3.6.5 Молекулярна складова сили тертя

Одним із основних джерел дисипації енергії при терті є робота, яка витрачається на формування і руйнування молекулярних зв’язків, які утворюються в точках дотику ковзаючих поверхонь. Молекулярна взаємодія призводять до утворення більш чи менш міцної сполуки.

Утворення цих сполук іноді називають мікросхоплюванням. Основним безрозмірним співвідношенням, яке оцінює молекулярну складову тертя, є відношення , де τ –опір зсуву молекулярного зв’язку; σ_т – межа текучості основи. Стосовно різних тіл молекулярна взаємодія (схоплювання) обумовлена різними типами зв’язку, із них найбільш універсальним є ван -дер-вальсовий зв’язок. Незалежно від природи цих зв’язків вони можуть виявлятись лише на загальних для двох тіл поверхнях дотику, тому стосовно твердих тіл явище схоплювання в основному лімітується формуванням цієї загальної поверхні.

В зв’язку з цим вирішальним фактором, який обумовлює прояв схоплювання, є жорсткість дотичних тіл, їх пружність та інші об’ємні характеристики, які відповідають за формування площі контакту.

При зсуві необхідно подолати опір тангенційному переміщенню, причому одночасно з руйнуванням зв’язків йде їх формування, тобто неперервно йде процес їх рекомбінації. Механізм руйнування визначається рухомістю поверхневого шару. Для достатньо рухомого шару він подібний течії в плоскому капілярі. Коли шар втрачає свою рухомість, відбувається механічний зріз утворившихся зв’язків. Руйнування зв’язків може відбуватись як на поверхні формування (адгезійне руйнування), так і на деякій глибині (когезійне руйнування).

При тангенційному переміщенні одного тіла відносно іншого, третє тіло знаходиться в режимі безперервної формозміни. Подібно рідині воно “тече” у вузькій щілині між двома тілами : елементи , які формують його знаходяться в стані підвищеної рухомості в зв’язку тим, що третє тіло наскрізь пронизується потоком енергії, який має густину порядку 10³ Вт/мм³. Під впливом цього потоку що, знаходиться близько дисоційованого стану. Рухомості третього тіла на металах додає те, що поверхневий шар виявляється насичений вакансіями, густина яких більша приблизно на два порядки, ніж в об’ємах матеріалу; на полімерах утворюється деградований шар з молекулярною масою, зменшеною в два рази і більше, що в результаті призведе до підвищення рухливості полімерів.

Опір зсуву третього тіла визначається міцністю одиничного зв’язку, яка зазвичай оцінюється енергією активації U, необхідної для її руйнування, і кількістю зв’язків, одночасно виникаючих всередині цього тіла.

Такий “збуджений стан” елементів, складових третього тіла, дозволяє використати до оцінки його опору зсуву ідеї Я. І. Френзеля, який вважав, що “перехід атому рідини розплавленого металу із одного тимчасового положення в інше може розглядатися як послідовність двох актів випаровування і конденсації”. В цьому випадку час осілого життя частинки визначається рівнянням:

,

Можна припустити, що опір зсуву (τ) третього тіла пропорційний часу осілого життя частинки. В першому наближенні , відповідно .Слід взяти до уваги, що енергія активації зв’язків, необхідна для її руйнування, залежить не тільки від природи зв’язків, але і від напруженого стану тіла. В залежності від знаку приведеного напруження , деγ – коефіцієнт, який має розмірність об’єму, який характеризує величину щілини, яка потрібна для розриву зв’язку. Таким чином, γp_r характеризує роботу, яку потрібно затратити проти зовнішнього поля для руйнування зв’язку. Стосовно до третього тіла – плівки, яка наражена стискаючим напруженням

,

Розкладаючи це співвідношення в ряд, отримаємо:

,

позначивши

і ,

отримаємо

,

де β – п’єзокоефіцієнт молекулярної складової тертя.

Необхідно звернути увагу на те, що біноміальний закон молекулярного тертя цілком із інших міркувань, вивів ще в 1934р. Б. В. Дерягін.

Для багатьох металів і полімерів β = 0,02...0,15. Для пари тертя метал – метал без змащення τ₀ = 0,25...3кгс/мм², а при змащуванні τ₀ = 0,1кгс/мм².Для пари метал – полімер τ₀=0,02...0,05кгс/мм²

Вище викладене збігається з термофлуктуаційним механізмом руйнування твердих тіл, який одержав свій розвиток в роботах С. Н. Журкова по кінетичній теорії міцності твердих тіл.

Перевірка біноміального закону в умовах сухого та граничного тертя на самих різних матеріалах показала повну схожість експериментальних і розрахункових даних.