3.1.4 Механічна взаємодія

Великий тиск, який розвивається на одиничних плямах контакту, призводить до розплющування, або втиснення одиничних нерівностей.

Розплющування призводить до неповоротної зміни форми контактуючих нерівностей і тому є невідтворюваним, тобто не може забезпечити стаціонарний режим тертя. Процес впровадження має місце не тільки при різних твердостях та модулях пружності тіл, які контактують, але й для однакових по твердості тіл в тому випадку, коли різна конфігурація (радіус кривизни, кут нахилу) доторкуваних нерівностей (рис.24).

Рис 24. Залежність коефіцієнту форми від геометричного обрису виступу (по В.Н.Марочкіну) і краєвих умов контактування, обумовлених кутом .

Стосовно контртіла, який деформується, розрізняють три види механічної взаємодії: при пружному контакті, пластичному і мікрорізанні.

Із аналізу напруженого стану пружного напівпростору, викликаного діями сферичного індентора, навантаженого нормальними і дотичними силами, випливає, що зведене напруження буде , деk залежить від гіпотези міцності, коефіцієнта Пуасона і звичайно змінюється від 3 (для високоеластичних матеріалів) до 5 (для крихких)

При подальшому збільшенні впровадження пластична деформація виникає на вершині сферичного виступу (). В цьому випадку

При збільшенні впровадження, пластична деформація поширюється по всьому контакту ().В цьому випадку

де за звичай с ≈ 4. При ковзанні такого виступу в умовах пластичного деформування має місце перерозподіл тиску під виступом – напруження сприймається тільки фронтальною частиною ковзаючої сфери (рис.25)

Рис. 25 (а) відповідає розподілу тиску для нерухомого контакту, рис. 25(б) для контакту при зсуві (по Н.М.Міхину). Він запропонував наступну формулу для розрахунку глибини впровадження:

В умовах ковзаючого пластичного контакту (твердий індентор, впроваджений в пластичний напівпростір) позаду впровадженого виступу виникають, розтягуючи деформації.

Рис.25. Розподіл тиску під сферою по Н.М.Міхину

де .τ_a. –молекулярна складова питомої сили тертя; h – глибина впровадження.

При подальшому впровадженні пластичне відтиснення переходить в мікрорізання.

Глибина відносного впровадження, яка призводить до мікрорізання, визначається формулою Крагельського – Друянова.

Зазвичай тіло покрито тонкою плівкою, твердість якої часто буває вищою ніж у основного металу. Вона крихка і легко руйнується навіть при незначних деформаціях. При видаленні плівки оголюється основний матеріал, котрий в цих умовах може легко вступити в молекулярну взаємодію.

Відтворення дуже тонкої захисної плівки трапляється швидко, однак тонка плівка негайно спрацьовується при терті. Забезпечення нормальних умов тертя пов’язано з цими двома конкуруючими процесами. Швидкість їх протікання і час, на протязі яких вони можуть реалізуватися, надають вирішальний вплив на поведінку пар тертя.

3.1.5 Зміни властивостей поверхневого шару при терті

На фактичних плямах доторкування незалежно від загального навантаження реалізуються високі питомі тиски, які доходять до значень 1/5 – 1/10 теоретичної міцності матеріалу.

По мірі збільшення навантаження реальні тиски на виступах, які доторкуються, незначно збільшуються. Для протяжних плоских поверхонь в степені ~ 1/25 від навантаження, для криволінійних контурних площадках в степені ~ 1/5. На поверхні твердого шорсткого тіла періодично виникає значний градієнт тисків, так як окремі виступи періодично навантажуються, вступаючи у взаємодію з контртілом. Тривалість доторкування, яке залежить в основному від швидкості ковзання, складає 10^-5 – 10^-7 с. Відносна глибина впровадження становить 1/100 – 1/1000.

Робота сил тертя, яка переходять в тепло, нагріває поверхневий шар до температури, яка сягає температури плавлення більш легкоплавкого тіла.

