2.2. Основні направлення розвитку науки про тертя

Для того, щоб підійти до сучасного трактування явищ процесу тертя, які нас цікавлять, доцільно стисло розглянути ці питання в еволюції.

Ще у 1508 р. Леонардо да Вінчі, а потім у 1699 р. французькій фізик Г. Амонтон виявили, що сила тертя ковзання:

F=fN (2.1)

деf — коефіцієнт пропорційності, який з часомотримав назву коефіцієнта тертя;

N — нормальне навантаження.

Цей закон можна побачити і в сучасній літературі, але сам коефіцієнт тертя в багатьох випадках залежить від навантажен­ня ІУ, тому сьогодні цей закон трансформувався в правило для визначення коефіцієнта тертя.

f = Р /N (2.2)

Перші найбільш прийнятні пояснення природи сил тертя сформульовані А. Параном у 1704 р., а потім у 1748 р. Л. Ейле- ром. В основі їх розрахунків лежали геометричні співвідношення, тому що тоді усі тіла приймалися абсолютно жорсткими і запас механічної енергії приймався незмінним.

У 1787 році Ш. Кулон запропонував залежність Леонардо да Вінчі-Амонта у вигляді двох складових:

F= fN+A (2.3)

де А — коефіцієнт, який характеризує чіпкість поверхонь тертя. При цьому коефіцієнт тертя приймався рівним кута нахилу одиничної площини.

У 1794 р. англійській вчений Ж. Дезучальє вйсловив припущення, що природу тертя можна пояснити виникненням між тілами сили, з точки зору молекулярного притягнення. Але ця теорія отримала розвиток лише на початку минулого століття в роботах англійських вчених В. Гарді (1919 р.) С. Томлінсона (1929 р.) і радянського вченого Б.В. Дерягдаа (1934 р.). Проте вже давно були суперечки між вченими механічного і молекулярного направлення, і лише в 1939 році радянський вчений І.В. Крагельський поєднав обидва погляди. Але і після цього суперечки не припинялися до 1957 року.

2.3 Зовнішнє тертя з позиції трибоніки (триботехніки)

Триботехніка вивчає процес взаємодії робочих поверхонь деталей з метою розробки практичних заходів по підвищенню надійності машин.

Вивчення тертя і зношування з позиції трибоніки слід розглядати, як нову главу вчення про міцність твердих тіл, точніше про руйнування поверхонь твердих тіл. Як показані дослідження 1960—70-х років, які проводились російським вченим П.А. Ребіндером та його учнями, ці процеси необхідно розглядати, враховуючи взаємодію твердих тіл з оточуючим середовищем, яке може докорінно змінювати властивості поверхонь, що труться.

Зараз ця наука знаходиться в початковій стадії свого розвитку і ми маємо в розпорядженні лише деякі загальні положення, які можуть бути використані при аналізі цих складних процесів.

Ще у 1919 році американський вчений І. Ленгмюр встановив, що молекули жирних кислот, які мають форму ланцюга, прикріпляються до активних центрів поверхонь під кутом, що приблизно дорівнює 90º, подібно ворсу килима.

Наступний шар молекул, як встановив російський вчений А.С. Ахматов, нарощується на перший, утворюючи парні шари, їх 40...50, але товщина всіх шарів всього 0,1 мкм.Наявність активного радикалу, який взаємодіє з поверхнею твердого тіла, характерно для рослинних, тваринних олив і, на жаль, відсутнє у мінеральних олив, що застосовуються як мастильний матеріал. Тому до мінеральних мастильних матеріалів додають спеціальні присадки ПАР (поверхнево-активних речовин), які мають ці властивості.

З авдяки явищу абсорбції відбувається зчеплення найтонших плівок газів, парів і олив з орієнтованими шарами молекул металу (рис. 2.1).

Як видно з рисунка, зі збільшенням відстані від твердої поверхні орієнтація молекул ПАР порушується, а потім зникає.

Адсорбовані плівки ПАР призводять до ефекту пластифікації, тобто полегшують пластичну деформацію в зернах, розташованих в поверхневому шарі, оскільки адсорбований шар зменшує поверхневий натяг металу, що і забезпечує різкий перепад механічних властивостей за глибиною, яка необхідна для здійснення зовнішнього тертя.

Разом з цим, взаємодія ПАР з шаром граничної оливи може призвести до зменшення міцності і виникнення крихкого руйнування поверхонь тертя при малій інтенсивності навантаження — ефект Ребиндера.

Таким чином, наявність в оливі поверхнево-активних речовин здійснює на процес зношення як позитивний, так і негативний вплив в залежності від їх кількості в оливі. Негативний вплив здійснює олива також внаслідок розклинюючої дії в мікротріщинах. Однак при надійному розділенні поверхонь, що труться, мастильним матеріалом, зношення майже виключається. Воно можливе лише в результаті фізико-хімічної деструкції (від. лат. destructio — руйнування структури) при порушенні оливної плівки та попаданні в оливу абразивних частинок або за рахунок процесу кавітації (про що буде зазначено нижче).

