3.2. Обзор некоторых существующих теорий трения.

Первые исследования внешнего трения принадлежат великому итальянскому ученому Леонардо да Винчи /1508 г/. Им было сформулировано понятие, о коэффициенте трения, величина которого предполагалась постоянной (0,25) для всех тел при условии одинаковой гладкости их поверхностей. Такой же точки зрения придерживались исследователи более позднего времени Г. Амонтон и Т. Бюлфингер. Работу Леонардо да Винчи и Г. Амонтона базировались на механической гипотезе механизма трения. Предполагалось, что при трении происходит механическое зацепление неровностей поверхности. Важные исследования в области внешнего трения были выполнены Ш.Кулоном, который первым указал на необходимость различать трение покоя и трение движения и установил, что трение обусловлено рядом факторов: природой материалов, протяженностью поверхности, давлением, продолжительностью контакта, скоростью скольжения. Кулон сформулировал закон о двойственной природе трения: зацепления, пропорционального нагрузке и не зависящего от площади касания и сцепления, зависящего от площади касания. Эта двойственная природа выражается законом.

F=A+ξ N

где F – сила трения; А – константа, характеризующая способность трущихся тел к взаимному сцеплению; N – нормальная реакция; ξ – коэффициент трения. Однако до XX в. величиной А пренебрегали, поскольку для грубо обработанных поверхностей она имеет малое значение. В этом случае закон Кулона выражался следующим образом [9]:

F= ξ N

Это упрощенное выражение в равной степени приписывается Леонардо да Винчи, Делагиру, Амонтону и Кулону и называется законом Амонтона – Кулона. Исследования Ш.Кулона явились базой для создания формального учения о трении в механике и инженерном деле. Особенно быстро начала развиваться наука о трении и износе в XX в. в связи с бурным развитием техники. Известен ряд крупных работ русских и зарубежных ученых, которые намного раздвинули горизонты этой науки. Особенно большой вклад в дело развития науки о трении и износе внесли советские ученые. Благодаря их работам Россия занимает ведущую роль среди других стран в деле развития науки о трении и износе.

Опираясь на исследования ученых, инженеры и техники создали уникальные машины и механизмы на очень высоком уровне инженерного дела.

Адгезионная теория трения

В соответствии с этой теорией предполагается, что касание трущихся поверхностей происходит не по всей номинальной площади контакта, а только по фактической, которая определяется деформационными свойствами неровностей поверхностей трения. В зоне фактического контакта наблюдается сильная адгезия, в результате чего образуются "мостики сварки". Сила, разрушающая эти адгезионные связи, и является силой трения. [9] В некоторых последних работах, исходящих из адгезионной теории трения, предполагается, что часть работы трения расходуется на "вспахивание" неровностями более твердого материала поверхности мягкого материала. Однако предполагается, что пропахивающая составляющая незначительна по сравнению с адгезионной.

Основная расчетная формула адгезионной теории трения следующая:

где N – нормальная нагрузка; ; - коэффициент трения, его составляющие: S – напряжение среза; - предел текучести; С – постоянная (С=3).

Молекулярная теория трения

Гипотеза о молекулярной теории трения наибольшее развитие получила в трудах Харди и Б.В.Дерягина. Гипотеза исходит из того, что в случае гладких поверхностей трение обусловлено молекулярной шероховатостью, т.е. силами борновского отталкивания электронных оболочек контактирующих тел, а силы прилипания или молекулярного притяжения должны рассматриваться как факторы, объясняющие отклонения от закона Амонтона. Основная концепция молекулярной теории трения приводит к двухчленной формуле.

,

где р - удельное прилипание, действующее на фактической площади контакта .

В дальнейшем Б.В. Дерягин предложил более совершенную формулу, в которой учитывается механическая шероховатость.

Молекулярно – кинетическая теория трения.

В 1953 г. Шалломах предложил молекулярно-кинетическую гипотезу о природе трения. На основе этой гипотезы Г.М.Бартенев развил теорию трения резины и твердых полимеров /пластмасс/. В соответствии с теорией Г.М. Бартенева каждая цепь высокополимерного материала при скольжении контактирует с микро поверхностью сопряженного тела некоторое определенное время, перескакивая затем в новое место. При наличии сдвигающей силы перескоки в направлении действия этой силы более вероятны, чем перескоки в других направлениях. Основные следствия из этой теории следующие:

сила трения описывается не падающей, а возрастающей характеристикой скорости /при малых скоростях/;

сила трения равна нулю при скорости скольжения, равной нулю сила трения определяется по формуле, позволяющей производить расчет по физическим константам материала. В упрощенном виде эта формула записывается в следующем виде:

,

где С₁ и С₂ – коэффициенты, зависящие от скорости, температуры и молекулярных констант; А – контурная площадь контакта; – фактическая площадь контакта; pd – фактически давление; К – коэффициент, отражающий влияние нормальной нагрузки на силы прилипания.

Адгезионно – деформационная теория трения, будучи по существу феноменологической, построена на основе заранее заданной модели контактирующих поверхностей. Физического обоснования происходящих в контакте явлении данной теорией не предусматривается.

