Глава 4 Мoделирoвание трения и изнocа в нанoшкале
4.1. Введение в нанoтрибoлoгию
Сocтoяние пoверхнocти имеет крайне важнoе значение для функциoнирoвания машин, прибoрoв, конcтрукций. В индуcтриально развитых cтранах потери на трение и изноc cоcтавляют 1...2 % от валового национального продукта. Около 30 % вырабатываемой энергии тратитcя на преодоление трения.
Начальные знания о контактном взаимодейcтвии, трении, изноcе, cмазке зародилиcь в глубокой древноcти в процеccе cоздания орудий труда, обуcтройcтва жилища, перемещения тяжестей, дробления и размалывания минералов, продуктов питания и др. В эпоху палеолита люди научились получать огонь трением, а во времена правления фараонов — снижать трение в подшипниках колесниц посредством смазки.
Первые целенаправленные опыты по изучению трения были поставлены в конце XV века универсальным гением Возрождения Леонардо да Винчи. Он обнаружил, что сила трения прямо пропорциональна нормальной нагрузке, прижимающей одно тело к другому, и не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. Она уменьшается при введении жидкостной смазки или тел качения между трущимися поверхностями.
Заметим, что эти наблюдения, опередившие свое время, были сделаны за два века до того, как Исаак Ньютон дал ясное определение силы.
В 1699 г. француз Гильом Амонтон, ничего не знавший об опытах Леонардо, "переоткрыл" эти законы и объяснил их наличием небольших неровностей (выступов) на контактирующих поверхностях. Согласно гипотезе Г. Амонтона, сила трения возникает в результате деформации этих выступов в процессе скольжения (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Схема взаимодействия двух микрошероховатых поверхностей твердых тел. Темной заливкой обозначены области высоких контактных напряжений и деформаций, кратковременно возникающих при скольжении одного тела по поверхности другого. Для наглядности масштаб по вертикали принят существенно большим, чем по горизонтали (что общепринято в изображении профиля негладких реальных поверхностей)
Несколькими годами позже англичанин Дж. Дезагюлье в качестве одной из причин сухого трения предложил считать прилипание (адгезию) контактирующих тел. Обобщил и развил эти представления в 1785 г. Шарль Кулон, которого традиционно считают основоположником учения о трении. С тех пор количественную связь между силой трения Ff-и нормальной силой прижатия FN обычно записывают через коэффициент статическогоFs или кинетическогоFk трения соответственно:
Начальные знания о контактном взаимодейcтвии, трении, изноcе, cмазке зародилиcь в глубокой древноcти в процеccе cоздания орудий труда, обуcтройcтва жилища, перемещения тяжестей, дробления и размалывания минералов, продуктов питания и др. В эпоху палеолита люди научились получать огонь трением, а во времена правления фараонов — снижать трение в подшипниках колесниц посредством смазки.
Первые целенаправленные опыты по изучению трения были поставлены в конце XV века универсальным гением Возрождения Леонардо да Винчи. Он обнаружил, что сила трения прямо пропорциональна нормальной нагрузке, прижимающей одно тело к другому, и не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. Она уменьшается при введении жидкостной смазки или тел качения между трущимися поверхностями.
Заметим, что эти наблюдения, опередившие свое время, были сделаны за два века до того, как Исаак Ньютон дал ясное определение силы.
В 1699 г. француз Гильом Амонтон, ничего не знавший об опытах Леонардо, "переоткрыл" эти законы и объяснил их наличием небольших неровностей (выступов) на контактирующих поверхностях. Согласно гипотезе Г. Амонтона, сила трения возникает в результате деформации этих выступов в процессе скольжения (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Схема взаимодействия двух микрошероховатых поверхностей твердых тел. Темной заливкой обозначены области высоких контактных напряжений и деформаций, кратковременно возникающих при скольжении одного тела по поверхности другого. Для наглядности масштаб по вертикали принят существенно большим, чем по горизонтали (что общепринято в изображении профиля негладких реальных поверхностей)
Несколькими годами позже англичанин Дж. Дезагюлье в качестве одной из причин сухого трения предложил считать прилипание (адгезию) контактирующих тел. Обобщил и развил эти представления в 1785 г. Шарль Кулон, которого традиционно считают основоположником учения о трении. С тех пор количественную связь между силой трения Ff-и нормальной силой прижатия FN обычно записывают через коэффициент статическогоFs или кинетическогоFk трения соответственно:
Несколькими годами позже англичанин Дж. Дезагюлье в качестве одной из причин сухого трения предложил считать прилипание (адгезию) контактирующих тел. Обобщил и развил эти представления в 1785 г. Шарль Кулон, которого традиционно считают основоположником учения о трении. С тех пор количественную связь между силой трения Ff и нормальной силой прижатия FN обычно записывают через коэффициент статического Fs или кинетического Fk трения соответственно:
Если в модели не учитывают различий между статическим и кинетическим трением, то используют аналогичное соотношение без индексов s и к.
