Трибология и триботехника

Любая поверхность всегда имеет  на себе большое количество трещин. Реальная поверхность твердого тела, которая во многом определяет вопросы  трения и изнашивания тел, способна очень сильно менять свои структурно-механические свойства, как под механическим воздействием, так и в ходе физических и химических процессах, происходящих в зоне трения.

Адсорбция и  десорбция

Наличие на поверхности раздела  фаз избыточной свободной энергии  приводит к тому, что на поверхности  твердых тел образуется неоднородное электромагнитное поле. Во впадинах поверхности образуются более сильные электрические поля, на выступах - более слабые. Окружающий нас воздух помимо молекул газа имеет пары влаги и мельчайшие твердые частицы всевозможных материалов(менее 1 мкм). Эти частицы воздуха, паров, газовые молекулы и твердые частицы несут электрические заряды и быстро перемещаются в пространстве. Частицы легко подходят к поверхности твердого тела, попадают в поле поверхности и там застревают под действием свободной поверхностной энергии. Процесс поглощения(захвата) газовых молекул электрическим полем твердого тела называется адсорбцией. Это чисто физический процесс, который не приводит к изменению химического состава поверхностного слоя тела, однако, способен существенно изменить (уменьшить) свободную поверхностную энергию твердого тела, а значит - сказаться на уровне трения твердых тел. Слои осевших на поверхность твердого тела молекул называются адсорбционными.

В случае нагрева этих поверхностей или придания дополнительной энергии другим способом (излучением) адсорбированные молекулы могут терять связь с поверхностью и удаляться от нее. Этот процесс получил название десорбции. Однако в процессе оседания молекул на поверхность твердого тела могут происходить и химические реакции, в результате которых на поверхности может образоваться слой нового материала с существенно отличными свойствами. Это явление называется хемосорбция. Например, в результате адсорбции кислорода на металл образуются окислы или оксидная пленка. В обычных условиях хемосорбция необратима. Как адсорбция, так и хемосорбция способны существенно влиять на процессы трения и износа твердого тела.

Рассмотренные механизмы часто  используются для разработки смазочных  материалов.

Эффект Ребиндера

 

За счет адсорбирования и попадания  в микропоры трущихся тел поверхностно-активных веществ (ПАВ) происходит интенсивное  развитие подповерхностных трещин и  разупрочнение поверхностного слоя (преимущественно по межкристаллическим поверхностям). В качестве ПАВ являются полярные и неполярные  молекулы, а в ряде случаев и металлы (в жидком состоянии) по отношению к другим металлам (ртуть по отношению к цинку, жидкая медь - к стали, висмут - к меди). При большом количестве ПАВ микротрещины могут проникнуть внутрь металла и в конечном счете привести к разрушению деталей узла трения.

Физически адсорбированные молекулы приводят к уменьшению свободной  поверхностной энергии трущихся тел, к уменьшению молекулярной составляющей трения и уменьшению сдвиговых напряжений в поверхностных слоях. В конечном счете может привести и к уменьшению интенсивности изнашивания пар трения.

Явление, когда действие ПАВ на поверхностный слой материала приводит к резкому изменению свойств  материальных тел, получило название "эффект П.А.Ребиндера".

Эффект Ребиндера активно используется при создании смазочных материалов.

Температурное воздействие

Выделяющаяся в результате трения энергия в своей основе реализуется  в виде тепла, сконцентрированного  в зоне трения. Нагрев в замкнутом  объеме поверхностных слоев до температур 200-500^о приводит к изменению их прочности (для многих материалов с повышением температуры она уменьшается) и других механических параметров, к изменению геометрических форм, площади фактического контактирования и к дополнительным напряжениям в поверхностном слое.

Нагрев твердых тел при трении одновременно приводил к резкому  повышению их химической активности, к изменению характера взаимодействия тел не только  друг с другом, но и с окружающей средой. Высокие  градиенты температур, возникающие в поверхностных слоя, сильно ускоряют диффузионные процессы, приводящие порой к весьма значительному изменению атомарного состава в поверхностном слое трущихся тел, а, следовательно, и к изменению ряда свойств поверхностей трения, в том числе и свободной поверхностной энергии. Изменение, происходящее в поверхностных слоях, обусловленные диффузионными процессами, получили название трибомутации. Умело используя этот процесс, можно существенно сокращать период приработки трущихся тел, уменьшить износ изделия при обкатке узла трения и благодаря этому значительно увеличить его срок эксплуатации.

