Розділ 3 зовнішнє тертя

3.1 Загальні поняття

Перші найбільш примітивні пояснення природи сил тертя будувались на основі підйому тіл по нерівностях їх поверхні. При цьому коефіцієнт тертя чисельно дорівнює тангенсу кута нахилу одиничної нерівності (Паран, 1740 р. , Белідор, 1737 р. , Ейлер, 1748 р.). В основі всіх розрахунків лежали геометричні відношення, так як тіла вважалися абсолютно жорсткими. В такій схемі загальний запас механічної енергії повинен бути незмінним.

Явище тертя з точки зору виникаючого між твердими тілами молекулярного притягання вперше було запропоновано англійським вченим Дезагюльє (1724 р.), а потім лише через два століття було розвинене англійськими вченими Вільямом Гарді (1919р.), а також Б.В. Дерюгіним (1934 р.).

Кінець суперечкам був покладений в 1939 р. Ігорем Вікторовичем Крагельським, котрий, об’єднав обидві точки зору і запропонував теорію, згідно з якою зовнішнє тертя має подвійну природу і обумовлене, як переборюванням сил молекулярної взаємодії між поверхнями, так і переборюванням механічного опору, пов’язаного із зміною форми поверхневого шару.

В основі молекулярно-механічної теорії сухого і граничного тертя і спрацьовування лежить врахування дискретності контакту 2-x тіл, обумовленою шорсткістю і хвилястістю поверхонь контакту, котрі мають місце на будь яких твердих поверхнях.

Сухим називається тертя при наявності між двома твердими тілами шару з пониженим опором, який знаходиться у твердому стані, граничним – в рідкому стані.

Зовнішнє тертяздійснюється на окремих плямах контакту розміром 0,1-30 мкм (в залежності від сформованої у процесі тертя шорсткості).

Зовнішнє тертя – явище, обумовлене зміною форми тільки поверхневого шару контактуючого тіла і подоланням молекулярно-атомарних зв’язків, які виникають у точках реального контакту і залежать від прикладеного навантаження, шорсткості і механічних властивостей цих тіл.

Внутрішнє тертя– це явище, яке охоплює об’єм деформуючого тіла й обумовлює зміну форми всього об’єму.

Взаємодія поверхонь проявляється у формуванні плям контакту, в якому беруть участь не тільки виступи з покриваючими їх плівками, але й прилягаючий до цих виступів матеріал. Приєднанням і роз’єднанням контактів деформується лежачий під ним матеріал.

Плями доторкування, які утворюються, існують і зникають при спільних діях нормальних і тангенційних сил, називаються фрикційними зв’язками.

Утворившись внаслідок тертя адгезійний “місток” чи місток зварювання, який продовжує існувати при знятті нормального навантаження, не уявляє собою фрикційного зв’язку. Цей же місток, який утворюється при наявності стискаючого навантаження і який руйнується, як тільки його знімають, являє собою фрикційний зв’язок.

Поверхневий шар матеріалів, які труться, змінюється, в основному, під дією значних деформацій, які розвиваються в тонкому поверхневому шарі, призводячи до його нагрівання. Крім того, зміни відбуваються внаслідок фізичної й хімічної взаємодії з навколишнім середовищем, наприклад, в результаті “ефекту Ребіндера” – адсорбційного зниження міцності, дифузійного насичення елементів із навколишнього середовища, і , на кінець, від хімічної взаємодії.

Взаємодія газів і рідин з поверхнями твердих тіл в процесі тертя формує “третє тіло”, яке істотно змінює молекулярну складову тертя. Ця взаємодія може носити характер, або фізичної адсорбції, або хемосорбції.

Змінений поверхневий шар зазнає значні деформації при терті, його властивості в поєднанні з властивостями підніжки, яка складається з початкового матеріалу, визначають зносостійкість і опір зсуву.

Руйнування при спрацьовуванні має кумулятивний характер і є результатом послідовного багаторазового накопичення пошкоджень. Тому зносостійкість вельми чутлива до вважалось би незначній зміні властивостей матеріалів, зміні природи захисних плівок на поверхні, наприклад, за рахунок присадок до мастил.

Перед нами ставиться завдання по встановленню зв’язку тертя й спрацьовування з фізико-механічними характеристиками тіл, які труться, а вони в залежності від зовнішніх умов можуть суттєво змінюватись, то виникає необхідність оцінювати інтервали зовнішніх умов, в яких ці характеристики можуть рахуватися незмінними.

Іншими словами, невід’ємною частиною розглянутої нами теорії є встановлення критичних точок, які характеризують зміну властивостей фрикційних контактів, які визначають зносостійкість.

Складність цих явищ ілюструє схема основних факторів, котрі необхідно враховувати при аналізі фрикційної взаємодії твердих тіл:

Аналіз полегшується, якщо ми розглядаємо три послідовних етапи процесу тертя і спрацьовування: взаємодія поверхонь; зміни поверхневих плівок у процесі тертя; руйнування поверхонь.