5.2. Адгезионное взаимодействие между твердыми телами

Теоретические исследования и эксперименты показали, что по мере сближения двух металлических пластин, представляющих собой систему сконденсированных частиц (атомов, ионов, молекул), между ними возникают силы притяжения, в первом приближении обратно пропорциональные четвертой степени от расстояния между гладкими пластинами. На уровень действия этих сил притяжения сильное влияние оказывают шероховатость, дефекты поверхности и адсорбированные на них вещества. Поэтому часто характер этого адгезионного взаимодействия определяют опытным путем.

Сопротивление нормальному отрыву тел одного относительно другого получило название адгезии (прилипание). А сила, отнесенная к единице поверхности контактирующих тел - удельной адгезии.

В случаях, если силы адгезии оказываются выше сил межатомного взаимодействия одного из тел, и разрыв происходит по объему более слабого тела, то такой вид взаимодействия называют когезионным, а само явление - когезией.

Примером адгезионного взаимодействия является сварка металлов трением. Наиболее наглядным - любой вид склеивания твердых тел, в том числе и с помощью клея, играющего роль промежуточного тела, увеличивающего площадь истинного контактирования между телами. Особенно высокое адгезионное взаимодействие возможно при контакте свежеобразованных поверхностей, например, образующихся между отдельными срезанными выступами в зоне контакта трущихся тел. Как показывают опыты, выполненные в высоком вакууме и в космосе, коэффициенты трения между очищенными металлическими поверхностями могут достигать 1010 единиц и даже более.

На уровень адгезионного взаимодействия твердых тел, а, следовательно, и трение, оказывает влияние толщина промежуточного нейтрального слоя (рис. 5.3).

На уровень адгезии между телами оказывает влияние толщина окисных слоев, напряженное состояние поверхностей, строение и свойства самих поверхностных слоев и ряд других факторов, которыми можно управлять.

Рис. 5.3. Прочность на разрыв в зависимости от толщины слоя парафина между стальными поверхностями

5.3. Типы фрикционных связей

При относительном смещении реальных твердых тел согласно учению И.В.Крагельского, Н.Б.Демкина и других в зоне трения можно ожидать реализацию пяти видов фрикционных связей (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схематическое изображение пяти видов фрикционных связей взаимодействия поверхностей:

1 – микрорезание; 2 – пластическое оттеснение; 3 – упругое оттеснение;

4 – пластическая деформация и адгезионное взаимодействие;

5 – глубинное разрушение.

При реализации первого вида связи в процессе внедрения неровностей осуществляется микрорезание. Условием прохождения этого процесса является h/r > 0,1 для несмазанных поверхностей и 0,2...0,3 - для смазанных. Вторая фрикционная связь характеризует пластическое оттеснение, которое проявляется при малом значении сил адгезии, когда при данной степени пластической деформации еще не достигается схватывание. В этом случае h/r < 0,1.

Третья фрикционная связь относится к упругому оттеснению, т.е. на контактируемых поверхностях осуществляется взаимодействие в условиях упругой деформации.

Тогда:

,

где _s - предел упругости; Е - модуль упругости; h - высота неровности; r - радиус закругления шероховатости.

При четвертом виде связи происходит пластическая деформация и адгезионное взаимодействие в тонком поверхностном слое, когда d/dh>0. Четвертый вид фрикционной связи известен как положительный градиент механических свойств, когда вышележащие к площади контакта слои материала твердых тел менее прочны, чем нижележащие (более удаленные от поверхности трения слои). Если трущиеся поверхности подчиняются указанному правилу, наблюдается наименьшая повреждаемость узла трения (износ и трение в этом случае минимальны). Это правило положено в основу выбора многих материалов трущихся пар для обеспечения их высокой износостойкости.

В пятой фрикционной связи осуществляется глубинное разрушение поверхностей в результате схватывания, когда реализуется условие d/dh<0, т.е. отрицательный градиент механических свойств трущихся тел.

В реальном фрикционном узле могут одновременно реализовываться все пять виды фрикционного контакта. В ряде случаев может реализовываться и превалирующее действие того или иного вида фрикционного взаимодействия, по которому судят уже о механизме трения между телами в целом.