Таким образом, к концу XVIII века были высказаны все основные идеи и найдены эмпирические соотношения, на базе которых построены современные теории сухого трения. Они сводятся к тому, что реальная контактная поверхность в паре трения намного меньше кажущейся (типично в 10... 104 раз), а локальное давление в дискретных пятнах контакта, соответственно, во столько же раз выше среднего. Определяющее влияние на силу трения оказывают механизмы деформации и разрушения контактирующих выступов, а также характер и сила атомно-молекулярного взаимодействия на границе между ними.
В дальнейшем эти основополагающие представления о ведущей роли микроконтактов, их деформации и адгезии были многократно подтверждены и развивались многими специалистами (Г. Герцем, У. Харди, Г. Томпсоном, Б. Деряганым, Ф. Боуденом, Д. Тейбором, К. Джонсоном, М. Хрущевым, В. Виноградовым, И. Крагельеким, Д. Конвисаровым, А. Чичинадзе и др.) [4.1—4.12]. Более детальное изложение истории развития классической науки о трении можно найти в работах [4.2, 4.3].
Трение и износ - не чисто механические процессы. В ряде случаев большую роль в их механизмах играют химические, тепловые, электромагнитные явления. На физико-химические аспекты трибологии обращается большое внимание [4.4—4.9].
Остановимся подробнее на роли микроконтактного и адгезионного взаимодействия в формировании сил трения. Теория единичного упругого контакта двух тел была развита Г. Герцем и Буссинеском в конце XIX века (некоторые ее элементы изложены в гл. 2). Она позволяет в приближении малых упругих деформаций определить площадь контактного пятна и давление в нем в функции от приложенной нормальной силы, геометрии контактирующих тел, их модулей Юнга и коэффициентов Пуассона (см., например, работы [4.10-4.12]). Однако в случае контакта реальных микрошероховатых поверхностей сила, действующая на отдельный выступ, неизвестна, а сами выступы могут деформироваться не только упруго, но и пластически, срезаться, скалываться и т.п. Поэтому после появления пионерской работыГринвуда и Вильямсона [4.13] начали развиваться статистические теории множественных случайных контактов микрошероховатых поверхностей.
Рис, 4.2. Молекулярные силы, действующие в микроконтакте, согласно моделям JKR (а) и DMT (б)
По мере уменьшения размеров реальных контактных площадок все большую роль начинают играть силы адгезии (рис. 4,2). В модели, предложенной К, Джонсоном и др. [4.14] (далее JKR), предполагается, что молекулярные силы притяжения действуют только на контактных площадках и вызывают их дополнительную (по отношению к герцевской) деформацию, а за их пределами равны нулю. Напротив, в модели Б. Дерягана и др. [4.15] (далее DMT) учитываются только силы притяжения микрошероховатых тел за пределами зон локального контакта. Опыт показывает, что первая из них лучше описывает ситуацию в мягких материалах, а вторая — в жестких.
Позже были созданы модели, объединяющие оба эти подхода и позволяющие учитывать вклад адгезии как в процессы в пятне контакта, так и за его пределами [4.16, 4.17], Влияние шероховатости на величину адгезии исследовано в работе [4.18].
Синтетические подходы, учитывающие одновременно адгезию и упруго-пластическую деформацию верхушек микрошероховатостей [4.19-4.23], дают возможность рассчитывать коэффициент трения при различных сочетаниях характеристик трибопары, а затем сравнивать / с экспериментально измеренными величинами.
Другой важный аспект подобных задач — определение контактной жесткости S в функции от размеров и формы неровностей на контактирующих поверхностях и приложенной силы. Величина S играет важную роль в функционировании МЭМС/НЭМС, изделий приборостроения, станкостроения и др. Кроме того, из нее можно извлечь данные о геометрии неровностей, модуле Юнга и др.
