Пять типов фрикционных контактов

1. Упругое деформирование одной поверхности другой.

2. Пластическое деформирование.

3. Микрорезание.

4. Сдвиговое смещение внутри слоя.

5. Прочное соединение одного тела другим.

 

Эволюция взглядов на природу трения твердых тел

Несмотря на то, что результаты трения твёрдых тел были известны и использовались человеком уже давно, однако первые записи, характеризующие процесс трения, были сделаны лишь в 1508 году Леонардо да Винчи. Они гласили, что сила трения является пропорциональной "массе трения", т.е. F~N.

В 1699 году Амонтон представил зависимость трения Леонардо да Винчи в виде выражения, которое и сейчас широко используется инженерами: F = μN, где: F - сила трения; μ - коэффициент трения; N - сжимающая сила.

В 1785 году Кулон, проводя тщательные эксперименты по трению, установил, что закон Амонтона далеко не всегда выполняется. Кулон, как и все предыдущие исследователи трения, стоящие на чисто механистических позициях о его природе, сделал предположение, что все тела имеют на своих поверхностях некоторый "ворс", свойственный для каждого из тел, который взаимодействует с этим "ворсом" другого тела и создаёт дополнительное сопротивление их движению.
Поэтому Кулон вводит, поправку к формуле Амонтона в виде некоторой величины "А", учитывающей дополнительное сопротивление ворса в виде: F = μN + А. Благодаря весьма высокому авторитету Кулона как механика, это выражение и его представления на природу трения, продолжают оставаться неизменными ещё долгие годы, хотя уже вскоре после его смерти появились знания об атомном строении веществ, об особенностях и свойствах сконденсированных тел и ряд других.

В 1934 году Дерягин, опираясь на строгие физические представления о взаимодействии между атомами, ионами и молекулами, разработал молекулярную теорию трения, отдавая при этом преимущественное влияние силам электростатического отталкивания (N) и вспомогательное влияние силам молекулярного притяжения, выраженное в виде сил удельной адгезии, т.е. F = μ·(N + Sp₀), где N - нормальная нагрузка, S - площадь истинного контактирования (A_r), p₀ - удельная адгезия (свободная поверхностная энергия, приходящаяся на единицу поверхности).

В 1959 г. была создана молекулярно-механическая теория Крагельского, исходя из которой, получено:

β – коэффициент изменения сил в зависимости от нагрузки;

R - радиус кривизны выступа (неровности);

h - глубина внедрения выступа в поверхность.

Иными словами, первые два члена представляли коэффициент трения, формируемый молекулярными силами, а третий член этой формулы - составляющую коэффициента трения связанную с деформацией твёрдых тел, т.е. деформационную составляющую трения. Крагельский считал, что при трении часть выступов осуществляет микрорезание, часть - пластическое оттеснение. часть - упругое оттеснение, часть перемещается по разделяющей их плёнке, часть осуществляет глубинное вырывание с противоположного тела. Эти пять разновидностей типов фрикционной связи существуют при любом фрикционном взаимодействии. В зависимости от того, какая из них превалирует, говорят, что контакт упругий, пластический, происходит микрорезание или вырыв материала (задир).

Теория Крагельского сейчас используется во всём мире для анализа и расчёта статического трения и трения при равномерном стационарном скольжении тел в условиях, когда не проявляются реологические свойства (реология - наука о закономерности течения материала) самого материала трущихся тел и разделяющего их слоя. Она позволяет выявить, как меняется коэффициент трения от нагрузки, от шероховатости, от скорости скольжения и от ещё ряда параметров трения, а также установить, что на результаты фрикционного взаимодействия большое влияние оказывают физические и химические процессы, происходящие в зоне трения твёрдых тел.

 

Износ и изнашивание

Изнашивание – это процесс постепенного изменения размеров тел при трении, проявляющийся в отделении частиц материала с поверхности трения и в смятии (остаточном деформировании) трущихся тел.

Результат изнашивания – износ поверхности. Износ оценивается изменением толщины слоя, произошедшим через некоторый путь трения. Износ можно выражать через объем или массу изношенного материала, а также энергию, затраченную на изнашивание материала за определенный путь трения.

По характеру проявления и действия трение и износ на первый взгляд представляют механический процесс. Однако, более глубокое изучение процессов трения и износа показало, что в основе их лежат также и сложные физико-химические процессы, обусловленные молекулярными взаимодействиями.

И если износ реализуется лишь только при непосредственном взаимодействии трущихся тел, то силы трения реализуются как при непосредственном их контактировании, так и в случае, когда трущиеся тела разделены третьим жидким или газообразным телом.

