ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

5.1. Контактирование гладких поверхностей твердых тел

Понятие "идеально гладкая" для поверхности является идеализированным, поскольку "идеально гладких" поверхностей в окружающем нас мире нет. Наиболее гладкими можно считать, например, поверхность скола кристалла слюды или другого минерала. Однако, если иметь в виду, что кристаллы представляют собой систему атомов или ионов, имеющих свои сферические электрические поля, и расположенные на некотором расстоянии друг от друга, то на самом деле и в этом случае они представляют собой некоторую сложной формы поверхность, образованную рядом сфер, удаленных друг от друга на некоторое расстояние. Поэтому к понятию "идеально гладкой" поверхности следует относиться очень осторожно, понимая при этом, что тонкие взаимодействия, происходящие на микроуровнях, на настоящем уровне развития мы еще неспособны наблюдать, и заведомо оставляем за собой возможность анализировать только процессы, происходящие на надмолекулярном уровне или еще более грубом. В этом случае поверхности, которыми мы будем манипулировать, будем считать гладкими.

При соприкосновении двух гладких реальных тел следует различать явно выраженные номинальную (кажущуюся) А_а, контурную А_с и фактическую (истинную) А_r площади контакта (рис. 5.1), каждая из которых обладает специфическими свойствами.

Рис. 5.1. Схема контактирования реальных твердых тел

Номинальная площадь контакта НПК (А_а) - определяется внешними геометрическими размерами контактной зоны этих тел.

Контурная площадь контакта КПК (А_с) представляет собой совокупность пятен контакта, группирующихся на вершинах волн соприкасающихся поверхностей. Ее можно зафиксировать по отпечаткам на бумаге, фольге или краске специально вводимых в зону контакта твердых тел.

Фактическая площадь контакта ФПК (А_r) - это совокупность контактов микронеровностей, образующих шероховатость поверхности.

С увеличением нагрузки фактическая и контурная площади контакта возрастают. Однако для многих случаев и материалов ФПК составляет не более 0,01...0,1 %, а КПК порядка 5...15 % от номинальной площади контактирующих тел. При очень высоких нагрузках и нагреве А_с приближается к А_a.

Нормальная нагрузка, отнесенная к фактической площади контакта, характеризует фактическое давление Р_r, нагрузка же, отнесенная к контурной площади - контурное давление Р_с. Контурное давление обычно в несколько раз превышает номинальное давление Р_а между телами. Благодаря этому очень часто материал на микровыступах деформируется пластически (рис. 5.2) и становится способным проявлять свои реологические свойства, что сказывается на изменении ряда характеристик материала (например, таких, как сопротивление сдвигу, вязкость и др.) в зависимости от скорости воздействия на тело внешней силы. В то же время на некотором удалении от мест пластического контакта материал деформируется упруго.

Рис. 5.2. Напряженное состояние контакта реальных твердых тел:

1 - область пластического течения материала; 2 - область упругой

деформации с разными уровнями напряженного состояния материала

5.2. Адгезионное взаимодействие между твердыми телами

Теоретические исследования и эксперименты показали, что по мере сближения двух металлических пластин, представляющих собой систему сконденсированных частиц (атомов, ионов, молекул), между ними возникают силы притяжения, в первом приближении обратно пропорциональные четвертой степени от расстояния между гладкими пластинами. На уровень действия этих сил притяжения сильное влияние оказывают шероховатость, дефекты поверхности и адсорбированные на них вещества. Поэтому часто характер этого адгезионного взаимодействия определяют опытным путем.

Сопротивление нормальному отрыву тел одного относительно другого получило название адгезии(прилипание). А сила, отнесенная к единице поверхности контактирующих тел - удельной адгезии.

В случаях, если силы адгезии оказываются выше сил межатомного взаимодействия одного из тел, и разрыв происходит по объему более слабого тела, то такой вид взаимодействия называют когезионным, а само явление - когезией.

Примером адгезионного взаимодействия является сварка металлов трением. Наиболее наглядным - любой вид склеивания твердых тел, в том числе и с помощью клея, играющего роль промежуточного тела, увеличивающего площадь истинного контактирования между телами. Особенно высокое адгезионное взаимодействие возможно при контакте свежеобразованных поверхностей, например, образующихся между отдельными срезанными выступами в зоне контакта трущихся тел. Как показывают опыты, выполненные в высоком вакууме и в космосе, коэффициенты трения между очищенными металлическими поверхностями могут достигать 1010 единиц и даже более.

На уровень адгезионного взаимодействия твердых тел, а, следовательно, и трение, оказывает влияние толщина промежуточного нейтрального слоя (рис. 5.3).

На уровень адгезии между телами оказывает влияние толщина окисных слоев, напряженное состояние поверхностей, строение и свойства самих поверхностных слоев и ряд других факторов, которыми можно управлять.

Рис. 5.3. Прочность на разрыв в зависимости от толщины слоя парафина между стальными поверхностями

5.3. Типы фрикционных связей

При относительном смещении реальных твердых тел согласно учению И.В.Крагельского, Н.Б.Демкина и других в зоне трения можно ожидать реализацию пяти видов фрикционных связей (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схематическое изображение пяти видов фрикционных связей взаимодействия поверхностей:

1 – микрорезание; 2 – пластическое оттеснение; 3 – упругое оттеснение;

4 – пластическая деформация и адгезионное взаимодействие;

5 – глубинное разрушение.

При реализации первого вида связи в процессе внедрения неровностей осуществляется микрорезание. Условием прохождения этого процесса является h/r > 0,1 для несмазанных поверхностей и 0,2...0,3 - для смазанных. Вторая фрикционная связь характеризует пластическое оттеснение, которое проявляется при малом значении сил адгезии, когда при данной степени пластической деформации еще не достигается схватывание. В этом случае h/r < 0,1.

Третья фрикционная связь относится к упругому оттеснению, т.е. на контактируемых поверхностях осуществляется взаимодействие в условиях упругой деформации.

Тогда:

где s_s - предел упругости; Е - модуль упругости; h - высота неровности; r - радиус закругления шероховатости.

При четвертом виде связи происходит пластическая деформация и адгезионное взаимодействие в тонком поверхностном слое, когда dt/dh>0. Четвертый вид фрикционной связи известен как положительный градиент механических свойств, когда вышележащие к площади контакта слои материала твердых тел менее прочны, чем нижележащие (более удаленные от поверхности трения слои). Если трущиеся поверхности подчиняются указанному правилу, наблюдается наименьшая повреждаемость узла трения (износ и трение в этом случае минимальны). Это правило положено в основу выбора многих материалов трущихся пар для обеспечения их высокой износостойкости.

В пятой фрикционной связи осуществляется глубинное разрушение поверхностей в результате схватывания, когда реализуется условие dt/dh<0, т.е. отрицательный градиент механических свойств трущихся тел.

В реальном фрикционном узле могут одновременно реализовываться все пять виды фрикционного контакта. В ряде случаев может реализовываться и превалирующее действие того или иного вида фрикционного взаимодействия, по которому судят уже о механизме трения между телами в целом.

5.4. Развитие усталостных трещин при трении

Из большого многообразия микродефектов поверхности твердых тел (рис. 5.5) можно выделить наиболее характерные клиновидные трещины в виде плоской трещины (а), клинообразной трещины двойного заострения (б) и полуэлептического сечения (в). Из них наиболее распространенными можно считать плоскую клинообразную трещину, имеющую некоторое закругление в ее устье с радиусом r. При приложении внешних сил к хрупким твердым телам мы сталкиваемся с фактором, когда вблизи устья трещины и в плоскости ее сечения наблюдается резкое увеличение напряженного состояния материала s_мол в несколько раз превышающее среднее напряжение s, приложенное к внешней поверхности тела (рис. 5.6).

Рис. 5.5. Геометрические формы микротрещин

В тех случаях, когда энергия, приложенная внешними силами к материалу устья трещины, превышает энергию, необходимую для образования новой поверхности, происходит развитие трещины. Если этого превышения не происходит, трещина после некоторого своего увеличения в момент приложения внешней силы, после снятия нагрузки приходит в исходное состояние. В условиях же реальных тел, не обладающих абсолютной упругостью, может происходить и постепенное развитие трещины. Особенно это может проявляться при многоцикловых нагружениях твердых тел.

