Законы трения и изнашивания. Изнашивание металлов при трении

1. Внешнее трение твердых тел

Внешнее трение — явление сопротивления относительному перемещению, возникающему между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии (ГОСТ 23.002–78).

Мерой трения является сопротивление трения, уравновешенное равнодействующей силой контакта при перемещении одного тела относительно другого.

Противодействие силам сцепления имеет место при внутреннем трении в процессе взаимного перемещения элементов структуры какого‑нибудь тела (газа, жидкости, твердого тела) или при внешнем трении, когда при контакте поверхностей двух тел эти неровности срезаются, упруго или пластически деформируются. Противодействие силам адгезии двух контактирующих поверхностей тел начинается при попытке их взаимного перемещения.

Адгезия — это поверхностное явление, заключающееся в сцеплении поверхностей в результате воздействия, в частности, поля сил.

Поле сил создается зарядом атомов (ионов, молекул), из которых состоит верхний слой контактирующих между собой тел. Данное поле экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния от поверхности. Практически поверхностное взаимодействие типа ван‑дерваальсова исчезает на расстоянии 1–2 нм, поэтому для адгезии необходимо соответствующее сближение поверхностей.

Адгезия и когезия вызываются одними и теми же силами, различие заключается в их локализации. Если силы действуют внутри тела, то вызывают когезию, если действуют на поверхности — адгезию (рис. 1).

Силы адгезии тем больше, чем больше воздействие электростатических и электродинамических сил в зоне контакта тел. Это тесно связано со структурой тел и, следовательно, их поверхности. Характер сил адгезии аддитивный, поэтому чем больше реальная поверхность контакта, тем прочнее адгезионное сцепление.

Всякое воздействие, приводящее к отрыванию элементов тела, встречает сопротивление когезионных сил, а отрывание или взаимное перемещение тел, соприкасающихся между собой, встречает сопротивление адгезионных сил.

Рис. 1. Силы адгезии (1) и когезии (3) и элементы строения тела (атомы, ионы, молекулы) (2)

При взаимном перемещении тел с идеально гладкими поверхностями существовало бы только сопротивление адгезионных сил. Взаимное перемещение реальных шероховатых поверхностей контакта встречает не только адгезионное сопротивление, но и сопротивление неровностей обеих поверхностей, возникающее в результате упругих и пластических деформаций, срезания неровностей, царапания и т. д. Все эти воздействия уравновешиваются силами сцепления при декогезии материала. Итак, трение является следствием действия сил адгезии и когезии.

Виды трения

Важным является не только деление трения на внешнее и внутреннее, но и деление трения на сухое, граничное и жидкостное (рис. 2). Трение без смазки (сухое трение) происходит при отсутствии на поверхностях трения обоих твердых тел смазочного материала всех видов.

Для снижения внешнего трения трущиеся поверхности разделяются слоем смазывающего вещества, при этом сухое трение тел заменяется жидкостным трением, или внутренним трением смазывающего вещества. Жидкостное трение возникает между двумя телами, полностью разделенными слоем жидкости (смазки). Отсутствие контакта между поверхностями предохраняет их от разрушения.

Если из‑за большого давления слой смазки выдавливается из пространства между трущимися поверхностями, то между ними образуется тонкий слой смазочного материала, сохраняющийся там только в результате взаимодействия жидкости с твердыми телами. Такой слой называется граничной пленкой смазки. Чем сильнее взаимодействие, тем прочнее граничная пленка. Она не допускает возникновения сухого трения.

Трение при наличии пленки граничной смазки называется граничным трением. Граничное трение двух твердых тел возникает при тонком слое смазки на поверхностях трения, не превышающем высоты шероховатостей соприкасающихся поверхностей.

Рис. 2. Различные виды трения: а — внутреннее; б — адгезия поверхностей; в — жидкостное; г — граничное; д — сухое

Вид трения в макрообласти определяется совокупностью видов трения в микрообласти контакта. Вообще трение в макрообласти является результирующей смесью разных видов трения, т. е. смешанным трением, характеризующимся нестационарными трибологическими процессами. Области контакта можно представить как совокупность элементов структуры атомов, ионов, молекул в виде шаров. Между этими элементами действуют силы, которые соединяют их в одно тело.

