Граничное трение твердых тел, изнашивание сил при трении

Граничное трение твердых тел. Современные методы измерения силы трения и изнашивания  сил при трении.

    Граничное трение - это такое трение, при  котором трущиеся поверхности разделены  тонким адсорбционным (поверхностным) слоем смазки, обладающим особыми  свойствами. Это, во - первых, прочное сцепление, прилипание к поверхностям твердых тел и, во -вторых, высокая прочность слоя (пленки). В состав жидких минеральных масел в той или иной мере входят поверхностно -активные вещества (жирные кислоты, амины и другие).

    С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Вернее было бы сказать, что без  трения мы и шагу ступить не можем. Но несмотря на ту большую роль, которую  играет трение в нашей жизни, до сих  пор не создана достаточно полная картина возникновения трения. Это  связано даже не с тем, что трение имеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы.

    Когда говорят о трении, различают три  несколько отличных физических явления: сопротивление при движении тела в жидкости или газе – его называют жидким трением; сопротивление, возникающее, когда тело скользит по какой-нибудь поверхности, – трение скольжения, или сухое трение; сопротивление, возникающее при качении тела, – трение качения.

    Максимальное значение силы трения покоя определяется формулой

    |¦_{тр max| = µ |N |}

    где m- коэффициент трения, зависящий  от свойств соприкасающихся поверхностей;

    N – сила нормального давления.

    Когда абсолютная величина внешней силы превышает  значение |¦_{тр max|,} возникает относительное движение – проскальзывание. Сила трения скольжения обычно слабо зависит от скорости относительного движения, и при малых скоростях её можно считать равной.

    Первые  исследования трения, о которых мы знаем, были проведены Леонардо да Винчи примерно 500 лет назад. Он измерял силу трения, действующую на деревянные параллепипеды, скользящие по доске, причём, ставя бруски на разные грани, определял зависимость силы трения от площади опоры. Но работы Леонардо да Винчи стали известны уже после того, как классические законы трения были вновь открыты французскими учёными Амонтоном и Кулоном в XVII – XVIII веках. Вот эти законы:

    1. Величина силы трения F прямо пропорциональна величине силы нормального давления N тела на поверхность, по которой движется тело, т.е. F = m N;

    2. Сила трения не зависит от  площади контакта между поверхностями; 

    3. Коэффициент трения зависит от  свойств трущихся поверхностей;

    4. Сила трения не зависит от  скорости движения тела.

         Английский физик Гарди исследовал зависимость силы трения между стеклянными пластинками от температуры. Он тщательно обрабатывал пластинки хлорной известью и обмывал их водой, удаляя жиры и загрязнения. Трение увеличивалось с температурой. Опыт был повторён много раз, и каждый раз получались примерно одни и те же результаты. Но однажды, моя пластинки, Гарди протер их пальцами – трение перестало зависеть от температуры. Протерев пластинки, Гарди, как он сам считал, удалил с них очень тонкий слой стекла, изменивший свои свойства из-за взаимодействия с хлоркой и водой.

    Движению  тела в жидкости и газе препятствует сила жидкого трения. Главное отличие  жидкого трения от сухого – отсутствие зоны застоя. В жидкости или газе не возникает силы трения покоя, и  поэтому даже малая внешняя сила способна вызвать движение тела.

    Первый  ряд молекул поверхностно - активных веществ образует монослой (молекулярный ворс). При контакте двух поверхностей со слоями контактировать будут не метальные группы (хвосты) молекул. Разъединение трущихся поверхностей только двумя монослоями в 6—7 раз снижает величину коэффициента трения. С метальными группами монослоя соединяются метальные группы следующего слоя молекул, и в результате образуются слои молекул, строгая ориентация которых нарушается пропорционально увеличению расстояния между металлической поверхностью и молекулами. Толщина граничного слоя, образованного этими молекулами, обычно меньше 0,1 мкм. При такой толщине граничной масляной пленки в ней не могут проявиться гидродинамические свойства масла.

    Граничные слои очень активны и могут образовываться на металлических поверхностях за счет паров масел, находящихся в воздухе. 

    Схема образования мономолекулярного  слоя (а) и контактирования двух мономолекулярных слоев (б).

    Граничное трение может существовать самостоятельно (аппараты пневматических систем управления), но главным образом оно входит в полусухое и полужидкостное трения. Полужидкостное трение является одновременно жидкостным и граничным, то есть некоторые участки трущейся пары работают в режиме жидкостного трения, а другие - в режиме граничного. Примером такого трения могут служить средне - скоростные подшипники скольжения, закрытые зубчатые передачи. Полусухое трение является одновременно сухим и граничным, то есть на некоторых участках контактирующих поверхностей протекают процессы сухого, а на других - граничного трения. В режиме полусухого трения могут работать трущиеся пары тормозов при загрязнении трущихся поверхностей следами масел. Величина коэффициента трения зависит от вида трения: при сухом (сталь по стали) коэффициент равен 0,18 - 0,45, при полусухом  - 0,05 - 0,015, полужидкостном - 0,01 - 0,05 и при жидкостном - 0,001 - 0,01.

    Чем больше коэффициент трения, тем больше (при прочих равных условиях) сила трения, что является одним из главных  факторов, определяющих вид и скорость изнашивания контактирующих поверхностей. Механическое изнашивание (повреждение) поверхностей деталей машин представляет собой сложный процесс, на который влияют комплекс физических, механических и химических факторов, а также характер контактирования трущихся поверхностей. Все эти факторы учитываются молекулярно - механической теорией трения и изнашивания, разработанной отечественной школой ученых И. В. Крагельский, Б. В. Дерягин, М. М. Хрущов и другие.

    Реальные  твердые тела (детали машин) всегда имеют определенную шероховатость  и волнистость. При контакте двух тел А и Б различают номинальную  площадь, определяемую геометрическими  параметрами трущихся тел (например, длиной и диаметром подшипника скольжения), контурную площадь, определяемую волнистостью поверхностей, и площадь фактического контакта, определяемую контактом микронеровностей поверхностей.

    Молекулярно - механическая теория трения и изнашивания  исходит из того, что процессы изнашивания  происходят в местах фактического контакта поверхностей трущихся тел. При действии на контактирующие тела, в процессе их относительного перемещения, нормальных и тангенциальных сил в контактирующем слое возникают упругопластические деформации, происходит взаимное внедрение элементов и молекулярное взаимодействие слоев.

    Многократные  упругие деформации микрообъемов металла  вызывают усталостные разрушения поверхностного слоя. В результате действия сил  трения и нормальных сил, вызывающих упругопластические деформации металла в местах фактического контакта, повышается его температура, что может привести к свариванию (образованию мостиков сварки) трущихся тел и к изменению структуры металла. При плотном контакте металлов и отсутствии между ними пленки окислов или поверхностно-активных веществ масла возникает молекулярное взаимодействие (адгезия) тел, которое приводит к вырыванию некоторых объемов металла у одного из трущихся тел. Под воздействием кислорода воздуха на трущихся поверхностях образуются окисные пленки, экранирующие металлические поверхности, препятствующие появлению молекулярных связей между ними. Одновременно происходит окисление деформированных микрообъемов металла, в результате чего ускоряются процессы их разрушения, т. е. механическое изнашивание трущихся поверхностей.

    Схема контактирования двух реальных поверхностей: 1 — номинальная площадь; 2 — контурная  площадь; 3 — площадь фактического контакта.

    При относительном перемещении трущихся тел возникает сложный процесс  изменения физико - механических и  химических свойств металла в поверхностно - активном слое, вызываемый многократными упругопластическими деформациями, воздействием температуры, окислительными процессами и молекулярным взаимодействием. Эти изменения и вызывают в конечном счете изнашивание поверхностей.

    Взаимодействие  поверхностей двух трущихся тел И.В. Крагельским представлено в виде нарушений фрикционных связей в  местах контактирования, вызывающих разрушение этих поверхностей. Виды фрикционных  связей зависят от относительной  глубины внедрения неровностей. При I виде нарушения фрикционных связей происходит упругое оттеснение (деформирование) металла одной поверхности более твердыми выступами или более твердыми зернами второй поверхности.

    При многократном упругом передеформировании металла происходит его выкрашивание. 
 

    Основные  виды нарушения фрикционных связей (по И.В. Крагельскому). 
 
При II виде нарушения фрикционных связей происходит пластическое оттеснение металла, однако он обтекает твердое зерно и не отделяется от основного металла тела. Износ - разрушение поверхностей в результате усталостных явлений при этом виде нарушения связей наступает при меньшем числе циклов нагружений.

    III вид нарушения фрикционных связей  возникает в тех случаях, когда  деформации или контактные напряжения  превышают предел прочности материала. Возникает процесс царапания металла поверхности более твердыми зернами.

    IV вид нарушения фрикционных связей  происходит при разрушении пленок, покрывающих контактирующие поверхности.  Этот вид фрикционной связи  влияет на величину напряжений деформации металла в местах контакта.

    V вид нарушения фрикционных связей  возникает в тех случаях, когда  прочность фрикционной (в данном  случае - молекулярной) связи выше  прочности нижележащих слоев  металла, в результате чего  при относительном перемещении поверхностей происходит глубинное вырывание (схватывание) металлов трущихся поверхностей. Анализ схем нарушения фрикционных связей показывает, что первые три вида наблюдаются при механическом взаимодействии поверхностей, а последние два - при молекулярном. 

    Классификация видов изнашивания при сухом  и граничном трениях (по И.В. Крагельскому).

            Закономерности сухого трения на примере тела, лежащего на плоскости, к которому приложена горизонтальная сила F. Тело придет в движение лишь тогда, когда сила F будет больше силы трения покоя.

    Сила  трения скольжения F, а также максимальная сила трения покоя по модулю пропорциональны  силе N нормального давления, прижимающей  трущиеся поверхности друг к другу:

    F_тр=μN,

    где μ – коэффициент трения скольжения, зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей.

    Если  приложенная сила F не превышает  максимального значения силы трения покоя, то тело не придет в движение.

    Для тела, движущегося вдоль наклонной плоскости, коэффициент трения равен тангенсу угла наклона α₀, при котором начинается скольжение тела по данной плоскости:

           μ=tgα₀

    Уменьшить силу трения можно, например, нанося на трущиеся поверхности смазку, заполняющую  неровности между поверхностями, или  заменив трение скольжения трением качения. Как показывают опыты, сила трения качения пропорциональна силе нормального давления и обратно пропорциональна радиусу катящегося тела. 

    Список  использованных источников.

1. Гомонова А.И. Пособие по физике. Москва 1991 год. 336 страниц;
2. Мустафаев Р.А., Кривцов В.Г. Физика. В помощь поступающим в вузы. Учебное пособие для слушателей подготовки отдельных вузов. Москва 1989 год. 496 страниц;
3. Трифимова Т.И. Краткий курс физики с примерами решения задач. Учебное пособие. Москва 2010 год. 280 страниц.