Помимо развития внешних трещин в твердом теле могут развиваться и внутренние трещины (рис. 5.7), получившие название трещины Гриффитса по имени автора, теоретически исследовавшего

механизмы их развития. Гриффитс установил, что напряжение Р,

Рис. 5.6. Напряженное состояние материала вблизи устья микротрещины

при достижении которого трещина начинает быстро расти, связано с начальной длинной трещины С, поверхностной энергией s и модулем упругости Е материала

Большое влияние на развитие трещины и на разрушение тел оказывает внешняя среда и прежде всего эффект Ребиндера.

Рис. 5.7. Трещина Гриффитса

В условиях внешнего трения, под действием нормальных нагрузок и сил трения на материал трущихся тел воздействуют периодические усилия с достаточно высокой частотой воздействия. Подобные силы в сочетании с действующей достаточно активной средой (газовой и материала смазочных веществ) способствуют развитию усталостного механизма разрушения трущихся тел.

5.5. Работа сил трения. Температура на поверхностях трения

Под воздействием внешних сил при относительном смещении двух контактирующих тел в зоне их трения одновременно реализуется большое множество элементарных фрикционных связей с разными типами взаимодействия продолжительностью 10^-2...10^-4 с. Каждый выступ одного тела за время нахождения в зоне трения реальных тел испытывает многократное воздействие со стороны другого тела, деформируется, воспринимает эту энергию и тут же излучает и передает ее близлежащим телам.

В общем случае интегральную характеристику фрикционного взаимодействия - работу (энергию) трения между твердыми телами можно представить вить в виде

где F - сила трения; l - путь трения, равный длине зоны трения;

m - коэффициент трения; Е - энергия.

А мощность, теряемую во фрикционном контакте, - в виде

где t – время фрикционного контакта; V_ck - скорость скольжения.

Согласно 1- му закону термодинамики работа трения расходуется на образование новой поверхности DS и на изменение внутренней энергии DЕ системы, т.е.

В большинстве случаев 95...99 % от затрачиваемой работы трения расходуется на изменение внутренней энергии трущихся тел. До 95 % из них расходуется на нагрев непосредственно контактирующих поверхностей трения, а оставшаяся доля - на возбуждение низко- и высокочастотных колебаний выступов поверхности, являющихся источниками звуковых и электромагнитных волн, начиная от низких и до более высоких, приближающихся к легкому рентгеновскому излучению.

При деформировании, микрорезании, оттеснении и отделении частиц материала трущихся тел, а также при развитии внешних и внутренних трещин происходит увеличение поверхности твердых тел с присущей для нее нескомпенсированной свободной поверхностной энергией. На это расходуется от 1 до 5 % от затраченной работы трения.

Энергия, генерируемая на выступах поверхности трущихся тел, во время свершения фрикционного взаимодействия в дальнейшем переносится как в окружающую среду, так и внутрь тел трущейся пары. При этом важное влияние на перераспределение потоков энергии и их абсолютную величину оказывают теплофизические характеристики среды, поверхности и самого материала трущегося тела, а также форма контактирующих тел и закономерности подвода энергии в зону трения.

Реальный контакт трущихся твердых тел (рис. 5.1) весьма неоднороден по напряженному состоянию материалов трущихся тел. Это обстоятельство является причиной и того, что выделяющаяся при трении энергия далеко неравномерно распределяется по объему контактирующих тел. Тепловая динамика трения твердых тел, опираясь на молекулярно-механическую теорию трения, теплофизические исследования и специальные эксперименты, выделяет объемную температуру тела d_V, среднюю температуру поверхности трения d_ср и температуру вспышки d_всп. Для ряда видов трения температура поверхности может быть в 2...3 раза выше объемной температуры трущихся тел, а температура вспышки еще на 100 градусов и более превышать температуру поверхности трения. В общем случае максимальная температура трения на фактическом пятне контакта может быть представлена в виде

А это означает, что возникающие на реальном контакте трущихся тел температуры могут оказывать существенное влияние на состояние и свойства поверхностных слоев, а также и на свойства самих трущихся тел, вплоть до фазовых превращений, тем самым оказывая существенное влияние на трение и износ трущихся тел.