Вид элементов структуры и взаимодействие между ними оказывают наибольшее влияние на трибологические процессы, отсюда следует, что понимание трибологических процессов и явлений требует знания структуры принимающих участие в этих процессах тел и действующих сил.

Трибологические процессы и явления можно рассматривать на разных уровнях: для выяснения некоторых проблем необходим анализ явлений в области ядра и электронов, в иных случаях — атомов, молекул или групп молекул и кристаллов.

В зависимости от наличия относительного движения различают трение покоя и трение движения, причем коэффициент трения в первом случае больше, чем во втором, в зависимости от характера движения — трение скольжения и трение качения. Сила трения качения примерно в 10 раз меньше силы трения скольжения. В зависимости от наличия смазочного материала между трущимися поверхностями — трение со смазочным материалом и трение без смазочного материала.

Согласно широко распространенной молекулярно-механической теории, поверхностные связи при трении формируются вследствие упруго-пластической деформации поверхностных слоев контактирующих тел и адгезионного взаимодействия их поверхностей.

Молекулярно-механическое изнашивание получается в результате одновременного механического воздействия и воздействия молекулярных или атомных сил.

Данная теория базируется на представлении о двойственной природе трения и дискретном характере контакта между реальными поверхностями твердых тел. Неровности на поверхности любого твердого тела обусловливают контакт на отдельных элементарных площадках (пятнах) касания (рис. 3):

где n — число единичных контактов.

Общая площадь фактического контакта Ar складывается из суммы n площадей отдельных пятен касания и зависит от внешней нагрузки N, механических свойств контактирующих тел. Для неподвижного контакта двух металлических материалов (по Ф. Боудену) Ar ≈ N/H, где Н — твердость наименее твердого компонента. Для подвижного контакта при трении скольжения аr ≈ α (N/Н), где α — коэффициент, зависящий от способности металла к упрочнению в процессе трения, от чистоты поверхности контакта и величины коэффициента трения. Обычно α ≈ 2…4, если f = 0,7…1,5.

Рис. 3. Номинальная А₀ и реальная А_r площади контакта

Согласно молекулярно‑механической теории, поверхностные связи при трении формируются вследствие упруго‑пластической деформации поверхностных слоев контактирующих тел и адгезионного взаимодействия их поверхностей. По Ф. Боудену, сила трения — это сумма сопротивлений срезу металлических соединений Fс и сопротивлений пластическому оттеснению (пропахиванию) менее прочного металла при движении внедрившихся в него микронеровностей более твердого металла Fп:

где θ — сопротивление металла на срез; аr — площадь фактического контакта; τ — предел текучести менее твердого металла; S — площадь профилей царапин.

Формула обобщенного закона трения, полученного И. В. Крагельским, имеет вид

где α и β — параметры, зависящие от молекулярных и механических свойств контактирующих поверхностей соответствующих тел.

Существует мнение, что при трении металлических тел обычно преобладает адгезионное взаимодействие их поверхностей. В этом случае коэффициент трения f может быть оценен из следующих соотношений:

где τ — сопротивление сдвигу; Н — твердость менее прочного металла; W — удельная энергия адгезии контактирующих металлов; X — глубина внедрения твердой неровности в поверхность менее прочного материала.

Из последнего выражения следует, что коэффициент трения зависит от свойств прочности τ, Н контактирующих металлов и от интенсивности адгезионного взаимодействия их поверхностей W. На интенсивность адгезионного взаимодействия металлических поверхностей оказывают влияние следующие факторы: состояние (чистота) поверхности, характер окружающей среды, химический состав и кристаллическая структура металлов, температура в зоне контакта и др.

При трении очищенных металлических поверхностей в глубоком вакууме, когда их адгезионное взаимодействие весьма велико, коэффициент трения может достигать значений 1,0–10,0 и более. При трении в воздушной среде коэффициент трения металлических материалов обычно не превышает 0,5–1,0.

2. Изнашивание металлов при трении

Трение — основная причина изнашивания деталей машин. Проблемы трения, изнашивания и смазывания изучает наука трибология, базирующаяся на фундаментальных законах физики, химии, механики сплошных сред, термодинамики и материаловедения.