Температурные воздействия на поверхности  трущихся тел в ряде случаев приводят к фазовым превращениям в трущемся материале и к соответствующим  изменениям его физико-механических свойств и влияют на интенсивность износа трущихся тел. Имеются материалы,  которые сами в процессе трения изменяют свою структуру и тем самым существенно увеличивают износостойкость узла трения.

Фрикционный контакт является мощным источником выделения тепла, с разогревом материала до 800 и более градусов. Действие его на фрикционное взаимодействие многогранное:

• тепло выделяется в замкнутом объёме, что, из-за теплового расширения, приводит к возникновению в материале в зоне трения весьма больших дополнительных напряжений;
• с повышением температуры, свойства самого материала существенно меняются; .
• повышение температуры ускоряет окисление материала.

В науке о трении и  износе, ввиду чрезвычайной важности отмеченных выше вопросов, имеется специальный раздел, занимающийся анализом степени влияния тепла трения на фрикционное взаимодействие тел. Он называется "Тепловая динамика трения". По специальным программам проводятся испытания на фрикционную теплостойкость материалов.

Наклеп поверхностей трения

Высокие удельные давления и температурные  поля способствуют образованию новых, движению, выходу и закрытию дислокаций, закрытию микротрещин и уплотнению поверхностного слоя. В конечном случае это чаще всего приводит к упрочнению поверхностного слоя и повышению износостойкости. При весьма значительных деформациях может происходить развитие микротрещин, и материал может существенно потерять свои механические свойства и быстро разрушиться.

Адсорбируясь, прежде всего во впадинах микрорельефа, на поверхностях трения, газовые молекулы, молекулы паров и твёрдые частицы дыма (всегда присутствующие в воздухе) приводят к тому, что там развиваются активные окислительные процессы. Образующиеся окисные плёнки, как правило, имеют плотность отличную от основного металла и это становится причиной изменения свободной поверхностной энергии металла и возникновению в слое между окисной плёнкой и металлом больших сжимающих или растягивающих напряжений. Окисные плёнки или вздуваются, образуя пустоты, или разрываются, образуя трещины - области с повышенной плотностью свободной поверхностной энергии. В них, и во впадинах поверхности, из адсорбированных веществ (молекул жидкости, твёрдых частиц и газовых молекул) образуются скопления электролита. Это способствует протеканию активных электролитических реакций с материалом трущихся тел. Преимущественно эти процессы развиваются в трещинах, во впадинах поверхности и по границам зёрен. Эти коррозионные процессы способствуют развитию трещин и образованию системы каналов в материале трущихся тел. Благодаря этому, реальные поверхности твёрдых тел всегда    имеют    поверхностные    трещины    с    разветвлёнными    внутренними поверхностями. Чаще всего внутренние поверхности многих твёрдых тел в несколько раз превышают их номинальную поверхность в плане. Тонкий поверхностный слой металла может оказаться существенно отличным от свойств материала в объёме. С этим связывается и тот факт, что многие смазочные материалы в условиях вакуума часто теряют свои смазочные свойства.

Наличие тонких трещин, в устьях которых противоположные стенки материала перекрываются действием молекулярных полей (т.е. действием сил молекулярного притяжения) нижних частей противоположных стенок, приводит к тому, что максимальные растягивающие напряжения, возникающие вблизи устья, при приложении к телу внешних сил, не бывают столь значительными, как в обычных макродефектах поверхности. Благодаря этому микропоры поверхностного слоя, хотя и снижают его механические свойства, однако при этом активно сдерживают развитие подповерхностных трещин.

 

 

Влияние ориентации молекул поверхностно-активных веществ на уровень трения между  телами

Молекулы ПАВ способны организовать на поверхности тела слои с анизотропией механических свойств. По мере заполнения поверхности молекулами ПАВ трение между телами падает и становится минимальным -  молекулы плотно упакованы в лежачем положении на поверхностях трения (фаза I). При последующем увеличении концентрации ПАВ, часть молекул поднимается, а часть продолжает лежать на поверхностях трения (фаза II). В этом случае трение между телами увеличивается. При последующем увеличении концентрации молекул они выстраиваются плотно вертикально (фаза III) и сила трения вновь снижается до минимума. Она не меняется и в том случае, когда молекулы выстраиваются во второй ряд (фаза IV) и образуют последующие полимолекулярные слои. Характерным является то, что наименьшее трение наблюдается лишь в том случае, когда на поверхностях пар трения образовывались слои с плоскостями легкого скольжения, направленными вдоль действующей внешней силы (I,III,IV).

