3. Виды трения твердых тел сухое и граничное трение.
3.1. Виды трения твёрдых тел.
Трение принято делить на внешнее и внутреннее. Внешним трением принято называть явление сопротивления относительному перемещению, возникающему между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей, по касательным к ним.
Внешнее и внутреннее трение – принципиально различные явления, хотя на практике не всегда удается четко установить факт того или иного случая. Кроме того, возможно смешанное трение, когда одновременно наблюдаются оба вида трения.
В случае внешнего трения энергия теряется на образование тепла, зарядов статического электричества, разрушение трущихся поверхностей, шумовые эффекты и т.д.
Отличия внешнего трения от внутреннего состоят в следующем:
1. Различна геометрия взаимодействия трущихся поверхностей. При внешнем трении контакт двух трущихся тел всегда дискретен, т.е. они соприкасаются в отдельных точках. При внутреннем трении поверхность касания непрерывна.
2. При внешнем трении тело перемещается в направлении, перпендикулярном вектору относительной скорости. Внутреннее трение характеризуется ламинарным перемещением тела в направлении вектора относительной скорости.
3. При внешнем трении возникновение и разрушение связей между трущимися телами локализуется в тонком поверхностном слое, при внутреннем деформативная зона охватывает весь их объем.
Третий
фактор предопределяет весьма важное
положение, касающееся внешнего трения,
- положительный градиент механических
свойств. Если связь в зоне соприкосновения
двух тел менее прочна, чем связь
нижелажежащих слоёв, то существует
положительный градиент свойств по
глубине, т.е.
,
где dτ
– разрушающее
связи напряжение в направлении плоскости
касания; z
– координата, перпендикулярная плоскости
касания.
Положительный
градиент свойств по глубине показывает,
что разрушающее напряжение локализуется
в зоне тонкого поверхностного слоя,
т.е. налицо внешнее трение. Если
,
т.е. связь прочнее нижележащих слоев,
то разрушение будет происходить по
более слабому месту, но не по поверхности
соприкосновения, а по объему, т.е. будет
существовать внутреннее трение. Чтобы
эффект внешнего трения осуществлялся
непрерывно и чтобы была исключена
возможность перехода внешнего трения
во внутреннее, в инженерной практике
применяется ряд мер. Одна из них –
нанесение тем или иным путем на поверхности
трения тонких износостойких антифрикционных
покрытий.
Образование плёнок из смазки
адсорбционных
предварительное
Не прерывное (ротопритет)
Pис 21 Классификация видов антифрикционных покрытий /по И.В Крагельскому/
Надо иметь в виду, что антифрикционные покрытия деталей машин и приборов – это довольно обширная, охватывающая многие разделы физики, химии и механики, отрасль науки и техники. На Киевской конференции /I973 г./ И.В. Крагельский предложил классифицировать антифрикционные покрытия по схеме рис 21. Эта классификация видов антифрикционных покрытий не только четко охватывает все существующие виды покрытий, но и служит руководством при разработке новых, более совершенных видов покрытий.
Правило положительного градиента всегда осуществляется, когда трение протекает нормально и подтверждается:
применением различных смазочных материалов, вводимых в контакт /погашающих силы молекулярного взаимодействия/ у уменьшающих прочность поверхностного слоя за счет адсорбционного эффекта прочности – эффект Ребиндера; уменьшающих прочность поверхностного слоя за счет химического взаимодействия образования металлических мыл;
применением тонких металлических или других твердых покрытий из мало прочных материалов [9];
осуществлением трения твердых тел при высоких скоростях скольжения, когда тонкие поверхностные слои размягчены под влиянием температуры от 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 пленки зависят от нее, и поэтому с температурой трения изменяются механические свойства контактирующих элементов поверхностей. Важным является вопрос о том, будет ли различие между внешним и внутренним трением количественным или качественным? Дело в том, что в первом случае закономерности внутреннего трения могли бы быть распространены на внешнее трение, во втором – следует ожидать иных закономерностей. Исследование механизма внешнего трения показывает, что оно принципиально отличается от внутреннего трения. Единственное сходство между ними то, что они являются диссипативными процессами.
