Глава 3. ЭВОЛЮЦИЯ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ ТРЕНИЯ

ТВЕРДЫХ ТЕЛ

В основе механизма трения твердых тел, несмотря на кажущуюся его простоту, лежат трудно поддающиеся исследованию весьма слож­ные молекулярно-механические процессы. Для того чтобы охарактери­зовать современное состояние учения о внешнем трении, следует ко­ротко рассмотреть эволюцию взглядов на его природу и остановиться на существующих теориях трения, получивших наибольшее признание.

Первые положения о закономерностях внешнего трения были изложены еще в работе Леонардо да Винчи, опубликованной в 1508 г.

В 1751 г. Г. Амонтон подтвердил предположения Леонардо да Винчи и впервые сформулировал закон трения в следующем виде:

Амонтон считал, что сопротивление относительному смещению трущихся поверхностей связано исключительно с находящимися на поверхностях трения выступами, механически цепляющимися один

за другой. По его мнению, коэффициент трения не зависит от нагруз­ки, формы и размеров трущихся поверхностей, а его величина опре­деляется в основном природой и состоянием поверхности трущихся тел. Вследствие ограниченности знаний того времени относительно природы и строения поверхности трущихся тел ряд известных иссле­дователей того времени Паран, Лейбниц, Орлов, Вышеградский, де Камюс, Эйлер, Делагер и другие в дальнейшем развивали взгляды на трение как на чисто механический процесс.

В этом законе Кулон сформулировал действительную природу трения. Он указал, что трение представляет собой совокупность двух видов сцепления: зацепления, пропорционального нагрузке и не за­висящего от площади (первое слагаемое в первой части закона тре­ния), и сцепленности, связанной с площадью касания (Л). Кулон был далек от понимания сцепленности как молекулярного взаимодейст­вия. По обычаю того времени все явления, наблюдающиеся в приро­де, сводились к механическим. Кулон объяснял сцепленность между телами наличием «ворса», состоящего из материала трущихся тел.

В середине XIX века в учении о трении появляется тенденция по­степенного отказа от взгляда на трение как на чисто механическое яв­ление и объяснения его на основе атомно-молекулярных представле­ний о строении твердых тел. В 1834 г. Дезаголье предложил при изуче­нии трения тел принимать во внимание молекулярные силы. Однако эта мысль Дезаголье не была одобрена исследователями трения того времени и вскоре была забыта. Существенным толчком, повлиявшим на перемены в учении о трении, явилось развитие науки о молекуляр­ном строении вещества и открытие закона сохранения энергии.

В 1901 г. французский физик Бриллюэн опубликовал работу «Мо­лекулярная теория трения твердых тел с гладкой поверхностью». Брил-

люэн полагал, что поверхность твердого тела состоит из молекул, по­этому силы притяжения распределяются на ней периодически, образуя большое количество максимумов и минимумов. Для каждой свободной, а также слабо закрепленной молекулы существует множество положе­ний устойчивого и неустойчивого равновесия. Каждое достаточно тесное сближение молекул трущихся тел вследствие взаимного их перемеще­ния приводит к увеличению кинетической энергии этих молекул, которая затем переходит в тепловую. Он также указал, что рассеяние энергии при трении происходит аналогично рассеянию энергии магнитной стрел­ки, движущейся в неоднородном магнитном поле центров притяжения.

Дальнейшее развитие теории Бриллюэна было возможным лишь при исследовании взаимодействия идеально гладких поверх­ностей. Трудности экспериментального плана в то время не позволя­ли провести такие исследования, и поэтому теория Бриллюэна не получила своего дальнейшего развития.

Среди исследований в области трения, относящихся к этому же периоду, следует особенно отметить работы Гарди, сформулировав­шего важное для дальнейшего развития теории положение о том, что реализация тангенциального усилия между трущимися телами явля­ется осуществимой лишь благодаря наличию дискретной структуры молекулярных полей твердых тел. Важное значение при трении твер­дых тел Гарди придавал поверхностным пленкам, находящимся на трущихся телах. По его мнению, взаимное скольжение контактирую­щих тел, лишенных поверхностных пленок, явилось бы невозможным в силу непременного сваривания тел.