Во всех случаях износ и его производные зависят:

- от силовых и кинематических параметров, и в первую очередь от давления на поверхности трения и скорости относительного скольжения;

- от параметров, характеризующих состав, структуру и механические свойства материалов пары трения (твердость, предел текучести, модуль упругости и др.);

- от свойств поверхностного слоя, его шероховатости, состава, жесткости, напряженного состояния и т.д.;

- от вида трения и свойств смазки;

- от внешних условий, влияющих на процесс изнашивания - температуры, наложения вибраций, влажности и др;

- от конструктивных особенностей фрикционного узла.

Все эти параметры могут меняться во времени и в процессе работы узла трения. Поэтому точное сочетание этих параметров представляет собой исключительно сложную задачу, решение которой в настоящее время находится еще в стадии становления. В связи с этим И.В. Крагельский предложил рассматривать фрикционный процесс как систему входных параметров, которыми мы можем задаваться, внутренние факторы, происходящие при непосредственном взаимодействии трущихся тел, которые весьма сложно контролировать во время реализации фрикционного процесса, и выходные параметры, которые мы фиксируем в результате происшедшего фрикционного взаимодействия.

 

Входные параметры	Внутренние факторы	Выходные параметры
Природа трущихся тел. Промежуточная среда. Нагрузка. Скорость и температура.	1. Изменение шероховатости. 2. Пластическая деформация поверхностного слоя. 3. Накопление вакансий и дислокаций. 4. Изменение структуры поверхностного слоя. 5. Изменение механических свойств. 6. Тепловыделение при трении. 7. Изменение свойств пленок. 8. Химическое взаимодействие зоны трения с окружающей средой. 9. Трибомутация.	Сила трения. Интенсивность износа.

Основные методы определения износа:

- по остающимся частицам в масле;

- по деформации.

Износ бывает:

- предельный (выше которого эксплуатация нецелесообразна);

- допустимый (еще можно эксплуатировать);

- местный (опасный и неопасный).

 

Фрикционный контакт узла трения любой машины имеет неоднородность распределения сжимающих и растягивающих усилий, разные скорости относительного скольжения и контакт с окружающей средой (газами, дымами, парами, смазочными материалами и т.п.). Под действием сил сжатия и трения выделяется тепло, образуются области с высокими градиентами температур и напряжений, материал деформируется, осуществляется движение дефектов и дислокаций, создаются благоприятные условия для протекания физических и химических процессов (электризация, диффузные, окислительные, восстановительные и сорбционные процессы, а также связанные с этим явления). В реальном фрикционном контакте, как правило, одновременно протекают все эти процессы. Однако среди них, для конкретных условий можно выделить наиболее характерный процесс, а в связи с этим охарактеризовать и характерный для него механизм разрушения и вид изнашивания.

 

Принято различать:

1. Механическое изнашивание(в основе которого действие только механических сил):

- абразивное;

- эрозионное;

- газоабразивное;

- гидроабразивное;

- кавитационное;

- усталостное.

Каждый из этих видов имеет свой механизм изнашивания.

Абразивное изнашивание является наиболее распространенным видом изнашивания и реализуется в условиях, когда в зону трения тел попадают (или образуются там) твердые частицы. Для абразивного изнашивания характерным является наличие дискретного контакта с очень высокой степенью концентрации напряжения в месте контакта частица - трущееся тело. Частицы перекатываются по поверхности трения, и результатом воздействий является пластическое передеформирование поверхностного слоя. Такой вид разрушения твердой поверхности, например, осуществляется при полировке трущихся тел. Частица абразива также может осуществлять микрорезание трущегося тела. В реальных условиях частицы абразива, попадающие в зону трения твердых тел, по-разному ориентированны и имеют разное углубление в поверхности трения твердых тел, а поэтому и воздействие абразива на степень изнашивания твердых тел представляет сложную картину.

Эрозионное изнашивание связано с воздействием на твердые тела потоков жидкости или газа, не засоренных абразивом. Локальные потоки жидкости и газа бывают способными вызывать пластические и другие виды воздействия на твердые тела и вызывать их разрушение.

Газоабразивное изнашивание представляет собой комплексное воздействие на твердое тело газовых струй и абразивных частиц.

Гидроабразивное изнашивание - реализуется при воздействии на твердое тело потока жидкости и абразива.

Кавитационное изнашивание возникает в потоке жидкости, быстро движущейся с переменной скоростью, например, при обтекании препятствий, когда возникают разрывы сплошности жидкости с образованием пузырей, заполненных паром. Затем пузыри захлопываются и, если это происходит у поверхности детали, жидкость с очень большой скоростью ударяется о стенку. При многократном повторении этих процессов происходит разрушение поверхности твердых тел. Примерами этого вида изнашивания являются повреждения лопаток гидравлических турбин и насосов, подшипников скольжения и др.

