adhezji. Mimo podjętych prób
wyjaśnienia tego zagadnienia brak jest dotychczas przekonującego wyjaśnienia tego zjawiska.
Wprowadzenie pomiędzy współpracujące powierzchnie cienkiej warstwy cieczy zwil\ającej obie
powierzchnie wpływa na znaczne zwiększenie siły potrzebnej do rozdzielenia tych powierzchni
(zwiększenie sczepności), co tłumaczy się wzrostem rzeczywistej powierzchni styku.
Występowanie zjawiska adhezji pomiędzy stykającymi się powierzchniami ciał znajdującymi się w
ruchu względnym wpływa na wartość oporu przemieszczania względnego tych ciał w kierunku stycznym
do powierzchni styku.
W przypadku styku ciał metalicznych najwy\szą skłonność do adhezji wykazują czyste metale,
następnie stopy jednofazowe, a najni\szą stopy wielofazowe. Obecność warstwy tlenków na powierzchni
ciał metalicznych znacząco obni\a ich oddziaływanie adhezyjne (większość tlenków tworzy wiązania
jonowe), gdy\ tłumi fale elektrodynamiczne.
Zjawisko adhezji nabiera szczególnego znaczenia w przypadku tarcia tworzyw sztucznych o
gładkich i odpornych na oddziaływania mechaniczne powierzchniach, gdzie jest ono dominującym
skutkiem zbli\enia powierzchni i znacząco wpływa na opory tarcia.
Ścinanie połączeń czysto adhezyjnych powstałych przy styku ciał metalicznych, ze względu na
niewielkie siły przyciągania adhezyjnego w stosunku do sił kohezji wewnątrz metalu, występuje na
granicy rozdziału metali.
W przypadku połączeń adhezyjnych pomiędzy współpracującą parą: metal - tworzywo sztuczne
zerwanie połączenia adhezyjnego w zale\ności od rodzaju materiałów, stanu ich powierzchni i warunków
styku mo\e wystąpić w następujących obszarach:
" na granicy pierwotnego rozdziału faz: metal - tworzywo,
" w obszarze tworzywa (oderwanie mikroelementów tworzywa przyklejonych" do metalu),
" w obszarze metalu.
Zjawisku adhezji zachodzącemu pomiędzy metalem a tworzywem sztucznym towarzyszą równie\
inne zjawiska fizykochemiczne wpływające na adhezję.
Na zakończenie powy\szych rozwa\ań mo\na stwierdzić, \e na wartość przyciągania adhezyjnego
wpływa budowa stykających się ciał, natura sił powierzchniowych, własności mechaniczne powierzchni,
rodzaj styku, struktura geometryczna powierzchni, obcią\enie styku oraz występowanie (lub nie) i rodzaj
błonek powierzchniowych utworzonych przez zaadsorbowane z otoczenia cząsteczki gazów, cieczy,
drobiny ciał stałych.
2.1.6.3. Sczepianie
Sczepianiem nazywa się proces trwałego bezdyfuzyjnego połączenia stykających się
mikroobszarów powierzchni współpracujących w warunkach tarcia ciał na pierwotnej granicy ich
rozdziału w wyniku wiązania chemicznego. Dla ciał metalicznych sczepianie następuje w skutek
wiązania metalicznego.
Dającą się wyodrębnić, np. na podstawie kryterium struktury materiału, stanu materiału, itd.,
objętość materiału powstałą w procesie sczepiania mikroobszarów powierzchni współpracujących ciał w
miejscu ich pierwotnej granicy rozdziału nazywa się sczepem.
Poniewa\ proces sczepiania jest procesem bezdyfuzyjnym, to zachodzi on w temperaturze ni\szej
od temperatury wyraznej dyfuzji pomiędzy stykającymi się ciałami. Sczepianie nie zale\y od czasu.