Адгезия, пластическая деформация и разрушение микровыступов определяют характеристики внешнего трения и износа поверхностей реальных твердых тел. До некоторых пор они изучались различными дисциплинами. Однако к середине прошлого века разрозненные теории переросли в муль тидисциплинарную деятельность, которая получила название "трибология". По-видимому, впервые этот термин употребил в 1966 г. проф. Джост (Н.Р. Jost) из Великобритании. Он составлен из двух греческих корней, означающих "истирание" и "знание", что, конечно, не охватывает весь спектр проблематики этой области.Задачи трибологии не сводятся лишь к выяснению причин и закономерностей уноса массы с трущихся поверхностей. Уже во времена введения термина "трибология" под ним понимали науку о сухом трении, различных режимах смазки трущихся поверхностей, их износе и связанных с ними вторичных физико-химических явлениях. В современном понимании трибология охватывает большой комплекс проблем: начиная от фундаментальных механизмов адгезии и диссипации энергии в контакте на атомно-электронном уровне до технико-экономических, экологических и даже социальных аспектов.
Наука о трении, смазке и износе практически до конца прошлого века была, скорее, уделом инженеров и технологов, чем физиков. Несмотря на то что на начальном этапе изучения сухого трения было ясно, что оно обусловлено главным образом кратковременным взаимодействием микровыступов на контактирующих поверхностях, основной подход был макроскопическим. При этом использовали эффективные характеристики, усредненные по всей кажущейся поверхности контакта: нормальное давление, коэффициент трения, температуру контактирующих поверхностей, скорость уноса массы с единицы поверхности и т.п.
Развитие физических методов исследования тонких приповерхностных слоев (особенно электронной и атомно-силовой микроскопии, локальной спектроскопии и микроанализа, наноиндентирования и др.) позволило перейти к изучению трения, смазки и износа на уровне элементарных событий в динамических наноконтактах.
Стремление к выяснению природы трибологических явлений на все более глубоком уровне привело к рассмотрению их в наношкале, на атомно-молекулярном и спин-электронном уровнях. В результате наиболее фундаментальная часть этой науки выделилась в отдельную дисциплину — нанотрибологию. Реально это комплексная междисциплинарная сфера научно-практической деятельности. Ее основная задача - понять механизм трения, смазки и износа, что называется, "из первых принципов", используя современные физические представления об атомно-молекулярной и электронной структурах границ раздела контактирующих тел и фундаментальные физические теории.
Принципиальные пункты такого рассмотрения — выяснение причин размерных эффектов (сильного изменения всех свойств контактов при уменьшении их размеров в субмикрометровую область) и их целенаправленное использование для улучшения служебных свойств, например вплоть до полного исключения трения (режима скольжения без диссипации энергии, подобного сверхтекучести или сверхпроводимости).
В связи со стремительным развитием нанотехнологий, уменьшением размеров отдельных элементов и компонентов микросистемной техники это приобретает важнейшее значение.Другая практически важная цель нанотрибологии — перебросить мост между фундаментальными механизмами контактного взаимодействия и техническим описанием трения, смазки и износа, связав все масштабно-иерархические уровни структуры: электронно-атомарный, нано-, микро- и макро-.
Наконец, уже существующая и проектируемая нанотехника требует применения новых знаний о трибологических процессах при разработке и эксплуатации сенсоров, актуаторов, двигателей, устройств записи и хранения информации, МЭМС/НЭМС, микроробототехники и др. с компонентами субмикрометровых размеров. К ним можно добавить сверхкомпактные беспилотные авиационные и космические аппараты, в которых трибопары и смазки работают в экстремальных условиях: при высоких и низких температурах, в вакууме, при интенсивном облучении и т.п.
Осознание того факта, что кажущаяся площадь всегда намного больше физической площади реально взаимодействующих микровыступов, привело к необходимости изучения элементарных актов, сопровождающих скольжение одной микрошероховатой поверхности по другой: возникновения и разрыва наноконтактов. Ряд достижений науки и техники высокоразрешающих измерений последних десятилетий (в первую очередь растровая электронная и сканирующая зондовая микроскопия, наноиндентирование, рентгеновский микроанализ, микрорамановская спектроскопия и др.) позволил систематически и с различных позиций приступить к освоению наномасштаб-ных явлений в трибологии.
В 2001 г. стартовала общеевропейская программа исследований в этой области — NATRIBO. Одна из приоритетных задач этой программы — соединить усилия теоретиков и экспериментаторов с целью изучения быстропро-текающих физико-химических процессов в короткоживущих наноконтак-тах, образующихся при скольжении одного микрошероховатого тела по другому.
Из большого массива накопленных данных вытекает, что адгезия, пластическая деформация и разрушение в микроконтактах при разных видах контактного взаимодействия (рис. 4.3) подвержены сильному влиянию размерных факторов. Феноменология и возможные причины размерных эффектов при локальном деформировании сосредоточенной нагрузкой в процессе индентирования рассмотрены в гл. 2 и 3. В физике подобные проявления сильного влияния абсолютных размеров и формы объекта на его поведение и свойства принято называть размерными эффектами (РЭ). Рассмотрим их немного подробнее применительно к задачам трения и износа.
Модель Гринвуда и Вильямсона [4.13] в первом приближении предсказывает линейную связь между реальной контактной площадью и нормальной силой Fn и латеральные напряжения сдвига ту, не зависящие от нормальнойсилы. Следовательно, сила трения Ff должна быть пропорциональна Fn, а f = const независимо от степени шероховатости поверхности.
Однако в действительности при изменении размеров неровностей на порадки величин возникает значительный размерный эффект. Так, в работах [4.24, 4.25] установлено, что переход от измерений аппаратом поверхностных сил, в котором типичный радиус площадки составляет ~100 мкм, к исследованиям трения в атомно-силовом микроскопе, у которого радиус закругления зонда в вершине ~10 нм, приводит к росту X/ больше, чем на порядок величины.
Другим проявлением размерных эффектов в нанотрибологии можно считать уменьшение локальных перегревов, вызванных релаксацией упругой энергии в соприкасающихся на-новыступах. Действительно, при прочих равных условиях скорость тепловыделения при пластической деформации q ~ dе/dt ~ v/R, а скорость понижения температуры вследствие теплопроводности — дТ/dt ~ x/R2 (здесь v — линейная скорость относительного смещения поверхностей; х — коэффициент температуропроводности материала; R — характерный размер задачи).Другими словами, теплоотвод из локально сдеформированных областей в окружающий холодный объем материала улучшается по мере уменьшения размеров шероховатости как 1/R. В результате амплитуда температурных вспышек в пластически деформируемых выступах снижается при уменьшении R.
Эта же закономерность помогает электрическим микро-/наноконтактам легко выдерживать плотность тока до 1010 А/см2, при которой массивные проводники мгновенно испарились бы. Уменьшение размеров поперечника в наноконтакте до нескольких десятков нанометров вызывает квантовые размерные эффекты в проводимости, в результате чего вольт-амперные характеристики контакта перестают быть линейными и даже монотонно нарастающими при увеличении поданного напряжения.
Рис. 4.3. Примеры возникновения динамических наноконтактов при абразивном (а) и эрозионном (б) износе; помоле в шаровой (в) и струйной (г) мельницах. Затемнены области высоких локальных напряжений и деформаций: v — скорость
При малых зазорах между близко расположенными выступами (R < 1 нм) между ними даже в вакууме начинает протекать электрический ток, называемый туннельным. Это явление, предсказанное в 20-е годы XX века российским физиком Г. Гамовым, используется в сканирующих туннельных микроскопах, широко применяемых для изучения топологии и физических свойств поверхности с атомным разрешением.
Примеры радикального изменения физических условий в окрестности контактирующих микровыступов по мере уменьшения их размеров можно множить и далее. Однако и приведенных выше достаточно, чтобы иметь основание отнести описанные выше ситуации и закономерности к сфере, подведомственной нанонауке и нанотехнологии.
Ввиду отсутствия автомодельности (физического подобия) при уменьшении размеров объекта от макро- до атомных, процессы на наноуровне не могут быть спрогнозированы путем простой экстраполяции данных макроопытов на гораздо более мелкий масштаб. Множество теоретических соображений и экспериментальных данных свидетельствует о радикальном различии в поведении макро- и наноконтактов, что требует систематического исследования последних.
4.2. Сухое трение в атомной шкале
На ряде материалов (чистых монокристаллических металлах, ионных кристаллах, пиролитическом графите, MoS2 и др.) достигнуто атомное разрешение в регистрации сил трения при движении иглы атомно-силового микроскопа (в режиме регистрации латеральных сил) вдоль поверхности (рис. 4.4 и 4.5) [4.26, 4.27].
