3.1.1 Взаємодія поверхонь

Встановлено, що два основних процеси зовнішнього тертя – утворення точок дотику за рахунок взаємного впровадження нерівностей і формування містків зварювання - протікають при великих локальних тисках на реальних плямах контакту. Ці тиски завжди достатньо великі навіть при малому загальному навантаженні на пару, яка треться, так, як, загальна площа цих плям контактів дуже мала. Внаслідок розміщення виступів на різних рівнях при збільшенні навантаження вони послідовно вступають в контакт. Тому приріст фактичної площі трапляється в основному за рахунок збільшення числа плям контакту, а не їх розмірів.(d₁₀₀=2,0 – середній діаметр плям контакту, d₁₀=1,27 -диск зовнішньої муфти токарського верстата, d₁₀₀=1,5, d₁₀=0,7 –напрямна пароповітряного молота, d₁₀₀=5, d₁₀=3,2 – шатунний вкладиш автомобіля).

Ці дані показують, що на не прироблених, грубо оброблених поверхнях фактичні тиски дуже великі. Вони знижуються в процесі приробки за рахунок збільшення кривизни нерівностей, намагаючись наблизитись до тиску, який відповідає пружному контакту.

3.1.2 Молекулярна (адгезійна) взаємодія

На поверхні твердого тіла атоми, чи молекули знаходяться не у врівноваженому стані. Він характеризується поверхневою енергією, яка для металів може сягати 210³ – 410³ ерг/см² . Це призводить до активної взаємодії поверхні з атомами чи молекулами навколишнього середовища: газів, рідин чи твердих тіл. Відомо, що на поверхні в долі секунди утворюються адсорбовані плівки різних парів, хемосорбовані плівки, поверхні змащуються рідиною. Явище холодного зварювання твердих тіл легко продемонструвати на зачищених, звільнених від окису поверхнях свинцю.

Е.М.Лівшецем була запропонована наступна формула для визначення сил взаємодії між двома однаковими поверхнями:

де h – стала Планка; c – швидкість світла; l – відстань між поверхнями; m – маса електронів; e – заряд електронів; n – об’ємна густина електронів.

Як видно, величина цих сил залежить від четвертої степені l і обумовлена об’ємною густиною електронів в твердому тілі.

Так, як ці сили швидко зменшуються зі збільшенням відстані, то вони чи зовсім не проявляються, чи навпаки, в точках справжнього контакту утворюють дуже міцні адгезійні зв’язки. Оскільки площі справжнього контакту двох твердих тіл, звичайно, невеликі внаслідок їх шорсткості й хвилястості, то вдається безпосередньо знайти ці зв’язки лише при контакті пластичних тіл, підданих достатньому стискаючому навантаженню, чи дуже еластичних тіл, які мають низький модуль пружності.

Якщо тіла достатньо пружні, то утворена під навантаженням площа дотику руйнується при знятті навантаження за рахунок пружної деформації й адгезію знайти не вдається.

3.1.3 Енергія різних видів зв’язків

Зв'язок	Дж·1019	еВ
Іонний (гетерополярний) хімічний	13,6	8,5
Ковалентний (гомеополярний) хімічний	10	6,0
Металічний	4	2,5

Для металів сила металічних зв’язків перекриває ван-дер-ваальсові сили, тому міцність адгезійних швів для чистих металів поверхонь велика.

“Слабка” ван-дер-ваальсова фізична взаємодія при більш тісному зближенні молекул може перейти в хімічний зв’язок.

Стосовно тертя й спрацьовування не менш важливою є характер руйнування утворившогося адгезійного зв’язку. Руйнування відбувається чи на місці утворення зв’язку (адгезійне утворення + градієнт), чи на деякій глибині (когезійне руйнування – градієнт).

Відповідно до цього сформульовано закон градієнту опір зсуву, який став основним в науці про тертя.

На величину й знак градієнту впливають зміни, які протікають в поверхневих плівках:

– утворення надлишкової кількості вакансій – позитивний градієнт;

– утворення дислокації. Наклеп поверхні тертя – негативний градієнт;

– утворення захисних плівок із пониженим зсувним опором – позитивний градієнт;

– нагрівання контактної зони, розм’якшення матеріалу – позитивний градієнт;

Забезпечення позитивного градієнту виключно необхідно для нормального протікання тертя й спрацьовування.

Для забезпечення адгезійного зв’язку необхідно створити наступні умови:

1. Потрібно, щоб поверхні доторкувалися в потрібній кількості точок. При цьому ще потрібно, щоб деформації в цих точках були пластичними, інакше в іншому випадку при зніманні навантаження запасена пружна енергія деформації може руйнувати адгезійний зв’язок.

2. Між поверхнями двох твердих тіл не повинно бути яких–небудь плівок чи забруднень, бо будуть схоплюватися самі ці плівки, а тіла будуть захищені від схоплення.

3. Енергія активації процесу підстройки атомів, необхідна для схоплювання кристалічних тіл, складає вельми малу величину. Вона повинна бути меншою іонізаційного потенціалу. Наприклад, для Сu ця W=0,5 еВ, тобто на 1 см² поверхні потрібно 10¹⁵·0,5·1,6·10¹² ерг/см².

4. Робота, яка витрачується на зближення двох твердих тіл і формування справжньої площі контакту завжди на багато перевищує роботу, яка необхідна для структурної підстройки поверхонь, які схоплюються. Розрахунки показують, що перший по меншій мірі на два порядки більший за другий.

5. Процес, який лімітує схоплювання, визначається геометричним фактором (утворення площі справжнього контакту), а не фактор, пов’язаний з молекулярною будовою твердих тіл, тобто W_ε ≥ W_a ;

6. Енергія, яка необхідна для процесу схоплювання, завжди в більшій кількості утворюється за рахунок роботи, яка затрачується на зближення твердих тіл, і за рахунок енергії , яка виділяється при утворенні адгезійного шва, кількісно дорівнює різниці між поверхневими натягами на кордоні між кожним із твердих тіл і середовищем, в якому вони знаходяться, і поверхневим натягом на кордоні двох твердих тіл, тобто (1, 2 – для твердих тіл, 0 – до середовища), хоча доля останнього взагалі для балансу дуже мала.

7. Подальші зміни міцності шва будуть обумовлюватися стосовно матеріалів з можливістю взаємної дифузії і розчинністю тіл, які контактують, котрі підкоряються правилу Юм–Розері.

8. Кінетика процесу схоплювання характеризується співвідношенням швидкостей процесів, протікаючих в зоні доторкування і підстройки атомів.

При низькій температурі схоплювання лімітується швидкістю пластичної деформації, при великій - швидкостю підстройки.

Рис 23. Залежність швидкостей пластичної деформації від температури для тиску Р₁ і Р₂ (безперервні лінії) і швидкості підстройки атомів (штрихова лінія).