Развивая в свое время адгезионно – деформационную теорию трения, И.В.Крагельский исходил из того, что трение обуславливается двумя факторами: деформированием материала внедрившимися неровностями /деформационная составляющая/ и преодолением адгезионных связей в зоне фактического контакта /адгезионная составляющая/. Образующиеся в процессе трения фрикционные связи можно рассматривать как третье физическое тело.

Рис. 24 Основные виды нарушения фрикционной связи:

а) упругое оттеснение; б) пластичное поредеформирование;

в) микрорезание; г) схватывание; д) глубинное вырывание.

В соответствии с двойственной природой трения фрикционные связи могут иметь механический характер /рис. 24 а – в/ и молекулярный /рис. 24 г, д/. Существует пять видов связи: упругое оттеснение, пластическое передеформирование, микрорезание, схватывание и разрушение поверхностных пленок, глубинное вырывание. Эти пять видов фрикционных связей учитывают все случаи и дают возможность рассчитать силу трения с большим или меньшим допущением в зависимости от преобладающего вида связи /8/.

В основе данной теории трения лежит учет дискретности контакта двух твердых тел, обусловленным шероховатостью и волнистостью поверхностей контакта, которая имеет место на любых твердых поверхностях. Внешнее трение осуществляется на отдельных пятнах контакта размером 0,1 – 30 мкм /в зависимости от сформировавшейся в процессе трения шероховатости/. Пятна контакта возникает в результате деформаций неровностей /внедрение или смятие/. По своему характеру деформации могут быть упругими и пластичными. Пятна контакта неравномерно распределены по поверхности, они сосредоточены на гребнях волн.

При относительном сдвиге тел происходит разрушение существующих адгезионных "мостиков"; действующие при этом тангенцианальные усилия в области пятен контакта искажают симметричную до того деформационную картину. Впереди "индентора" материал сжимается, а сзади растягивается. При многократном воздействии в материале упругого полупространства будут периодически возникать сжимающие и растягивающие напряжения.

Высокая температура в сочетании с высокими давлениями, возникающими в зонах касания, приводят к значительным изменениям свойств поверхностных слоев, вызывают значительные температурные напряжения, в микрообъемах протекают процессы "термической обработки". Интенсивно протекают процессы окисления, образование различных химических соединений, взаимной диффузии.

Взаимодействие газов и жидкостей с поверхностями твердых тел в процесс трения формирует "третье тело", что существенно изменяет молекулярную составляющую трения. Это взаимодействие может носить характер либо физической адсорбции, либо хемосорбции.

Измененный поверхностный слой испытывает значительные деформации при трении, его свойства в сочетании со свойствами подложки, состоящей из исходного материала, определяют износостойкость и сдвиговые сопротивления.

Разрушение при износе имеет кумулятивный характер и является результатом последовательного многократного накопления повреждений. Поэтому износостойкость весьма чувствительна к казалось бы незначительному изменению свойств материалов, изменению природы защитных плёнок на поверхности, например, за счёт присадок к маслам.

Так как нами ставится задача по установлении связи трения и износа с физико-механическими характеристиками трущихся тел, а они, в зависимости от внешних условий, могут существенно меняться, то возникает необходимость оценивать интервалы внешних условий, в которых эти характеристики могут считаться неизменными.

В связи с этим неотъемлемой частью рассматриваемой нами теории является установление критических точек, характеризующих изменение свойств фрикционного контакта, определяющих износостойкость. Некоторые из них уже изучены, другие ждут своих исследователей.

Сложность этих явлений иллюстрируется схема основных факторов, которые необходимо учитывать при анализе фрикционного взаимодействия твердых тел /рис. 25 /

Анализ облегчается, если мы рассматриваем три последовательных этапа процесса трения и износа: взаимодействие поверхностей; изменение поверхностных слоев в процессе трения; разрушение поверхностей.

В ходные факторы Внутренние факторы Выходные факторы

Природа трущихся тел	Изменение Изменение шероховатости структуры И Изменение механических свойств зменение свойств пленок Тепловы-деление при трении Накопление вакансий, дислокаций	Сила трения
П ромежуточная среда
		Интенсивность износа
Нагрузка
Скорость
Т емпература

Рис.25 Схема факторов, влияющих но фрикционное взаимодействие твердых тел

Энергетическая теория трения

Основы этой теории впервые были опубликованы в 1927 г. В.Д.Кузнецовым. Дальнейшее развитие она получила в работах ученых, в частности Б.И. Костецкого. Суть теории состоит в том, что процесс трения диссипативный и требует расхода энергии на тепловые, акустические и электрические явления, на истирание поверхностей и дробление абразивных частиц. Работу сил трения можно считать суммой вышеуказанных составляющих, каждая из которых может быть, с определенными допущениями, найдена тем или иным путем.