Рис. 4.4. Топография (в) и вариации латеральной силы (б) на поверхности высокоориентированного пиролитического графита, часто используемого для контроля достижения истинного атомного разрешения в атомно-силовой микроскопии. Справа показан результат совмещения двух первых карт. Заметно некоторое смещение максимума силы от центров атомов углерода в направлении сканирования [4.27]
Из типичных графиков изменения латеральной силы в процессе сканирования (рис. 4.6) видно, что сила взаимодействия кончика зонда с поверхностью модулируется с периодичностью решетки. Число атомов в вершине зонда, взаимодействующих с исследуемой поверхностью, в точности неизвестно, однако, исходя из амплитуды латеральной силы, следует, что оно <10.
Для некоторых условий сканирования можно добиться полной обратимости движения и равенства нулю средней величины силы трения (рис. 4.6, а). Однако это возможно лишь в очень специфической ситуации, когда силы притяжения (адгезии) компенсированы приложением к зонду равной силы обратного знака (т.е. силы, отрывающей зонд от поверхности). Если сила, приложенная к зонду, направлена к поверхности образца, латеральная сила перестает быть равной нулю (в среднем), появляются нестабильности вдвижении (типа stick-slip, т.е. "прилип-соскользнул") и гистерезис на кривых сканирования (рис, 4.6, б). Основная причина диссипации энергии как раз и объясняется сильной неравномерностью движения отдельных атомов, принадлежащих двум контактирующим поверхностям.
Рис. 4.6. Трение на поверхности монокристалла NaClв атомной шкале: а - малая нормальная сила - почти полностью обратимый процесс; б- большая нормальная сила - гистерезис при смене направления скольжения, который отражает диссипацию энергии. Период осцилляций латеральной силы FL совпадает с периодом кристаллической решетки [4.27]
Чтобы избавиться от "залипания" и последующих скачков, было предложено "рассогласовать" кристаллографические направления во взаимодействующих слоях и, тем самым, исключить скачкообразность движения. Совсем недавно (в 2004 г.) удалось реализовать такой режим в специально сконструированном атомно-силовом микроскопе. Путем поворота чешуйки графита, захваченной зондом, можно подобрать такие ее разориентации по отношению к поверхности графитового образца, которые приводят к исчезновению скачков и диссипации энергии. Такое взаимодействие и режим скольжения называют структурной смазкой, или сверхсмазкой (по аналогии со сверхпроводимостью, или сверхтекучестью).
Попытаемся согласовать эти результаты с закономерностями трения в макрошкале. Напомним, что со времен Леонардо да Винчи считается, что в первом приближении сила трения не зависит от площади контакта и растет пропорционально нормальной силе (закон Амонтона). Качественно независимость силы трения от площади макроконтакта Боуден и Тейбор предложили объяснить тем, что реальная (физическая) площадь контакта намного меньше кажущейся, поскольку взаимодействуют лишь выступы и неровности на обеих поверхностях (см. рис. 4.1). По мере роста нормальной силы эта реальная площадь контакта возрастает (хотя и нелинейно в общем случае), в результате чего повышается и сила трения.
Рис. 4.7. Типичная зависимость силы трения от приложенной нагрузки для различных режимов скольжения [4.27]
Как же связать результаты исследования атомного трения с макроскопическим? Из рис. 4.6 видно, что с ростом нормальной нагрузки увеличивается гистерезис и, соответственно, диссипация энергии, что согласуется с повышением макроскопической силы трения. Абсолютные значения латеральной силы при атомном трении остаются, тем не менее, значительно более низкими, чем при микроскопическом (неатомном) трении (рис. 4.7), а коэффициенты трения могут отличаться более чем на порядок величины (табл. 4.1). Кроме того, макротрение подвержено большому влиянию сил адгезии. Добавим, что последние весьма зависят от состава окружающей среды.
4.1. Коэффициенты трения для трех материалов при микро-и наномасштабных испытаниях [4.27]
|
|
Средняя |
Коэффициент трения | |
|
Материал |
квадратическая высота неровностей, нм |
при испытаниях | |
|
зондом из Si3N4, R = 50 нм |
шариком из Si3N4, R= 3 мм | ||
|
Высокоориентиро- |
|
|
|
|
ванный пиролити- |
0,09 |
0,006 |
0,1 |
|
ческий графит |
|
|
|
|
Природный алмаз |
2,3 |
0,04 |
0,2 |
|
Монокристаллический Si (100) |
0,14 |
0,07 |
0,4 |
Таким образом, подводя краткие итоги, можно констатировать, что изучение атомного трения может подвести фундаментальную основу под один из старейших разделов механики — науку о силах внешнего трения. Можно также надеяться организовать такие условия, в которых силы трения между нанообъектами исчезнут или, по крайней мере, станут значительно меньше, чем в макроскопике.