Proces sczepiania, ze względu na swoją istotę, mo\e zachodzić tylko w określonych warunkach. Dla
ciał metalicznych warunkami tymi są: czysta metaliczna powierzchnia współpracujących ciał
(mikroobszarów), zbli\enie mikroobszarów powierzchni na odległość działania sił międzyatomowych
(zapewnienie czystego styku metalicznego) oraz pokonanie bariery fizycznej wiązania metalicznego
(dostarczenie niezbędnej energii). W normalnych warunkach współpracy elementów maszyn wymagania
te mogą być spełnione dzięki doprowadzeniu do powierzchni rozdziału ciał energii mechanicznej
(obcią\enie normalne, siła styczna, ruch względny ciał). Sczepianiu sprzyja równie\ energia
odkształcenia plastycznego warstwy wierzchniej oraz ciepło wydzielane w procesie tarcia.
Na powierzchni metalowych elementów maszyn ju\ na etapie wytwarzania tworzy się warstewka
tlenków, do której adsorbowane są cząsteczki z otoczenia tworząc błonkę adsorpcyjną. W związku z tym
proces powstawania sczepień ciał metalicznych mo\na przedstawić następująco: w pierwszej fazie
następuje usunięcie z obszaru styku zaadsorbowanych do metalu cząstek gazów, cieczy i zanieczyszczeń,
następnie usunięta zostaje warstwa tlenków. Tak przygotowane mikroobszary powierzchni
współpracujących ciał przy odpowiednim zbli\eniu i po pokonaniu bariery fizycznej wiązania
metalicznego ulegają sczepieniu.
Powstawanie sczepień, w sposób oczywisty, wpływa na opory względnego przemieszczania
stykających się ciał. Siły styczne potrzebne do ścięcia sczepień zale\ą od geometrii sczepień, wartości sił
wytworzonego wiązania oraz umocnienia materiałów.
Powstawanie sczepień, a następnie ich ścinanie jest jedną z przyczyn zu\ycia powierzchniowego
elementów maszyn. Z tego względu istotne są własności i właściwości sczepienia, a w szczególności jego
wytrzymałość mechaniczna. Wytrzymałość sczepienia zale\y od siły wiązania i defektów sieci
krystalicznej.
W przypadku łączenia się jednakowych metali sieć krystaliczna powstałego sczepienia jest
analogiczna do sieci metali pierwotnych, a więc wytrzymałość mechaniczna sczepiania w idealnych
warunkach, tzn. gdy nie powstają defekty w sieci krystalicznej, mo\e być równa wytrzymałości metalu.
Sieć krystaliczna sczepienia powstałego w wyniku połączenia odmiennych metali jest tzw. siecią
przejściową, którą tworzą ró\noimienne atomy obydwu metali. Wytrzymałość mechaniczna takiego
sczepienia zale\y w znacznej mierze od względnych cech strukturalnych obu połączonych metali. Siły
sieci przejściowej (siły wiązania między ró\noimiennymi atomami) są na ogół mniejsze od sił sieci
analogicznej, co tłumaczy mniejsze uszkodzenie powierzchni przy ścinaniu sczepień par odmiennych
metali ni\ par jednakowych metali. Na ogół wytrzymałość mechaniczna w sczepie jest ni\sza ni\
wytrzymałość połączonych metali. Wynika to m. in. z większej ilość defektów w sieci sczepiania ni\ w
sieciach łączących się obszarów materiałów pierwotnych. Ścięcie sczepienia występuje w jego
najsłabszym przekroju. Najsłabszy przekrój sczepienia występuje zwykle w miejscu pierwotnej granicy
rozdziału. Niekiedy sczepienie mo\e mieć wy\szą wytrzymałość mechaniczną ni\ łączone metale,
szczególnie w przypadku połączenia elementów o istotnie ró\niącej się wytrzymałości ich materiałów lub
w przypadku umocnienia materiału. Wówczas rozdzielenie elementów mo\e wystąpić na granicy
sczepienia i słabszego z metali lub w obrębie elementu o ni\szej wytrzymałości mechanicznej materiału,
czemu towarzyszy uszkodzenie powierzchni.
Zdolność metali (czystych powierzchni metalicznych) do sczepiania zale\y głównie od struktury
elektronowej ich atomów, rodzaju sieci przestrzennej i cech plastycznych. Wzrost temperatury, sprę\yste
odkształcenia sieci krystalicznej, defekty sieci krystalicznej oraz inne czynniki wpływające na
podwy\szenie energii sieci krystalicznej ułatwiają powstawanie sczepień.
Rozpatrując skłonność metali do sczepień nale\y brać pod uwagę materiały obu elementów
tworzących współpracującą parę, gdy\ np. pary materiałów, z których jednym jest stal, a drugim Ba, Ti,
Cr, Co, Ni, Mo, Cu, Al, Zn, Mg charakteryzują się znaczną skłonnością do sczepiania, natomiast pary:
stal i Sn, Sb, Bi, Cd, Pb, In wykazują niewielką skłonność do sczepiania. Na du\ą skłonność pary metali
do sczepiania wpływa du\y stopień podobieństwa ich układów krystalograficznych i zbli\one wartości
stałych sieciowych. Warstewka tlenków tworząca się na powierzchni ciał metalicznych stanowi naturalną
barierę zapobiegającą sczepianiu się stykających się metali. Odporność warstewki tlenkowej na usunięcie
z obszaru styku stanowi o skłonności metali do połączeń tarciowych. Odporność warstewki tlenkowej na
usunięcie z obszaru styku zale\y od jej własności mechanicznych, grubości i spójności z materiałem.
Skłonność metali do wzajemnego sczepiania mierzy się stopniem niezbędnego w tym celu odkształcenia
plastycznego przy danym schemacie obcią\enia.
2.1.6.4. Zrastanie tarciowe
Zjawisko polegające na trwałym połączeniu stykających się mikroobszarów powierzchni
współpracujących w warunkach tarcia ciał w wyniku dyfuzji atomów przynajmniej jednego ciała przez
pierwotną granicę rozdziału ciał nazywa się zrastaniem tarciowym. Zrastanie tarciowe występuje przy
du\ych odkształceniach plastycznych i wysokiej temperaturze mikroobszarów powierzchni
współpracujących ciał. Dającą się wyodrębnić (np. na podstawie kryterium struktury materiału, stanu
materiału, składu chemicznego, itd.) objętość materiału powstałą w procesie zrastania tarciowego
mikroobszarów powierzchni współpracujących ciał w miejscu ich pierwotnej granicy rozdziału nazywa
się zrostem.
W przeciwieństwie do sczepiania zrastanie tarciowe zachodzi w temperaturze wy\szej od
temperatury początku szybkiej dyfuzji metalu łatwiej dyfundującego (konieczność dyfuzji atomów przez
granicę rozdziału) i zale\y od czasu (wpływ czasu na proces dyfuzji).
W przypadku ciał metalicznych, tak jak w przypadku sczepienia do powstania zrostu niezbędny jest
czysty metaliczny styk mikroobszarów powierzchni współpracujących ciał. Natomiast w przeciwieństwie
do sczepiania, aby wystąpiło zjawisko zrastania, temperatura mikroobszarów styku musi być
odpowiednio wysoka (wy\sza od temperatury początku szybkiej dyfuzji). Wzrost temperatury
mikroobszarów styku mo\e być spowodowany tarciem stykających się mikroobszarów powierzchni ciał
będących w ruchu względnym w warunkach obcią\enia normalnego.
W zale\ności od temperatury mikroobszarów styku zrastanie tarciowe mo\e wystąpić w stanie
stałym metali lub w stanie ciekłym (w mikroobszarze styku) jednego albo obu metali. Zrastanie w stanie
stałym obu metali mo\e wystąpić w następującym zakresie temperatur obszaru styku: od temperatury
wy\szej, od temperatury początku szybkiej dyfuzji materiału łatwiej dyfundującego do ni\szej z
temperatur topnienia stykających się metali. Dyfuzja atomów przez granicę rozdziału faz w obszarze
styku jest przyczyną zaniku pierwotnej granicy rozdziału stykających się metali i powstania w tym
obszarze zrostu o odmiennej w stosunku do obu metali budowie (styk ró\nych metali) i stanie materiału.