Усталостное изнашивание возникает в результате многочисленного и упругого оттеснения материала. Этот процесс имеет скрытый период, вследствие которого происходит накопление повреждений внутри металла. Поскольку твердые тела, в том числе и металлы, неоднородны, трещины возникают на несовершенствах структуры кристалла. При этом бывает некоторый инкубационный период развития субмикроскопических трещин до уровня микротрещин, и период развития субмикроскопических трещин до уровня микротрещин, и период развития макротрещин.

2. Молекулярно-механическое изнашивание возникает при заедании или при фреттинге (случай, когда трущиеся поверхности совершают колебательные движения). Образующиеся частицы из зоны контакта не выносятся и играют большую роль на перераспределение давления в этой зоне.

Изнашивание при заедании характеризуется результатом молекулярном взаимодействия между выступами твердых тел в зоне фрикционного контакта. В тех случаях, когда свободная поверхностная энергия контактирующих тел очень велика и образуется прочная адгезионная связь, превышающая когезионные силы, под действием внешних сил создающих тангенциальные напряжения, происходит схватывание и значительный вырыв материала из менее прочного тела фрикционной пары. Важным условием реализации изнашивания при заедании является чистота рабочих поверхностей трущихся тел от пленок загрязнений, адсорбционные, окисные и дисперсные слои, препятствующие сближению поверхностей на расстояние действия поверхностных сил.

Изнашивание при фреттинге - механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микроперемещении. В отличие от фреттинг-коррозии окислительные процессы не играют здесь ведущей роли. В этом случае основную роль играют усталостные и адгезионные процессы.

3. Коррозионно-механическое изнашивание (в основе действуют силы химической и электрохимической природы):

- окислительное;

- водородный износ;

- фреттинг-коррозия.

 

Окислительное изнашивание. Металлическое состояние металлов термодинамически является неустойчивым, и поэтому металлы постепенно переходят в более устойчивую аморфную (ионную) форму. И этот процесс получил широко распространенное название коррозия. Самопроизвольное разрушение металлических материалов происходит вследствие физико-химического взаимодействия их с окружающей средой (жидкой, газовой и твердой). По механизму окисления принято различать, прежде всего, два его типа: химический и электрохимический. Химический тип характеризуется взаимодействием металла в твердом состоянии с адсорбированными на нем молекулами газа (например, кислорода). При наличии сродства между металлом и газом, между ними происходит химическое взаимодействие. При этом окислитель отнимает у металла валентные электроны и на поверхности металла образуется новый материал с присущими для него свойствами. В газовой среде этот процесс происходит за доли секунды. В жидкой - гораздо медленнее. Электрохимический тип окисления обуславливается переносом в электропроводящей среде ионов металла под действием электрического поля. Основой для электропроводящей среды могут стать как адсорбированная на поверхности влага, так и влага в капельном состоянии. Окружающая нас среда (воздух) почти всегда несет в себе мельчайшие твердые частицы, в том числе и соли. Вместе с влагой они образуют необходимый для протекания этого процесса электролит. В тех случаях, когда на поверхности металла образуется окисный материал с плотностью, близкой к металлу, то окисный слой бывает сплошным и диффузия молекул кислорода через него существенно затрудняется. Поэтому скорость роста толщины окисного слоя на таких металлах быстро замедляется, и на поверхности металла образуются тонкие и прозрачные пленки окисла. Этот механизм окисления характерен для инертных металлов (золото, платина и серебро).

Окисные пленки на черных и цветных металлах часто отличаются по плотности от основного металла. Благодаря этому окисные пленки, образующиеся на металле, имеют разрывы, внутрь которых попадает кислород, и процесс окисления металлов продолжается. Для таких типов металла характерными являются более толстые слои окислов, которые в процессе трения могут легко разрушаться и образовывать мелкие частицы износа абразива.

Окислительные процессы на металлах могут играть важную роль и в ускорении химических изменений смазки, которые часто приводят к образованию пленки полимеризованного материала на самих металлических поверхностях. Такие пленки могут быть вредными, вызывая, например, пригорание поршневых колец в двигателе внутреннего сгорания. С другой стороны, полимеризационная пленка может служить и защитным слоем при абразивном износе.

