Основы трибологии

При физической адсорбции молекулы адсорбированного вещества связаны с атомами поверхности твердого тела слабыми ван-дер-ваальсовыми силами (дисперсионными, индукционными и ориентационными). Физическая адсорбция протекает самопроизвольно и характеризуется сравнительно слабыми взаимодействиями, удерживающих молекулы на поверхности твердого тела (энергия связи составляет 0,1 Эв).

Хемосорбция обусловлена проявлением химических (валентных) взаимодействий между адсорбированными молекулами и атомами поверхности твердых тел. Хемосорбция необратима и сопровождается значительными тепловыми эффектами, доходящими до 400 кдж/моль и более.

Физическая адсорбция -- обратимый процесс. Адсорбированные молекулы могут отрываться от поверхности и переходить в окружающую среду. На их место поступают новые молекулы, в результате чего в системе устанавливается равновесие, при котором в единицу времени на поверхности адсорбируется столько же молекул, сколько покидает ее. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Тело, на котором адсорбируются молекулы другого вещества, называется адсорбентом. Вещество, адсорбированное на теле, называется адсорбатом.

Адсорбция протекает на границе раздела фаз: твердое тело -- газ, твердое тело -- жидкость. В реальных условиях молекулы адсорбата почти всегда покрывают поверхность тела, причем толщина слоя адсорбата зависит от величины и характера сил взаимодействия между поверхностью и окружающими ее молекулами.

Процесс адсорбции сопровождается уменьшением поверхностной энергии и выделением некоторой ее части в окружающую среду. Выделившуюся в период протекания данного процесса энергию называют энергией адсорбции.

Адсорбция -- представляет собой изотермический процесс. Интенсивность процесса адсорбции определяется объемом или массой адсорбированного вещества. Объем адсорбированного вещества по Фрейдлиху оценивается выражением:

, (2)

где k,n -- константы (k-изменяется в зависимости от вида адсорбента и адсорбата; n=0,1...0,9 -- постоянная, зависящая от температуры); p -- парциальное давление газа.

Вещества, склонные к адсорбции на поверхности и уменьшающие поверхностную энергию, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Связь между изменением поверхностного натяжения и адсорбцией ПАВ на поверхности описывается уравнением Гиббса:

(3)

где -- изменение концентрации ПАВ в поверхностном слое; c -- концентрация ПАВ в глубине раствора; -- поверхностное натяжение; Т -- температура; R -- универсальная газовая постоянная.

При контакте раствора с твердыми телами молекулы ПАВ даже при очень низкой концентрации образуют на поверхности твердого тела адсорбированные слои.

Слои адсорбированных и хемосорбированных веществ существенно влияют на трение и износ. Адсорбированные молекулы, как правило, способствуют пластифицированию поверхностного слоя. Адсорбция приводит к снижению поверхностной энергии, что приводит к возникновению хрупкости и потере прочности поверхностного слоя материала. Данные эффекты являются основными причинами резкого перепада механических характеристик материала по глубине, обуславливающими явление внешнего трения.

3.4 Оксиды на металлах

Фрикционное взаимодействие активизирует процесс окисления контактирующих материалов. Механизм и глубину реакций окисления поверхностного слоя определяют его физико-химические свойства, состав и дефектность строения. Важнейшее значение при этом имеет чистота металла.

Пленки оксидов, имеют твердость, отличающуюся от твердости основного металла, и защищают нижележащие слои металлов от механического разрушения в результате микросхватывания.

Оксидные пленки снижают величину молекулярно-адгезионного взаимодействия между трущимися поверхностями металлов.

Окисление обусловлено химической адсорбцией атомов кислорода воздуха на металлической поверхности с образованием кристаллической фазы оксидов. Различия значений параметров кристаллической решетки оксида и исходного металла способствуют тому, что пленки находятся под действием сжимающих напряжений. Это уменьшает вероятность проникновения последующих молекул кислорода к металлу.

Дальнейший рост толщины пленки оксида связан с выходом ионов металла на поверхность под действием различных процессов. Это объясняется перемещением ионов под действием электрического поля, диффузией ионов по дефектам решетки, локальными перегревами.

Присутствие воды и находящихся в воздухе газов (СО₂ и SO₄ и др.) создают условия для протекания электролитических процессов окисления.

Фрикционные характеристики пленок оксидов зависят от их состава и строения. Например, оксид Fe₂O₃ при определенных условиях, выполняет роль абразива, а оксиды Fe₃O₄ и FeO повышают износостойкость пары трения. Защитная роль пленки оксида зависит от соотношения твердости оксида и основного металла. Чем меньше разница между твердостью основного металла и оксида, тем выше прочность пленки и ее несущая способность.

На начальных стадиях процесса окисления пленки обладают большой прочностью и защищают материал от схватывания. С увеличением толщины пленки происходит уменьшение ее прочности и под действием сил трения она легко отделяется от поверхности. Оксидные пленки обычно покрываются адсорбционными слоями низкомолекулярных компонентов окружающей среды, ПАВ и смазок. Основное назначение оксидных пленок при трении состоит в предотвращении образования металлических связей между контактирующими поверхностями и замена их межмолекулярными ван-дер-ваальсовыми. Вследствие этого оксидные пленки на трущихся поверхностях приводят к ослаблению явлений схватывания, уменьшению трения и износа. Структура, состав, защитные свойства оксидных пленок зависят от температуры в зоне трения, величины контактного давления, состава окружающей среды и других факторов. Соотношение скоростей разрушения и восстановления оксидных пленок влияет на интенсивность и механизм трения и изнашивания. Высокие скорости разрушения оксидных слоев способствуют образованию физически чистых (ювенильных) поверхностей, имеющих повышенную склонность к схватыванию и заеданию.

Лекция №4(2ч) Основные теории и закономерности трения

Трение всегда сопровождается переходом механической энергии в другие ее виды. Это приводит к нагреванию, электризации, окислению трущихся тел и к другим изменениям в зоне контакта. Эти переходы оказывают существенное влияние на закономерности трения.

4.1 Терминология

По кинематическим признакам различают трение скольжения и качения.

Трение скольжения имеет место, когда скорости движения соприкасающихся тел в точках касания различны.

Трение качения происходит, когда скорости перемещения соприкасающихся твердых тел в точках касания одинаковы по значению и направлению.

Оба вида трения проявляются совместно, если качение сопровождается проскальзыванием.

В ГОСТе 276774 - 88 есть термин "трение покоя", звучащий странно, т.к. понятие "трение" предполагает взаимное перемещение тел.

Трение покоя - трение двух тел при микроперемещениях, предшествующих переходу к относительному движению.

Зависимость силы, необходимый для перемещения твердого тела, находящегося на поверхности другого твердого тела, от пути скольжения приведена на рис. 4.1. Сила трения покоя F_n больше силы трения при скольжении F_c. Приложение силы F_i < F_n вызывает перемещение S_i тел. Оно обусловлено деформацией поверхностных слоев контактирующих тел.

Предварительное смещение - относительное перемещение двух твердых тел при трении в пределах перехода от состояния покоя к относительному движению. Оно мало по величине (порядка 0,1-5мкм) и частично обратимо, т.е. при уменьшении сдвигающего усилия S тоже уменьшается.

Рис 4.1 Зависимость силы трения от перемещения. Пояснения в тексте

Явление смещения существенно влияет на жесткость металлорежущих станков.

В XVIII веке были установлены два закона трения: закон Амонтона F= fN и закон Кулона F= fN + A, где F - сила трения, f - коэффициент трения, N - нормальная нагрузка, А - сила трения, не зависящая от N.

Закон Кулона применим в случаях, когда при трении возникают значительные силы межмолекулярного взаимодействия контактирующих тел и закон Амонтона не соблюдается. Так, при сдавливании образцов пластичных материалов (свинец, олово) велики площадь фактического касания и, соответственно, силы адгезии. Последние заметно влияют на трение при перемещении порошков по поверхности твердых тел. В формуле Кулона межмолекулярное взаимодействие контактирующих тел учитывается с помощью эмпирического коэффициента А.

4.2 Теории трения

В разное время были выдвинуты и в той или иной мере используются для расчетов деформационные, молекулярные, энергетическая и молекулярно-механическая теории трения.

Деформационные теории трения объясняют трение как результат деформирования некоторого объема тела трения при внедрении в него выступов контртела. Д. Лесли (1801) полагал, что трение возникает за счет волны деформации, бегущей перед каждым внедрившимся в деформированное тело выступом. Л. Гюмбель (1921) рассматривал трение как сопротивление оттеснению материала внедрившимися в него неровностями. Триболог Г.И. Епифанов (1959) развивал взгляды на трение как на процесс сдвигообразования в поверхностном слое.

Молекулярные теории трения объясняют трение как результат молекулярного взаимодействия двух твердых тел. Наиболее известны теории Дезагюлье (1734), Гарди (1919), Кузнецова (1926), Томлинсона (1929), Бартенева (1954).

Энергетическая теория трения предложена Г. Фляйшером в 1968г. и описывает изнашивание с помощью энергетических законов и соотношений. Предполагается, что между энергией трения и объемом изношенного материала существует взаимосвязь.

Основатель молекулярно-механической теории трения И.В. Крагельский видел в трении действенную молекулярно-механическую природу.

С одной стороны, на площадках фактического контакта действуют силы притяжения. Они проявляются даже на расстояниях, в десятки раз превышающих межатомное расстояние в кристаллических решетках. Эти силы вызывают адгезионное взаимодействие тел на участках фактического контакта. Силы адгезии прямо пропорциональны площади фактического контакта. Нормальная нагрузка N влияет на эти силы косвенно, через площадь фактического контакта, которая слабо растет с увеличением N.

Взаимное смещение контактирующих тел сопровождается разрывом адгезионных связей, что требует затрат энергии. Трение особенно возрастает при сильной адгезии, когда связи между трущимися телами нарушаются не по участкам фактического контакта, а на некоторой глубине материала.

Схватывание - местное соединение двух тел за счет адгезии, происходящее при трении. В результате схватывания создается режим работы узла трения, приводящий к заеданию и катастрофическому износу контактирующих материалов. Схватывание не соответствует нормальным режимам трения с минимальным износом. Поэтому важным фактором при трении является прочность связи поверхностного слоя с нижележащими слоями материала.

Градиент механических свойств - вектор, характеризующий изменение механических свойств элемента пары трения по нормали к поверхности трения. При положительном градиенте механических характеристик усилие сдвига материала на поверхности трения (_о ) меньше, чем в глубине материала (), т.е. _о< , при отрицательном - _о >.

Вторая особенность трения состоит в механическом деформировании материала трения микронеровностями, имеющимися на поверхности трения контртела.

4.3 Трение при граничной смазке

Трение без смазочного материала встречается в технике достаточно редко: в тормозах и фрикционных передачах, в оборудовании текстильной, пищевой, фармацевтической промышленности, где смазочный материал недопустим во избежание порчи продукции, а также в высокотемпературных узлах трения, когда любой смазочный материал непригоден. В большинстве других случаев поверхности трения разделены слоем смазочного материала. Трение при граничной смазке имеет место, когда толщина смазочного слоя соизмерима с размерами нескольких молекул и составляет сотые доли микрометра. Физические свойства таких слоев отличаются от объемных свойств смазочного материала. Граничные слои способны выдерживать большие нормальные давления, не разрушаясь.