На основании изложенного выше наибольшее внимание при решении большинства триботехнических задач в настоящее время уделяется влиянию тепловой динамики трения на развитие фрикционных процессов, а также на трение и изнашивание узлов трения машин и оборудования.

5.6. Химическое модифицирование поверхности

Из учения о строении и свойствах твердого тела следует, что свободная поверхностная энергия во многом определяет механические характеристики (например, такие, как прочность, твердость, уровень трения и т.п.). Причем между ними существует прямо-пропорциональная зависимость. В силу этого на механические характеристики твердых тел могут оказывать заметное влияние как физические, так и химически адсорбированные вещества.

Тщательно проведенные исследования показали, что энергия взаимодействия между металлическими телами во фрикционном контакте определяется степенью их окисления (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Модели взаимодействия металлических тел во фрикционном контакте

Так, если при контакте в вакууме чисто металлических поверхностей а, например, железа, энергия взаимодействия равняется 4×10^-6Дж/мм², то в случае контакта чистого металла с окисленной поверхностью б того же материала она равняется уже 2×10^-6 Дж/мм², а в случае двух окисленных металлов в – только 0,2×10^-6 Дж/мм².

Кроме того, у ряда металлов (свинец, медь и др.) коэффициенты трения окислов бывают значительно ниже самих чистых металлов. Для таких тел окисные пленки играют еще и роль защитных средств от холодного свариванияи когезионного вырывания металла при трении. В подобных случаях окисление металлов является фактором, обеспечивающим скольжение и уменьшающим трение и износ твердых тел. Здесь важную роль на работу пары трения оказывает состояние окружающей атмосферы и прежде всего содержание в ней кислорода и паров воды.

Аналогичное защитное покрытие твердых тел может происходить и в случае химического взаимодействия поверхности твердого тела с молекулами, находящимися в маслах и способными легко выделять атомы хлора, серы, мышьяка, фосфора и др. В процессе трения, в результате выделяющегося в контакте тепла, на наиболее нагруженных участках контакта могут образовываться легко деформируемые хлориды, сульфиды, арсениды, фосфориды и другие соединения, существенно снижающие как схватывание и износ, так и трение между телами. Образованию подобных защитных поверхностных покрытий могут способствовать электрохимические и механические процессы, происходящие на границе раздела твердое тело - внешняя среда.

5.7. Эффект П.А.Ребиндера

Помимо действия химических процессов, оказывающих влияние на свойства поверхности и фрикционное взаимодействие между твердыми телами, существует открытое и исследованное П.А.Ребиндером аналогичное смазочное средство, обусловленное чисто молекулярным взаимодействием смазки с твердыми поверхностями, получившее название "эффекта Ребиндера".

Реальные твердые тела имеют как поверхностные, так и внутренние дефекты структуры. Как правило, подобные дефекты обладают избыточной свободной энергией. За счет физической адсорбции молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) происходит снижение уровня свободной поверхностной энергии твердого тела в местах их посадки. Это уменьшает работу выхода дислокаций на поверхность. Поверхностно-активные вещества проникают в трещины и в межкристаллитное пространство, оказывая механическое воздействие на их стенки и, раздвигая их, приводят к хрупкому растрескиванию материала и уменьшению прочности контактирующих тел. И если подобные процессы развиваются только на выступах контактирующих тел, уменьшая сопротивление сдвигу неровностей этого материала, то в целом этот процесс приводит к выглаживанию поверхности, уменьшению удельного давления в контактной зоне и в целом - уменьшению трения и износа трущихся тел. Но если нормальные нагрузки при трении значительно увеличиваются, высокие удельные давления распространяются на всю контурную площадь, разупрочнение материала осуществляется на большом участке поверхности и приводит уже к очень быстрому ее разрушению.