Je\eli temperatura w obszarze styku nale\y do zakresu, w którym dla określonej pary materiałów
występuje nadtopnienie jednego z kontaktujących się metali, zrastanie tarciowe polega na wzajemnej
dyfuzji i rozpuszczeniu metalu stałego w ciekłym i przeciwnie, albo na dyfuzji i rozpuszczeniu jedynie
ciekłego metalu w stałym. Gdy temperatura w obszarze styku jest na tyle wysoka, \e występuje
nadtopnienie obu kontaktujących się metali, zrastanie polega na powstaniu roztworu ciekłego obu metali,
z którego następnie wykrystalizowuje stop, przy czym procesowi temu mo\e towarzyszyć dyfuzja
atomów przez granicę fazy ciekłej i stałej.
Skłonność do zrastania materiałów współpracujących elementów maszyn zale\y głównie od ich
rozpuszczalności oraz szybkości dyfuzji lub samodyfuzji w stanie stałym. Pary metali wzajemnie
rozpuszczalnych i tworzących roztwory stałe charakteryzują się du\ą skłonnością do zrastania
tarciowego, a powstałe zrosty posiadają wysoką wytrzymałość mechaniczną - na ogół wy\szą od
wytrzymałości pierwotnych metali.
Ścięcie połączenia tarciowego w wyniku ruchu względnego współpracujących ciał, w zale\ności od
wytrzymałości zrostu, mo\e wystąpić w:
" obszarze zrostu, gdy wytrzymałość zrostu jest ni\sza ni\ wytrzymałość metali pierwotnych,
a w szczególnym przypadku w miejscu pierwotnej granicy rozdziału,
" obszarze metalu pierwotnego o ni\szej wytrzymałości, gdy wytrzymałość zrostu jest wy\sza
ni\ wytrzymałość przynajmniej jednego z metali współpracujących elementów.
Ścięcie połączenia w obszarze zrostu występuje na ogół w przypadku par metali tworzących fazy
międzymetaliczne, gdy\ są to struktury stosunkowo kruche i łatwo ulegają zniszczeniu w procesie tarcia.
Ścięcie połączenia w obszarze zrostu występuje równie\ w przypadku nadtopnienia obu pierwotnych
metali, gdy w chwili względnego przesunięcia ciał nie wystąpiło dostateczne obni\enie temperatury
zrostu lub zrost znajduje się w stanie ciekłym. Dla danej pary materiałów jest to uzale\nione głównie od
warunków tarcia. Ścięcie połączenia w obszarze materiału pierwotnego występuje na ogół w przypadku
par metali tworzących roztwory stałe oraz gdy ścięcie następuje zanim sczepienie wykrystalizuje, je\eli
tylko jeden z metali tworzących współpracującą parę uległ nadtopieniu - ścięcie połączenia w obszarze
nadtopionego metalu.
2.1.6.5. Wzajemne mechaniczne oddziaływanie mikronierówności powierzchni stykających się ciał
będących w ruchu względnym
Je\eli występuje przemieszczenie stykających się ciał, w warunkach obcią\enia normalnego do
powierzchni styku, nierówności powierzchni tych ciał wzajemnie mechaniczne na siebie oddziałują.
Charakter tego oddziaływania oraz jego skutki zale\ą w głównej mierze od:
" rodzaju i stanu materiału warstwy wierzchniej obu stykających się ciał,
" struktury geometrycznej współpracujących powierzchni (geometrii oddziałujących
mikronierówności),
" warunków, w jakich zachodzi współpraca tych powierzchni (wartość obcią\enia
normalnego, prędkość względnego przemieszczania ciał, temperatura, itd.).
Dla celów poglądowych oraz dydaktycznych przyjęto pewien model elementarnych mechanicznych
oddziaływań pomiędzy mikronierównościami współpracujących powierzchni, który stanowi znaczne
uproszczenie całokształtu oddziaływań mechanicznych zachodzących pomiędzy powierzchniami
rzeczywistych materiałów elementów maszyn współpracujących w rzeczywistych warunkach
eksploatacji. Przy omawianiu tych oddziaływań nie uwzględniono innych rodzajów oddziaływań
fizykochemicznych zachodzących w strefie styku, a w szczególności oddziaływań molekularnych.
