Флуктуационная модель адгезионной составляющей сил трения

В работе [1] была предложена модель, согласно которой адгезионная составляющая сил трения обусловлена только срезом мостиков сварки, образующихся в местах фактического контакта, и численно равна сопротивлению сдвигу более мягкого металла трущейся пары. Существенным недостатком этой модели является то, что она не учитывает условия образования мостиков сварки, а априорно принимает, что они образуются всегда в местах фактического контакта.

Между тем известно [21, 10,7], что схватывание (образование межатомных связей) происходит лишь на активных центрах. Активными центрами являются участки контактной поверхности, атомы которых имеют свободные связи. Поскольку в неактивированном состоянии свободные связи атомов поверхностей трущихся тел либо замкнуты на поверхностные атомы (ювенильные поверхности), либо насыщены кислородом, адсорбированным из воздуха (поверхности с хемосорбированным слоем), то для перевода их в активное состояние необходима избыточная энергия, достаточная для разрыва связей – энергия активации.

Обычно поверхности трущихся тел покрыты слоями окислов. В этом случае энергия активации схватывания (образования мостиков сварки) определяется энергией активации десорбции химически адсорбированного комплекса Ме–О, т. к. связь между кислородом и поверхностными атомами металла в хемосорбированном слое значительно сильнее связи кислорода с металлом в окисле того же стехиометрического состава.

При трении, когда общий уровень энергии системы поверхностных атомов повышается за счет термической и механической активации, разрыв связей может происходить при выходе в зону физического контакта дефектов кристаллической решетки вследствие пластического деформирования тонкого поверхностного слоя и в результате термических флуктуаций. Наличие на контактных поверхностях трущихся тел слоев окислов, влаги, пленок смазки препятствует образованию связей.

Таким образом, мостики сварки между трущимися телами образуются только в том случае, если с контактных поверхностей удален слой окислов и других загрязнений, а химически адсорбированные кислородом поверхностные атомы металлов сближены на расстояние, при котором между ними возможны обменные процессы электронного взаимодействия. При этом им сообщена энергия, достаточная для разрыва связей в хемосорбированном комплексе «металл – кислород».

Исходя из изложенных выше представлений о механизмах активации и схватывания, оценим адгезионную составляющую сил трения, обусловленную сопротивлением разрыву связей, образующихся между атомами трущихся тел в местах физического контакта. [20]

При анализе примем:

1. Образование межатомных связей происходит на активных центрах.

2. Активными центрами являются атомы поверхности трущихся тел, имеющие свободные связи.

3. Свободные связи возникают вследствие термической и механической активации поверхностей под действием температуры и внешней нагрузки.

4. Прочность на сдвиг образующейся единичной связи равна прочности на сдвиг единичной связи в объеме более мягкого металла.

Если обозначить количество атомов в поверхностном слое через N₀, количество атомов, вступивших в физический контакт, через N_f, количество атомов, образовавших связи в данный момент, через N_c, то сопротивление сдвигу на контакте, обусловленное адгезионной составляющей трения, в силу принятых допущений может быть найдено из выражения

(7.43)

где _s – сопротивление сдвигу поверхностного слоя более мягкого из трущихся тел с учетом его зависимости от температуры и скорости деформации.

В этом выражении отношение характеризует относительную площадь фактического контакта и зависит от величины нормального и касательного напряжений, приложенных к трущимся телам. Для определения площади фактического контакта имеется целый ряд зависимостей [9,13].

Отношение показывает, какая часть атомов, находящихся в физическом контакте, образовала связь при данных условиях на поверхностях трения за время контакта t_к .

Используя результаты работ [21,10] с учетом того, что приложение внешней нагрузки к трущимся телам снижает кажущуюся энергию активации, т. к. облегчает условия зарождения, движения и выхода дефектов кристаллической решетки в зону физического контакта (процессов, контро­лирующих активацию контактных поверхностей), можно записать

(7.44)

где n – частота выхода дислокаций или других дефектов кристаллической решетки в зону контакта; Е_а – энергия активации; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура на контакте; – ин­тенсивность напряжений; – компоненты тензора напряженного состояния зоны контакта в прямоугольной системе координат; – коэффициент.

Величину коэффициента при трении ювенильных поверхностей и поверхностей с хемосорбированным слоем кислорода можно найти из следующих соображений. Для образования химической связи между атомами на поверхностях физического контакта необходима их активация, которая может быть обеспечена одновременным пластическим деформированием поверхностных слоев трущихся тел.

