Понятие о трении и его виды. Виды изнашивания поверхностей трения

Понятие о трении и его  виды. Виды изнашивания поверхностей трения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Введение.

2. Понятие о трении и его виды .

2.1. Виды  трения.

2.2. Существующие теории трения.

3. Виды изнашивания поверхностей трения .

3.1. Абразивное изнашивание.

3.2. Окислительное изнашивание (коррозия).

4. Методы уменьшения интенсивности износа.

4.1. Факторы, определяющие интенсивность изнашивания.

4.2. Основные пути снижения интенсивности механического истирания.

4.3. Основные пути снижения интенсивности абразивного изнашивания.

4.4. Методы борьбы с окислительным износом.

5. Библиография.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Триботехника – наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазки машин. В некоторых странах, в том числе и России, вместо термина триботехника употребляют термины трибология и трибоника. Название научной дисциплины трибология образовано от греческих слов «трибос» - трение и «логос» - наука. Она охватывает теоретические и экспериментальные исследования физических (механических, электрических, магнитных, тепловых), химических, биологических и других явлений, связанных с трением, изнашиванием и смазкой. Как наука, трибология имеет научно-технические разделы: трибофизику, трибохимию, триботехническое материаловедение, трибомеханику, трибоинформатику и др.

1883 году  знаменитый русский инженер и  ученый Н. П. Петров писал:  «Силу трения можно замечать  всегда и повсюду, и ее надо  поставить в ряду могущественнейших  способов, при посредстве которых  природа превращает один вид  энергии в другой, мало-помалу  заменяя их тепловыми. Эта сила  обнаруживает свое влияние в  самых разнообразных явлениях  природы, возбуждая живой интерес  ученых самых разнообразных направлений.  Знание законов трения необходимо  и астроному, и физику, и физиологу,  и технику». Это высказывание  одного из крупнейших инженеров  конца прошлого века необычайно  ясно показывает исключительную  важность трибологии — науки  о трении и процессах, его  сопровождающих.

Трение  изучали Леонардо да Винчи и Ломоносов, Амонтон и Кулон, Петров и Эйлер, Менделеев и Рейнольде и другие ученые. В наше время трение изучали академики Н.Е. Жуковский, Е.А. Чудаков, В.Д. Кузнецов, П.А. Ребиндер, проф. А.С. Ахматов чл.-корр. АН СССР Б.В. Дерягин, проф. И.В. Крагельский, проф. М.М. Хрущев и др.

Сегодня в нашей стране изучением трения, изнашивания и смазки машин занимаются многие ученые, профессора, доктора  наук: Б.М. Асташкевич, Э.Д. Браун, В.Н. Виноградов, Б.Т. Грязнов, Ю.Н. Дроздов, Ю.А. Евдокимов, М.Н. Ерохин, чл.-корр. РАН В.И. Колесников, А.К. Прокопенко, А.С. Проников, Г.М. Сорокин, А.В. Чичинадзе и многие другие.

За рубежом  известными учеными в этой области  являются: Ф. Боуден, Д. Тейбор, С. Баходур, К. Лудема, Н.П. Су, Д. Бакли, М. Амбрустер, Н.. Краузе, Н..Уетц, Н..Чихос, Г. Фляйшер, Г. Польцер, Р. Марчак, С. Пытко, Ю. Подгуркас и др.

До настоящего времени трение во многих его аспектах остается загадкой. При трении (и только при трении) одновременно происходят механические, электрические, тепловые, вибрационные и химические процессы. Трение может упрочнить или разупрочнить металл, повысить или уменьшить в нем содержание углерода, насытить металл водородом или обезводородить его, превратить золото и платину в окислы, отполировать детали или сварить их. Трение является самоорганизующимся процессом, при котором с определенной последовательностью и весьма "разумно" протекают явления, направленные на разрушение поверхности или же, наоборот, на создание целой серии систем, снижающих износ и трение.