 

Водородное изнашивание - это процесс разрушения металла рабочих элементов пары трения вследствие поглощения металлом водорода. Водород выделяется при трении как результат разложения водородсодержащих материалов (например, из пластмасс, из которых изготовлены ответные трущиеся тела, или из окружающей среды - смазочных материалов, воды, топлива и т. д.). Выделяющийся водород адсорбируется на поверхностях трения, затем диффундирует в деформируемый слой стали. Поскольку водород в сталях и чугунах концентрируется в наиболее нагретых местах он скапливается в поверхностном и подповерхностном слоях металла, так как эти слои наиболее разогреты и деформируемы, а также попадает в пространственные дефекты металла. Водород, концентрируясь в этих слоях, вызывает их охрупчивание. Водород может проникнуть в металлы в процессе технологической обработки, что может быть предотвращено специальными приемами удаления технологического водорода.

Для водородного изнашивания характерен особый вид разрушения поверхностей трения - мгновенное образование мелкодисперсного порошка металла. Причиной этого являются одновременное развитие зародышей трещин по всей глубине деформированной зоны и эффект накопления водорода в трещинах, что приводит при деформациях, уменьшающих объем этих трещин, к развитию в них высоких давлений и вследствие этого расклинивающего действия - микротрещины сливаются, и происходит разрушение поверхностных слоев. При этом хрупкое разрушение поверхностных слоев закаленных или слаболегированных сталей наблюдается даже при ничтожно малом количестве поглощенного водорода. Одна из разновидностей водородного изнашивания - так называемое "водородное изнашивание разрушением" - проявляется в намазывании стали и чугуна на ответные, более мягкие материалы, из которых изготовлены ответные трущиеся детали. В тормозных устройствах чугун с диска намазывается на ответную пластмассовую колодку. Сталь с поверхности коленчатого вала переносится на мягкий баббитовый подшипник.

Борьба с водородным изнашиванием проводится в направлении уменьшения наводораживания при трении. Проникновение в сталь водорода можно ограничить, легируя ее хромом, титаном, ванадием. В смазочные материалы вводят специальные присадки, уменьшающие возможность наводораживания. Органические соединения, содержащие хлор, также вызывают связывание водорода в безвредные химические соединения. Другим путем затруднения проникновения водорода в поверхностные слои металла является создание положительного электрического потенциала по отношению к наводораживаемой детали.

Снижение температур в фрикционном контакте до 50 - 60°С также защищает металл от проникновения водорода.

 

 

Фреттинг-коррозия - это изнашивание плотно контактирующих тел при их колебательном относительном перемещении в условиях воздействия коррозионной среды. Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит при малых колебательных перемещениях Это особая форма изнашивания и по условиям возникновения и характеру проявления заметно отличается от обычного коррозионно-механического изнашивания при однонаправленном движении. Вследствие малой амплитуды колебаний продукты износа полностью не удаляются из зоны трения и оказывают определенное абразивное воздействие на основной металл, что может привести к заклиниванию сопряжений. При этом повреждения локализуются на участках действительного контакта. Эти повреждения имеют вид натиров, налипаний металла, вырывов или раковин, часто заполненных продуктами коррозии. Специфический характер изнашивания при фреттинг-коррозии проявляется также в том, что окислительная среда интенсифицирует процесс изнашивания, окисление при этом протекает интенсивно и продукты изнашивания в основном представляют собой диспергированные оксиды трущихся металлов. Фреттинг-коррозия снижает усталостную прочность деталей вследствие образования концентраторов напряжений. Фреттинг-коррозия обычно развивается при прессовых посадках на вращающихся валах, в местах посадок лопаток турбин, в шпоночных, шлицевых, в болтовых и заклепочных соединениях подверженных вибрации, в подшипниках качения, передающих нагрузку в условиях отсутствия качения и т. д., т. е. в тех случаях, когда имеют место микроколебания и окислительная среда. Согласно Р. Б. Уотерхаузу, для развития фреттинг-коррозии достаточно, чтобы амплитуда колебаний достигала долей микрометров. Увеличение амплитуды приводит к росту объемного изнашивания. Защита от фреттинг-коррозии - применение коррозионностойких материалов в узлах трения, подвергаемых этому виду изнашивания, введение в них смазочных материалов, прежде всего пластичных. К конструктивным путям борьбы с фреттинг-коррозией относится стремление уменьшить колебательное перемещение сопряженных поверхностей путем увеличения натяга для случая прессовых посадок, использования демпфирующих устройств для уменьшения вибраций и т. д.

 

Каждый из реальных контактов и трения твердых тел способен реализовать тот или иной класс изнашивания, каждый из которых имеет свой специфический механизм. Для борьбы с износом важно воздействовать на сам механизм изнашивания в конкретном узле трения. Только в этом случае можно получить наиболее эффективный способ повышения износостойкости.