Эффект Ребиндера широко используется как при разработке смазочных материалов (для этого в смазочный материал вводят специальные ПАВ), так и для облегчения деформирования и обработки материала при изготовлении деталей машин (для этого используются специальные смазки и эмульсии в виде смазочно-охлаждающих жидкостей - СОЖ).

Проявление эффекта Ребиндера происходит на самых разнообразных материалах. Это и металлы, горные породы, стекла, элементы машин и оборудования. Среда, вызывающая понижение прочности, может быть газообразной и жидкой. Часто в качестве ПАВ могут выступать расплавленные металлы. Например, медь, выделившаяся при расплавлении подшипника скольжения, становится ПАВ для стали. Проникая в трещины и межкристаллическое пространство вагонных осей, этот процесс становится причиной хрупкого разрушения осей и причиной аварий на транспорте.

Не отдавая должного внимания природе процесса, мы часто стали сталкиваться с примерами, когда аммиак вызывает растрескивание латунных деталей, газообразные продукты сгорания резко ускоряют процесс разрушения турбинных лопаток, расплавленный хлористый магний действует разрушающе на высокопрочные нержавеющие стали и ряд других. Знания природы этих явлений открывает возможности направленно решать вопросы повышения износостойкости и разрушения ответственных деталей и узлов машин и оборудования, а при надлежащем использовании эффекта Ребиндера - повышать производительность обрабатывающего оборудования и эффективность использования пар трения, т.е. экономить энергию.

5.8. Угол смачивания поверхности твердого тела

В узлах трения на эффективность использования смазочных материалов и протекание ряда процессов на поверхностях трения оказывает большое влияние величина свободной поверхностной энергии взаимодействующих тел. Об уровне свободной поверхностной энергии твердых тел часто судят по конусу угла смачивания (или просто угла смачивания) их жидкостью. Для этого капля чаще всего очищенной воды осторожно помещается на интересующую нас поверхность, и по углу, проходящему через каплю между касательной к мениску капли в месте ее касания с твердой поверхностью и самой плоскостью поверхности, оценивают угол смачивания (рис. 5.9). Его величина зависит от значений удельной свободной поверхностной энергии (поверхностного натяжения s ) трех соприкасающихся поверхностей раздела: твердого тела - жидкости s_ТЖ, твердого тела - газа s_ТГ и жидкости - газа s_ЖГ. Поверхностные натяжения s_ТЖ и s_ЖГ препятствуют растеканию капли и действуют на s_ТГ. В этом случае косинус угла смачивания определяется выражением вида:

Рис. 5.9. Характер смачивания каплей жидкости поверхности твердого тела: Т - твердое тело; Ж - жидкость; Г - газовая среда

Для каждой чистой поверхности твердого тела характерна определенная величина угла смачивания. По величине этого угла все тела часто разделяются на гидрофильные (лучше смачивающиеся водой) и гидрофобные. К гидрофильным относятся окислы, карбонаты, сульфаты, силикаты, стекло и ряд других тел. К гидрофобным - чистые металлы, графит, сульфиды неокисленных с поверхности металлов, высшие гомологи органических соединений, полимеры и др.

Смачивание тел жидкостью весьма чувствительно к малейшим загрязнениям, появляющимся на поверхностях твердых тел (например, органическим маслам и поверхностно-активным веществам). Ввиду простоты измерения и способности реагировать на малые изменения величины свободной поверхностной энергии тел, метод измерения угла смачивания часто используется для определения степени загрязненности твердых тел и оценки характера смачивания смазочными материалами поверхностей трения.

5.9. Особенности трения твердых тел

Воспользовавшись положениями молекулярно-механической теории трения И.В.Крагельского, которая в общем виде определяет это явление как сумму молекулярной составляющей

и деформационной составляющей

т.е.

представляется возможность выявить вполне определенные зависимости изменения коэффициентов трения от ряда факторов, присущих трению твердых тел, свободных от специфических поверхностных загрязнений. Например, такие зависимости, как изменение сил статического трения для молекулярной и механической его составляющих (рис. 5.10, 5.11) и результирующей сил трения от давления на площади истинного контактирования (рис. 5.12).