Пластическое деформирование возможно при условии, что интенсивность напряжений на контакте _i достигла величины предела текучести более твердого из трущихся тел . Приравнивая выражение в квадратных скобках уравнения (7.44) нулю при условии, что

_i = _s, будем иметь

откуда

После подстановки значения в (7.44), получим

(7.45)

При определении необходимо учитывать соотношение между временем контакта t_к и временем полной активации поверхностных атомов, находящихся в зоне физического контакта t_a. Последнее может быть найдено из выражения [21]

(7.46)

Если t_к > t_a, то = 1.

Подставляя (7.41) в (7.39) с учетом, что , найдем

(7.47)

где – относительная площадь фактического контакта.

При наличии на трущихся поверхностях хемосорбированного комплекса Ме–О удобно представить выражение (7.47) в несколько ином виде:

(7.48)

где – температура десорбции хемосорбированного комплекса Ме–О; T_m – температура плавления более твердого из трущихся тел.

Из формул (7.47) и (7.48) следует, что модель Боудена и Тейбора справедлива только для случая трения одноименных металлов ( _i = ).

При трении тел, на поверхности которых имеются пленки окислов и других загрязнений, образование адгезионных связей, как указывалось выше, возможно только при условии удаления пленок с контактных поверхностей. Если предположить, что удаление пленок происходит при температуре Т ~ Т , то по аналогии с предыдущим случаем будем иметь, что при _i = и Т ~ Т^*:

Откуда

Выражение (7.44) с учетом найденного значения примет вид

(7.49)

где – температура диссоциации окислов.

После подстановки (7.42) в выражение (7.43) получим

(7.50)

При Т > Т^* оценку адгезионной составляющей сил трения следует производить по формуле (2.48).

В формулы (7.47), (7.48), (7.50) входит частота выхода дислокаций в зону физического контакта . Она может быть оценена из следующего выражения [7]:

(7.51)

где – плотность дислокаций, равная [40]

(7.52)

здесь N – плотность исходных источников дислокаций; – cтепень деформации.

Выражение (7.51) с учетом (7.52) примет вид

(7.53)

где – скорость деформации ползучести.

Скорость деформации ползучести в интервале температур от 0,05 до 0,35 Т_m определяется соотношением [2]

(7.54)

где – коэффициенты.

В интервале температур от 0,2 до 0,7Т_m скорость деформации ползучести при высоких напряжениях описывается уравнением [2]

(7.55)

где – структурный фактор; Н_п – энергия активации ползучести; – коэффициент.

Нестационарность процесса трения может быть охарактеризована критерием гомохронности Н₀ = t_к. При установившемся трении для каждой точки контактной поверхности Н₀ = = t_к = const. Оценим величину адгезионной составляющей для случая трения тел, на контактных поверхностях которых имеются пленки окислов и других загрязнений. Многочисленные исследования, обобщенные в работах [29,26], свидетельствуют об устойчивости хемосорбированных слоев кислорода вплоть до предплавильных температур. Поэтому, чтобы получить верхнюю оценку сил адгезии, примем, что Т_а = Т_m, т. е. что = 1.

Далее опыты показывают, что при совместной термомеханической активации сильная адгезия происходит при температурах, близких к температуре рекристаллизации [3, 32 и др.]. При этой температуре, как это следует из рекристаллизационной теории сварки, происходит коалесценсия тонких окисных пленок, приводящая к очищению контактных поверхностей [3]. С учетом этого примем, что Т^* = 0,5Т_m , т. е. что = 2.

В табл. 7.1 приведены значения адгезионной составляющей, подсчитанные по формуле (7.50) для случая = 1; H₀ = t _к = 1; = 1; = 2.

Таблица 7.1.

Значения адгезионной составляющей сил трения _a / _s в зависимости от отношения при различных величинах относительной температуры

Т / Т_m на контакте

Т / Тm
0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
0,1	0,00007	0,0001	0,00015	0,00023	0,0003
0,2	0,01	0,015	0,022	0,033	0,050
0,3	0,05	0,079	0,118	0,117	0,264
0,4	0,12	0,183	0,273	0,407	0,607
0,5	0,20	0,301	0,449	0,670

Поскольку суммарное напряжение трения не может быть больше сопротивления сдвигу более мягкого металла трущейся пары _s( _s), то по табличным данным можно судить о соотношении между адгезионной и деформационной составляющими для различных условий трения. В частности, при относительно невысоких температурах (Т / Т_m < 0,3) и при существенных различиях в механических свойствах трущихся тел ( < 0,4) адгезионная составляющая много меньше деформационной. Поскольку обычно , , то действительные значения адгезионной составляющей будут еще меньше.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: