Особенности контактного взаимодействия поверхностей твердых тел при трении

Процесс трения относится к одним из наиболее сложных контактных взаимодействий поверхностей твердых тел друг с другом и со средой при их относительном перемещении, в результате которого происходит диссипация полезной кинетической энергии с появлением в зоне контакта ряда эффектов, имеющих различную природу и степень интенсивности.

Узел трения может рассматриваться как генератор тепловых, акустических, световых явлений, а также химических, сорбционных, диффузионных, усталостных и других процессов, причем многие процессы на поверхностях трущихся твердых тел протекают с высокими скоростями и энергиями. Так, например, можно отметить феномены: микровзрыва при отделении частиц износа от поверхностей хрупких материалов; образования магма-плазмы при соударении выступов; срезания, вырывания, сваривания и смятия выступов металлических поверхностей при грубых видах изнашивания. Эти и многие другие феномены показывают, что контактное взаимодействие поверхностей твердых тел зачастую протекает в экстремальных условиях.

Наличие на реальных поверхностях твердых тел неровностей различного масштаба: волнистости, микрошероховатости и субмикрошероховатости, высотные характеристики которых охватывают диапазон 0,001¸400,0 мкм, приводит к тому, что непосредственный контакт поверхностей осуществляется только на дискретных участках. Суммарная площадь этих точек составляет фактическую площадь касания – А_r, которая на несколько порядков меньше контурной – А_с и номинальной – А_n площадей контакта. Поэтому даже незначительные нагрузки, приложенные на контактирующие поверхности, приводят к появлению высоких локальных давлений.

Среднее давление в области фактического пятна касания приблизительно составляет величину равную твердости более мягкого материала p_r @ HB, что значительно превышает предел текучести. Вы­сокие контактные нормальные - s_n и касательные - s_t нагрузки соз­дают условия для активации пла­стической деформации (течения) материала поверхностного слоя в локальных микрообъемах. В основе процесса деформа­ции выступов поверхностей могут лежать различные механизмы, действующие на микроуровне, а именно: скольжение дислокаций, переползание дислокаций, диффузия атомов по границам зерен (ползучесть Кобле), диффузия атомов в объеме (ползучесть Набарро-Херринга). Уста­новлено, что при низких гомологических температурах (ниже ~0,4 Т_пл) и вы­сокой интенсивности пластической деформации основным действующим механизмом является скольжение дислокаций. При более высоких температурах деформация осуществляется преимущественно за счет ползучести. На рис.1.1 в качестве примера приведена типичная деформационная карта Эшби для чистого никеля из которой видно, что для широкого диапазона температур при высоких сдвиговых нагрузках доминирующим механизмом деформации является скольжение дислокаций, соответствующий области А на карте. В настоящее время идею о превалирующей роли дислокационного механизма в процессе пластической деформации можно считать доказанной. Подтверждением тому может служить высокая плотность дислокаций (до r»10¹²см^-2), наблюдаемая в материале поверхностного слоя после его приработки, которая на несколько порядков превышает исходную величину.

Пластическая деформация выступов приводит к упрочнению материала поверхностного слоя и появлению текстуры. Упрочнение вызывает повышение механических характеристик поверхностного слоя: модуля упругости, твердости и др. Текстура является результатом вытягивания металлических зерен поверхностного слоя в направлении скольжения. При этом оси главных напряжений ориентируются вдоль направления трения, что обусловливает анизотропию механических свойств материала поверхностного слоя. Учитывая малую толщину поверхностного слоя можно считать такой вид анизотропии - ортотропией.

Малый шаг неровностей 2,0¸800,0 мкм на поверхностях твердых тел обусловливает малую длительность фактического контакта, порядка 10^-7¸10^-8 с. Это позволяет расценивать процесс механического контактирования как удар. При этом в области фактического касания появляется температурная вспышка, которая может достигать температуры плавления контактирующих металлов. Однако малая геометрическая площадь фактического контакта приводит к быстрому отводу сгенерированного тепла за 10^-3¸ 10^-6 с. Общий эффект локальных температурных вспышек проявляется на макроуровне в виде саморазогрева поверхностного слоя при трении до некоторого равновесного значения.

Поверхность металлов имеет атомную плоскость с незавершенной кристаллической решеткой, что приводит к высокой сорбционной активности поверхностного слоя. В реальных условиях поверхность металлов всегда покрыта адсорбированным мультимолекулярным слоем механических частиц (пыли) и различных молекул (молекулы воды, кислорода, смазочных материалов и т.д.) состав которого зависит от конкретных условий (см. рис.1.2). Кроме этого возможны и прямые химические реакции материала поверхностного слоя с активными элементами среды. Самым известным видом химического взаимодействия материала поверхности со средой является образование пленок оксидов.

Сорбционные процессы могут в значительной мере определять вид контактных взаимодействий и существенно влиять на фрикционные и противоизносные свойства материала поверхностного слоя. Среди последних можно отметить эффекты Ребиндера (внешний и внутренний), заключающиеся в адсорбционном понижении прочности материалов, за счет понижения свободной энергии, и расклинивающем действии поверхностно-активных веществ (ПАВ) при их попадании в полость поверхностных трещин. Покрытия и пленки образовавшиеся на поверхности могут проявлять экранирующий эффект для подвижных дислокаций, при котором затрудняется их выход наружу, в результате повышается предел прочности и ползучести, а также усталостная долговечность подповерхностного слоя.

Рис. 1.2 Структура поверхностного слоя: 1 - адсорбированный

слой частиц среды; 2 - окислы, нитриды металла;

3 - слой сильно деформированных зерен.

Интересным эффектом, отмеченным при изучении взаимодействия поверхностей материалов друг с другом и со средой, являются аномальные химические процессы. К таким процессам можно отнести избирательный перенос и динамическую диффузию. Эффект избирательного переноса (безызносности), открытый Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским, появляется в результате анодного растворения материалов пары трения, при этом на рабочих поверхностях образуются тонкие пленки из пластичных элементов растворенного материала. Динамическая дислокационная диффузия состоит в переносе атомов по ядрам движущихся дислокаций. Перемещение поверхностных атомов при этом может достигать глубины 5¸7 мкм, что объясняется возбуждением атомов ядра при движении дислокаций.

Комбинированными эффектами контактного взаимодействия поверхностей являются механохимический и хемомеханический. Механохимический эффект проявляется в изменении скорости химических реакций в поле механических напряжений, что объясняется как результат механического воздействия к изменению энергетического активационного барьера химической реакции. Хемомеханический эффект состоит в стравливании моноатомного слоя материала поверхностного слоя со скоростью химической реакции коррозии, которое приводит к выходу дислокаций, скопившихся под поверхностью, наружу и, как следствие, к разупрочнению материала, что было установлено прямыми микроскопическими наблюдениями.