Сегодня с  трением связана одна из самых  острых проблем современности —  износ машин и механизмов. Расходы  на восстановление машин в результате износа огромны, причем ежегодно они  увеличиваются. Удлинение срока  службы машин и оборудования даже в небольшой степени равноценно вводу значительных новых производственных мощностей.

 

 

 

Понятие о трении и его виды.

 

Виды  трения.

 

Рассмотрим  основные термины согласно ГОСТ 27674-88 Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения:

Изнашивание — процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела при трении и (или) увеличении его остаточной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Трение — основная причина изнашивания деталей машин. Проблемы трения, изнашивания и смазывания изучает наука трибология, базирующаяся на фундаментальных законах физики, химии, механики сплошных сред, термодинамики и материаловедения.

 

Различают трение:

• скольжения,
• качения,
• покоя.

      Сила трения качения примерно в 10 раз меньше силы трения скольжения.

 

По наличию  смазки различают трение:

• - ювенильное (сухое);
• -жидкостное;
• - граничное.

 

 

Рисунок 1. Виды трения по наличию смазочного материала: а – трение без смазочного материала; б – граничное трение; в –  жидкостное трение; г – полужидкостное трение.

 

 

Особенно  опасным считают трение ювенильных (обнаженных) поверхностей. Оно относится к трению без смазочного материала и характеризуется непосредственным взаимодействием между твердыми телами при отсутствии между ними третьей фазы (например, оксидной пленки), способной выполнять смазочную функцию.

Металлическая поверхность может сохранять  ювенильные свойства лишь в условиях высокого вакуума или в атмосфере инертного газа, что встречается при износе деталей в случаях, когда отделяются оксидные пленки и твердые тела вступают в непосредственный контакт. Такое явление наиболее часто имеет место при трении деталей из однородных материалов, например сталь по стали.

 

Жидкостное трение имеет место при наличии промежуточного слоя смазки, полностью разделяющего трущиеся поверхности. Процессы трения и изнашивания характеризуются при этом не материалом трущихся деталей, а вязкостью смазочного слоя, конструкцией и режимом работы соединения.

При уменьшении толщины масляного слоя трущиеся поверхности сближаются. Когда в процессе сближения достигается такое положение, при котором они разделяются не слоем смазки, а масляной пленкой молекулярной толщины, наступает граничное трение.

 

Граничное трение возникает под действием молекулярных сил трущихся поверхностей, смазочное вещество прочно адсорбируется на поверхностях трения. Полярные концы молекул смазочного вещества образуют на поверхностях трения «молекулярный часткол».

Граничная фаза масляной пленки, находясь под  двусторонним воздействием молекулярных сил, приобретает: квазитвердое состояние с расклинивающим давлением, оказывающим сильное сопротивление образованию металлического контакта (скользкое состояние, напоминающее мыло, смоченное водой).

Указанные свойства предохраняют трущиеся поверхности  от разрушения. 

 

 

Существующие  теории трения

 

Различают 5 теорий, объясняющих процессы, происходящие при трении:

1. механическая;
2. молекулярная,
3. молекулярно-механическая,
4. энергетическая,
5. гидродинамическая.

 

 

Рассмотрим  эти теории более подробно.

1) Механическую теорию в 1699 г. предложил Амонтон, который сформулировал закон для случая сухого трения:

F = fск * Р, где fск - коэффициент трения скольжения; Р - нормальная к плоскости трения нагрузка, Н. 

 

Сближение шероховатых поверхностей приводит как к контакту микронеровностей, так и к взаимному проникновению микровыступов одной из поверхностей во впадины другой. В связи с различной высотой микронеровностей контактирующие микровыступы нагружаются по-разному, поэтому одни из них испытывают упругие деформации, другие — пластические.

При относительном перемещении трущихся поверхностей имеют место все известные виды деформаций — смятие, сдвиг, изгиб.