4.3. Механизмы износа
Перейдем теперь к обсуждению проблем износа. Существует несколько подходов к классификации этого большого семейства контактных процессов. С позиции феноменологии удобно выделить абразивный, гидроабразивный, эрозионный, кавитационный, адгезионный, электроэрозионный, фреттинговый износ, где существенно участие двух или трех тел. Если иметь в виду доминирующий механизм потери массы, то в этом случае различают пластическое "пропахивание", срез, выкрашивание, деламинацию, усталость, механическую деградацию или разложение (механолиз). Окружающая среда может вносить существенный вклад в механизмы износа. Это может быть вакуум, сухой или влажный воздух, водород, смазочно-охлаждающая жидкость и др. Хорошо известно, что в общем случае изнашивание происходит неоднородно по контактирующей поверхности и неравномерно во времени. Как правило, сначала наблюдается стадия приработки, затем наступает стационарный режим уноса массы с истираемой поверхности с постоянной скоростью, который через некоторое время переходит в стадию ускоренного износа. Ни одна существующая модель пока не может объединить все задействованные в этих процессах масштабно-структурные уровни трибосистемы, поэтому они подразделяются на атомно-молекулярные, нано-, микро- и макро-.
Количественные теории износа, позволяющие связывать скорость изнашивания с геометрическими и физическими характеристиками поверхности, стали появляться в середине прошлого века. Едва ли ни первую такую модель износа разработал Дж. Арчард [4.28], использовавший идею Холма [4.29] об адгезионном схватывании вершин взаимодействующих неровностей и переносе материала с одного выступа на другой при разрушении мостика по поверхности, не совпадающей с первоначальной границей контакта (рис. 4.8, а). В результате простых выкладок получалось, что объем уносимого материала V пропорционален нормальной силе FN и обратно пропорционален твердости Н материала в микровыступах:
Рис. 4.8. Классические модели изнашивания по Арчарду (а) и Рабиновичу (б): Fad — силы адгезии
Модель Арчарда хорошо работает для пар трения, составленных из одного и того же относительно мягкого материала, например отожженных металлов. В случае материалов пары, существенно различающихся по твердости друг от друга (H1 > l,2H2)> такая модель неправомерна, поскольку более твердые выступы будут просто срезать мягкие. Тем не менее в модели Е. Рабиновича [4.30], учитывающей это обстоятельство (рис. 4.8, б), скорость изнашивания, как и в модели Арчарда, пропорциональна FN /Н (но с другим коэффициентом — kr):
Для чистых металлов опыт подтверждает это предсказание теории (рис. 4.9) [4.31]. В материалах, упрочненных термообработкой или наклепом, наблюдаются отклонения от модели Рабиновича, что обусловлено переходом к другим модам износа.
Таким образом, твердость в малых объемах (микро- или нано- в зависимости от степени шероховатости) является важнейшей характеристикой материала, подвергающегося износу. Разумеется, с переходом в наномасштабную область необходимо учитывать размерные эффекты, выражающиеся, в частности, в росте твердости, напряжений течения и разрушения.
Если исходить из этих представлений, то материал тем лучше противостоит износу, чем он тверже. Это справедливо для относительно мелких материалов, твердость которых не превышает нескольких гигапаскалей. Однако для более твердых (H> 10 ГПа) и сверхтвердых (H > 30 ГПа) определяющее значение имеет сочетание твердости, модуля Юнга Е и вязкости разрушения К1с. В отличие от Е, Н Klcочень чувствительны к размерам и структуре зоны деформации, что не имеет исчерпывающего объяснения в наномасштабных объектах и требует специального изучения.
Рис. 4.9. Зависимость стойкости к абразивному износу от твердости для некоторых металлов и сталей [4.31]
Если исходить из этих представлений, то материал тем лучше противостоит износу, чем он тверже. Это справедливо для относительно мелких материалов, твердость которых не превышает нескольких гигапаскалей. Однако для более твердых (H> 10 ГПа) и сверхтвердых (H > 30 ГПа) определяющее значение имеет сочетание твердости, модуля Юнга Е и вязкости разрушения К1с. В отличие от Е, Н и Klcочень чувствительны к размерам и структуре зоны деформации, что не имеет исчерпывающего объяснения в наномасштабных объектах и требует специального изучения.
При малых размерах выступов на скользящих поверхностях возникает и другой масштабный эффект, способствующий их упрочнению, а именно скоростной. Действительно, скорость относительной деформации ε≈ΔR/(RΔt)≈v/R при фиксированной линейной скорости v обратно пропорциональна характерному размеру R деформируемого объема. Вследствие этого при вполне умеренном значении v = 1 м/с и R ~ 10...100 нм ε может достигать величин 107...108 с-1, реализующихся в макроопытах при детонации взрывчатого вещества на поверхности образца. В этих условиях материал демонстрирует дополнительное упрочнение в несколько раз.
Из вышеизложенного вытекают важнейшие задачи нанотрибологии: изучение с возможно большим разрешением микротопологии взаимодействующих поверхностей и масштабных размерно-скоростных эффектов в механических свойствах материалов при сильном уменьшении характерных размеров шероховатости.
Как известно из смежных областей знаний, с уменьшением размеров объектов или системы растут роль и скорость диффузии, релаксационных перестроек, самоорганизации структуры. С учетом этого к перечисленным задачам нанотрибологии можно добавить создание "интеллектуальных" трибологических покрытий, способных: адаптироваться к меняющимся условиям путем перестройки структуры; самосмазываться; самозалечиваться; самоочищаться.
Аналогичные проблемы возникают при анализе деформации, разрушения, механохимическом синтезе и сплавлении, осуществляемом тонким помолом в шаровых или струйных мельницах, аттриторах и другом технологическим оборудовании, предназначенном для тонкого помола сырья. По мере измельчения исходных компонентов размер частиц уменьшается (вплоть до нескольких десятков нанометров), а удельная поверхность растет (до ~1000 м2/г). Это приводит к смене механизмов деформации и разрушения, ускорению поверхностной и объемной диффузии, атомному перемешиванию реагентов, не смешивающихся металлургическим путем.
В середине прошлого века П. Бриджмен, работая на специально созданной аппаратуре высокого давления, позволяющей осуществлять контролируемое сжатие образца с одновременным поворотом конических сжимающих наковален, провел первые опыты по влиянию таких условий на течение твердофазных химических реакций. Им и его последователями (Р. Роем, А. Жаровым, В. Болдыревым, П. Бутяганым и многими другими), экспериментировавшими с усовершенствованными наковальнями Бриджмена, аттриторами, шаровыми и струйными мельницами для тонкого помола, было установлено, что сдвиг под давлением создает условия для уникальных химических реакций, не реализующихся при термической активации, резко меняет константы равновесия и скоростей известных реакций.
При этом наблюдались сложные электрофизические явления: эмиссия фотонов, электронов, ионов рентгеновских квантов и других частиц, долговременные или медленно релаксирующие остаточные постэффекты, повышенная химическая и каталитическая активность, экзоэмиссия электронов, изменение микротопологии свежеобразованной поверхности, ее дислокационной структуры и др. [4.4—4.9].
Обратим здесь внимание на то, что условия, возникающие в упомянутых выше опытах, близки к существующим на истираемых микрошероховатых поверхностях, но в большей степени контролируемы. Следовательно, результаты, полученные в экспериментах по механохимии, механоактивации, механохимическом синтезе и сплавлении, могут рассматриваться, по меньшей мере, как модельные для трибологии.
Высокоскоростная деформация, структурные, фазовые и химические превращения, сопровождающие трение и износ; тонкий помол; шлифовка; полировка и т.п. инициируют комплекс электронных, электрофизических и эмиссионных (с выбросом электронов, ионов, нейтральных частиц, фотонов, оптического и рентгеновского диапазона) процессов в приповерхностных слоях контактирующих тел. Эти явления, с одной стороны, могут повлиять на трибологическое поведение материалов, а с другой - служить ценным источником информации о быстропротекающих процессах в прикон-тактных областях.Таким образом, основные объекты изучения в нанотрибологии можно условно разделить на квазидвумерные (2D) и трехмерные (3D), которые захватывают слои, многократно превышающие атомные размеры.
Столь сложные взаимосвязанные процессы и задачи требую
Кол-во просмотров: 16204
Рис. 4.9. Зависимость стойкости к абразивному износу от твердости для некоторых металлов и сталей [4.31]
Если исходить из этих представлений, то материал тем лучше противостоит износу, чем он тверже. Это справедливо для относительно мелких материалов, твердость которых не превышает нескольких гигапаскалей. Однако для более твердых (H> 10 ГПа) и сверхтвердых (H > 30 ГПа) определяющее значение имеет сочетание твердости, модуля Юнга Е и вязкости разрушения К1с. В отличие от Е, Н и Klcочень чувствительны к размерам и структуре зоны деформации, что не имеет исчерпывающего объяснения в наномасштабных объектах и требует специального изучения.