Трибологические свойства металлических материалов в значительной степени зависят от состояния их поверхностных слоев. С поверхности, подвергаемой контактным механическим нагрузкам, коррозии и высоким температурам, начинается разрушение большинства изделий машиностроения. Наибольшие потери связаны с развитием процессов изнашивания поверхности деталей машин и инструмента. По мере развития технологий и перехода от макромасштабных к микро- и наномасштабным уровням рассмотрения структуры и свойств материалов роль поверхности многократно возрастает.

Работа любого механизма и машины связана с передачей энергии и потерями части передаваемой энергии на трение. Процесс трения,

сопровождаемый различными воздействиями, вызывает изнашивание поверхности материалов. Можно сказать так: всё, что испытывает трение, изнашивается, и это утверждение верно в общем случае, несмотря на впечатляющие успехи триботехники в создании безызносных узлов трения — исключения лишь подтверждают правило. Далеко не всё, что изношено, может быть восстановлено.

Износ (изнашивание) в общем случае можно охарактеризовать как изменение размеров, формы, массы или состояния поверхностного слоя твердого тела под влиянием внешней среды. Износ может вызываться трением поверхностей деталей машин одна о другую, воздействием на поверхность рабочей среды потоков жидкости, газа или контакта поверхности с твердыми частицами.

Различают допустимый и предельный износ. При допустимом износе сохраняется работоспособность детали, несмотря на изменение ее размеров и формы вследствие изнашивания. Предельный износ характеризуется такими изменениями размеров и (или) формы детали, при которых дальнейшее изнашивание приводит к потере работоспособности этой детали и узла трения или механизма в целом. Понятно, что допустимый износ меньше предельного.

К разновидностям износа относится износ на отдельном участке поверхности трения, или местный износ.

Методы измерения износа

Износ — результат изнашивания, выражаемый в абсолютных или относительных единицах. В абсолютных единицах износ характеризуется потерей массы детали ΔМ, уменьшением ее линейных размеров U или объема V. Износ, отнесенный к пути трения, исходным размерам или объему, называется интенсивностью изнашивания Jh. Износ, отнесенный ко времени, в течение которого проявлялось изнашивание, определяет скорость изнашивания. Таким образом, наиболее употребительными характеристиками износа являются:

• линейный износ U, мкм (изменение размера поверхности при износе, измеренное перпендикулярно ей);
• скорость изнашивания j, мкм/ч (j = dU/dτ — отношение величины износа ко времени, в течение которого он образовался);
• интенсивность изнашивания Jh (Jh = dU/dS — отношение величины износа к пути трения dS, на котором происходило изнашивание).

Чаще интенсивность изнашивания определяют по соотношению

где Q — потери массы материала, г; ρ — плотность материала, г/см3; S — путь трения, см; Р — геометрическая площадь контакта, см2.

В данном случае Jh — безразмерная величина.

В некоторых случаях используют энергетическую интенсивность изнашивания

где ΔV — объем изношенного на пути S материала; F — работа сил трения; F — сила трения.

Разнообразие условий взаимодействия контактных поверхностей и свойств контактирующих материалов обусловливает влияние многих факторов, которые приводят к различным механизмам изнашивания и, как следствие, к разной износостойкости. Виды изнашивания и повреждения не являются характерными именно для данной пары трения, а зависят от условий работы.

Изменение условий работы (вид смазки, скорость скольжения, температура) может приводить к изменению основного вида изнашивания поверхностей. Так, увеличение скорости скольжения вызывает повышение температуры и ускорение окислительных процессов, поэтому до критической скорости скольжения может наблюдаться схватывание поверхностей, а по достижении критической скорости возможен переход к окислительному изнашиванию вследствие увеличения скорости образования окисных пленок.

Износ деталей может быть определен с помощью следующих основных методов: микрометрического измерения (микрометраж); взвешивания деталей; анализа отработавшего масла; «меченых» атомов и замеров отпечатков, наносимых на изнашиваемую поверхность.

Основные требования, которые должны предъявляться к методу определения износа, сводятся к следующему:

• на испытание по определению износа должно затрачиваться по возможности минимальное время;
• метод должен позволять улавливать износ за сравнительно короткое время;
• при определении износа нежелательна частая разборка и сборка агрегатов;
• детали за время испытаний не должны сильно изнашиваться (если в этом случае не ставятся специальные цели).

