Адгезионное взаимодействие между твердыми телами

Теоретические исследования и эксперименты показали, что по мере сближения двух металлических пластин, представляющих собой систему сконденсированных частиц (атомов, ионов, молекул), между ними возникают силы притяжения, в первом приближении обратно пропорциональные четвертой степени от расстояния между гладкими пластинами. На уровень действия этих сил притяжения сильное влия­ние оказывают шероховатость, дефекты поверхности и адсорбиро­ванные на них вещества. Поэтому часто характер этого адгезионного взаимодействия определяют опытным путем.

Сопротивление нормальному отрыву тел одного относительно другого получило название адгезии (прилипание). А сила, отнесенная к единице поверхности контактирующих тел - удельной адгезии.

В случаях, если силы адгезии оказываются выше сил меж­атомного взаимодействия одного из тел, и разрыв происходит по объему более слабого тела, то такой вид взаимодействия называют когезионным, а само явление - когезией.

Примером адгезионного взаимодействия является сварка метал­лов трением. Наиболее наглядным - любой вид склеивания твердых тел, в том числе и с помощью клея, играющего роль промежуточного тела, увеличивающего площадь истинного контактирования между те­лами. Особенно высокое адгезионное взаимодействие возможно при контакте свежеобразованных поверхностей, например, образующихся между отдельными срезанными выступами в зоне контакта трущихся тел. Как показывают опыты, выполненные в высоком вакууме и в кос­мосе, коэффициенты трения между очищенными металлическими по­верхностями могут достигать 1010 единиц и даже более.

На уровень адгезионного взаимодействия твердых тел, а, сле­довательно, и трение, оказывает влияние толщина промежуточного нейтрального слоя (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Прочность на разрыв в зависимости от толщины слоя парафина

между стальными поверхностями

Типы фрикционных связей

При относительном смещении реальных твердых тел согласно учению И.В. Крагельского, Н.Б. Демкина и других в зоне трения мож­но ожидать реализацию пяти видов фрикционных связей (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схематическое изображение пяти видов фрикционных связей

взаимодействия поверхностей: 1 - микрорезание; 2 - пластическое

оттеснение; 3 - упругое оттеснение; 4 - пластическая деформация

и адгезионное взаимодействие; 5 - глубинное разрушение

При реализации первого вида связи в процессе внедрения не­ровностей осуществляется микрорезание. Условием прохождения этого процесса является Ь/г > 0,1 для несмазанных поверхностей и 0,2...0,3 - для смазанных. Вторая фрикционная связь характеризует пластическое оттеснение, которое проявляется при малом значении сил адгезии, когда при данной степени пластической деформации еще не достигается схватывание. В этом случае Ь/г < 0,1.

Третья фрикционная связь относится к упругому оттеснению, т.е. на контактируемых поверхностях осуществляется взаимодейст­вие в условиях упругой деформации. Тогда

При четвертом виде связи происходит пластическая деформа­ция и адгезионное взаимодействие в тонком поверхностном слое, когда бт/бп>0. Четвертый вид фрикционной связи известен как по­ложительный градиент механических свойств, когда вышележа­щие к площади контакта слои материала твердых тел менее проч­ны, чем нижележащие (более удаленные от поверхности трения слои). Если трущиеся поверхности подчиняются указанному прави­лу, наблюдается наименьшая повреждаемость узла трения (износ и трение в этом случае минимальны). Это правило положено в основу выбора многих материалов трущихся пар для обеспечения их высо­кой износостойкости.

В пятой фрикционной связи осуществляется глубинное разру­шение поверхностей в результате схватывания, когда реализуется условие с1т/с1п<0, т.е. отрицательный градиент механических свойств трущихся тел.

В реальном фрикционном узле могут одновременно реализо-вываться все пять видов фрикционного контакта. В ряде случаев мо­жет реализовываться и превалирующее действие того или иного ви­да фрикционного взаимодействия, по которому судят уже о механиз­ме трения между телами в целом.