17. Трение при высоких температурах.

Многие узлы трения промышленного оборудования (печи, прокатные станы, энергетические установки и др.) работают при температурах порядка 1273К. Тенденция к повышению температур в узлах трения до температур плавления материалов наблюдается при создании авиационной и ракетно-космической техники.

Явления, возникающие при трении при высоких температурах, зависят от многих факторов, которые действуют одновременно:

1) при высоких температурах изменяются механические свойства материалов, зазоры в узлах трения и искажается геометрическая форма деталей;

2) резко возрастает химическая активность поверхностей трения, взаимодействующих друг с другом и окружающей средой;

3) ускоряются процессы диффузии и десорбции в материалах, что приводит к значительным изменениям поверхностей трения.

Предельное действие нагрева состоит в расплавлении поверхностного слоя одного из трущихся тел. Тогда внешнее трение самопроизвольно переходит во внутреннее, описываемое гидродинамической теорией смазки. Зависимости коэффициента трения конструкционных материалов от температуры имеют вид кривых с электремумом. Это свидетельствует о влиянии на трение, по крайней мере, двух конкурирующих процессов:

1) увеличение адгезии вследствие повышении пластичности материалов и ускорения процессов диффузии и спекания на участках касания;

2) снижение деформации поверхностных слоев из-за самоориентирования элементов структуры на поверхностях трения и изменения свойств поверхностного слоя при взаимодействии с окружающей средой.

На металлах последний процесс обычно протекает в виде окисления поверхности трения. Если оксидный слой тверд и хрупок, а нижележащий металл мягок и пластичен (Al, Pb, Sn), то слой оксида легко разрушается, приводя к заеданию. Если деформационно-прочностные показатели оксида и металла близки (Cu, Fe), оксидный слой сохраняется даже при больших нагрузках. Резкое изменение зависимости трения от температуры, как правило, свидетельствует о структурном превращении в материале. Так, у кобальта при 690 К происходит превращение гексагональной структуры кристаллической решетки в гранецентрированную. Это сопровождается повышением коэффициента трения.

Трение большинства твердых смазочных материалов снижается с ростом температуры. После достижения некоторой критической температуры трение быстро растет, что связано с активацией поверхностных явлений.

18. Трение при низких температурах.

Трение при низких температурах имеет место при эксплуатации криогенной техники, предназначенной для получения температур ниже 120 К (криогенных температур), при работе машин в условиях Антарктиды и Заполярья, ракетно-космических объектов, оборудования атомной, электронной и др. отраслей промышленности.

Проблема трения при низких температурах, разработка которой в научном плане началась в 50-е годы, изучена недостаточно. Научная дисциплина, именуемая физикой низких температур, выделяет "холодное" трение в особую область исследований.

Известно, что при низких температурах значительно повышается твердость и хрупкость твердых тел. Эффект хладноломкости металлов связан с особенностями их кристаллической структуры при охлаждении. Хладноломкость в наибольшей мере присуща металлам с объемноцентрированной кубической решеткой (Fe, Cr, Mo, Ta, W). Даже небольшие перепады температур, типичные для трения при низких температурах, могут вызвать разрушение изделий из этих металлов. Металлы с гранецентрированной кубической (Al, Ni, Pb, Cu) и с гексагональной (Be, Mg, Zn, Ti) решетками не столь хладоломки.

При "холодном" трении важную роль играет адгезия. Во-первых, при низких температурах нет условий для образования на металлах оксидных пленок (за исключением трения в жидком кислороде). Во-вторых, по мере охлаждения деталей повышается поверхностная энергия тел. При трении в жидком азоте и жидком водороде, который является сильным восстановителем, очищенные поверхности металлических деталей приобретают повышенную склонность к схватыванию. При трении металлов в жидком кислороде образование оксидных пленок на поверхностях трения идет так интенсивно, что вызывает сильную коррозию.

Сжиженные газы не могут обеспечить гидродинамическую смазку из-за малой вязкости. Нагрев при трении способствует испарению сжиженного газа в зоне контакта. Это может привести к кавитации - образованию в жидкости полостей, заполненных газом. Кавитация обусловливает быстрый отказ узлов трения из-за их повреждения.

Трение органических полимеров в сверхвысоком вакууме сопровождается значительным повышением коэффициента трения уже при температуре жидкого азота (77К). При Т=13К происходит схватывание со сталью всех полимеров, включая тефлон.

Охлаждение дисульфида молибдена до 203К почти не влияет на его коэффициент трения. Затем в узком температурном интервале трение плавно возрастает примерно в 2 раза. При дальнейшем охлаждении изменение коэффициента трения MoS₂ несущественно.