До настоящего времени для определения износа деталей часто применяется метод микрометрического измерения. Данный метод базируется на определении размеров деталей при помощи микрометров или других измерительных приборов перед началом износа и в процессе работы машины.

Величину линейного износа определяют как разность глубин в разных местах трущейся поверхности. Определение износа деталей какого‑либо агрегата этим методом требует большой затраты времени и во всех случаях сопряжено с некоторыми погрешностями. При малой длительности работы машины определить износ почти невозможно. Для того чтобы определить значительный износ, нужно проводить довольно длительные испытания агрегатов с большим количеством разборок и сборок. Частые разборки и сборки приводят к нарушению первоначальных посадок деталей, что вызывает некоторые отклонения от исходного состояния испытуемого агрегата.

На точность измерения при микрометрировании влияют следующие факторы:

• определяя износ по диаметру отверстия цилиндра или поверхности вала, замеряют диаметр, который может изменяться не только от износа, но и вследствие деформации; значит, определить износ без существенной погрешности нельзя;
• ошибки в определении износа микрометрированием появляются от непостоянства температуры инструмента и измеряемой детали, особенно когда износ измеряется в микронах;
• повторно измерить один и тот же диаметр по одному и тому же направлению не удается, поэтому точно определить износ в этом случае не всегда возможно.

С помощью метода микрометрирования возможно только приблизительно измерить износ в определенном месте детали.

Метод взвешивания деталей до испытаний и после них позволяет определять линейный износ как износ, распределенный равномерно по поверхности детали. При вычислении износа подсчитывается размер изношенной поверхности и учитывается удельный вес металла детали.

При необходимости определения суммарного износа деталей агрегата или узла применяется метод обнаружения металла в отработавшем масле.

Поскольку продукты износа деталей состоят из мельчайших металлических частиц, окислов металлов и продуктов химического взаимодействия металлов с активными составляющими масла, которые находятся в нем во взвешенном состоянии, то для определения суммарного износа от масла отбираются пробы, которые сжигаются, и в оставшейся золе содержание металла определяется с помощью химического анализа или полярографического метода.

Пользуясь этим методом, решают ряд задач, имеющих важное значение в определении износа, а именно:

• когда необходимо отбирать пробу масла, которая могла бы характеризовать среднее содержание железа в нем;
• как определить содержание железа в масле;
• к каким поверхностям отнести обнаруженный износ, если он был результатом трения нескольких поверхностей, и т. д.

В настоящее время все эти задачи решены. Основным недостатком данного метода является невозможность определения линейных износов отдельных деталей; положительной же стороной его является возможность определения износа на любом этапе испытаний без прекращения работы агрегата. Это дает возможность построить график износа агрегата и определить общие износы его при работе на разных режимах за короткое время. С применением данного метода удалось получить значительную экономию времени при испытаниях на износ.

Одним из методов определения суммарного износа деталей является метод меченых атомов, или радиоактивных изотопов, которые обладают способностью излучать электрически заряженные αи β‑частицы или электромагнитные лучи в процессе радиоактивного распада. Специальные приборы позволяют регистрировать и измерять излучение, а следовательно, обнаруживать частицы радиоактивного препарата в любой среде и определять его количество.

Таким образом, если в поверхностный слой детали ввести радиоактивное вещество, то в процессе работы машины с поверхности трения детали вместе с продуктами износа основного металла будут удаляться также и частички радиоактивного вещества. По количеству радиоактивного вещества в смазке можно установить нарастание износа в испытуемой паре деталей. При таком методе определения износа нужно в первую очередь решить вопрос, каким способом ввести в поверхностный слой исследуемой детали радиоактивные изотопы без нарушения ее геометрической формы и физико‑механических свойств металла, из которого она сделана.

