Конспект лекционных занятий

1. КАСАНИЕ ДВУХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Поверхность твердого тела волниста и шероховата. Даже образованная при расщеплении поверхность слюды имеет неровности порядка 20 А, а поверхность идеального гладкого кристал­ла кварца покрыта выступами высотой 100 А. Самые гладкие металлические поверхности имеют неровности высотой 0,05— 0,1 мк. Наиболее грубые металлические поверхности, встречаю­щиеся в машиностроении, имеют выступы высотой 100—200 мк, которые обычно располагаются на некоторой волнистой поверх­ности. Шаг этой волны изменяется в пределах 1000—10 000 мк, а высота ее — соответственно от нескольких микрон до 40 мк.

В результате работ ученых де­тально изучена природа шероховатости и волнистости поверхно­сти. Существенным является то обстоятельство, что под влиянием сжимающей нагрузки шероховатость поверхности из­меняется вследствие неоднородности механических свойств по­верхности.

Неточности изготовления деталей, искажение их формы от приложенных нагрузок и температуры, шероховатость и волни­стость приводят к тому, что две поверхности всегда контакти­руют на отдельных малых площадках, причем вследствие волнистости эти площадки расположены в определенных областях. Количество контактов зависит как от нагрузки, так и от шерохо­ватости поверхностей. Давление на контактах распределено не­равномерно, в зависимости от их конфигурации.

На рис. 1,а показана типичная профилограмма шероховато­сти поверхности, на рис. I, б— профилограмма волнистости

Под влиянием сжимающей нагрузки две наложенные одна на другую поверхности по мере сближения соприкасаются во все большем количестве точек. Вначале взаимодействующие эле­менты деформируются упруго, затем, по мере возрастания нагрузки, упругая деформация сменяется пластической. Под влия­нием общей сжимающей нагрузки происходит обычно упругое деформирование отдельных волн, на которых расположена ше­роховатость.

Пятна фактического касания расположены в некоторых об­ластях, зонах упруго- деформированного полупространства.

При снятии нагрузки волны выпрямляются и разрушают об­разовавшиеся пятна касания. При скольжении, вследствие дис­кретности контакта, отдельные пятна образуются во времени. На этих пятнах возникает высокая температура и соответствен­но некоторый градиент механических свойств.

При анализе процесса трения и износа следует различать три последовательных этапа; 1) взаимодействие поверхностей; 2) изменения, происходящие на соприкасающихся поверхностях в процессе трения; 3) разрушение поверхностей.

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ФОРМИРОВАНИЕ ФРИКЦИОННЫХ СВЯЗЕЙ. ДВОЙСТВЕННАЯ ПРИРОДА ТРЕНИЯ

Взаимодействие поверхностей проявляется в формировании пятен касания, в котором участвуют не только выступы с покры­вающими их пленками, но и прилегающий к этим выступам ма­териал. При соединении и разъединении контактов деформирует­ся лежащий под ними материал.

Пятна касания, которые образуются, существуют и исчезают при совместном действии нормальных и тангенциальных сил, будем называть фрикционными связями.

Таким образом, образовавшийся в результате трения мостик сварки, продолжающий существовать при снятии нормальной нагрузки, не представляет собой фрикционной связи. Этот же мостик, образующийся при наличии сжимающей нагрузки и раз­рушающийся при ее снятии, представляет собой фрикционную связь.

Трение имеет двойственную молекулярно-механичеекую при­роду. Оно обусловлено объемным деформированием материала и преодолением межмолекулярных связей (мостиков холодной сварки), возникающих между сближенными участками трущихся поверхностей.

Объемное деформирование неминуемо. Поскольку поверхно­сти всегда волнисты, шероховаты и неоднородны по своим ме­ханическим свойствам, происходит внедрение более жестких элементов поверхностей в более мягкое контртело. Внедривший­ся элемент, перемещаясь в тангенциальном направлении, де­формирует нижележащий материал, образуя впереди индентора полусферический валик, который подминается и раздвигается в стороны. Величина валика зависит от относительного внедрения -— (где h — глубина, R — радиус внедрившейся неровности) и прочности мостика холодной сварки, который неминуемо обра­зуется между пленками, покрывающими поверхности, коль ско­ро они сближены на расстоянии действия межмолекулярных сил.