Граничные слои образуются по механизму адсорбции. Особенностью молекулярной структуры жирных кислот, сложных эфиров и других компонентов масел является наличие длинной цепи. В процессе адсорбции длинномерные молекулы с активной группой располагаются по нормали к поверхности трения параллельно друг другу. Это придает граничному слою достаточную прочность за счет сил молекулярного притяжения. Большая длина цепей позволяет им под влиянием скольжения наклоняться и изгибаться, что способствует уменьшению трения. Для граничного трения достаточно образоваться насыщенному монослою молекул, однако на практике граничные слои имеют мультимолекулярное строение, рис. 4.2.

Дезориентация (десорбция) молекул граничного слоя существенно зависит от температуры. Температура десорбции Т_д Т_п, где Т_п - температура плавления смазочного материала. Граничный слой, образованный по механизму физической адсорбции, испаряется при Т=Т_п. Химически адсорбированный слой более термостоек. Основным положением разработанной Ф. Боуденом "химической" теории граничной смазки является наличие химических связей смазочного слоя и поверхности трения. М.М. Хрущов и Р.М. Матвеевский разработали на этой основе температурный метод оценки предельной смазочной способности масел.

Рис 4.2 Строение мультимолекулярной пленки по А.С. Ахматову. 1 - поверхность трения, 2 - адсорбированные молекулы, 3 - слои молекул, находящихся в координационной связи с адсорбированным слоем

Режим трения при граничной смазке может быть реализован с помощью твердых смазочных материалов. Например, на поверхностях трения деталей из чугуна содержащийся в нем графит может намазываться, образуя граничный слой. Аналогичное действие оказывает фторопласт, когда им пропитывают пористые подшипниковые материалы.

4.4 Трение при жидкостной смазке

При жидкостной смазке поверхности трения разделены слоем смазочной жидкости, который несет нормальную нагрузку, приложенную к узлу трения. Минимальная толщина слоя превышает сумму максимальных высот неровностей на обеих поверхностях. Поэтому трение твердых тел заменяется внутренним трением слоев жидкости. Сила внутреннего трения жидкостей подчиняется закону Ньютона и их называют ньютоновскими:

,(4.1)

где - динамическая вязкость жидкости, d /dx - градиент скорости сдвига жидкости по нормали к направлению движения (рис. 4.3), S - площадь сдвига.

Если давление в жидкости постоянно, d /dx=/h, где - наибольшая скорость жидкости в зазоре величиной h. Тогда

,(4.2)

Масла, как правило, являются ньютоновскими жидкостями, вязкость которых не зависит от скорости сдвига. Масла с присадками, особенно при низких температурах - неньютоновские жидкости: их вязкость уменьшается при повышении температуры и снижении давления.

Рис 4.3 Распределение скоростей в слое жидкости (1), разделяющем поверхности трения (2 и 3)

Основы теории трения при жидкостной смазке заложил Николай Павлович Петров. Он рассмотрел трение вала в подшипнике при постоянном зазоре (рис. 4.4).

Из нее следует, что момент трения растет с повышением скорости вращения, увеличением радиуса вала и длины подшипника и с уменьшением зазора в нем. Формула Петрова справедлива при больших скоростях вращения вала, когда подшипник работает в режиме гидродинамической смазки.

Рис 4.4 Схема жидкостной смазки подшипника скольжения. 1 - вал, 2 - подшипник, 3 - жидкий смазочный материал, h=const - зазор между валом и подшипником

4.5 Трение качения

При качении скорости контактирующих тел в точках касания одинаковы по величине и направлению. Трение качения реализуется в подшипниках качения, без которых нельзя представить себе ни одной более или менее сложной машины. Это обстоятельство вызвано тем, что при качении реализуется низкий коэффициент трения

,(4.3)

где М - момент силы сопротивления качению относительно точки касания А, М=FR, где F - сила сопротивления качению, R - радиус цилиндра или шара, N - нормальная нагрузка (рис. 4.5).

Рис 4.5 Схема действия сил при качении цилиндра или шара

При качении упругого катка по упругому основанию сопротивление качению обусловлено тремя причинами:

1) гистерезисными потерями,

2) микропроскальзыванием в зоне контакта,

3) адгезией контактирующих тел.

Гистерезис - запаздывание изменения физической величины, характеризующей состояние вещества, от изменения другой физической величины, определяющей внешние условия. Гистерезисные потери вызваны тем, что реальные твердые тела не идеально упруги. Под влиянием напряжения в твердом теле возникает деформация, которая в реальных телах не прямо пропорциональна напряжению. Физическая природа упругого гистерезиса связана с несовершенством кристаллической структуры технических материалов. Нагружение обуславливает движение в материале дефектов кристаллической решетки, что приводит к рассеянию энергии при деформации образцов.

Микропроскальзывание при качении происходит следующим образом. В контакте упругого основания создается площадка касания, вблизи которой материал образца сжат, а основания - растянут (рис. 4.6).

Под действием напряжений сжатия точки на поверхности катка сближаются, а на поверхности основания, где действуют растягивающие напряжения - расходятся. Это приводит к проскальзыванию в зоне контакта, т.е. трение качения сопровождается трением скольжения. Это заметил еще О. Рейнольдс, прокатывая металлический цилиндр по резиновому листу: при одном обороте цилиндра его путь, измеренный на поверхности листа, оказывался меньшим, чем длина окружности цилиндра.

Рис 4.6 Схема напряжений в материалах образца и основания при качении

Адгезия препятствует качению. Внешняя сила, приложенная к телу качения, должна вызвать напряжения, достаточные для разрыва адгезионных связей. Эти напряжения направлены по нормали к основанию и по касательной к площадкам контакта АО и ОВ. Хотя вклад адгезии в сопротивление качению не велик, она существенно влияет на износ деталей.

Лекция №5(2ч) Трение в особых условиях

Трение в вакууме, при низких и высоких температурах, при воздействии корпускулярных и электромагнитных излучений имеет особенности, не проявляющиеся при трении в обычных условиях. Таких узлов трения в современной технике очень много и становится все больше. Их эксплуатация связана со специфическим влиянием окружающей среды на механизм трения.

5.1 Трение в вакууме

Вакуум - состояние газа или пара с давлением ниже атмосферного (10⁵ Па). Различают низкий (давление выше 10² Па), средний (10²-10^-1 Па), высокий (10^-1-10^-5 Па) и сверхвысокий (давление ниже 10^-5 Па) вакуум.

Проблема изучения трения в вакууме стала особенно актуальной с появлением космических аппаратов. Первые неудачи с их эксплуатацией были вызваны отказом узлов трения. Обеспечение работоспособности в космосе подшипников, устройств для поворота антенн, приспособлений для открытия люков потребовало новых технических решений. Эти задачи усложнились в связи со стыковкой-расстыковкой кораблей, посадкой на Луну, созданием самоходных экипажей и т.д. Не менее серьезные задачи возникли при эксплуатации узлов трения в вакуумном оборудовании для плавки, прокатки, вакуумнодуговой сварки металлов.

При вакуумировании нарушается установившееся в атмосфере динамическое равновесие между окружающей средой и пленками, адсорбированными на поверхностях трения. Адсорбированные пленки десорбируются, а новые не образуются из-за недостатка в вакууме адсорбирующихся веществ. При трении в вакууме поверхности трения постепенно очищаются от адсорбированных пленок, вследствие чего коэффициент трения, как правило, растет с понижением давления (рис.5.1).

В подвижном контакте чистых поверхностей усиливается выделение тепла и растет вероятность схватывания. Первые же опыты, проведенные в 40-е годы в высоком вакууме, показали, что трение приводит к сварке металлических деталей. Этому способствует резкое снижение теплопередачи в вакууме по сравнению с атмосферой.

В высоком вакууме часто увеличивается пластичность металлов. Это вызвано, во-первых, облегчением выхода дефектов кристаллической решетки на чистые поверхности и, во-вторых, уменьшением примесей газа в поверхностных слоях. Поэтому адгезионная составляющая силы трения в вакууме выше, чем в воздушной среде. Полимеры теряют в вакууме массу. Потери массы полимерных материалов в сверхвысоком вакууме достигают 10% в год, что существенно ухудшает свойства изделий из них.

Рис 5.1 зависимость коэффициента трения пары сталь-сталь от степени разрежения. 1 - низкий вакуум, 2 - средний, 3 - высокий вакуум

Компоненты жидких смазочных материалов испаряются в вакууме с разными скоростями. Это может привести к изменению состава композиционных материалов и ухудшению их смазочных характеристик. В высоком вакууме нефтяные масла перестают выполнять свои функции. Причина состоит в том, что в вакууме нет кислорода и водяных паров, которые необходимы для образования мыл при трении смазанных маслом металлических деталей.

Проверенным на практике методом снижения трения в вакууме является применение твердых смазочных материалов. Выдающуюся роль в создании космической техники сыграл дисульфид молибдена. Широкое применение находит тефлон, используемый в виде тонких покрытий и в системах ротапринтной смазки. Резина с тефлоновым покрытием ("скользкая" резина) используется в вакуумных уплотнениях, системах стыковки и др.

А.А. Силин, Е.А. Духовский и др. обнаружили в 1969 году явление сверхнизкого трения. Коэффициент трения полиэтилена и некоторых других материалов в парах с металлами при воздействии потока атомов гелия в вакууме уменьшается на два порядка (до10^-3 Па). Это происходит потому, что тонкий слой материала под поверхностью трения переходит в упорядоченное состояние с малой поверхностной энергией. Роль вакуума в этом явлении состоит в очистке поверхностей трения, без которой переход поверхностного слоя в новое энергетическое состояние невозможен.

5.2 Трение при высоких температурах

Многие узлы трения промышленного оборудования (печи, прокатные станы, энергетические установки и др.) работают при температурах порядка 1273К. Тенденция к повышению температур в узлах трения до температур плавления материалов наблюдается при создании авиационной и ракетно-космической техники.

Явления, возникающие при трении при высоких температурах, зависят от многих факторов, которые действуют одновременно:

1) при высоких температурах изменяются механические свойства материалов, зазоры в узлах трения и искажается геометрическая форма деталей;

2) резко возрастает химическая активность поверхностей трения, взаимодействующих друг с другом и окружающей средой;

3) ускоряются процессы диффузии и десорбции в материалах, что приводит к значительным изменениям поверхностей трения.

Предельное действие нагрева состоит в расплавлении поверхностного слоя одного из трущихся тел. Тогда внешнее трение самопроизвольно переходит во внутреннее, описываемое гидродинамической теорией смазки. Зависимости коэффициента трения конструкционных материалов от температуры имеют вид кривых с электремумом. Это свидетельствует о влиянии на трение, по крайней мере, двух конкурирующих процессов:

1) увеличение адгезии вследствие повышении пластичности материалов и ускорения процессов диффузии и спекания на участках касания;

2) снижение деформации поверхностных слоев из-за самоориентирования элементов структуры на поверхностях трения и изменения свойств поверхностного слоя при взаимодействии с окружающей средой.

На металлах последний процесс обычно протекает в виде окисления поверхности трения. Если оксидный слой тверд и хрупок, а нижележащий металл мягок и пластичен (Al, Pb, Sn), то слой оксида легко разрушается, приводя к заеданию. Если деформационно-прочностные показатели оксида и металла близки (Cu, Fe), оксидный слой сохраняется даже при больших нагрузках. Резкое изменение зависимости трения от температуры, как правило, свидетельствует о структурном превращении в материале. Так, у кобальта при 690 К происходит превращение гексагональной структуры кристаллической решетки в гранецентрированную. Это сопровождается повышением коэффициента трения.

Трение большинства твердых смазочных материалов снижается с ростом температуры. После достижения некоторой критической температуры трение быстро растет. Это связано с активацией поверхностных явлений или со структурными превращениями. Так, резкое повышение коэффициента трения дисульфида молибдена в паре со сталью (рис. 5.2) вызвано превращением в MoS₂ кристаллической решетки смешанного типа в гексагональную. Для смазки высокотемпературных узлов трения применяют MoS₂, графит, а также покрытия из мягких металлов (Au, Ag, Ni, Co и др.). Специфическим смазочным материалом являются силикатные стекла. Их применяют в интервале температур 1273-1773К при вытяжке труб, прокатке, штамповке и т.д.

Рис 5.2 Температурная зависимость коэффициента трения дисульфида молибдена в высоком вакууме

5.3 Трение при низких температурах

Трение при низких температурах имеет место при эксплуатации криогенной техники, предназначенной для получения температур ниже 120 К (криогенных температур), при работе машин в условиях Антарктиды и Заполярья, ракетно-космических объектов, оборудования атомной, электронной и др. отраслей промышленности.

Проблема трения при низких температурах, разработка которой в научном плане началась в 50-е годы, изучена недостаточно. Научная дисциплина, именуемая физикой низких температур, выделяет "холодное" трение в особую область исследований.

Известно, что при низких температурах значительно повышается твердость и хрупкость твердых тел. Эффект хладноломкости металлов связан с особенностями их кристаллической структуры при охлаждении. Хладноломкость в наибольшей мере присуща металлам с объемноцентрированной кубической решеткой (Fe, Cr, Mo, Ta, W). Даже небольшие перепады температур, типичные для трения при низких температурах, могут вызвать разрушение изделий из этих металлов. Металлы с гранецентрированной кубической (Al, Ni, Pb, Cu) и с гексагональной (Be, Mg, Zn, Ti) решетками не столь хладоломки.

При "холодном" трении важную роль играет адгезия. Во-первых, при низких температурах нет условий для образования на металлах оксидных пленок (за исключением трения в жидком кислороде). Во-вторых, по мере охлаждения деталей повышается поверхностная энергия тел. При трении в жидком азоте и жидком водороде, который является сильным восстановителем, очищенные поверхности металлических деталей приобретают повышенную склонность к схватыванию. При трении металлов в жидком кислороде образование оксидных пленок на поверхностях трения идет так интенсивно, что вызывает сильную коррозию.

Сжиженные газы не могут обеспечить гидродинамическую смазку из-за малой вязкости. Нагрев при трении способствует испарению сжиженного газа в зоне контакта. Это может привести к кавитации - образованию в жидкости полостей, заполненных газом. Кавитация обусловливает быстрый отказ узлов трения из-за их повреждения.

Трение органических полимеров в сверхвысоком вакууме сопровождается значительным повышением коэффициента трения уже при температуре жидкого азота (77К). При Т=13К происходит схватывание со сталью всех полимеров, включая тефлон.

Охлаждение дисульфида молибдена до 203К почти не влияет на его коэффициент трения. Затем в узком температурном интервале трение плавно возрастает примерно в 2 раза. При дальнейшем охлаждении изменение коэффициента трения MoS₂ несущественно.

Затруднения, связанные с применением конструкционных металлов и традиционных смазочных материалов в низкотемпературных узлах трения, стимулировали разработку специальных композиционных материалов и покрытий, обеспечивающих работу подвижных соединений в космической технике.

5.4 Трение и сопротивление усталости

Усталость материала - изменение физических и механических свойств материала в результате действия циклически изменяющихся во времени напряжений. Свойство материалов противостоять усталости называется выносливостью. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости - наибольшим напряжением (), которое может выдержать материал без разрушения при заданном числе (N) циклических воздействий (рис. 5.3).

Рис 5.3 Типичная кривая усталости металла

Усталостное разрушение деталей обычно начинается с поверхностного слоя, поэтому изменение его при трении влияет на выносливость деталей. Если при трении происходит снижение шероховатости детали и упрочнение поверхностного слоя (наклеп), выносливость детали возрастает. Трение может сопровождаться царапанием поверхностей, схватыванием и вырыванием, т.е. отторжением конгломератов материала неправильной формы от поверхностного слоя. Это приводит к возникновению на поверхности трения концентраторов напряжения и к снижению выносливости деталей.

Эффект Ребиндера - понижение прочности твердых тел в адсорбционно-активной среде вследствие физических и химических взаимодействий в поверхностном слое. П. А. Ребиндер (1898-1972) открыл его в 1928 году. Эффект Ребиндера существенно изменяет характер влияние трения на выносливость деталей. Адсорбционно-активные среды содержат поверхностно-активные вещества (ПАВ). Они интенсивно адсорбируются на поверхности твердого тела, уменьшая его поверхностную энергию. В состав многих смазочных материалов входят органические ПАВ - жирные кислоты, спирты, мыла. При их взаимодействии с поверхностью трения происходит разупрочнение поверхностного слоя на глубине до 0,1 мкм. Оно вызвано адсорбцией ПАВ на возникающих при трении участках свежеобразованной (ювенильной) поверхности. В результате уменьшаются микротвердость и предел текучести материала поверхностного слоя, что оказывает влияние на износ и выносливость истираемых деталей.

В подвижном составе железнодорожного транспорта широко используются подшипники на основе сплавов цветных металлов (баббиты, бронзы). Их расплавы обладают свойствами ПАВ, поэтому расплавление подшипника и контакт расплава со стальной осью приводит к снижению ее выносливости. На поверхности трения оси могут возникнуть трещины, являющиеся очагами усталостного разрушения.

Лекция №6(4ч) Электрические и трибохимические явления при трении

При трении механическая энергия превращается в другие виды энергии. Это обусловливает возникновение специфических явлений, сопровождающих трение. Из них наиболее важны для триботехники электрические и трибохимические явления.

6.1 Электризация

Электризация - возникновение избытка зарядов одного знака на поверхности или в объеме тела при относительном перемещении контактирующих тел.

У металлов, полупроводников и диэлектриков степень заполнения разрешенных зон электронами неодинакова. Зона проводимости в металлах перекрывается с валентной зоной, поэтому электроны могут свободно переходить с одного энергетического уровня на другой. В полупроводниках и диэлектриках валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной. Только сильные электрические поля могут сообщить электронам энергию, достаточную для перехода через запрещенную зону в зону проводимости.

При трении зона проводимости твердого тела пополняется носителями заряда не за счет внутренних переходов, а вследствие перехода носителей из контртела. Переход происходит из-за разной концентрации носителей в поверхностных слоях деталей. В зоне контакта возникает двойной электрический слой, обусловливающий контактную разность потенциалов трущихся тел. При разрыве контакта происходит разделение зарядов, и поверхность одного тела оказывается заряженной положительно, а вторая - отрицательно. Фрикционный нагрев обусловливает увеличение подвижности частиц, превращение молекул поверхностного слоя в ионы.

Для определения знака электризации пользуются эмпирическими правилами, суть которых состоит в следующем: при трении металла по диэлектрику знак заряда на металле определяется природой диэлектрика; в паре диэлектрик-диэлектрик материал с более высокой диэлектрической проницаемостью заряжается положительно и положительный заряд получает более плотное тело, а у жидкостей - то вещество, которое имеет более высокое поверхностное натяжение.

По результатам экспериментов составлены так называемые электростатические ряды. В них перечислены материалы в порядке уменьшения склонности к приобретению положительного заряда электризации. Вот один из таких рядов:

(+) стекло, волос человека, нейлон, шерсть, шелк натуральный, хлопок, бумага, сталь, эбонит, резина, полиэтилен (-)

Электризация влияет на параметры трения и износа, а также на ход технологических процессов, связанных с трением. Так, электростатическое заряжение нитей и волокон делает невозможным нормальное проведение операций ткачества и прядения при плотности зарядов 10^-7 Кл/м². Прилипание заряженных нитей к заземленным деталям машин мешает устранению обрывов нитей. Электризация затрудняет переработку сыпучих материалов из-за налипания частиц на стенки бункеров, трубопроводов, конвейерных лент, а также вследствие агломерации - слипания частиц в более крупные образования (агломераты). Агломерация порошкообразного фторопласта при пересыпании и формировании вызывает притяжение частиц пыли, агломераты которых видны после спекания изделий в виде черных пятен. Электростатические заряды, генерируемые при производстве и переработке полимерных пленок и волокон, создают опасность для производства и здоровья работающих людей.

6.2 Скользящие электрические контакты

Электрический контакт - соприкосновение тел, обеспечивающее непрерывность электрической цепи. Скользящие электрические контакты являются одним из самых распространенных в технике узлов трения. Их применяют в электротранспорте, телемеханике, радиотехнике, электронике, расходуя большое количество цветных и драгоценных металлов.

В скользящих электрических контактах токовая нагрузка является дополнительным фактором, приводящим к изменению шероховатости контактных поверхностей, тепловыделению в зоне трения, структуры поверхностного слоя контактирующих деталей и др. Увеличение токовой нагрузки сопровождается уменьшением шума ("дребезжания") в скользящем контакте и снижением коэффициента трения (рис. 6.1). Поэтому, во многих случаях говорят о "смазочном" действии электрического тока. Оно вызвано главным образом тепловым воздействием тока на поверхностные слои контактных деталей.

Рис 6.1 Зависимость коэффициента трения от плотности тока в электрическом контакте

В скользящих электрических контактах механическое изнашивание дополняется электрическим. Последнее вызвано электрически стимулированными процессами: переносом ионов металла в контакте, схватыванием контактирующих деталей, искрением и дугообразованием, приводящими к нагреванию, испарению и разбрызгиванию металла. На поверхностях трения контактирующих деталей при прохождении тока образуются специфические слои, называемые коллекторными пленками.

6.3 Трение и коррозия

Коррозия - самопроизвольное разрушение твердых тел, вызванное физико-химическими процессами их взаимодействия с окружающей средой. Многие узлы трения в оборудовании химической, нефтедобывающей, горнорудной и других отраслей промышленности работают в контакте с агрессивными средами. Их детали подвергаются одновременно трению и коррозии, чаще всего электрохимической. Электрохимическая коррозия - процесс взаимодействия материалов и среды посредством электродных процессов. Металлы наиболее подвержены электрохимической коррозии вследствие высокой электропроводности и активности в электродных процессах. При трении металлических деталей в электролитах возможно образование короткозамкнутых гальванических микроэлементов (рис. 6.2).

Рис 6.2 Образование гальванических элементов в контакте металлических деталей: 1 и 2 - поверхности трения деталей из металла 1 и металла 2; 3 - электролит.

На границах металл-электролит возникают потенциалы ₁₃ и ₂₃ , а в местах касания деталей - контактная разность потенциалов _12. Электродвижущая сила этих элементов обусловливает протекание на поверхностях трения электродных процессов.

Трение и коррозия оказывают взаимное влияние. Трение ускоряет подвод реагентов к ювенильным участкам и отвод продуктов реакций. Вследствие дискретности (т.е. прерывности) контакта, между поверхностями трения всегда имеется зазор. Это придает коррозии при трении черты щелевой коррозии, скорость которой гораздо выше, чем сплошной коррозии, охватывающей всю поверхность изделия. Растворение металла на участках касания ускоряет усталостное разрушение выступов. Таким образом, при трении в электролитах коррозия служит катализатором (т.е. ускорителем) механического изнашивания.