Известны следующие способы насыщения деталей радиоактивными изотопами:

• изотопы вводятся в металл детали при ее отливке (данный способ является более целесообразным при активировании небольших деталей, для которых требуется короткий цикл обработки);
• радиоактивное вещество вводится в поверхностные слои детали через электролит, если деталь в процессе изготовления покрывается каким‑либо металлом гальваническим способом;
• облучение (насыщение) поверхностных слоев детали радиоактивными изотопами;
• насыщение деталей способом диффузии, когда некоторые элементы проникают в поверхность твердого тела при его нагревании;
• способ Научно‑исследовательского института гражданского воздушного флота (НИИГВФ) (на изнашиваемую поверхность детали запрессовывается вставка из радиоактивного металла, которая изнашивается вместе с основным металлом детали, что дает возможность судить о степени нарастания износа).

Последний способ отличается простотой и доступностью и может быть применен для активирования шеек валов, подшипников, поршневых колец и других деталей агрегатов без нарушения свойств поверхностных слоев деталей. Данный способ может быть применен не только для изучения износа, но и для постоянного контроля за сильно нагруженными деталями агрегата или машины.

Появление в масле радиоактивных частиц от активированной вставки, запрессованной на определенную глубину от поверхности трения, будет указывать на то, что износ данной детали достиг своего предела и, следовательно, машину нужно останавливать для разборки и ремонта.

Способ меченых атомов, или радиоактивных изотопов, в сравнении с методом определения износа по содержанию металла в масле путем химического анализа отличается значительно большей чувствительностью и дает возможность непрерывно оценивать содержание радиоактивного элемента в циркулирующем масле. Этот метод определения износа хотя и является новым, но уже находит довольно широкое применение.

Для определения износа применяется еще один способ — так называемый способ искусственных баз, разработанный М. М. Хрущовым и Е. С. Берковичем.

Суть данного способа заключается в том, что на поверхности трения детали вырезают специальным прибором и инструментом маленькие лунки заранее известной геометрической формы. До испытания измеряют длину лунки на поверхности детали и вычисляют ее начальную глубину.

После проведения испытаний вторично измеряют длину лунки на поверхности детали и вычисляют изменившуюся глубину. Разность глубин до и после испытаний является величиной линейного износа в данном месте трущейся поверхности детали.

Способ искусственных баз является более точным в сравнении с микрометрическим измерением, так как дно вырезанной лунки является постоянной базой, от которой ведется измерение, и, кроме того, износ определяется в одном и том же месте, что исключает некоторые погрешности микрометрирования. Точность определения износа при данном методе исчисляется в 1–1,5 мк.

На рис. 4 показаны лунки, вырезанные на поверхности поршневого пальца и на зеркале цилиндра двигателя.

а б

Рис. 4. Вырезанные лунки: а — на поверхности поршневого пальца; б — на зеркале цилиндра двигателя

Существующие методы измерения износа заключаются как в измерении размеров изнашивающихся деталей с помощью обычных средств, так и в использовании методов на основе ядерно‑физических процессов.

Область применения тех или иных методов измерения определяется:

• поставленной целью исследования;
• требуемой точностью измерения;
• возможностью измерения малых износов;
• временем, необходимым для измерения износа;
• возможностью измерения износа в условиях эксплуатации без разборки и остановки машины;
• затратами времени и средств, необходимыми для всего цикла подготовки, осуществления и обработки результатов измерения.

Для измерения износа применяются интегральные и дифференциальные методы оценки повреждений.

Наиболее целесообразны дифференциальные методы, позволяющие определить распределение износа по всей поверхности трения и оценить влияние износа на выходные параметры изделия. Иногда применяются методы оценки износа по выходным параметрам изделия или сопряжения. Классификация методов измерения износа приведена в таблице ниже.

Классификация методов измерения износа поверхностей трения

Метод измерения износа по потере массы или объема детали применяется, как правило, при исследовании образцов и не пригоден для большинства деталей машин. Оценка износа по изменению выходных параметров сопряжения дает лишь косвенное представление о величине износа.

Рассмотрим основные методы измерения и оценки износа поверхностей трения при работе различных сопряжений в условиях их эксплуатации или испытаний.

Наиболее распространенным и доступным методом определения величины износа деталей является метод микрометрических измерений. Данный метод чаще всего используется при условии больших абсолютных величин износа деталей. Он основан на измерении детали при помощи механических контактных или каких‑либо других приборов до и после проведения испытаний на изнашивание.