Важно отметить, что трущиеся детали соприкасаются  не всей видимой поверхностью, а  лишь микровыступами, пятнами касания. По подсчетам английского ученого Боудена, фактическая площадь касания составляет 0,01...0,001 видимой поверхности (в зависимости от класса шероховатости). В силу этого удельные нагрузки на отдельные микровыступы достигают больших значений.

Так, если в подшипниках коленчатых валов  автотракторных двигателей среднее расчетное давление составляет 4 МПа, то фактическое  давление  на  микровыступах  может достигать 400...4000 МПа. При таком давлении в контактных точках возникают температурные вспышки локального характера (= 1000 °С) и происходит сваривание микровыступов с почти мгновенным разрывом мостиков сварки.

Такой характер износов подтверждается на практике в виде задиров и наплывов на трущихся поверхностях. С течением времени фактическая площадь касания увеличивается. Идет процесс приработки. 

 

Рисунок 2. Зависимости износа (1) и температуры (2) на поверхности трения от наработки: I - процесс приработки; II - нормальное изнашивание.  

 

В   период   приработки происходит «перемалывание» старых микронеровностей, полученных при механической обработке, с образованием новых. Значительная часть работы трения (70...80 %) переходит в теплоту, поэтому температура на поверхностях трения резко подскакивает.

Разделяя  процесс изнашивания на два основных периода (первоначальной приработки и нормального изнашивания), механическая теория получила довольно стройный вид.

  Однако, находясь на позициях механической теории, невозможно объяснить некоторые явления, происходящие при изнашивании материалов.

Механическая  теория объясняет причину возникновения  трения зацеплением шероховатостей трущихся поверхностей. Но не объясняет увеличение трения у очень гладких поверхностей.

Так, если считать, что изнашивание — следствие  лишь процессов деформации и разрушения поверхностных слоев при механическом взаимодействии микронеровностей, то как объяснить тот факт, что чисто обработанные поверхности в процессе трения и изнашивания приобретают определенную шероховатость? Не представляется возможным объяснить и то, что поверхности с высокими механическими свойствами при трении о мягкие поверхности изнашиваются.  

 

2) В 18-ом  столетии была предложена молекулярная теория трения, далее развитая учеными Томпсоном (1929 г.) и Б. В.Дерягиным (1934 г.):

F = fск * (Р + р * S),

где р - добавочное давление вызнанное силами ионно-атомного притяжения, мПа; S - площадь контакта, м².  

 

Эта теория исходит из допущения существования молекулярных сил взаимодействия между контактирующими микровыступами. Факт существования молекулярной адгезии можно увидеть из эмпирической формулы Кулона, полученной им в 1799 г.:

F = fк * Р + А,

где fк - коэффициент трения качения; А - сила сопротивления проскальзыванию из-за адгезии, Н.

 

Из этой формулы следует, что при N = 0 поверхности трения все-таки взаимодействуют, так как сила трения при этом >0 (Р= А).

В соответствии с молекулярной теорией трения и  изнашивания на отдельных участках трущихся поверхностей молекулы настолько  сближаются, что начинает проявляться  взаимодействие молекулярных сил, аналогичное притяжению разноименных зарядов. Результат молекулярного взаимодействия между трущимися телами — износ чисто обработанных поверхностей.  

 

3) Более  полно физическую сущность явлений  трения и изнашивания отражает молекулярно-механическая теория, предложенная И. В. Крагельским в 1946 г. :

F = Fмех + Fмол =  a * Sф +  b * P,

     где Fмех , Fмол – составляющие силы трения, Sф – фактическая площадь контакта, Р – удельное давление, a и b - кэффициенты, устанавливаемые опытным путем. 

 

Эта теория исходит из предположения, что трение имеет двойственную природу и обусловлено как взаимным внедрением микровыступов трущихся поверхностей, гак и силами молекулярною взаимодействия.

Эта теория с учетом влияния на процесс изнашивания  вида трения является общепризнанной.