Рис. 5.10. Характер изменения молекулярной составляющей сил трения от давления на площади истинного контактирования

Рис. 5.11. Характер изменения деформационной составляющей сил трения от давления на площади истинного контактирования

Рис. 5.12. Характер изменения силы трения от давления (Р_r)

Здесь обращает на себя внимание зависимость сил трения от нагрузки в области, где превалирует упругий контакт, силы молекулярного взаимодействия (до давления менее Р_r') и наличие области с повышенным влиянием деформационной составляющей силы трения (при давления свыше Р_r'), когда увеличивается доля пластического деформирования материала.

Высота неровностей контактирующих деталей оказывает сложное влияние на коэффициент трения. Уменьшение высоты неровностей приводит к росту фактической площади касания и увеличению молекулярной составляющей силы трения (рис. 5.13). С увеличением высоты выступов (при R_z>R_z') и, как следствие, уменьшением радиуса закругления их вершин происходит рост деформационной составляющей силы трения и последующее увеличение результирующей силы трения.

Рис. 5.13. Зависимость коэффициента трения от высоты неровностей на трущихся поверхностях

Большое влияние на уровень статического трения между телами имеет также продолжительность неподвижного контактирования трущихся тел (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Зависимость коэффициента статического трения от времени формирования контакта

Здесь обращает на себя внимание то, что время t_y, начиная с которого коэффициент трения не меняет своей величины, во многом зависит от способности материала релаксировать (распространять внутри себя) напряжения, создаваемые внешними силами. На величину t_y способна оказывать заметное влияние и температура в контактной зоне твердых тел. Для упругих тел t_y может измеряться долями секунды, а для находящихся в неупругом состоянии - составляет секунды, часы и еще большие промежутки времени (например, для некоторых полимерных материалов).

Важной является также и зависимость силы трения от скорости относительного движения (относительного смещения) твердых тел (рис. 5.15). Здесь можно выделить четыре области изменения скорости, принципиально отличные по условиям трения. В первой из них, на участке до точки А, осуществляется процесс формирования фрикционного контакта за счет микродеформаций в зоне контакта, роста напряжений, движения дислокаций и ряда других факторов. Во второй области изменения скоростей за счет быстроты относительного смещения трущихся тел и их реологических свойств, время контактирования между неровностями поверхностей трения сокращается настолько, что полного формирования фрикционного контакта не происходит и трение между телами уменьшается.

Рис. 5.15. Зависимость коэффициента трения от скорости относительного скольжения твердых тел

В точке В и далее с увеличением скорости фрикционный контакт между твердыми телами находится в динамическом равновесии и продолжает оставаться несформированным. В третьей области скоростей, на участке ВС, в условиях, когда устраняются продольные и поперечные колебания твердых тел, коэффициент трения не меняется по величине. Это обусловлено тем, что тепло, выделяющееся при трении, успевает рассеиваться между трущимися телами и в окружающее пространство и не вызывает существенного изменения механических свойств, фрикционных поверхностей. В четвертой области скоростей тепло, выделяющееся в зоне трения, уже не успевает рассеиваться в окружающую среду и приводит к перегреву материала, составляющего фрикционный контакт. Эксперименты показывают, что вспышки температуры во фрикционном контакте могут в ряде случаев достигать 600...1200 °С. Это приводит к появлению большого количества дефектов в кристаллической решетке, уменьшению механических свойств материалов и вызывает снижение силы трения на участках СD₁ и СD₂. В отдельных же случаях, как например, на участке СD₃ некоторые полимеры с повышением температуры размягчаются, увеличивается площадь их истинного контактирования, в процесс трения вовлекаются все больше глубоко расположенных масс материала и трение их существенно увеличивается. Имеются и другие примеры, показывающие, что глубокое понимание природы фрикционного взаимодействия позволяет объяснить и фрикционные процессы, встречающиеся на практике и, на первый взгляд, трудно поддающиеся анализу.

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1923; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!