6.4 Трибохимические реакции

Трибохимия - область химии, изучающая химические и физико-химические изменения твердых веществ под влиянием энергии трения.

О том, что при трении в зоне контакта возникают или ускоряются химические реакции, свидетельствуют следующие факты. Еще в XVIII веке было установлено, что растворение металла резко ускоряется, если поверхность образца подвергается трению. Под действием трения качения на железных колесах оксидные пленки возникают на несколько минут, а в аналогичных условиях в состоянии покоя такие же пленки образуются в течение нескольких десятков лет.

Объяснение этих результатов - микровыступы на поверхностях трения испытывают удары большой интенсивности. В момент удара материал микровыступа переходит в наивысшее возбужденное состояние, называемое трибоплазмой. Оно характеризуется высокой локальной температурой (более 10⁴ К) и сохраняется короткое время (<10^-7 с). В микровыступе происходят физические процессы, приводящие к эмиссии (испусканию) фотонов и электронов. Они важны для инициирования химических реакций в зоне контакта. Часть рассеянной энергии остается в поверхностном слое в форме избыточной свободной энергии. Происходит так называемая трибоактивация вещества.

Ход трибохимической реакции показан на схеме (рис. 6.3), где выделены следующие фазы: 1 - реакция на поверхности

Рис 6.3 Кинетическая диаграмма хода трибохимической реакции v - скорость реакции, t - время. 1 - образца без трения, 2 - рост скорости реакции в начале трения, 3 - стационарная фаза реакции при трении, 4 - спад скорости реакции после прекращения трения.

Трибохимические процессы находят применение в химической промышленности. С помощью шаровых вибрационных и планетарных мельниц получают карбонилы - соединения СО и металлов, прививают полимеры к неорганическим веществам, регенерируют катализаторы.

Лекция №7 (2ч). Триботехническое материаловедение

Актуальным направлением повышения износостойкости является создание и использование в парах трения специальных материалов триботехнического назначения. трибология адгезия электризация трение

7.1 Основные термины

Материаловедение - наука, изучающая связь между структурой и свойствами материалов, а также их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.д.). Задачей триботехнического материаловедения является изыскание оптимальных с позиций трибологии структуры материалов и технологий обработки поверхностей трения при изготовлении и эксплуатации пар трения. Ниже кратко изложены основные положения триботехнического материаловедения.

Объект триботехнического материаловедения - два больших класса материалов: фрикционные и антифрикционные.

В большинстве современных машин трение играет негативную роль, создавая сопротивление движению, для преодоления которого нужно совершать работу. Одним из путей борьбы с трением является создание антифрикционных материалов - материалов с низкими значениями коэффициента трения.

Вместе с тем существуют машины и механизмы, принцип действия которых основан на использовании трения: тормоза, фрикционные передачи, крепежные устройства и т.д. В них рабочие поверхности деталей облицовывают фрикционными материалами, которые характеризуются повышенной величиной коэффициента трения. Типичным фрикционным материалом является материал, используемый для подошв обуви.

Принято называть фрикционными материалы с коэффициентом трения f 0,2 и антифрикционными с f 0,2. Есть небольшая группа материалов, которые в разных узлах машин используют и как фрикционные, и как антифрикционные (рис. 7.1). Все триботехнические материалы должны быть износостойкими, чтобы обеспечить приемлемый технический ресурс пар трения.

За последние десятилетия резко возросли рабочие скорости и нагрузки в машинах, ужесточились режимы эксплуатации пар трения. Во многих случаях проверенные веками традиционные триботехнические материалы (чугуны, баббиты, бронзы и др.) оказались непригодными для работы в жестких условиях. Появилась необходимость в новом поколении триботехнических материалов на основе керамики, металлов и полимеров, работоспособных при экстремальных нагрузках, температурах, в вакууме, при облучении и т.д.

Рис 7.1 Схема совокупности триботехнических материалов. 1 - антифрикционные, 2 - фрикционные, 3 - материалы, используемые в разных узлах как антифрикционные и как фрикционные

Концепция создания триботехнических материалов базируется на представлениях молекулярно-механической теории трения о двух составляющих коэффициента трения. В результате интенсивной пластической деформации при изнашивании микроструктура этих слоев становится похожа на структуру сильно деформированных материалов (сжатием с кручением, прокаткой и т.д.), отличаясь от исходной микроструктуры в объеме тел. Учитывая это, И.В. Крагельский предложил считать зону трения промежуточным "третьим телом".

Деформации, которые возникают при трении тел, выполненных из триботехнических материалов, должны локализоваться в поверхностном слое и не затрагивать основного объема тел. Входящие в "третье тело" поверхностные слои по сравнению с материалами истираемых тел должны быть низкомодульными (при упругом контакте) или пластичными (при пластичном контакте) и обладать свойством многократно передеформироваться без заметных повреждений. Совокупность этих требований, отличающих "третье тело" от основного материала, сводится к необходимости создания в контакте положительного градиента механических свойств. Эти рассуждения относятся как к антифрикционным, так и к фрикционным материалам.

Назначение фрикционных материалов - обеспечивать высокий коэффициент трения. Для этого их молекулы должны интенсивно взаимодействовать с контртелом. Чтобы в полной мере реализовать это свойство, надо обеспечить в паре трения максимально возможную площадь фактического контакта. Благодаря этому повысится адгезионная составляющая коэффициента трения. Одновременно податливость под нагрузкой поверхностного слоя, способствующая формированию участков фактического касания, обусловит повышение деформационной составляющей коэффициента трения. Коэффициент гистерезисных потерь фрикционного материала должен быть, возможно большим ( 1). Это соответствует значительному расходу энергии на передеформирование микровыступов и задержке восстановления их формы.

В состав антифрикционных материалов с низким коэффициентом трения вводят вещества, ослабляющие молекулярное взаимодейтвие с контртелом. Фактическая площадь контакта антифрикционного материала с контртелом должна быть невелика и, по возможности, формироваться за счет упругой деформации микронеровностей. Это условие выполняется, если материал имеет достаточную твердость и высокий модуль упругости. Следует стремиться к снижению относительного внедрения микронеровностей и гистерезисных потерь ( 1).

Сочетание материалов в паре трения должно отвечать критериям совместимости. Совместимость - свойство материалов обеспечивать оптимальную работоспособность пары трения при заданных условиях эксплуатации. Совместимость смазочных материалов - способность материалов смешиваться между собой без ухудшения эксплуатационных свойств и стабильности при хранении. При трении без смазки главным критерием совместимости материалов является предотвращение охватывания. При смешанном трении совместимость наиболее полно проявляется в периоды приработки, пуска и остановки пар трения. На рис. 15.2 видно, что совместимость с контртелом свинцовой бронзы ниже, чем алюминиевого сплава. Приработка на грани заедания позволяет определить нагрузочную способность пары трения. Совместимость при жидкостном трении оценивают по степени коррозионного повреждения истираемых тел в смазочных материалах.

В последние десятилетия одной из ведущих тенденций обеспечения совместимости стало нанесение покрытий на поверхности трения. Интерес к ним стимулируется возрастающими требованиями к износостойкости, несущей способности пар трения и энергозатратам при трении, а также необходимостью экономить стратегические и дорогие материалы.

Ряд пар трения с уникальными триботехническими характеристиками был получен благодаря формированию термодинамически нестабильных фаз в виде покрытий. Примерами служат покрытия, получаемые лазерным переплавом поверхностного слоя, создаваемые вакуумными, ионно-плазменными методами и др.

Самосмазывающиеся материалы обладают свойством образовывать противозадирную разделительную пленку. Главную роль при "сухом" трении в механизме самосмазывания играет явление фрикционного переноса - перемещение при трении материала с одной поверхности трения на другую. Кинетика образования пленки фрикционного переноса у большинства самосмазывающихся материалов включает следующие стадии (рис. 7.3).

Рис. 7.2 Зависимость изменения температуры от нагрузки при приработке пар сталь-сплав. 1-бронза БрОЗО, 2-алюминиевый сплав АО20-1

Рис. 7.3 Изменение интенсивности изнашивания самосмазывающегося материала во времени. I-трение адсорбированных пленок, II и III- пленок переноса в твердом и расплавленном состояниях, IV- трение при нестабильной пленке переноса

В период I приработки поверхности трения покрыты адсорбированными пленками и оксидами. Затем в паре трения формируется пленка переноса: сначала в твердом состоянии (II), а позднее - в расплавленном (III). При интенсивном изнашивании она удаляется из зоны трения (IV). После этого наступает интенсивное изнашивание пары. Закономерности фрикционного переноса составляют научную базу для разработки самосмазывающихся материалов и конструирования работающих без смазки пар трения.

Прежде, чем перейти к рассмотрению совокупности триботехнических материалов, дадим следующие определения. Композиционный материал или композит - материал, состоящий из компонентов различной структуры, имеющих границы раздела.

Рис. 7.4 Схема композиционного материала. 1 - матрица, 2 - армирующий элемент, 3 - переходный слой.

Компоненты композита имеют достаточно большие размеры и видны обычно невооруженным глазом. Матрица - компонент, непрерывный в объеме композиционного материала. Другие компоненты - арматура, наполнители, включения жидкой фазы и т.п. - распределены в матрице. На границе матрицы и других компонентов располагаются тонкие переходные слои. Благодаря им свойства композита не являются суммой свойств компонентов, а соответствуют новому качественному уровню. Схема композита приведена на рис. 7.4.

7.2 Фрикционные материалы

Чтобы придать фрикционному материалу положительный градиент механических свойств, нужно создать в зоне трения пластическое “третье тело”, сопротивление сдвигу которого было бы ниже, чем у материалов трущихся деталей. Реализовать эту идею можно двумя путями:

1) ввести во фрикционный материал компоненты, образующие на поверхности трения пластические слои -- оксиды металлов, твердые смазки, цветные металлы и т.п.;

2) использовать в качестве фрикционных такие материалы, которые под действие напряжений сдвига и фрикционного нагрева размягчаются или термически разлагаются.

Примеры таких решений рассмотрим, анализируя номенклатуру фрикционных материалов. В нее входят металлические, асбокаучуковые материалы, асбопластики, органические и металлокерамические материалы. Контртелом для них обычно служат стали с высоким содержанием углерода и легированные прошедшие термообработку чугуны.

Металлические фрикционные материалы -- это преимущественно серые чугуны в парах с высокоуглеродными сталями У7, У8. Чугун -- сплав железа с углеродом, содержание которого более 2,14 %. Продукты износа серого чугуна создают в зоне трения “третье тело” с низким сопротивлением сдвигу. Недостаток таких пар -- невысокий коэффициент трения -- покрывается такими достоинствами, как низкая стоимость, надежность, большой ресурс. Пара серый чугун -- высокоуглеродистая сталь применяется в тормозах подвижного состава на железнодорожном транспорте.

Асбокаучуковые материалы -- композиционные материалы на основе асбеста с каучуковым связующим и различными наполнителями. Асбест -- минерал, водный силикат магнезия (3MgO 2SiO₂ 2H₂O). Он обладает волокнистой структурой, высокими теплостойкостью (до 900К) и коэффициентом трения, мало зависящим от температуры. Каучук связывает компоненты в единый материал и, как асбест, имеет значительный коэффициент трения. В качестве наполнителей применяют порошки сурика (Pb₃O₄) и оксида свинца (PbO), которые придают материалу противозадирные свойства.

...