Контакт твердых тел

При контакте твердых тел взаимодействие осуществляется по выступам твердых  тел, следовательно, площадь контактирования (A_r) сильно отличается от номинальной площади(A_a).

Идеально гладких поверхностей в природе нет. Реальная же поверхность твёрдого тела имеет волнистость, шероховатость и наношероховатость на уровнях кристаллической решётки. И если последняя имеет чрезвычайно важное влияние на протекание физико-химических процессов на поверхностях твёрдых тел, то волнистость и шероховатость играют решающую роль при формировании контакта между трущимися телами. При этом различают номинальную площадь контакта, определяемую внешними геометрическими размерами контактирующих тел, непосредственно измеренными или рассчитанными с использованием уравнений Герца.

 

Пять типов фрикционных  контактов

1. Упругое деформирование одной поверхности другой.
2. Пластическое деформирование.
3. Микрорезание.
4. Сдвиговое смещение внутри слоя.
5. Прочное соединение одного тела другим.

Эволюция взглядов на природу трения твердых тел

Несмотря на то, что результаты трения твёрдых тел были известны и использовались человеком уже  давно, однако первые записи, характеризующие процесс трения, были сделаны лишь в 1508 году Леонардо да Винчи. Они гласили, что сила трения является пропорциональной "массе трения", т.е.  F~N.

В 1699 году Амонтон представил зависимость трения Леонардо да Винчи в  виде  выражения,  которое  и  сейчас  широко  используется  инженерами: F = μN, где: F - сила трения; μ - коэффициент трения; N - сжимающая сила.

В  1785 году Кулон, проводя  тщательные эксперименты по трению, установил, что закон Амонтона далеко не всегда выполняется. Кулон, как и все предыдущие исследователи трения, стоящие на чисто механистических позициях о его природе, сделал предположение, что все тела имеют на своих поверхностях некоторый "ворс", свойственный для каждого из тел, который взаимодействует с этим "ворсом" другого тела и создаёт дополнительное сопротивление их движению. 
Поэтому Кулон вводит, поправку к формуле Амонтона в виде некоторой величины "А", учитывающей дополнительное сопротивление ворса в виде: F = μN + А. Благодаря весьма высокому авторитету Кулона как механика, это выражение и его представления на природу трения, продолжают оставаться неизменными ещё долгие годы, хотя уже вскоре после его смерти появились знания об атомном строении веществ, об особенностях и свойствах сконденсированных тел и ряд других.

В 1934 году Дерягин, опираясь на строгие  физические представления о взаимодействии между атомами, ионами и молекулами, разработал молекулярную теорию трения, отдавая при этом преимущественное влияние силам электростатического отталкивания (N) и вспомогательное влияние силам молекулярного притяжения, выраженное в виде сил удельной адгезии, т.е. F = μ·(N + Sp₀), где N - нормальная нагрузка, S - площадь истинного контактирования (A_r), p₀ - удельная адгезия (свободная поверхностная энергия, приходящаяся на единицу поверхности).

В 1959 г. была создана молекулярно-механическая теория Крагельского, исходя из которой, получено:                                     

β – коэффициент  изменения сил в зависимости  от нагрузки;

R - радиус кривизны выступа (неровности);

h - глубина внедрения  выступа в поверхность.

Иными словами, первые два члена представляли коэффициент трения, формируемый молекулярными силами, а третий член этой формулы - составляющую коэффициента трения связанную с деформацией твёрдых тел, т.е. деформационную составляющую трения. Крагельский считал, что при трении часть выступов осуществляет микрорезание, часть - пластическое оттеснение. часть - упругое оттеснение, часть перемещается по разделяющей их плёнке, часть осуществляет глубинное вырывание с противоположного тела. Эти пять разновидностей типов фрикционной связи существуют при любом фрикционном взаимодействии. В зависимости от того, какая из них превалирует, говорят, что контакт упругий, пластический, происходит микрорезание или вырыв материала (задир).

Теория Крагельского сейчас используется во всём мире для анализа и расчёта статического трения и трения при равномерном стационарном скольжении тел в условиях, когда не проявляются реологические свойства (реология - наука о закономерности течения материала) самого материала трущихся тел и разделяющего их слоя. Она позволяет выявить, как меняется коэффициент трения от нагрузки, от шероховатости, от скорости скольжения и от ещё ряда параметров трения, а также установить, что на результаты фрикционного взаимодействия большое влияние оказывают физические и химические процессы, происходящие в зоне трения твёрдых тел.