Do elementarnych rodzajów oddziaływań mechanicznych zachodzących pomiędzy
mikronierównościami współpracujących powierzchni nale\ą: czysto sprę\yste odkształcenia nierówności,
plastyczne odkształcenia nierówności, ścięcie (oderwanie) nierówności.
Odkształcenie sprę\yste nierówności - rys. 2.25 - zachodzi w przypadku współpracy materiałów
sprę\ystych (idealnie sprę\ystych), je\eli obcią\enie styku jest takie, \e powstałe w jego wyniku
naprę\enia w \adnym przekroju nierówności nie przekraczają granicy sprę\ystości. Po zaniku kontaktu
fizycznego miedzy nierównościami, np. w wyniku przemieszczenia w kierunku stycznym do powierzchni
styku, stan nierówności jest taki, jaki był przed rozpoczęciem oddziaływania (następuje powrót do tego
stanu). Nale\y tutaj zaznaczyć, \e o ile pojedyncze - o małej liczbie cykli z punktu widzenia zmęczenia
materiału - odkształcenie sprę\yste nierówności nie wpływa na stan powierzchni, to wielokrotny cykl:
nawiązanie połączenia - zerwanie połączenia (naprę\enie - brak naprę\enia) mo\e doprowadzić do
zmęczenia materiału i oderwania nierówności.
a) b) c) d)
Rys. 2.25. Schemat odkształcenia sprę\ystego wzajemnie oddziałujących nierówności powierzchni
współpracujących elementów:
przed nawiązaniem styku,
nawiązanie styku,
styk,
zerwanie styku.
Odkształcenie plastyczne nierówności (jednej lub obu wzajemnie oddziałujących) - rys. 2.26 -
zachodzi w przypadku współpracy elementów wykonanych z materiałów charakteryzujących się
zdolnością do odkształceń plastycznych (jednego lub obu), je\eli naprę\enia w przekrojach nierówności
przekraczają granicę plastyczności, a nie przekraczają wytrzymałości materiału. W zale\ności od wartości
granicy plastyczności obu stykających się materiałów i wartości naprę\eń w przekrojach nierówności
odkształceniom plastycznym mo\e podlegać jedna lub obie nierówności. Na skutek wzajemnego
zahaczania nierówności następuje spłaszczenie nierówności (jednej lub obu) w wyniku płynięcia
materiału w kierunku ruchu względnego stykających się ciał.
a) b) c) d)
Rys. 2.26. Schemat odkształcenia plastycznego wzajemnie oddziałujących nierówności powierzchni
współpracujących elementów:
a) przed nawiązaniem styku,
b) nawiązanie styku,
c) styk,
d) zerwanie styku.
Je\eli naprę\enia w dowolnym z przekrojów nierówności przekroczą wytrzymałość jej materiału, to
w zale\ności od charakteru obcią\enia nastąpi ścięcie nierówności lub jej oderwanie od warstwy
wierzchniej - rys. 2.27. Je\eli siła potrzebna do ścięcia nierówności jest mniejsza od siły potrzebnej do
odkształcenia lub oderwania nierówności, to nastąpi ścięcie nierówności, a w przeciwnym razie nastąpi
odpowiednio jej odkształcenie lub oderwanie. Oderwanie nierówności, w wyniku działania momentu
gnącego, w szczególnych przypadkach mo\e wystąpić nie w przekroju nale\ącym do nierówności, a w
przekroju le\ącym poni\ej jej podstawy. Ma to miejsce wówczas, gdy na skutek np. zgniotu,
oddziaływania temperatury, błędów struktury i innych zjawisk zachodzących w procesie tarcia, własności
mechaniczne materiału nierówności ró\nią się znacznie od własności materiału podło\a, tzn. gdy
wytrzymałość mechaniczna materiału nierówności jest wy\sza ni\ materiału podło\a.
a)
b)
Rys. 2.27. Schemat ścięcia (a) i oderwania (b) wzajemnie oddziałujących nierówności powierzchni
współpracujących elementów
Rozpatrując powy\sze modele elementarnych oddziaływań pomiędzy nierównościami powierzchni
współpracujących ciał nale\y uwzględnić wpływ wielu czynników na ostateczną postać oddziaływania.