Применив основную зависимость метода фотоупругости

, (I.I)

где - максимальное тангенциальное напряжение, равное полуразности нормальных напряжений s₁ и s₂;

d – толщина оптически активного материала;

s₀ – оптическая постоянная материала, равная 5 кГ/см, можно подсчитать фактическое давление и взаимное внедрение.

Очевидно, что сжатие двух тел без взаимного внедрения их поверхностей практически невозможно.

Как показали эксперименты, вид нарушения фрикционнойсвязи зависит от относительного внедрения и относительной прочности адгезионной связи , возникшей между пленками покрывающими поверхности твердых тел, или самими телами, если пленки удалены.

В связи с описанным выше механизмом внешнего трения большое значение приобретает адгезионное взаимодействие двух твердых тел и свойства пленок на твердых телах (окисные, пленки смазок, адсорбированные пленки различных газов).

Под адгезионным взаимодействием надо понимать все виды межмолекулярного взаимодействия между твердыми телами.

Е.М.Лившицем была предложена следующая формула
для определения сил взаимодействия между двумя одинаковыми
поверхностями:

(I.2)

где h — постоянная Планка;

с — скорость света;

l — расстояние между поверхностями;

т, е, п — масса, заряд, объемная плотность электронов.

Как видно, величина этих сил зависит от четвертой степени расстояния между поверхностями и обусловлена объемной плот­ностью электронов в твердом теле.

Твердые тела обычно покрыты различными пленками. По­следние, вступая в адгезионное взаимодействие, защищают от схватывания лежащие под ними тела. Прочность образовавшейся адгезионной связи зависит в этом случае от свойств контактирую­щих пленок.

Этот вопрос можно упростить, учитывая следующее:

1. Чтобы возникла связь между поверхностями двух твердыхтел, необходимо привести их в соприкосновение в достаточномколичестве точек. Если учесть, что все поверхности волнисты и шероховаты, то необходимо настолько сжать волны и неров­ности, чтобы поверхности достаточно сблизились; при этом предпочтительнее, чтобы эти деформации были пластическими, ибо в противном случае при снятии нагрузки запасенная упру­гая энергия деформации может разрушить адгезионную связь.

2. Между поверхностями двух твердых тел не должно быть каких-либо пленок или загрязнений, иначе будут схватываться эти пленки, а сами тела будут защищены от схватывания. Воз­можно схватывание и при наличии соответствующих пленок, если эти пленки достаточно прочны и являются промежуточным и цементирующим веществом.

3. Энергия активации процесса подстройки атомов, необхо­димая для схватывания кристаллических тел, составляет весьма малую величину. Она должна быть меньше ионизационного по­тенциала. Например, для меди эта энергия составляет 0,5 эв, т. е. на 1 см² поверхности потребуется 10¹⁵ × 0,5 × 1,6 × 10^-12

4. Работа, затрачиваемая на сближение двух твердых тел и формирование истинной площади контакта, всегда намного пре­вышает эту величину

5. Лимитирующим процесс схватывания является геометри­ческий фактор (образование площади истинного контакта), а нефактор, связанный с молекулярным строением твердых тел, т. е. энергетически не работа, необходимая для подстройки ато­мов, а работа, необходимая для сближения дзух твердых тел и формирования истинной площади контакта.

6. Необходимая для процесса схватывания энергия будет всегда с избытком присутствовать в контакте за счет работы, затраченной на сближение твердых тел, в основном освобождае­мой, в виде тепла, и за счет энергии, выделившейся при обра­
зовании адгезионного шва, численно равной разности поверх­ностных натяжений на границе между каждым из твердых тел и среды, в которой.они находятся, и поверхностным натяжением на. границе двух твердых тел.

7. Дальнейшее изменение прочности шва будет обусловли­ваться применительно к металлам возможностью взаимной диффузией и растворимостью контактируемых тел, которая подчиняется правилу Юм-Розери.

8.Кинетика процесса схватывания характеризуется соотношением скоростей протекающих в зоне касания процессов пластической деформации и подстройки атомов. Принципиальная схема зависимостей этих скоростей от температуры, согласно по Я. Е. Гегузинуи Л. Н. Парицкой, приведена на рис. 2.

Как видим, до некоторой критической температуры О лими­тирующей является скорость протекания пластической дефор­мации, необходимой для формирования интимного контакта, при более высокой температуре — скорость подстройки атомов (см. стрелки на рис. 2).

­

3. ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ГРАДИЕНТ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ — ОБЯЗАТЕЛЬНОЕ УСЛОВИЕ ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ

Весьма важным факторомпри трении является различие между прочностью адгезионной связи и прочностью нижележа­щих слоев. Если связь менее прочна, чем нижележащие слои, то имеет место положительный градиент механических свойств по глубине, т. е.

, (1.3)

где s_x— разрушающее напряжение в направлении плоскости касания;

z — координата, перпендикулярная к плоскости касания.

При этом условии имеет место внешнее трение, так как по­верхностные свойства твердых тел характеризуют этот процесс, и все деформации "сосредоточиваются в тонком поверхностном слое.

Если , т. е. связь прочнее нижележащих слоев, то разрушение будет происходить по более слабому месту на зна­чительной глубине, в деформировании будут участвовать значи­тельные объемы, поверхности будут рваными ишероховатыми, а тангенциальное сопротивление будет обусловлено объемными свойствами твердых тел и трение перейдет в разрушение значи­тельных толщин контактирующих тел.

Все сказанное относится к объемному деформированию. Со­вершенно очевидно, что если сопротивление оттесненного мате­риала в поверхностном слое больше, чем в нижележащих слоях, то поверхностное деформирование исоответственно внешнее трение вообще невозможны.

Правило положительного градиента всегда осуществляется, когда трение протекает нормально. Оно подтверждается:

1) применением различных смазок, вводимых в контакт:

а) погашающих силы молекулярного взаимодействия;

б) уменьшающих прочность поверхностного слоя за счет ад­
сорбционного эффекта прочности (эффект Ребиндера);

в) уменьшающих прочность поверхностного слоя за счет хи­мического взаимодействия — образования металлических мыл;

2) применением тонких металлических или других твердых
покрытий из малопрочных материалов;

3) осуществлением трения твердых тел при высоких скоро­стях скольжения, когда тонкие поверхностные слои размягчены под влиянием температуры трения.

Как только нарушается правило положительного градиента, прекращается внешнее трение, поэтому так чувствительно тре­ние к внешним условиям и так сильно оно зависит от темпера­туры: образующиеся при трении защитные пленки зависят от нее, и с температурой трения изменяются механические свойства контактирующих элементов поверхностей.

4. РАЗЛИЧИЕ В МЕХАНИЗМЕ ВНУТРЕННЕГО И ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ

Различие между внешним и внутренним трени­ем является количествен­ным или качественным? Это важный вопрос, так как в первом случае зако­номерности внутреннего трения могли бы быть распространены на внешнее трение, во втором — следуетожидать иных законо­мерностей.

Исследование механизма внешнего трения показывает, что оно принципиально отличается от внутреннего трения. Единст­венное сходство между ними то, что они являются диссипативными процессами. В чем же их основное различие?

Во-первых, в геометрии взаимодействия трущихся поверхно­стей. При внешнем трении соприкосновение двух твердых тел происходит в отдельных точках, контакт всегда дискретен и площадь, на которой возникает внешнее трение, зависит от при­ложенной нагрузки, входящей в явном или неявном виде в рас­четные уравнения. При внутреннем трении поверхность касания непрерывна и не зависит от нагрузки.

Во-вторых, внутреннее трение характеризуется ламинарным перемещением материала в направлении вектора относительной скорости. При внешнем трении материал перемещается в на­
правлении, перпендикулярном вектору относительной ско­рости.
В-третьих, при внешнем трении возникновение и разрушение связей должно локализироваться в тонком поверхностном слое; при внутреннем трении деформативная зона охватывает весь объем. Необходимым условием для внешнего трения является наличие положительного градиента механических свойств каж­дого из трущихся тел по глубине, для внутреннего трения — на­личие отрицательного градиента.

Положительный градиент может быть обеспечен или за счет применения более мягких покрытий (жидких, твердых смазок), или за счет температурного градиента в зоне трения, приводя­щего кградиенту механических свойств. Молекулярное схваты­вание двух твердых тел неминуемо, поэтому локализация раз­рушения в тонком поверхностном слое будет иметь место лишь при положительном градиенте механических свойств.

Рекомендуемая литература: Основная: 1 [разд.1, с.5-20 ].

Контрольные вопросы

1. Какую имеют высоту неровности самые гладкие металлические поверхности?

2. Какую высоту выступа имеют наиболее грубые металлические поверхности, встречающиеся в машиностроении?

3. Что такое шероховатость и волнистость поверхностей?