Терцаги, исследуя трение твердых тел, в 1925 г. установил, что при трении следует отличать кажущуюся (контурную) площадь контак­тирования от истинной (фактической) площади контакта. Истинная пло­щадь контакта во много раз (по современным данным в 100... 10000 раз) меньше кажущейся, и прямые ее измерения весьма затруднены. Пло­щадь истинного контактирования между телами существенно возраста­ет по мере приложения к ним сжимающего усилия. По мнению Терцаги, причиной появления сопротивления относительному смещению твер­дых тел являются силы молекулярного притяжения в местах истинного контактирования трущихся поверхностей.

Первая попытка разработать теорию трения с учетом влияния сил молекулярного притяжения и отталкивания между атомами тру-

щихся тел была предпринята Томлинсоном в 1929 г. Автор этой ра­боты рассматривал процесс трения как совокупность двух элемен­тарных явлений различного рода:

1) процесса разрыва молекулярных связей, сопровождающе­гося необходимыми потерями энергии;

2) процесса возникновения новых связей с проявлением сил от­талкивания, уравновешивающих собой действие внешних сил.

При этом предполагалось, что при трении происходит только упру­гое деформирование трущихся тел. Для коэффициента трения Томлин­соном получено следующее выражение:

Использовав закон Амонтона для пары молекул в разработке своей теории, Томлинсон тем самым оставил открытым вопрос об обосновании на базе своей теории закона Амонтона и имеющих место отклонениях от него. Ошибки, допущенные Томлинсоном в процессе разработки своей теории трения, привели к противоречию с законом Амонтона и не допустили её дальнейшее распространение.

Строгая теория трения с учетом законов молекулярного взаи­модействия твердых тел была разработана Б.В. Дерягиным. В осно­ву теоретической схемы им была выбрана наглядная модель двух наложенных один на другой идеальных и одинаково ориентирован­ных монокристаллов, имеющих шероховатость, обусловленную сфе-

рическими силовыми полями атомов поверхности, рассматриваемых автором теории как упругие шары.

Под влиянием нагрузки Л/ (веса кристалла) шары верхнего те­ла входят во впадины между шарами нижнего тела (например, дос­тигая положения точки А на рис. 3.1). Шары занимают энергетически более выгодное положение с минимумом потенциальной энергии и сближаются между собой до расстояний, при которых проявляются силы отталкивания между электронными оболочками.

Рис. 3.1. Механизм трения по Б.В. Дерягину:

АВС - траектория движения атома; N - нагрузка; А - сила притяжения;

Р - внешняя сила; Р - равнодействующая сил отталкивания

В качестве элементарного процесса трения рассматривается взаимодействие упругих шаров (атомных электронных оболочек), одни из которых подвижные, а другие - нет. Под действием внешней силы верхние шары начинают двигаться из потенциальной «ямы» (точка А) по поверхности нижних шаров, приобретая при этом потенциальную энергию. После преодоления некоторого потенциального барьера (точ­ка В) они скачком переходят в соседнюю потенциальную «яму» (точка С), выделяя при этом тепловую энергию (как источник тепла, разви­вающийся при трении). По мнению Я.И. Френкеля, трение можно счи­тать особым принципом мгновенного сброса избыточной кинетической энергии. В осуществлении этого процесса принимают участие только силы отталкивания между атомами.

Коэффициент трения при движении одного шара по другому оп­ределяется как отношение силы трения Р к вертикальной нагрузке Л/ и равняется тангенсу угла наклона в точке контактирования шаров, т.е.

При переходе от элементарного процесса трения к трению мо­нокристалла в целом следует принимать во внимание и силы моле­кулярного притяжения между телами. В этом случае следует учиты­вать, что силы притяжения имеют больший радиус действия, чем си­лы отталкивания. Они медленно убывают с изменением расстояния от поверхности трения. Имеют более пологие изопотенциальные по­верхности и меньше реагируют на атомарные неровности соприка­сающихся тел. Силы молекулярного притяжения имеют свою равно­действующую, направленную почти вертикально, и тем самым уве­личивают нормальную составляющую силы реакции. Тангенциаль­ная же составляющая сил притяжения на практике близка к нулю. Образующийся при этом треугольник сил, действующий между тела­ми в зоне контакта, имеет вид, представленный на рис. 3.1.

Исходя из треугольника сил, действующих между телами, тан­генциальная и нормальная составляющие вектора равнодействую­щих сил отталкивания определяются следующим образом:

Развивая теорию трения Б.В. Дерягина для случая граничного тления твердых тел, когда на поверхностях трения находятся псев­докристаллические слои смазочного материала, А.С. Ахматов пред­лагает учитывать при трении помимо ван-дер-ваальсовых сил притя­жения поверхностей трения твердых тел также и силы притяжения граничных смазочных слоев того же происхождения.