Czynnikami takimi są m. in.: temperatura i jej zmiany w obszarze styku, geometria nierówności, rodzaj i
stan materiału nierówności, rozkład naprę\eń, charakter obcią\enia, zmiany stopnia umocnienia materiału
w wyniku odkształceń plastycznych, itp. Oddziaływania te mają charakter dynamiczny.
Oddziaływania mechaniczne zachodzące pomiędzy nierównościami powierzchni współpracujących
elementów maszyn wpływają na wartość oporu przemieszczania względnego (w kierunku stycznym do
powierzchni styku), stan oraz mikrogeometrię warstwy wierzchniej oraz na procesy zu\ycia warstwy
wierzchniej tych elementów.
Skutki oddziaływań mechanicznych zachodzących pomiędzy nierównościami powierzchni
współpracujących ciał mogą prowadzić w zale\ności od ich charakteru i intensywności do wygładzenia
powierzchni i umocnienia warstwy wierzchniej współpracujących ciał (stabilizacja, dotarcie węzła
ciernego) lub je\eli przybiorą charakter patologiczny do szybkiego wzrostu chropowatości powierzchni i
niszczenia warstwy wierzchniej.
Rozpatrując, z punktu widzenia zu\ycia powierzchni, skutki oddziaływania mechanicznego
pomiędzy nierównościami powierzchni współpracujących elementów lub pomiędzy nierównościami
powierzchni i luznymi lub utwierdzonymi cząstkami innych (lub tych samych) materiałów znajdujących
się w obszarze kontaktu (produkty zu\ycia, zanieczyszczenia, itp.) wyró\nia się następujące zjawiska:
bruzdowanie, rysowanie i mikroskrawanie. Przyjęto, \e kryterium klasyfikacji tych zjawisk jest stosunek
przekrojów poprzecznych zagłębienia bruzdy S2 i przekrojów spęczenia materiału wokół bruzdy S1 - rys.
S1
2.28. I tak, je\eli = 1, to występuje zjawisko bruzdowania charakteryzujące się tym, \e nie występuje
S2
S1
oddzielenie materiału, a tylko jego odkształcenia plastyczne. Je\eli = 0 , to występuje zjawisko
S2
mikroskrawania; oddzieleniu materiałów w postaci drobnych wiórków nie towarzyszy spęczenie
S1
materiału w kierunku prostopadłym do kierunku względnego przemieszczenia ciał. Je\eli 0 < < l, to
S2
występuje zjawisko rysowania powierzchni: materiał jest częściowo oddzielony w wyniku wykrywania, a
częściowo odsuwany na boki.
Rys. 2.28. Kryterium klasyfikacji zjawisk powodujących zu\ycie powierzchni w wyniku oddziaływań
mechanicznych pomiędzy nierównościami powierzchni.
az - głębokość bruzdy,
m-m - poziom odniesienia

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
A Judkowiak, B Zaleska Wybrane zagadnienia dotyczące ryzyka w audycie wewnętrznym
Wybrane zagadnienia z wodociągów wykład 4 1 1 (1)
Wyjaśnienia dotyczące wybranych zagadnień(1)
Wykład 24 Patologia wątroby wybrane zagadnienia
MES METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH W WYBRANYCH ZAGADNIENIACH MECHANIKI KONSTRUKCJI INŻYNIERSKICH
I Wybrane zagadnienia Internetu SLAJDY [tryb zgodności]
3 Standardy urbanistyczne dla terenow mieszkaniowych wybrane zagadnienia
Analizowanie wybranych zagadnień prawa materialnego
Eneida wybrane zagadnienia

więcej podobnych podstron