Тепло у фрикційному контакті, завдяки подвійній природі тертя, генерується у двох зонах: безпосередньо на поверхні тертя, внаслідок подолання молекулярних зв’язків, і на деякій глибині, за рахунок деформації поверхневого шару. Виникаюче температурне поле характеризується великим градієнтом температури.

Рис.26. Розподіл температури по глибині зразка:

а – при малій тепловіддачі з поверхні тертя; б – при великий

На рис. 26 показано розподіл температури у двох випадках. Другий випадок, який характеризується наявністю “температурного ножа”, викликаним великим тепловиділенням в глибині. Сполучення високих питомих тисків і температур в присутності активного, по відношенню до матеріалів навколишнього середовища, призводить до істотних змін геометричних, фізичних і механічних властивостей поверхневих шарів тіл, які труться. Навіть невеликі зміни властивостей надають істотного впливу на спрацьовування, тому що руйнування реалізується внаслідок багаторазових взаємодій.

Умовно всі зміни можна поділити на три класи:

І – які відносяться до геометричної конфігурації поверхні;

ІІ – які відносяться до структури приповерхневого шару самого твердого тіла, вони впливають на механічну складову тертя;

ІІІ – які відносяться до плівок, які виникають на поверхні і які впливають на молекулярну складову тертя.

Всередині кожного з класів їх можна розбити ще на групи.

1. Зміна геометрії контакту : шорсткості поверхні (радіуси заокруглення нерівностей, їх висоти); хвилястості; геометричних характеристик за рахунок наявності в контакті проміжних часточок (абразив, частинки спрацьовування).

2. Зміна структури твердого тіла:

для кристалічних тіл:

а) розвиток дефектів кристалічної структури; крапкових дефектів; лінійних дефектів – дислокацій; поверхневих дефектів (кордонів подвоювання, кордонів зерен, зміни орієнтації зерен та інше); об’ємних дефектів (скупчення вакансій; утворення порожнин).

б) зміни будови металів: перетворення кристалічних решіток; утворення і розчинення карбідів; дифузія елементів із одного тіла в інше і перерозподіл їх в середині одного тіла; фазові перетворення; рекристалізація; квазіобрідження поверхневого шару за рахунок втрати стійкості кристалічної решітки;

Для полімерів:

зміна структури; орієнтації ланцюгів; зміни фазового складу; деструкції полімерів; утворення металополімерних сполучень.

3. Утворення плівок на поверхнях тертя :

адсорбційних із навколишнього середовища (газу, мастила); хемосорбціонних плівок, і плівок хімічних сполучень із навколишнього середовища (оксиди, сульфіди, хлориди); плівок матеріалу, перенесеного на поверхню контртіла; плівок при вибраному перенесенні при терті; плівок полімерів, які утворюються при терті з мастила .

Примітки до пункту 2

Пластична деформація, яка протікає в тонких поверхневих шарах, призводить до збільшення густини дислокацій, в зв’язку з чим різко збільшується твердість, а це є причиною викрішування охрупченого поверхневого шару.

Використання матеріалів, які можуть охрупчуватися, недоцільно в парах тертя.

Здібність поверхневої плівки протистояти наклепу є найважливішою характеристикою пар тертя. Сплави, які мають м’яку структурну складову (Al – Su – сплави, свинцева бронза та інші) мають міцність поверхневих шарів нижче міцності глибинних і менше піддаються поверхневому наклепу.

При зміні структури твердого тіла може істотно змінитися значення сили тертя.

Примітки до пункту 3

Плівка оксиду грає подвійну роль – завдяки високій твердості оксид захищає шари, які лежать нижче, від механічних впливів, але внаслідок малої товщини ця захисна дія дуже не довгочасна. Основне – це екранування молекулярної адгезійної взаємодії між металами, які труться.

Плівка оксидів є перешкодою для виходу на поверхню тертя дислокацій.

Основна роль плівки полягає в тому, щоб попередити утворення металічних зв’язків і замінити їх на приблизно в разів 30 більш слабкими міжмолекулярними ван-дер-ваальсовими зв’язками.