где Р_у- удельная сила притяжения между граничными слоями.

Строгая молекулярная теория трения Б.В.Дерягина, разработанная без учета кинетики молекулярного взаимодействия, является справедли­вой для абсолютно жестких и абсолютно гладких поверхностей. Расчет же конкретных величин трения по этим формулам сейчас затруднен, по­скольку молекулярные характеристики для реальных твердых тел, к со­жалению, в настоящее время еще остаются невыясненными.

Боуден считает, что адгезия играет основную роль при трении тел, и трение нельзя рассматривать как поверхностное явление. В ос­нове трения лежат объемные свойства материалов, такие, например, как соотношение твердостеи трущихся тел, а при достаточно больших скоростях скольжения и соотношение температур плавления тел.

N

Рис. 3.2. Механизм трения по Ф. Боудену:

1 - область пластического течения; 2 - область упругой деформации;

Р - сила трения; N - нормальная нагрузка

Ввиду пластического течения материала на выступах поверхно­сти удельное давление тел остается постоянным и не превышает пре­дела текучести. Нормальная нагрузка определяется как произведение площади фактического контакта на предел текучести материала, т.е.

Развиваемая Боуденом и Тейбором теория является, по суще­ству, справедливой лишь для пластического контакта при условии, что трение происходит при постоянном напряжении.

При трении реальных тел большую роль по формированию тре­ния играют силы, возникающие при взаимном зацеплении выступов, всегда имеющихся на поверхностях трения. Поэтому помимо поверх­ностного взаимодействия ненасыщенных силовых полей соприкасаю­щихся тел, на трение начинают оказывать влияние и объемные меха­нические процессы. В деформационный процесс, сопровождающий трение, втягиваются массы материала (трущихся тел), значительно превышающие массу мономолекулярного поверхностного слоя.

По этому поводу П.А. Ребиндер и Г.И.Епифанов указывали, что в общем случае при трении протекают следующие процессы:

1) упругое и пластическое деформирование микронеровностей и пластическое течение в поверхностных слоях, приводящие к пласти­ческому износу;

2) повторные микропластические деформации при периодических встречах микронеровностей, приводящие к установленному разрушению;

3) изменение механических и физических свойств поверхност­ных слоев металла вследствие глубокой пластической деформации.

Поэтому становится понятным то большое внимание, которое уделяется процессу деформирования (сдвигообразования) при трении в работах многих исследователей, таких как С.Я. Вейлер, И.В. Крагель-ский, Г.И. Епифанов, В.И. Лихтман, Д.М. Толстой и др.

Г.И. Епифанов считает, что в процессе трения пластически деформируются довольно толстые поверхностные слои. В опытах со сферическим ползуном и резцом с фаской им было установлено, что впереди движущегося индентора образуется застойная зона ОАБ (рис. 3.3) более слабого элемента фрикционной пары. За пло­щадь среза принимается площадь внутренней границы ОБ застой-

ной зоны ОАБ. Истинной площадью трения является суммарная площадь сдвига, образующегося в процессе трения.

Рис. 3.3. Механизм трения по Г. И. Епифанову

При исследовании трения и адгезии свежеобработанных полу­сферических образцов из меди, латуни, технического железа, маг­ниевого сплава, скорлупы кокосового ореха и слоновой кости по оло­ву и свинцу оказалось, что трение во всех опытах примерно одинако­вое; адгезия для неметаллов большая, а для металлов - ничтожная. Это позволило автору считать, что адгезия не играет первостепенной роли в процессе формирования силы трения. Сила трения опреде­ляется в основном сопротивлением на сдвиг более мягкого материа­ла. Для определения силы трения Г.И. Епифанов предлагает форму­лу следующего вида:

Тогда

Дальнейшее развитие атомно-молекулярной теории трения на­шло отражение в работах В.А. Буфеева. В своих работах В.А. Буфеев вскрывает и исследует осцилляторный избирательно-резонансный механизм внешнего трения и предлагает весьма оригинальную мак­роскопическую теорию трения на базе термодинамики неравновесных процессов и теоремы Умова. Автор этой теоремы считает, что при трении твердых тел основными каналами диссипации энергии явля­ются тепловой, электромагнитный и волновой. Данная теория трения представляет большой научный интерес и после проведения допол­нительной экспериментальной проверки может найти широкое рас­пространение при решении практических задач.

