лекции_1 / Лекция 4_Трение твердых тел

Механизм возникновения трения объясняет молекулярно-механическая теория трения, в разработку которой внесли большой вклад российские ученые (Б.В. Дерягин, И.В. Крагельский и др.) и зарубежные (Боуден, Тейбор, Томлинсон и др.). В соответствии с этой теорией трение имеет двойственную молекулярномеханическую природу. Силу трения Fтр можно представить как сумму молекулярной (адгезионной) Fа и механической (деформационной) Fσ составляющих:

Молекулярная составляющая обусловлена сопротивлением разрыву молекулярных либо межатомных связей, которые возникают между контактирующими телами. Механизм этого процесса аналогичен разрушению кристаллической решетки при сдвиге. Рассеяние работы трения в теплоту связано с упругой деформацией кристаллических решеток. Работа внешней силы переходит в потенциальную энергию решеток. После

В первом случае контактируют несмазываемые поверхности, покрытые окисными пленками и тончайшими слоями молекул газов и воды, адсорбированными из окружающей среды. В этом случае сила трения складывается из адгезионной и когезионной составляющих. Сухое и граничное трения сходны по своей

природе и имеют общие закономерности. Причиной служит то обстоятельство, что при граничном трении мономолекулярные слои смазки прочно связаны с твердой поверхностью, обладают твердообразными свойствами и как бы служат продолжением твердой фазы. Поэтому, как и при сухом трении, фактически имеет место контакт двух твердых поверхностей. Отличие проявляется в разных значениях коэффициента трения.

Во втором случае, помимо перечисленных пленок, присутствуют молекулы смазочных материалов в виде тонкого слоя толщиной в несколько молекул, которые прочно связаны с поверхностью. Характерным в этом случае является снижение как той, так и другой составляющей.

В третьем случае слой жидкой смазки полностью разделяет сопряженные поверхности. Адгезионная составляющая уменьшается до нуля.

Многочисленные исследования показали, что для металлов деформационная составляющая коэффициента трения примерно в 100 раз меньше, чем адгезионная. Поэтому коэффициент трения в первом приближении равен адгезионной составляющей. Несколько иначе дело обстоит для пластмасс и резин. В последнем случае различие снижается более чем на порядок, и, если резина скользит по грубо обработанной поверхности, деформационной составляющей пренебрегать не следует.

смазки и многих других факторов.

Рис. 4.2. Схема трибометра

Молекулярная составляющая силы трения обусловлена межатомным и межмолекулярным взаимодействием и равна

Тогда общую силу трения, возникающую при скольжении произвольной микронеровности, можно выразить следующим образом

Сила трения Fтр вычисляется из выражения (4.4), в котором все i-е параметры определяются через известные величины. Если определить

нормальную нагрузку P в зависимости от сближения, то можно вычислить коэффициент трения в зависимости от сближения f =

Fтр/P. Расчеты показывают, что при увеличении сближения между поверхностями твердых тел молекулярная составляющая

коэффициента трения (содержащая фрикционные параметры τ0 и β) уменьшается, а деформационная возрастает. Зависимость коэффициента трения от параметра h/R показана на рис. 4.4.

Рис. 4.4.Зависимость коэффициента трения от сближения

Экспериментальные результаты. Поведение материала при трении определяется глубиной распространения пластической деформации внутрь образца. С ростом нормального давления на пятнах факти-ческого контакта развиваются сначала упругие, а затем пластические деформации. Некоторое формоизменение, связанное с ползучестью материала, происходит и после, в условиях действия постоянной нагрузки. Окончательное равновесие устанавливается после того, как площадь фактического контакта оказывается достаточной для обеспе-чения необходимой несущей способности. Таким образом, после приработки поверхности устанавливается стационарный режим трения, при котором износ поверхности находится в равновесии с ростом новых деформированных слоев. На рис. 4.5 и 4.6 приведены зависимости коэффициента трения от давления в установившемся режиме граничной смазки при скольжении образцов из стали 36НХТЮ в закаленном и состаренном состояниях по закаленной стали 45. Аустенитная сталь 36НХТЮ

Анализ параметров трения (рис. 4.8) показывает , что большую роль в процессе контактирования двух материалов при их относительном скольжении играет тепло, выделяющееся на поверхности и в приповерхностном слое.

Действительно, примером влияния контактной температуры на процесс трения может служить поведение композиционного материала TiC-NiCr при трении в паре с материалами, среди которых были КМ TiC-NiCr, стеллит и композиция “твердый сплав - бронза”, различающиеся теплопроводностью. В данных испытаниях, когда сопряжение было в виде торцевого уплотнения, отвод тепла из зоны трения может осуществляться в основном за счет теплопроводности контактирующих материалов. Поскольку теплопроводность КМ TiCNiCr и стеллита (3В16К) значительно меньше, чем у композиции КАМ, разработанной для высоконагруженных узлов трения, характер трения должен различаться. Действительно, из рис. 4.8,б видно, что трение пары одинаковых КМ TiC-NiCr становиться нестабильным уже после нескольких минут работы при нагрузке 1 т. Повышение нагрузки до 2 т сопровождается скачками момента трения, что свидетельствует

Рис. 4.9. Схематическое изображение распределения температуры в поверхностном слое в случае пластической деформации при трении