Рассмотренные выше теории внешнего трения, отдающие предпочтение тому или иному явлению, вряд ли могут претендовать на роль всеобъемлющей, построенной на современных достижениях физики, химии, и механики, теории. Наука о внешнем трении пограничная область знаний ряда наук, в их числе физики, химии и механики, и поэтому попытки решить основные задачи теории трения в рамках отдельных областей знаний, безусловно, не отвечают требованиям сегодняшнего дня. И.В. Крагельский в обзорном докладе на упомянутой выше конференции в Киеве указал, что анализ этапов развития науки о взаимодействии твердых тел при трении показывает, что теоретические объяснения, раскрывающие существо протекающих при трении процессов, существенно изменяются.

За последние годы в России возникла и успешно развивается новая область науки – физико-химическая механика. Она развивается на границе между молекулярной физикой твердого тела, физической химией поверхностных явлений и дисперсных систем, механикой материалов и рядом отраслей технологию. Одним из основоположников этой науки является ученый академик П.А. Ребиндер. Очевидно, что при разработке общей теории внешнего трения теоретической базой может служить только физико-химическая механика материалов.

В работе [5] рассмотрены теории трения твердых тел и приведены ряд законов трения различных авторов /табл.7/.

Таблица 7 – Развитие двучленного закона трения

Закон трения	Составляющие	Отличительные особенности
	S0 – площадь действительного контакта ρo – сила молекулярного притяжения;	Влияние сил отталкивания, возникающих при сближении электронных оболочек атомов трущихся поверхностей на силы трения Дерягин Б.В.

Продолжение таблицы 7

	S – площадь, несущая нагрузку; α – доля общей площадей, на которой образовывались металлический мостики; τМ – сопротивление срезу мостиков; τZ – сопротивление сдвигу слоя смазки σ – напряжение среза; Sф – площадь истинного контакта; Ψ – сопротивление металла вытеснения; Sn – площадь поперечного сечения дорожки трения;	Дискретное взаимодействие металлических поверхностей, пластическая деформация в местах контакта. Образование и разрушение металлических мостиков на поверхностях трения. Шероховатости более твёрдой поверхности вытесняют металл поверхности, имеющей меньшую твёрдость Боуден Ф.П. Тейбор Д.
	α, β - постоянные величины на основе зависимостей F- удельная сила трения, А0- молекулярная сцепляемость; Мт- коэффициент трения, обусловленный молекулярной шероховатостью; g- давление	Нарушение фрикционных связей в результате взаимного внедрения поверхностей при механическом зацеплении и молекулярном взаимодействии Крагельский Н.В.
	τo – прочность на срез адгезионной связи; β – пезокоэффициент, характеризующий увеличение прочности на срез при увеличении нормального напряжении; Pr – среднее нормальное напряжение на контакте; К – коэффициент зависящий от вида контакта; h – величина внедрения;	Трёхчленная зависимость коэффициента трения на основе задач теории упругости и пластичности Крагельский И.В. Михин Н.М.

Продолжение таблицы 7

	R – радиус неровности; α – коэффициент гистерезисных потерь;N – нормальное давление; А,K,L – эмпирические коэффициенты;	Расчёт коэффициента трения в зависимости от нормального давления с учётом трения взаимодействия, не зависящего от нормального давления Крагельский И.В.
	ξ – коэффициент статического трения; S – среднее сопротивление срезу для всей фактической контактирующей поверхности; НВ – твёрдость поверхностного слоя по Бринеллю;	Зависимость силы трения от твёрдости и температуры плавления металла Крагельский И.В.
	Θ – средний угол между фактической площадью контакта и направлением силы трения	Зависимость силы трения от твёрдости и температуры плавления металла Крагельский И.В.
	Sc – площадь сдвига; Τо – прочность сдвига; N – нормальная нагрузка; К – коэффициент характеризующий скорость изменения касательных напряжений при изменении нормальных напряжений	Внедрение более прочны участков одной поверхности в менее прочные участки другой. Не учитывается влияние адгезии на пластическое сдвигообразование в тонких поверхностных слоях трущихся поверхностей Епифанов Г.И

В последнее время предприняты попытки описать механизмы трения, в которых основную роль играют химические процессы, активируемые пластической деформацией. Модели, используемые в этой новой области знаний – трибохимии, основаны на представлении об особом состоянии твердого тела в зоне контакта, аналогичном состоянию плазмы. При импульсном контактном нагружении происходит локальная квазиаморфизация твердого тела, сопровождающаяся поглощением значительного количества энергии. Возникают частицы е большой энергией: возбужденные молекулы, атомы, ионы, быстрые электроны, фотоны, фотоны /тепловое движение/. Такое состояние является причиной определенных химических реакций, а также явлений трибоэлектричества, экзоэлектронной эмиссии, триболюминесценции и т.п.

Авторы исследований по трибохимии отмечают ее модельный /феноменологический/ характер. Необходимо отметить, что многие представления трибохимии не имеют экспериментального подтверждения. Эта теория, так же как и вышеприведенные представляет попытку описать сложное явление трения с помощью универсальной модели.

Современная наука о трении - пограничная область знаний. Ее содержание является синтезом соответствующих разделов механики, физики твердого тела и физихо – химии поверхностных явлений Наука о трении имеет прямое прикладное значение. Однако сугубо инженерные подходы к решению ее задач могут дать ответы, пригодные только для очень немногих практических условий.