3.6.4 Молекулярно-механічна теорія тертя

На плямах дійсного контакту утворюються адгезійні місточки (місточки зварювання між твердими тілами ), які являються результатом молекулярної взаємодії між поверхнями. Оскільки поверхнева енергія системи двох твердих тіл прагне до мінімуму, то утворення таких зв’язків на тісно зближених ділянках не може не відбутися.

В зонах фактичного дотику більш жорстокі виступи впроваджуються в контртіло, яке деформується.

Слід, який залишає при ковзанні сферичний виступ (індентор), моделюючий одиничну жорстку нерівність показана на рис.34

Як видно, матеріал відтиснюється в сторону, а перед виступом утворюється валик. Очевидно, що чим міцніші адгезійні місточки і м’якше матеріал, який деформується, тим більша висота валика. По мірі прироблення тіл, які труться на їх поверхні матеріал розсовується в сторони, підминається нерівністю і утворює дуже тонкі канавки, жолобки в напрямку руху, їх глибина складає долі мікрометра. Місток зварювання, який утворюється між поверхневими шарами твердих тіл, неперервно руйнується (зрізається), як на місці утворення, так і на деякій глибині і утворюється знову. Відповідно процес зовнішнього тертя являє собою деформування дуже тонких поверхневих шарів кожного із дотичних тіл, яке супроводжується розривом місточків між плівками, які покривають ці тіла, або руйнуванням на глибині, якщо міцність місточка більша міцності шару, яка лежить нижче. Тертя значно змінює рельєф взаємодотичних деталей, причому на поверхні утворюється взаємно перпендикулярна система нерівностей (повздовжня і поперечна шорсткість). Під впливом тертя виникає повздовжня шорсткість. Перпендикулярно їй при переміщенні впроваджених нерівностей проявляються канавки, що створює поперечну шорсткість. При значній адгезійній взаємодії і достатній піддатливості поверхневого шару більш яскраво проявляється повздовжня шорсткість.

Рис.34. Одиничний фрикційний зв’язок

Так, як поверхня шорстка і хвиляста, то плями контакту існують лише певний час. “Тривалість життя” кожної плями контакту – важлива характеристика вузла тертя; а саме вона визначає розмір температурного всплеску і товщину плівки, котра стирається. Тривалість життя обернено пропорційна швидкості ковзання, залежить від шорсткості і хвилястості : вона складає мікросекунди. “Тривалість “відпочинку”, тобто час між двома взаємодіями, визначає товщину плівки, котра утворюється. Деформування матеріалу в залежності від величини напружень, що розвиваються при взаємодії нерівностей, буде або пружним, або пластичним, рідко досягаючи значень, достатніх для руйнування при одній взаємодії.

Фрикційний контакт, як правило, характеризується наявністю між твердими тілами проміжного шару, який постає у вигляді мастила, оксиду, адсорбованих парів води і плівку деградованого матеріалу основи. Цей прошарок повинен мати найменший опір зсуву, ніж основні матеріали. Область, яка складається із плівки і деградованого матеріалу основи, називають третім тілом.

Схематичний переріз контакту 2-х твердих тіл представлений на рис.35

Рис. 35. Будова контакту (схема): 1 – третє тіло; 2 – адсорбований шар; 3 – оксиди та інші хімічні сполуки; 4 – розрихлений шар; 5 – основний матеріал.

Третє тіло складається із декількох шарів. Верхній шар уявляє собою граничну плівку змащення, адсорбовану або хемосорбовану, наприклад, яка утворює металічні мила. Товщина цієї плівки може змінюватися від мономолекулярного шару – порядку декількох десятків ангстрем до 1000A˚; наявність тої чи іншої плівки залежить від температури на контакті. При зростанні температури адсорбована плівка руйнується, а хемосорбована формується.

Під цією плівкою звичайно знаходиться плівка металу чи іншої хімічної сполуки – сульфіду, хлориду, фосфіду, і на кінець, під цією плівкою лежить тонкий шар розрихленого матеріалу основи.

Опір зсуву третього тіла змінюється в широких границях і залежить від властивостей частин, які його утворюють. Плівка не однакова по товщині – є ділянки не покриті плівкою.

Для полімерів третє тіло утворюється за рахунок довжини ланцюга полімера в зоні тертя, що відповідно знижує опір зсуву і забезпечує дію деградованих полімерів, як ПАВ на метал.

Реалогічний опір зсуву третього тіла повинен бути завжди менше опору зсуву основи, тому важливою характеристикою його є відношення .

При ковзанні одиничні фрикційні зв’язки, які складають третє тіло, неперервно змінюють одна одну – одні порушуються, а інші утворюються знову. При великих швидкостях ковзання цей процес, який супроводжується значними температурними сплесками, сягає іноді температури плавлення більш легкоплавкого матеріалу. Слід відмітити, що одна і таж мікроділянка поверхні може багатократно брати участь в утворенні фрикційних зв’язків. В кінці кінців поверхневий шар руйнується, утворюючи частинки спрацьовування, які зазвичай дещо перевищують розмір плями контакту.

Експеримент показує, що переборення молекулярної взаємодії і деформування поверхневого шару є двома основними стоками енергії, яка розходиться на переборення тертя. Крім того, при терті витрачається енергія і на інші процеси, які потребують дуже малу кількість енергії. Для металічних поверхонь при пружному контакті молекулярна складова перевищує механічну на два порядки. Для полімерів це відношення знаходиться на границі 20 – 30, а для гуми ~2.