Трение и сопротивление усталости. Эффект Ребиндера при трении.
Усталость материала - изменение физических и механических свойств материала в результате действия циклически изменяющихся во времени напряжений. Свойство материалов противостоять усталости называется выносливостью. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости - наибольшим напряжением (), которое может выдержать материал без разрушения при заданном числе (N) циклических воздействий (рис. 5.3).
Рис 5.3 Типичная кривая усталости металла
Усталостное разрушение деталей обычно начинается с поверхностного слоя, поэтому изменение его при трении влияет на выносливость деталей. Если при трении происходит снижение шероховатости детали и упрочнение поверхностного слоя (наклеп), выносливость детали возрастает. Трение может сопровождаться царапанием поверхностей, схватыванием и вырыванием, т.е. отторжением конгломератов материала неправильной формы от поверхностного слоя. Это приводит к возникновению на поверхности трения концентраторов напряжения и к снижению выносливости деталей.
Эффект Ребиндера - понижение прочности твердых тел в адсорбционно-активной среде вследствие физических и химических взаимодействий в поверхностном слое. П. А. Ребиндер (1898-1972) открыл его в 1928 году. Эффект Ребиндера существенно изменяет характер влияние трения на выносливость деталей. Адсорбционно-активные среды содержат поверхностно-активные вещества (ПАВ). Они интенсивно адсорбируются на поверхности твердого тела, уменьшая его поверхностную энергию. В состав многих смазочных материалов входят органические ПАВ - жирные кислоты, спирты, мыла. При их взаимодействии с поверхностью трения происходит разупрочнение поверхностного слоя на глубине до 0,1 мкм. Оно вызвано адсорбцией ПАВ на возникающих при трении участках свежеобразованной (ювенильной) поверхности. В результате уменьшаются микротвердость и предел текучести материала поверхностного слоя, что оказывает влияние на износ и выносливость истираемых деталей.
В подвижном составе железнодорожного транспорта широко используются подшипники на основе сплавов цветных металлов (баббиты, бронзы). Их расплавы обладают свойствами ПАВ, поэтому расплавление подшипника и контакт расплава со стальной осью приводит к снижению ее выносливости. На поверхности трения оси могут возникнуть трещины, являющиеся очагами усталостного разрушения.
Скользящие электрические контакты.
Электрический контакт - соприкосновение тел, обеспечивающее непрерывность электрической цепи. Скользящие электрические контакты являются одним из самых распространенных в технике узлов трения. Их применяют в электротранспорте, телемеханике, радиотехнике, электронике, расходуя большое количество цветных и драгоценных металлов.
В скользящих электрических контактах токовая нагрузка является дополнительным фактором, приводящим к изменению шероховатости контактных поверхностей, тепловыделению в зоне трения, структуры поверхностного слоя контактирующих деталей и др. Увеличение токовой нагрузки сопровождается уменьшением шума ("дребезжания") в скользящем контакте и снижением коэффициента трения (рис. 6.3). Поэтому, во многих случаях говорят о "смазочном" действии электрического тока. Оно вызвано главным образом тепловым воздействием тока на поверхностные слои контактных деталей.
Рис 6.3 Зависимость коэффициента трения от плотности тока в электрическом контакте
В скользящих электрических контактах механическое изнашивание дополняется электрическим. Последнее вызвано электрически стимулированными процессами: переносом ионов металла в контакте, схватыванием контактирующих деталей, искрением и дугообразованием, приводящими к нагреванию, испарению и разбрызгиванию металла. На поверхностях трения контактирующих деталей при прохождении тока образуются специфические слои, называемые коллекторными пленками.