Е. Хорнбоген продемонстрировал зависимость износостойкости материалов от двух групп основных факторов («внутренних» — свойств материала твердого тела и «внешних» — условий, характеризующих вид трения) в виде гелиоцентрической схемы (рис. 5).

«Внутренние» свойства (круг 1): поверхностная энергия, кристаллическая структура, микроструктура, стабильность фаз, пластичность, способность к деформационному упрочнению, трещиностойкость, теплопроводность, теплоемкость. «Внешние» свойства (круг 2) характеризуют вид трения (качение или скольжение), условия в зоне взаимодействия твердых тел (температура, давление, скорость относительного перемещения, шероховатость поверхности, скорость рабочей среды или смазочного материала), характер приложения нагрузки (статическая, динамическая, постоянная, переменная, реверсивная), материал контртела.

Взаимное влияние указанных групп факторов приводит в результате к какому‑нибудь из известных видов изнашивания (круг 3) и разрушения контактной поверхности детали по механизмам микрорезания, царапания, отслаивания, выкрашивания или схватывания и заедания (треугольник 1, 2, 3).

Процессы упругопластической деформации при трении металлов локализуются в микрообъемах поверхностного слоя, примыкающих к пятнам касания, и обусловлены действием высоких контактных напряжений. Характер распределения максимальных касательных напряжений в зоне фрикционного контакта показан на рис. 6, на котором видно, что при трении скольжения максимальный уровень касательных напряжений достигается непосредственно на поверхности скольжения.

Рис. 5. Схема взаимосвязи износа материала с его структурой и условиями изнашивания (по Е. Хорнбогену)

По мере увеличения расстояния от поверхности трения напряжения снижаются примерно по степенному закону. При трении качения максимальный уровень напряжений реализуется на некотором расстоянии от поверхности качения, которое зависит от геометрии контакта, нормальной нагрузки и деформационных характеристик материала, таких как модули упругости, коэффициенты Пуассона.

Микрообъемы поверхности металла, примыкающие к пятнам касания, подвергаются упругопластической деформации в условиях сдвига под давлением (рис. 7). При этом величина внешнего давления по Ф. Боудену приблизительно равна твердости (микротвердости) контактирующих металлов. Так, для сталей величина контактного давления может составлять 1–10 ГПа. Деформирование металлов при данном состоянии позволяет достигнуть в поверхностных слоях трущихся металлов очень высоких степеней деформации, порядка 102.

Рис. 6. Характер распределения касательных напряжений по глубине поверхностного слоя h в зоне фрикционного контакта твердых тел: 1 — при трении скольжения; 2 — при трении качения; 3 — при трении качения с проскальзыванием

Рис. 7. Локальный характер упругопластической деформации в области фактического контакта при трении скольжения

На рис. 8 показано, что каждая единичная микронеровность, внедренная в поверхность контртела, при движении создает в нем две зоны напряжений, различных по знаку.

Перед фронтом микронеровности в зоне сжимающих напряжений возникает валик из деформированного металла. Позади микронеровности в результате действия силы трения в материале образуются растягивающие напряжения. Адгезионное взаимодействие происходит на границе зоны сжимающих напряжений с неровностью.

По мере смещения микровыступа в пределах, ограниченных прочностью адгезионных связей на контакте, валик растет за счет материала, вытесненного при смещении. Позади выступа соответственно растет деформация растяжения. По достижении критической величины перемещения неровности молекулярные связи на контакте разрушаются, при этом неровность подминает валик или перескакивает через него.

Таким образом, материал контакта за один проход микровыступа испытывает последовательное воздействие сжимающих и растягивающих напряжений, а движение неровности (и тела) имеет неравномерный скачкообразный характер.

Рис. 8. Напряженное состояние, создаваемое скользящей жесткой сферической микронеровностью по гладкой поверхности сопряженного материала: 1 — зона сжимающих напряжений; 2 — зона растягивающих напряжений

Для замедления изнашивания и увеличения срока службы деталей используют рациональные конструкции опор трения, уменьшают шероховатость поверхностей контакта, применяют жидкие и твердые смазки, подбирают материалы трущихся пар и способы их упрочнения применительно к условиям изнашивания.