4. Особенности строения и свойства трущихся тел

Реальная машина состоит из твердых тел и применяемых в ней жидких и пластичных смазочных материалов, которые в свою очередь взаимодействуют с окружающей средой, представляющей собой смесь газов - паров всевозможных веществ и пыли. От того, как взаимодействуют эти материалы и как они меняются по составу и свойствам в процессе трения, во многом определяется уровень трения и износа трущихся тел и многие параметры и характеристики машин.

Основы твердых тел, жидкостей и газов составляют взаимодействующие между собой атомы, ионы и молекулы. Им присуще наличие молекулярных сил, поступательное и вращательное движение, протекание химических и других процессов, что, в конечном счете, определяется соотношениями между потенциальной и кинетической энергиями частиц и их групп.

4.1. Характер взаимодействия между атомами, ионами и молекулами

Атомы, ионы и молекулы представляют собой частицы, несущие электрические заряды, способные с изменением расстояния Z взаимодействовать между собой (рис. 4.1). Независимо от природы их взаимодействия (наличия ионной, ковалентной, металлической или молекулярной связи) им свойственно качественно общий ход изменения сил  и потенциальной энергии Е_пот с изменением расстояния между собой. Для первоначально электрически нейтральных и уже заряженных (например, ионов) частиц характерно появление сил притяжения _пр на расстоянии порядка 2...3 их диаметра с последующим увеличением при их приближении, в общем случае, согласно уравнению вида

.

Силы отталкивания начинают действовать между частицами на более близких расстояниях, при последующем их сближении они резко увеличиваются согласно уравнению вида

,

где A и B – постоянные, зависящие от природы взаимодействующих "тел" (молекул, атомов, ионов); r – расстояние между этими "телами"; m и n – константы, зависящие от природы тел (чаще всего n = 6...7; m = 8...12).

Рис. 4.1. Силы взаимодействия между двумя атомными частицами в зависимости от расстояния между ними

Рис. 4.2. Потенциальная энергия взаимодействия между атомными частицами у твердых тел, жидкостей и газов, обусловленная изменением температуры: 1 – твердое тело; 2 –жидкость; 3 – газ (пар)

Результирующая этих сил определяется их суммированием

.

Зная, что  = -dE/dr , суммарную потенциальную энергию взаимодействия (рис. 4.2) можно определить как

.

Под действием таких сил тела стремятся в пространстве к положению с минимумом потенциальной энергии, т.е. на расстоянии друг от друга (при температуре, соответствующей абсолютному нулю), когда сила взаимодействия между взаимодействующими частицами становится равной нулю. Абсолютные же значения этого минимума потенциальной энергии и расстояние r₀ для разного вида атомов, ионов и молекул и видов связи различны (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Энергия разрыва различных видов связи

Вид связи	Энергия разрыва, эВ
Ионная	7,5...9,0
Ковалентная	5,5...6,5
Металлическая	2,0...3,0
Ван-дер-Ваальсова	0,1

По своей величине Ван-дер-Ваальсовы силы значительно меньше ионных или ковалентных сил, однако они обладают некоторыми уникальными свойствами, которые в определенных ситуациях делают их доминирующими силами. Прежде всего, Ван-дер-Ваальсовы силы универсальны и сохраняют значительную величину при сравнительно больших расстояниях между молекулами. Они определяют не только взаимодействие между твердыми телами, но и процессы, протекающие на поверхностях их раздела. С ними связаны такие явления, как физическая адсорбция, смачивание и слипание поверхностей твердых тел, устойчивость коллоидов, формирование поверхностных слоев и ряд других явлений. Тем самым действие Ван-дер-Ваальсовых сил может оказать большое влияние при внешнем, внутреннем и граничном видах трения.

С повышением температуры возрастает скорость, т.е. кинематическая энергия частиц, составляющих тело, прямо пропорциональна его абсолютной температуре

.

В зависимости от соотношения между Е_пот и Е_кин группы взаимодействующих частиц образуются твердые тела, жидкости или газы. В твердых телах (для которых характерно (Е_пот)_min > Е_кин) совершается колебательное движение его частиц относительно своего мгновенного центра равновесия (несколько больше чем r₀) и происходит увеличение размеров тел при их нагреве.

В условиях, когда Е_кин по своей величине приближается к (Е_пот)_min , система приобретает свойства жидкости с характерными для нее признаками.

В тех же случаях, когда Е_кин становится больше (Е_пот)_min, система приобретает свойства пара (газа), для которого основу взаимодействия между частицами составляют силы электростатического отталкивания, с характерными для данного материала свойствами.

Высокая степень влияния температуры сконденсированных тел на весьма значительное изменение их свойств и характер взаимодействия между собой требует непременного учета тепловых процессов, сопровождающих любое фрикционное взаимодействие между телами. Степень его влияния может быть разной. В отдельных случаях, как, например, при статическом трении, она может быть незначительной. В тяжело нагруженных узлах трения за счет выделяющегося тепла твердые тела могут весьма значительно менять свои свойства, переходить в жидкое, а затем и парообразное состояние. Эти процессы существенно влияют на сам характер протекания фрикционного взаимодействия между телами. Так, например, без плавления льда под полозом конькобежца невозможно было бы получить столь низкие коэффициенты трения между этими телами. Сейчас этот принцип широко используется при выборе материалов для управления фрикционным взаимодействием в узлах трения. Аналогичные процессы имеют важное значение и при охлаждении материалов. Так, известно, что такие газы, как криптон и ряд других, в исходном состоянии обладающие очень малой вязкостью, с понижением температуры переходят в жидкое, а затем и твердое состояние. При этом в твердом состоянии они весьма значительно меняют свои свойства и оказываются способными реализовать коэффициенты трения, равные 0,7.

С повышением (понижением) температуры помимо изменения фазового состояния трущихся тел в сконденсированных телах могут происходить и фазовые переходы, термомеханические процессы, инициируется протекание химических реакций и ряд других явлений, способных значительно менять механические и химические свойства взаимодействующих материалов и что, в свою очередь, влияет на уровень трения и интенсивность изнашивания фрикционных пар.