Влияние оксидных пленок на коэффициент трения

Наличие пленок резко изменяют картину трения. Получены отчетливые зависимости коэффициента трения от толщины пленки (Кемпбелл). При росте пленки коэффициент трения понижается до известного предела. Очень толстые пленки повышают коэффициент трения, так как процесс переходит в саму пленку (А.К. Чертавских).

Изучением пленок из мягких металлов на поверхностях трения занимался Боуден. Он предположил, что наименьшее трение должны иметь поверхности, для которых произведение A_rS (S – сопротивление на срез, A_r – площадь, по которой происходит срез) будет минимальным. При этом площадь среза зависит от нагрузки и твердости материала. Обычно материалы с малым сопротивлением на срез характеризуются и малой твердостью, вследствие чего указанное произведение стремится к постоянству. Проведенные экспериментальные исследования для некоторых материалов подтвердили высказанное предположение.

Установлена связь коэффициента трения с теплотой образования окисла (А.К.Чертавских и В.П.Пороменским). С увеличением теплоты образования коэффициент трения падает. Исключение представляет алюминий, аномальное поведение которого было замечено ещё П.А.Ребиндером при установлении зависимости трения от образования адсорбционных пленок. Падение коэффициента трения с увеличением теплоты образования окислов объясняется тем, что эта энергетическая характеристика металла является мерой его активности: чем менее активна поверхность металла, тем меньше силы молекулярного взаимодействия.

Выше указывалось, что с повышением толщины пленки коэффициент трения падает. Однако это справедливо лишь для адсорбированных пленок, поглощающих силы молекулярного взаимодействия. Если толщина пленки достигает такой величины, что уже начинают проявляться ее объемные свойства, зависящие от специфичности ее структуры, то трение определяется главным образом этими свойствами. Так, для меди, отожженной в вакууме, получен коэффициент трения 0,36; для меди, покрытой окисью, - 0,97; для меди, покрытой закисью, - 0,90 – 0,97.

При уменьшении толщины пленок окислов коэффициент трения уменьшается.

Таким образом, наличие пленок, с одной стороны, понижает, а с другой повышает коэффициент трения. Однако в этом нет никакого противоречия. Тонкие, не индивидуализированные пленки окислов уменьшают силы адгезионного взаимодействия, так как прочность адгезионной связи между пленками, обычно хрупкими и твердыми, значительно меньше, чем между самими металлами, которые они покрывают. Более толстые пленки, с ярко выраженной структурой, изменяют коэффициент трения за счет деформационной составляющей. Поэтому в зависимости от их объемных свойств коэффициент трения может как повышаться, так и понижаться, зависимости от объемных свойств окисла. Алюминий, окисел которого имеет большую прочность, обладает высоким коэффициентом трения.

Контакт реальных твердых тел вследствие волнистости и шероховатости тел будет дискретным. Для характеристики процесса вводятся понятия номинальной А_а, контурной А_с и фактической А_r площадей касания. Номинальная площадь касания совпадает со всей площадью контактирующих поверхностей деталей. Контактирование начинается на вершинах тех микронеровностей, которые находятся на вершинах волнистости. При этом силовые взаимодействия передаются элементам волнистости и вызывают их деформацию. Обычно деформация элементов волнистости упругая. Считается, что такой вид деформации возможен для эластичных тел и для весьма гладких металлических поверхностей. Она приводит к образованию на элементах волнистости площадок касания, суммарную площадь которых называют контурной площадью касания. При контактировании деталей, имеющих криволинейные поверхности, контурная площадь касания совпадает с площадью, рассчитанной на основании теории упругости с использованием предположения об абсолютно гладких поверхностях.

На контактирующие тела действуют различные силы. Отношение результирующей силы к контурной площади касания называют контурным давлением. В пределах контурной площади касания контактирование осуществляется отдельными микронеровностями. Каждая из них образует элементарную фактическую площадь касания, на которой уравновешиваются межатомные и межмолекулярные силы притяжения и отталкивания. Суммарная площадь таких элементарных зон образует фактическую площадь касания контактирующих тел.

Кроме упругой деформации выступов возможна упругопластическая деформация без упрочнения и упругопластическая с упрочнением. Пластическая деформация выступов микронеровностей и их взаимное внедрение начинаются при среднем давлении на контакте, равном примерно утроенному пределу текучести материала. При увеличении фактической площади касания наблюдается увеличение сближения между поверхностями контактирующих тел. В зависимости от механических свойств тел в зонах фактического касания будет происходить смятие микронеровностей или внедрение их в поверхность более мягкого тела. При смятии микронеровностей деформируемый материал равномерно распределяется по всей поверхности микронеровностей, при этом контакт может быть как насыщенным так и ненасыщенным. Ненасыщенный контакт - такая разновидность контактирования твердых тел, когда число контактирующих микронеровностей меньше числа микронеровностей, расположенных на контурной площади касания. После деформации шероховатость поверхности лишь несколько видоизменяется. Высказанные выше предположения следует использовать при описании процесса контактирования неподвижных тел. При описании процесса скольжения необходимо использовать поправочные коэффициенты.

Наиболее распространенным видом деформации микронеровностей является внедрение более жестких микронеровностей в менее жесткую поверхность одного из тел. Внедрение происходит, когда жесткое тело имеет более шероховатую поверхность, различия в механических свойствах поверхностных слоев и геометрических параметрах микронеровностей. При внедрении фактическая площадь касания микронеровностей образуется на боковой поверхности, её значение зависит от вида деформации, возникающих в зонах контакта, а также от характера движения соприкасающихся тел. Между площадками касания тел имеются соединенные между собой или закрытые микроскопические полости, заполненные воздухом или другой газовой средой, смазочным материалом, продуктами изнашивания и т.д.

Площадь фактического контакта зависит от волнистости и шероховатости поверхностей, физико-механических свойств поверхностного слоя и от нагрузки и составляет от одной десятитысячной до одной десятой номинальной площади касания. При высоких нагрузках площадь фактического контакта не превышает 40% номинальной площади. При контактировании двух деталей из различных материалов площадь фактического контакта определяется физико-механическими свойствами более мягкого материала и геометрией поверхностного слоя более твердого материала. При наличии между поверхностями трения тонкой медной пленки, образуемой в условиях режима избирательного переноса (безызносного трения), площадь фактического контакта увеличивается до 100 раз, что позволяет существенно снизить интенсивность изнашивания.

При контактировании под нагрузкой возможно образование шероховатой поверхности из ранее более гладкой вследствие неоднородности деформации. Этот процесс протекает следующим образом. Поликристаллическому материалу свойственна неоднородность кристаллического строения, а большинству сплавов еще и неоднородность различных структурных составляющих по твердости и их ориентации относительно поверхности детали. В результате на площади фактического контакта происходит взаимное внедрение более твердых составляющих в менее твердые структурные составляющие. Если исключить взаимное внедрение выступов, то при малых нагрузках взаимное внедрение носит преимущественно упругий характер.

Раздел 4

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: