Основи підходу до тертя

З тертям ми зіштовхуємося тоді, коли переміщуємо одне відносно другого які – небудь тіла (кінетичне тертя) або стараємося привести в рух тіла, які знаходяться у стані спокою (статичне тертя).

Тертя виникає, коли два тіла, які переміщуються одне відносно другого, контактують своїми зовнішніми поверхнями (зовнішнє тертя) або коли елементи структури тіла (атоми, молекули) переміщуються одне відносно другого (внутрішнє тертя).

Таблиця 4.1- Види тертя

Згідно стандартного визначення тертя – це явище опору відносному переміщенню, яке виникає між двома тілами у зонах дотику їх поверхонь по дотичному до них напрямку. Зусилля необхідне для переборювання опору називається силою тертя. Відношення сили тертя між двома тілами до нормальної сили, що притискає ці тіла одне до одного, називається коефіцієнтом тертя.

Таким чином, тертям називаємо комплекс явищ в зоні контакту поверхонь двох тіл, що переміщуються одне відносно другого, в результаті чого в зоні виникають контактні сили.

Мірою тертя є опір тертя, зрівноважений рівнодійною силою контакту при переміщенні одного тіла відносно іншого.

Протидія силам зчеплення має місце при внутрішньому терті при взаємному переміщенні елементів структури якого небудь тіла (газу, рідини, твердого тіла) або при зовнішньому терті. Коли при контакті поверхневих нерівностей двох тіл ці нерівності зрізаються, пружно або пластично деформуватись. Протидія силам адгезії двохконтактуючих поверхонь тіл починається при спробі їх взаємного переміщення (адгезія – це поверхневе явище, що полягає у зчепленні поверхонь в результаті дії поля сил).

Поле сил створюється зарядом атомів (іонів, молекул), з яких складається верхній шар контактуючих між собою тіл. Це поле експоненціально зменшується із збільшенням віддалі від поверхні. Практично поверхнева взаємодія типу Ван-дер-Вальса щезає на віддалі 1…2 Нм, тому для адгезії необхідно відповідне зближення поверхонь.

Адгезія і когезія спричиняються одними і тими ж силами, відмінність полягає у їх локалізації. Якщо сили діють в середині тіла то викликають когезію, якщо діють на поверхні – адгезію. Сили адгезії тим більші, чим більша дія електростатичних і електродинамічних сил в зоні контакту тіл. Це тісно пов’язане з структурою тіл, а отже, з їх поверхнею. Як наслідок – чим більша реальна поверхня контакту тим міцніше адгезійне зчеплення.

Всяка взаємодія, що викликає відривання елементів тіла, зустрічає опір когезійних сил, а відривання або взаємне переміщення тіл, що дотикаються між собою, зустрічає опір адгезійних сил. При взаємному переміщенні тіл з ідеально гладкими поверхнями існував би тільки опір адгезійних сил. Взаємне переміщення реальних жорстких поверхонь контакту зустрічає не тільки адгезійний опір, але і опір нерівностей обох поверхонь, який виникає в результаті пружних і пластичних деформацій, зрізання нерівностей, дряпання і т.д. Всі ці сили зрівноважуються силами зчеплення при декогезії матеріалу. Таким чином, тертя є наслідком дії сил адгезії і когезії. Крім поділу тертя на зовнішнє і внутрішнє практично більш важливим є поділ тертя на сухе, граничне і рідинне. Для зменшення зовнішнього тертя контактуючі поверхні розподіляються шаром мастильної речовини, при цьому сухе тертя замінюється рідинним тертям або внутрішнім тертям мастильної речовини. Якщо через великий тиск шар мастила видавлюється із міжконтактного простору, то між взаємодіючими поверхнями утворюється тонкий шар мастильного матеріалу, який зберігається там тільки в результаті взаємодії рідини з твердими тілами. Цей шар називається граничною плівкою змазки. Чим сильніша взаємодія, тим міцніша гранична змазка. Вона попереджає виникнення сухого тертя. Тертя при наявності плівки граничної змазки називається граничним тертям.

В більшості випадків тертя, в так званій макрообласті, тобто на номінальній поверхні тертя є поєднанням різних видів тертя, яке називається змішаним тертям.

Опір тертя F_Т при взаємному переміщенні двох твердих тіл складаються з адгезійного F_Аі когезійного F_К опорів:

(4.1)

Це самий загальний триботехнічний закон. В залежності від виду і умов тертя, а також від структури тіл і зв’язків у них, окремі компоненти можуть зростати або зменшуватись або навіть зникати зовсім. Наприклад, при внутрішньому терті рідини адгезійна складова близька до нуля, а при зовнішньому терті ідеально гладких поверхонь когезійна компонента прямує до нуля. Крім вказаних крайніх випадків, коли одна з складових рівна нулю, існує множина проміжних випадків, в яких обидві складові мають великі значення.

За допомогою рівняння (4.1) можна прогнозувати і пояснювати деякі трибологічні явища. Відомо, наприклад, що значення коефіцієнту тертя із збільшенням гладкості поверхні зменшується, але при дуже високій степені гладкості починає різко зростати. Із збільшенням гладкості зменшується значення когезійної компоненти, тому, що зменшується кількість нерівностей, які деформуються або зрізаються, але поступово починає зростати фактична площа контакту і коефіцієнт тертя.

Механічні теорії тертя враховують перш за все когезійну компоненту, тобто в більшій чи меншій степені приймаємо до уваги явища, які протидіють когезійним силам (пружним і пластичним деформаціям, зрізу і т.д.). В молекулярних теоріях основна увага подається адгезійним процесам і саме в цьому є їх односторонність.

Так, згідно з однією з молекулярних теорій тертя, яку запропонував російський вчений Б. В. Дєрягін, питома сила тертя буде залежати від нормальних напружень Р, що діють на поверхнях контактуючих тіл, тобто:

(4.2)

де, t_О і b - фрикційні константи, які характеризують фізико – хімічний стан поверхні.

Однак, молекулярна теорія тертя не могла пояснити багато експериментальних фактів отриманих при трибовипробовуваннях. Тому на заміну їй прийшли більш універсальні теорії висунуті практично одночасно англійськими вченими Ф. Боуденом і Д. Тейбором (адгезійно-деформаційна) і російським вченим І. В. Крагельським (молекулярно-механічна). Якщо в першій передбачалася наявність містків зварювання на фрикційному контакті, то в другій зв'язували механічну складову з деформуванням шорсткостей. З огляду на останню обставину логичніше другу теорію називати молекулярно-деформаційною, що іноді і роблять.

Відкинувши деякі розбіжності і запропонувавши єдину термінологію, процес зовнішнього тертя можна пояснюється двома процесами: міжмолекулярною взаємодією між контактуючими твердими тілами в зонах їх фактичного дотику і деформуванням поверхневих шарів менш жорсткого із взаємодіючих тіл більш жорсткими мікронерівностями. Дана молекулярно – механічна теорія, є на даний час одною з провідних і загальновизнаних. На її основі розроблені методики розрахунку основних триботехнічних параметрів.

Всяке деформування шорсткостей, плівок, що знаходяться між ними, і самих тіл, визначається реологічними властивостями матеріалів, з яких вони сформовані. У залежності від рівня напружень здійснюється пружне, пружно-пластичне і пластичне деформування виступів шорсткостей, що супроводжується дисипаційними процесами, що приводять до теплоутворення. У різних матеріалах ці процеси протікають по-різному: так у металах вони залежать від рівня напружень; у полімерах і плівках, що знаходяться між шорсткостями, вони в ряді випадків залежать від швидкості зміни деформацій, причому ці залежності можуть бути достатньо складними. Ці процеси також можуть істотно залежати від температури. Незворотні процеси, пов’язані з деформуванням, отримали назву внутрішнього тертя.

Молекулярні сили на поверхнях виступів, що контактують, викликані утворенням і руйнуванням молекулярних зв’язків, є зовнішніми відносно шорсткостей тіл, що контактують.

Таким чином, сила тертя, що виникає між твердими шорсткими тілами, визначається зовнішньою взаємодією молекулярних сил і внутрішнім тертям, пов'язаним із переформуванням шорсткостей, плівок і самих тіл. Слід також відзначити, що в залежності від характеру контактуваня шорстких тіл, вони можуть бути по-різному взаємозалежні.