книги / Трибология

ми молекулярного и атомного взаимодействия при сближении поверхностей

где p0 – сила молекулярного притяжения, действующая на единицу площади действительного контакта; Аr – фактическая площадь контакта.

Формула (4.7) только по форме похожа, и то не полностью, на двучленную формулу (4.5), предложенную Ш.О. Кулоном, так как последняя не предусматривает зависимости члена А от истинной площади контакта, а следовательно, и от нагрузки N. Помимо этого, эта формула указывает на связь второго члена в законе трения с силой прилипания. Эта связь блестяще подтверждена опытами А.С. Ахматова, в то время как по формуле Кулона (4.5) никакой взаимосвязи между трением и прилипанием не видно.

Молекулярная теория трения может рассматриваться как объясняющая отклонения от закона Амонтона.

Молекулярно-кинетическая теория трения. Она осно-

вана на молекулярно-кинетической гипотезе о природе трения. Г.М. Бартенев развил теорию трения резин и твердых полимеров, согласно которой каждая цепь высокополимерного материала при скольжении контактирует с микроповерхностью сопряженного тела некоторое определенное время, переходя затем на новое место. При наличии сдвигающей силы переходы в направлении действия этой силы более вероятны, чем переходы в других направлениях. Расчетная зависимость для силы трения согласно этой теории имеет вид

где С1, С2 – коэффициенты, зависящие от скорости, температуры и молекулярных констант; Аr – фактическая площадь контакта; Рr – фактическое давление; – коэффициент, отражающий влияние нормальной нагрузки на силы прилипания.

31

Молекулярно-механическая теория трения. При нагруже-

нии сжимающей нагрузкой двух твердых соприкасающихся тел на пятнах контакта образуются адгезионные связи, которые являются результатом проявления молекулярных сил взаимодействия поверхностей этих тел. При скольжении тел связи непрерывно разрушаются и формируются вновь. Совокупность таких пятен в каждый момент времени образует фрикционный контакт, а каждое пятно рассматривается как элементарная фрикционная связь.

На фрикционных связях развиваются высокие контактные давления и температуры. Под действием этих факторов значительно меняются свойства поверхностных слоев материалов (поверхности химически взаимодействуют с окружающей средой, протекают процессы адсорбции, в микрообъемах происходит термическая обработка материала, его упрочнение или разупрочнение). В результате свойства исходного материала меняются настолько, что образуется так называемое «третье тело», которое формируется в процессе трения, а его свойства оказывают решающее влияние на фрикционные параметры сопряжения.

Если разрушение фрикционной связи происходит в пределах «третьего тела», то имеет место внешнее трение. Необходимое условие реализации процесса внешнего трения следует из соотношения прочностных характеристик «третьего тела» и основного материала и состоит в том, что прочность на сдвиг должна расти по мере удаления от поверхности трения в глубь тела.

Свойства фрикционной связи зависят также от напряжен- но-деформированного состояния материала. В молекулярно-ме- ханической теории трения в зависимости от вида деформаций различают два наиболее распространенных вида фрикционных связей: при упругих и при пластических деформациях.

Адгезионные явления учитываются молекулярной составляющей коэффициента трения. В адгезионное взаимодействие вовлечены тончайшие приповерхностные слои.

Деформационные свойства фрикционной связи определяют механическую составляющую коэффициента трения.

32

Деформационные процессы протекают в объемах, на 2–3 порядка больших, чем адгезионные.

В основу расчетных зависимостей определения молекулярной составляющей коэффициента внешнего трения положено уравнение

где – сдвиговое сопротивление в «третьем теле» пропорциональное времени оседлой жизни частицы; t0 – постоянная времени, равная 10–12 с; U – энергия активации молекулярной связи; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; а – коэффициент пропорциональности.

В условиях наличия нормальной нагрузки, действующей на фрикционный контакт, энергия активации представляет собой сумму

где – некоторая константа; Pr – фактическое давление на контакте.

обозначив аt0 аt0U / kT τ0 и аt0γ/kT β, получимокончательно

где 0 – сдвиговое напряжение при отсутствии нормальных напряжений; – пьезокоэффициент молекулярной составляющей трения; Pr – фактическое нормальное давление.

33

Пьезокоэффициент – величина, характеризующая увеличение (уменьшение) прочности в срезе с ростом нормального давления. В табл. 4.2 приведены некоторые параметры сдвиговой прочности молекулярной связи различных материалов по стали ШХ 15.

Таблица 4.2

Параметры сдвиговой прочности различных материалов

Механическая составляющая коэффициента трения рас-

ходуется на процессы деформирования тонких поверхностных слоев трущихся тел. Объем материала, втянутого в деформацию, определяется величиной взаимного внедрения поверхностей трущихся тел, которая может значительно превосходить толщину «третьего тела». Эта составляющая силы трения существенно зависит от характера напряженно-деформированного состояния в зоне фрикционной связи.

Механическая составляющая силы трения оценивается с учетом безразмерных критериев: коэффициента гистерезисных потерь ( г) и относительного внедрения единичной неровности в виде отношения h/R (где h – глубина внедрения; R – радиус кривизны единичной неровности, моделированный в виде сферы).

Механическая составляющая коэффициента трения на элементарной фрикционной связи для пластического контакта

34

при упругих деформациях

При увеличении шероховатости и росте нагрузки механическая составляющая возрастает.

Коэффициент трения для единичной неровности с учетом молекулярной и механической составляющей

где K = 0,55 при пластическом контакте и 0,19 при упругом. При пластических деформациях в зонах касания твердых

тел могут иметь место ненасыщенный и насыщенный контакты. Ненасыщенный имеет место при контурных давлениях,

находящихся в интервале, определяемом формулой

где и b – параметры кривой опорной поверхности.

При пластическом контакте сила внешнего трения слагается из сопротивления, возникающего при пропахивании материала поверхности менее жесткого элемента пары трения внедрившимися неровностями, и сопротивления, возникающего в результате молекулярных взаимодействий. В инженерных расчетах при определении коэффициента трения деталей, работающих в условиях пластического ненасыщенного контакта, используется формула

Насыщенный пластический контакт имеет место при контурных давлениях, превышающих значения, определяемые по формуле (4.17). В этом случае коэффициент трения определяется по зависимости

35

Из формул (4.18) и (4.19) следует, что при упругом контакте с увеличением нагрузки (контурного давления) коэффициент трения уменьшается, а при пластическом – возрастает.

4.2. Трение без смазочного материала

Трение имеет молекулярно-механическую природу. На площадках фактического контакта поверхностей действуют силы молекулярного притяжения, которые проявляются на расстояниях, в десятки раз превышающих межатомное расстояние в кристаллических решетках, и увеличиваются с повышением температуры. При отсутствии либо наличии промежуточной вязкой прослойки (влага, загрязнение) между контактирующими поверхностями молекулярные силы вызывают адгезию на площадках фактического контакта, поверхности как бы «прилипают» друг к другу. Адгезия может быть обусловлена одновременно и действием электростатических сил. Силы адгезии, как и молекулярные силы, прямо пропорциональны площади фактического контакта.

Трение без смазочного материала сопровождается скачкообразным скольжением. Это вызывает нежелательные явления, например, вибрацию автомобиля при включении сцепления, и «дергание» при торможении, «визг» тормозов, вибрацию резцов при резании и нарушение плавности работы медленно движущихся деталей.

4.3. Граничное трение

При граничном трении на поверхности трения присутствует смазочный материал любого вида. Поверхности сопряженных тел разделены слоем смазочного материала малой толщины: от толщины одной молекулы смазочного материала до 0,1 мкм.

36

Наличие тонкой граничной пленки снижает силы трения по сравнению с силами трения без смазочного материала в 2–10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в десятки раз.

Смазочные масла адсорбируются на металлической поверхности и образуют граничную фазу квазикристаллической структуры толщиной до 0,1 мкм, обладающую относительно прочной связью с поверхностью и продольной когезией.

Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности, поэтому граничную пленку можно представить в виде «ворса» на металлической поверхно-

сти (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема контактирования тел при граничной смазке: а– контактирование идеальных поверхностей;

б– контактирование реальных поверхностей;

А– участки, воспринимающие нагрузку;

Б– участки непосредственного контактирования

При взаимном перемещении поверхностей трения «ворсинки» как бы изгибаются в противоположную сторону. Происходит сдвиг с перекосом квазикристаллической структуры пленки.

Механизм граничного трения можно представить в следующем виде. Под влиянием нагрузки совершается упругая и пластическая деформация на площадках фактического контакта, под

37

которыми в данном случае следует понимать площадки наиболее близкого прилегания поверхностей, покрытых граничной пленкой смазочного материала вплоть до мономолекулярного слоя. На площадках контакта происходит взаимное внедрение участков поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки. Сопротивление движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей внедрившимися объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической деформации, и участках с высокими локальными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с возникновением адгезии обнажившихся участков поверхностей и схватывание металлов на микроучастках. В результате этого увеличивается сопротивление движению и сила трения.

Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхности трения, адсорбция протекает с большой скоростью, вследствие чего пленка обладает свойством «самозалечивания» при местных ее повреждениях. Это свойство пленок играет большую роль в предупреждении процесса лавинного схватывания. Невозобновляемая граничная пленка по мере увеличения пути трения изнашивается, при этом масло из пленки адсорбируется продуктами износа и уносится с поверхности трения. Окисление пленки способствует дезориентации структуры и ее разрушению.

При граничном трении в большинстве случаев скорость изнашивания и износ деталей достаточно велики. Основная причина этого заключается в том, что вследствие волнистости и шероховатости поверхностей их контактирование происходит на очень малых участках, а контактные давления имеют высокие значения. В таких условиях тонкая граничная пленка масла не предохраняет поверхности от пластического деформирования, что неизбежно ведет к изнашиванию деталей.

Введение в граничные слои смазочного материала поверх- ностно-активных веществ (ПАВ) увеличивает толщину гранично-

38

го слоя и способствует уменьшению скорости изнашивания. Это объясняется тем, что с увеличением толщины граничного слоя молекулы поверхностно-активных веществ существенно влияют и на механические характеристики поверхностного слоя металла. Адсорбция приводит к понижению прочности поверхности, согласно эффекту П.А. Ребиндера, благодаря которому происходит пластифицирование поверхностных слоев, т.е. уменьшение предела текучести.

4.4. Твердые смазочные материалы

Некоторые твердые материалы могут производить смазочное действие, организуя и поддерживая режим трения при граничной смазке. Граничная пленка должна обладать высоким сопротивлением продавливанию и низким сопротивлением срезу. Следуя этим требованиям, к твердым смазочным материалам можно отнести некоторые тела слоисто-решетчатой, пластической структуры, мягкие металлы и тонкие пленки пластиков.

Из материалов слоисто-решетчатой структуры свойствами, необходимыми для смазки металлических поверхностей, обладают графит, молибдений (дисульфид молибдена МоS2), сульфид серебра, пористый свинец и дисульфид вольфрама.

Графит представляет собой паркетный полимер, построенный из расположенных в одной плоскости атомов углерода. Основные морфологические виды графита: чешуйчатый, плотнокристаллический (комовой) и аморфизированный. Чешуйчатые графиты делят на крупно-, средне- и мелкочешуйчатые. Различают их и по толщине чешуйки. Кристаллы графита имеют слоистую структуру, близкую по параметрам к MoS2 и BN. В слое атомы формируют гексагональную решетку с ковалентными связями длиной (расстоянием между ядрами атомов) 1,415 Å. Вдоль структурной оси, перпендикулярной слоям углерода с гексагональной решеткой, на отдельные углеродные частицы действуют

39

вандерваальсовы силы с длиной связи в 3,35 Å. Энергия углеродуглеродных связей в слое равна 420…460 кДж/моль, а межслоевых связей 42 кДж/моль. Таким образом, сила связей гораздо выше внутри (по направлению) слоев, чем перпендикулярно им. Слоистой структурой обусловлена анизотропия свойств графита, склонность к охрупчиванию, также это объясняет, почему так легко можно поместить атомы или молекулы между слоями углерода. Согласно идеализированной кристаллической структуре, предложенной Берналом, атомы углерода в каждом слое располагаются точно над центром правильных гексагонов в соседнем верхнем слое (рис. 4.4). Поэтому при большом сопротивлении графита сжатию перпендикулярно слоям (плоскостям спайности) сопротивление сдвигу параллельно слоям невелико.

Рис. 4.4. Модель кристаллической решетки графита

Высокая твердость и прочность графита в направлении, перпендикулярном плоскости спайности, обеспечивают почти полное отсутствие контакта между смазанными графитом ме-

40