Положительный градиент может быть обеспечен или за счет применения более мягких покрытий /жидких, твердых смазок/, или за счет температурного градиента в зоне трения, приводящего к градиенту механических свойств. Молекулярное схватывания двух твердых тел неминуемо, поэтому локализация разрушения в тонком поверхностном слое будет иметь место лишь при положительном градиенте механических свойств.
При тангенциальном перемещении внедрившаяся неровность гонит перед собой полусферическую волну деформированного материала. За внедрившейся неровностью материал сильно растягивается. Некая точка, находящаяся на гребне волны впереди неровности, по мере ее прохождения, будучи подмята индентером, опускается, поэтому каждая точка на поверхности совершает колебания в плоскости, перпендикулярной плоскости касания.
При внутреннем трении имеют место сдвиги материала в направлении движения в плоскости касания. В этом коренное кинематическое различие внешнего трения от внутреннего. Природа внутреннего трения едина, она связана с передачей количества движения от одного слоя к другому. Природа внешнего трения двойственна, сна обусловлена преодолением адгезионных сил, возникающих между двумя телами, и преодолением сопротивления объемному деформированию материала, обтекающему неровности. В табл.6 сопоставляется внешнее и внутреннее трение.
Таблица 6
Характеристика |
Трение |
|
Внутренние |
внешнее |
|
Касание |
Непрерывное |
Дискретное |
Направление смещения |
По вектору скорости |
Перпендикулярно вектору скорости |
Характер смещения |
Послойное |
Синусоидальное |
Градиент механических свойств по глубине |
Отрицательный |
Положительный |
В зависимости от вида перемещения /рис 22/ различают трение скольжения, верчения и качения /последнее в этой главе не рассматривается/.
Для количественной оценки трения вводится понятие силы трения /Т/. Сила трения представляет собой равнодействующую cил тангенциальных сопротивлении, возникающих на реальных пятнах контакта при скольжении одного тела по поверхности другого, Сила трения относится к числу не потенциальных сил. Трение верчения характеризуется моментом сил трения.
При переходе от покоя к скольжению имеется участок предварительного смещения /участок ОА, рис. 23/.
Тангенциальное сопротивление в режиме предварительного смещения называют неполной силой трения. Лучше ее называть силой сцепления, так как она частично носит потенциальный характер.
Полная сила трения покоя соответствует переходу от предварительного смещения к скольжению /точка А/. Ее условно называют трением покоя. После предварительного смещения начинается устойчивое скольжение, характеризуемое силой трения скольжения /линия А – В/. В зависимости от поставленной задачи трение может оцениваться не только силой или моментом. Так, трению при ударе характеризуется изменением количества движения.
В инженерной практике для оценки трения применяются три безразмерные величины:
1) коэффициент трения скольжения – отношение силы трения к нормальной нагрузке:
Применительно к обработке металлов давлением коэффициентом трения называют отношение тангенциального сопротивления в зоне контакта двух тел: пределу текучести более слабого из материалов. В этом случае в соответствии с теорией пластичности коэффициент трения не может превышать 0,5;
2) коэффициент трения при ударе – отношение изменений количества движения тела соударяющегося в нормальном и тангенциальном направлениях за время соударения.
3) при энергетической оценке определяется коэффициент потерь на трение как отношение работы, затраченной на преодоление сил трения Wт, к общей затраченной работе:
Этой характеристикой целесообразно пользоваться для интегральной оценки потерь на трение в машинах и механизмах.
Рис. 22 . Различные виды трения /схема/: а) скольжение; б) качение; в) верчение |
Рис.23 Зависимость силы трения от величины смещения |