При малых размерах выступов на скользящих поверхностях возникает и другой масштабный эффект, способствующий их упрочнению, а именно скоростной. Действительно, скорость относительной деформации ε≈ΔR/(RΔt)≈v/R при фиксированной линейной скорости v обратно пропорциональна характерному размеру R деформируемого объема. Вследствие этого при вполне умеренном значении v = 1 м/с и R ~ 10...100 нм ε может достигать величин 107...108 с-1, реализующихся в макроопытах при детонации взрывчатого вещества на поверхности образца. В этих условиях материал демонстрирует дополнительное упрочнение в несколько раз.
Из вышеизложенного вытекают важнейшие задачи нанотрибологии: изучение с возможно большим разрешением микротопологии взаимодействующих поверхностей и масштабных размерно-скоростных эффектов в механических свойствах материалов при сильном уменьшении характерных размеров шероховатости.
Как известно из смежных областей знаний, с уменьшением размеров объектов или системы растут роль и скорость диффузии, релаксационных перестроек, самоорганизации структуры. С учетом этого к перечисленным задачам нанотрибологии можно добавить создание "интеллектуальных" трибологических покрытий, способных: адаптироваться к меняющимся условиям путем перестройки структуры; самосмазываться; самозалечиваться; самоочищаться.
Аналогичные проблемы возникают при анализе деформации, разрушения, механохимическом синтезе и сплавлении, осуществляемом тонким помолом в шаровых или струйных мельницах, аттриторах и другом технологическим оборудовании, предназначенном для тонкого помола сырья. По мере измельчения исходных компонентов размер частиц уменьшается (вплоть до нескольких десятков нанометров), а удельная поверхность растет (до ~1000 м2/г). Это приводит к смене механизмов деформации и разрушения, ускорению поверхностной и объемной диффузии, атомному перемешиванию реагентов, не смешивающихся металлургическим путем.
В середине прошлого века П. Бриджмен, работая на специально созданной аппаратуре высокого давления, позволяющей осуществлять контролируемое сжатие образца с одновременным поворотом конических сжимающих наковален, провел первые опыты по влиянию таких условий на течение твердофазных химических реакций. Им и его последователями (Р. Роем, А. Жаровым, В. Болдыревым, П. Бутяганым и многими другими), экспериментировавшими с усовершенствованными наковальнями Бриджмена, аттриторами, шаровыми и струйными мельницами для тонкого помола, было установлено, что сдвиг под давлением создает условия для уникальных химических реакций, не реализующихся при термической активации, резко меняет константы равновесия и скоростей известных реакций.
При этом наблюдались сложные электрофизические явления: эмиссия фотонов, электронов, ионов рентгеновских квантов и других частиц, долговременные или медленно релаксирующие остаточные постэффекты, повышенная химическая и каталитическая активность, экзоэмиссия электронов, изменение микротопологии свежеобразованной поверхности, ее дислокационной структуры и др. [4.4—4.9].
Обратим здесь внимание на то, что условия, возникающие в упомянутых выше опытах, близки к существующим на истираемых микрошероховатых поверхностях, но в большей степени контролируемы. Следовательно, результаты, полученные в экспериментах по механохимии, механоактивации, механохимическом синтезе и сплавлении, могут рассматриваться, по меньшей мере, как модельные для трибологии.
Высокоскоростная деформация, структурные, фазовые и химические превращения, сопровождающие трение и износ; тонкий помол; шлифовка; полировка и т.п. инициируют комплекс электронных, электрофизических и эмиссионных (с выбросом электронов, ионов, нейтральных частиц, фотонов, оптического и рентгеновского диапазона) процессов в приповерхностных слоях контактирующих тел. Эти явления, с одной стороны, могут повлиять на трибологическое поведение материалов, а с другой - служить ценным источником информации о быстропротекающих процессах в прикон-тактных областях.Таким образом, основные объекты изучения в нанотрибологии можно условно разделить на квазидвумерные (2D) и трехмерные (3D), которые захватывают слои, многократно превышающие атомные размеры.
Столь сложные взаимосвязанные процессы и задачи требую