Але найбільш характерне для більшості вузлів тертя машин і механізмів є граничне мастило, коли шар оливи або мастила не перевищує 0,1...0,2 мкм. В цьому випадку на тертя і зношування здійснюють дуже великий вплив властивостей спряжених матеріалів, а разом з цим і характеристики оливної плівки.

У звичайних поверхонь тертя товщина граничних плівок, що утворюються оксидами, а також хімічними компонентами мастильного матеріалу, значно менше за висотою нерівностей і складає 0,1...0,5 мкм, але вона здатна витримати нормальний тиск величиною в декілька тисяч паскалей і захищає поверхню від пошкодження. Проте при цьому повністю зношення не виключається.

За даними А.С. Ахматова, П.А. Ребіндера, Б.В. Дерягіна та інших дослідників наявність оливної плівки призводить до більш рівномірного розподілу контактних напружень, зменшенню температурних впливів і деструкції, утворенню орієнтованої текстури (textura— тканина, зв’язок, будова — наявність орієнтації в текстурі впливає на міцність і твердість) та ін. явищ. При цьому оливна плівка грає роль еластичної прокладки і має деякі властивості квазітвердого тіла (quasi— лат., як би, подібно), що сприяє передачі зусилля без розриву оливної плівки.

Процес зовнішнього тертя при граничному мастилі являє собою деформування дуже тонких поверхневих шарів кожного з дотичних тіл, яке супроводжується розривом містків схоплення між плівками, що покривають ці тіла, або руйнуванням в глибині, якщо міцність містка схоплення більша міцності шару, що знаходиться нижче. Фрикційний контакт при цьому характеризується наявністю між твердими тілами проміжного шару, який являє собою плівку оливи та адсорбованих парів води, оксидну плівку та плівку деградованого матеріалу основи. Сукупність цих шарів отримав назву «третього тіла».

Третє тіло складається з кількох шарів. Верхній шар є граничною плівкою оливи, що утворює так звані металеві мила. Товщина цієї плівки може змінюватися в дуже широких межах від кількох десятків до 1000 ангстрем та суттєвим чином залежить від температури поверхонь, що труться. Під граничною плівкою оливи розташовується плівка оксиду металу і, нарешті, під нею лежить тонкий шар розм’якшеного шару основи.

При ковзанні одиничні фрикційні зв’язки, які складають третє тіло, безперервно змінюють одна іншу: одні — руйнуються, а інші утворюються знову.

Залежність механічних властивостей від умов взаємодії поверхонь обумовлює так зване «правило градієнта». За правилом градієнта передбачається визначення градієнта механічних властивостей — вектора, що характеризує зміну механічних властивостей матеріалу деталі по нормалі до поверхні тертя (градієнт — від лат. gradien— крокуючий);

Якщо при терті міцнісні властивості поверхневого шару збільшуються в напрямку від поверхні тертя углиб матеріалу, тобто dτ/dƺ >0(тут τ —опір зсуву; ƺ— глибина розпушеного шару, яка відраховується від плями фактичного контакту), то забезпечуються найбільш сприятливі умови взаємодії поверхонь тертя. Для забезпечення зовнішнього тертя необхідна наявність на поверхні твердого тіла послабленого шару, що має менший опір зсуву відносно підложки. Це дістало назву позитивного градієнта. У цьому випадку деформації при зсуві зосереджуються в найбільшому поверхневому шарі і цілісність основного матеріалу І не порушується. Зовнішнє тертя може бути здійснено також у тому випадку, якщо виконується правило позитивного градієнта, і хоча б для одного тіла, що має менший зсувний опір порівняно з І іншим тілом.

Здатність поверхневого шару знаходитись в розм’якшеному стані, тобто протистояти наклепу, є найважливішою характеристикою пар тертя.

Формування на поверхні тертя третього тіла дозволяє по іншому розглядати граничне тертя, вкладаючи в цей, термін інший зміст, а саме мащення слід розглядати не тільки як шар, який розмежовує рідини поверхонь, що труться, а як один з факторів, який сприяє утворенню третього тіла.

Таким чином, поверхневі шари металів, які беруть участь в терті, не є мертвими, застиглими структурами, а змінюються, пристосовуються, чутливо реагують на умови, в яких опинились. Саме тертя часто виступає в ролі стимулятора цих змін і перетворень. Під дією сил тертя йде складна сукупність процесів, які докорінно змінюють властивості вихідного матеріалу.

Роз’єднання поверхонь тертя шаром будь-якого мастильного матеріалу є одним зі штучних прийомів створення позитивного градієнту. Дослідження поверхневих шарів при терті у взаємозв’язку з оточуючим середовищем і температурними змінами дозволило встановити, що утворення позитивного градієнту зсувного опору за рахунок штучно введеного шару мастильного матеріалу є не єдино можливим.

Для забезпечення найбільш сприятливих умов взаємодії поверхонь необхідно відповідним чином добирати матеріали пари тертя, мастильні матеріали і обґрунтовувати методи обробки деталей, керуючись правилом позитивного градієнту.