Значительным этапом развития в учении о трении было признание возможности наличия упругих деформаций контактирующих неровно­стей, выдвинутое впервые И.В. Крагельским еще в 1939-1941 гг. На осно­ве этих представлений, с учетом современного развития учения о трении и двух основополагающих работ по внешнему трению И.В. Крагельского и А.В. Чичинадзе, была разработана молекулярно-механическая теория трения, которая получила наибольшее признание.

Молекулярно-механическая теория рассматривает двойствен­ный процесс трения, заключающийся в преодолении адгезионных связей, возникающих на площадках фактического контакта, и в объ­емном деформировании внедрившимися неровностями тонкого по-

верхностного слоя. Трение определяется как результат взаимодейст­вия всех выступов, имеющихся на реальном контакте. Оно зависит от микрогеометрии (высоты максимальной неровности, его радиуса за­кругления и показателей параболы, выражающей опорную поверх­ность), механических свойств (модуля упругости или твердости и прочности адгезионной связи) и внешних условий (нагрузки и скорости скольжения тел). Предполагается, что влияние температуры проявля­ется через изменение механических свойств трущихся тел.

В результате совместного рассмотрения задач теории упруго­сти и пластичности И.В. Крагельским и Н.М. Михиным была получена следующая трехчленная формула, представляющая в общем случае величину граничного трения

Авторы молекулярно-механической теории трения утверждают, что она еще далека от своего завершения. На существующем уровне теория позволяет вычислять коэффициент трения по физико-механическим и микрогеометрическим характеристикам трущихся тел для случая трения покоя и при стационарных режимах трения, при условии слабо выражен­ных реологических свойств материала. Кроме того, она позволяет фор­мулировать требования к физико-механическим характеристикам мате­риалов, а также регламентировать технологию обработки. Становится ясным, что легче воздействовать на коэффициент трения в условиях уп­ругого контакта, чем пластического. При упругом контакте это достигается путем регулирования давления и величины адгезионной составляющей. В условиях пластического контакта регулировать трение труднее. В связи с большим значением фактического давления желательно было бы иметь возможность воздействовать на пьезокоэффициент, но, к сожале­нию, он мало изучен. В условиях нестационарных режимов трения и при условии ярко выраженных реологических свойств материалов представ­ляется возможным прогнозировать диапазон изменения коэффициента

трения. Построение же аналитических зависимостей в этом случае пред­ставляет собой чрезвычайно сложную задачу. Большинство имеющихся в настоящее время теорий трения твердых тел не учитывают изменений, происходящих в контактной зоне в процессе трения (таких, как изменение шероховатости, механических свойств, зависящих от температуры тре­ния и времени контакта, механико-химических процессов).

Обобщая существующее состояние учения о трении твердых тел, можно заключить, что трение - это сложный процесс взаимодействия между телами, в основе которого проявляются как механические, фи­зико-химические, электрические, так и другие явления. Трение являет­ся результатом воздействия многих факторов, пока трудно поддаю­щихся учету. Одним из сложных является учет механических и физиче­ских характеристик поверхностных слоев твердых тел, меняющихся под влиянием физико-химических и механохимических факторов.

Пока еще не всегда удается количественно прогнозировать влияние на трение этих эффектов и приходится использовать резуль­таты частных экспериментов для получения удельных характеристик, позволяющих рассчитывать процесс при других условиях. Следует всегда учитывать и то обстоятельство, что каждый из законов приро­ды, в том числе и законы трения, имеет свои границы применения. Значение же разных подходов и соответствующих законов для объяс­нения природы фрикционного взаимодействия трущихся тел воору­жает инженера и исследователя базовыми положениями и объясне­ниями процессов для решения производственных задач по совершен­ствованию работы узлов трения конкретных машин и механизмов.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что общего в законах трения Леонардо да Винчи и Амонто-на? Какие факторы согласно учению Амонтона определяют коэф­фициент трения между твердыми телами?

2. Каковы особенности закона трения Кулона и способы его обоснования?

3. Что нового внесли в учение о трении Дезаголье, Бриллюэн, Гарди, Терцаги и Томлисон?

4. Опишите молекулярную теорию трения Б.В. Дерягина.

5. Каковы взгляды Ф. Боудена на природу формирования сил трения?

6. Каковы особенности подхода Г.И. Епифанова к условиям об­разования сил трения?

7. Сформулируйте теорию трения И.В. Крагельского.

8. Каковы пути дальнейшего развития учения о трении?