2.5 Взаємодія поверхонь, що труться

Процес взаємодії твердих тіл при зовнішньому терті отримав теоретичне пояснення в рамках молекулярно-механічної теорії тертя, запропонованої російськими вченими І.В.Крагельським і Д.Н.Гаркуновим.

У відповідності з основними положеннями молекулярно-механічної теорії тертя при відносному переміщенні робочих поверхонь спостерігається одночасно два види взаємодії: механічна, обумовлена проникненням мікронерівностей більш твердої поверхні в менш тверду, та молекулярна, яка виникає в результаті дії сил атомарно-молекулярного притягування та відштовхування.

Механічна взаємодія поверхонь тертя. При ковзанні однієї поверхні відносно іншої шорсткої поверхні мікронерівності вступають в контакт, тобто йде механічне зчеплення виступів поверхонь, які труться.

Вихідним положенням цього явища є уявлення про дискретний дотик поверхонь, які труться та, як наслідок, виникнення окремих фрикційних зв’язків, що визначають процес зношування.

Дискретність (від лат. discretus— розділений, перерваний) — переривчатість.

Фрикційнимзв’язком називають одиничну пляму дотикання (площа контакту), яка утворюється при, одночасній дії нормальних та тангенціальних навантажень і яка зникає після зняття нормального навантаження.

Дискретний характер дотикання, наявність великої кількості плям контакту (площі контакту) та відповідно фрикційних зв’язків є наслідком того, що реальні поверхні деталей, які труться, мають складний рельєф, який характеризується шорсткістю та хвилястістю.

Площа контакту та характер взаємодії деталі залежить від стану твердих контактуючих поверхонь. При взаємодії деталей з металевих матеріалів, твердість яких однакова за значенням, проходить постійне зближення поверхонь, яке супроводжується появою (особливо під час припрацювання) нових плям контакту.

Якщо поверхні деталей мають різну твердість, то зближення їх відбувається переважно внаслідок зім’яття мікронерівностей менш твердої поверхні та проникнення в неї виступів шорсткості, що мають більшу твердість. При відносному обертанні більш м’яка поверхня деталі набуває кільцевого рельєфу.

Якщо твердість однієї деталі значно менша від іншої, то мікронерівності твердої основи повністю занурюються в матеріал з більш м’якою поверхнею. Така схема контактування характерна для ущільнень, сальників, манжет підшипників, що залиті бабішол інших деталей з неметалевих матеріалів.

Взаємодія робочих поверхонь при терті супроводжується інтенсивним виділенням тепла.

Поєднання питомих тисків та температур в присутності активного по відношенню до матеріалів навколишнього середовища призводить до суттєвих змін геометричних, фізичних та механічних властивостей поверхневого шару тіл, які труться.

Геометричні зміни — це зміни геометрії контакту: шорсткості, хвилястості тощо.

По мірі ковзання шорсткість поверхні буде вирівнюватись, а початково гладка стає шорсткою. За рівнозначних зовнішніх умов тертя однакових матеріалів після припрацювання протягом кількох годин обидві поверхневі шорсткості стають однаковими, набувши значення так званої рівнозначної шорсткості.

Фізичні зміни пов’язані зі зміною структури поверхневого шару, які труться, та виникненням на поверхні оксидних плівок.

Механічні зміни поверхневих шарів зумовлені зі зміною характеристик міцності, які істотно впливають на фізичні властивості поверхонь. Руйнування поверхонь тертя в основному проявляється в відокремленні частинок матеріалу, розміри яких змінюються в межах від часток мікрометрів до декількох мікрометрів. Відокремлення цих часток в більшій мірі готується багаторазовою дією навантажень та температурних імпульсів одиничних нерівностей. У наслідок поступового накопичення незворотних змін виникає неоднорідність структури, напруженого стану, тобто створюються концентрати. Потім виникають тріщини, якіз’єднуючись, призводять до руйнування поверхонь. В багатьох випадках руйнування відбувається зміна властивостей поверхонь твердих тіл. Природно, що в цих умовах підготовка до руйнування матеріалу та характер руйнування досить різноманітні. Сукупність сил опору відносному переміщенню поверхонь, обумовлена механічною взаємодією мікронерівностей і є механічною складовою сил тертя. При зовнішньому терті на ділянках фізичного контакту, поряд з механічним, також спостерігаються помітні міжмолекулярні взаємодії. В наслідок цих взаємодій виникає опір відносному ковзанню, який отримав назву молекулярної складової сили тертя. В даний час розрізняють три види зв’язків, які характеризують атомно-молекулярну взаємодію поверхонь: хімічні, молекулярні (водневі чи під дією сил Ван-дер-Ваальса, що виникають між електрично нейтральними атомами і молекулами) та електричні (внаслідок дії силового поля).

В залежності від співвідношень механічної і молекулярної складових сил тертя розглядають п’ять видів фрикційних взаємодій: пружне відтиснення матеріалу, пластичне відтиснення матеріалу, мікрорізання, адгезійне порушення фрикційних зв’язків (оксидних плівок) і когезійне схоплення поверхонь, що труться.

З точки зору механічних взаємодій спочатку матеріал деформується пружно, далі деформація за рахунок подальшого заглиблення мікронерівностей більш твердого матеріалу в більш м’який, переходить в пластичну, а потім в мікрорізання.

З точки зору молекулярної дії при взаємонаближенні поверхонь у місці реального контакту відбувається вивільнення поверхневої енергії, яка виникає за рахунок роботи, що витрачається на зближення тіл та інших явищ.

Види фрикційних зв’язків за І.В.Крагельським наведені у таблиці 2.1.

Складність цих явищ, що протікають при фрикційному контакті, полягає в їх різноманітності.