Между чисто механической теорией трения, связывающей сопротивление тангенциальному перемещению с зацеплением ше­роховатостей, и молекулярной теорией, по которой трение обуслов­лено взаимодействием атомов сближенных поверхностей (адгези­ей), существуют определенные противоречия. Они в значительной степени устраняются представлениями Крагельского о двойствен­ной молекулярно-механической природе трения, согласно которой вследствие дискретности контакта на фактических малых площа­дях соприкосновения развиваются высокие давления, приводящие к сближению и взаимному внедрению контактирующих участков. При тангенциальном смещении происходят деформация и механи­ческие потери или даже разрушение микровыступов на срез. С одной стороны, это связано с механическим разрушением внедрив­шихся выступов, которые или срезаются, или оттесняются (упруго или пластически). С другой стороны, кроме преодоления механиче­ского сопротивления, связанного с перемещением выступа, необхо­димо преодолеть также и силы молекулярного взаимодействия между тесно сближенными элементами поверхностей. В настоящее время установлено, что на трение твердых тел влияют все свойст­ва поверхностных слоев и любые их изменения, которые зачастую трудно контролируемы.

Силой трения нельзя называть всякое тангенциальное сопротив­ление, возникающее в плоскости касания двух тел, а наблюдаемые при этом повреждения не всегда можно считать износом (напри­
мер, сопротивление и повреждение, возникающие при испытании металла на срез). Необходимо более четко сформулировать пред­ставления о силе трения и износе. Понятие о силе трения, согласно Крагельскому, может быть сформулировано на основе следующих трех физических положений:

1. Контактирование двух тел вследствие шероховатости всегда дискретно, т. е. происходит в отдельных пятнах.

2. Взаимодействие двух тел имеет двойственную молекулярно­механическую природу. Оно характеризуется взаимным внедрением отдельных элементов и молекулярным сцеплением.

3. Вследствие различного геометрического очертания неровно­стей и варьирования физических (механических) свойств в микро­объемах пятна касания находятся в разных напряженных состоя­ниях. •

Следовательно, при тангенциальном смещении часть пятен ка­сания возникает и исчезает без повреждения материала, в других же местах происходит отделение материала при исчезновении пят­на касания.

Иногда в трактовке механизма трения твердых поверхностей исходят из представлений о единой природе трения, предполагая, что основное сопротивление, которое приходится преодолевать при трении, — сопротивление материала микровыступов сдвигу. Соглас­но этим представлениям, при трении срезаются не только молеку­лярные мостики, возникшие вследствие адгезии трущихся тел, но и сам материал (микровыступы) более слабой фрикционной пары. Поэтому срез происходит, как правило, по площади, во много раз превышающей суммарную площадь мест молекулярного контакта. Если сделать правильную оценку площади среза трущихся тел, то удельная сила трения, рассчитанная на единицу фактической пло­щади контакта, должна оказаться близкой к сопротивлению мате­риала срезу.

Двучленный закон трения, основанный на использовании моле­кулярных представлений о внешнем трении, предложен Дерягиным

[13.1] в виде

F = f(N+аа5ф).

где аа — сила молекулярного притяжения, действующая на единич­ной площади фактического контакта (удельная сила адгезии).

Рассматривая силу трения как сопротивление материала сдви­гу, что вытекает из экспериментальных данных, Епифанов получил двучленный закон трения, отличающийся от закона Дерягина:

JF 'to S —j - kN,

где то — прочность на сдвиг при нормальном напряжении, равном нулю; 5 — площадь сдвига и k — константа. Хотя между выраже­ниями (13.3) и (13.4) для двучленного закона трения имеется фор­мальное сходство, физическое содержание этих выражений суще­ственно отличается.

В общем случае под внешним трением двух твердых тел следует понимать воспроизводимое разрушение молекулярных связей меж­ду поверхностями или в тонких поверхностных слоях данных тел

[13.4] . При этом под воспроизводимым разрушением понимается такой процесс, при котором происходит непрерывное разрушение микроконтактов и молекулярных связей в одних местах и восста­новление в других. Этот процесс является по своей природе статис­тическим. При установившемся трении скольжения среднее число разрушенных связей в каждый момент времени равно среднему числу вновь образованных.

Можно считать, что внешнее трение полимеров представляет собой диссипативный энергетический процесс, приводящий к раз­рушению и износу поверхностных слоев твердых тел. Все до сих пор сказанное имеет общее значение для твердых тел любой при­роды, включая и твердые полимеры (пластмассы). Сила трения полимеров, находящихся в стеклообразном и высокоэластическом состояниях, также имеет адгезионный и гистеризисный компоненты (механические потери). Адгезионная составляющая отражает по­верхностный эффект, обусловленный молекулярно-кинетическими процессами, а гистеризисная связана с объемными процессами де­формирования микровыступов. Проявление адгезионного механиз­ма трения в случае гладкой поверхности и в случае шероховатой поверхности приводит к существенно разным результатам. При скольжении полимера по твердой поверхности с четкой макрострук­турой с большой скоростью в сухих условиях появляются и адгези­онная, и гистерезисная составляющие.

В зоне контакта эластомера при определенных условиях сколь­жения возникают так называемые волны отделения, представляю­щие собой складки на его поверхности, обусловленные вспучивани­ем. Эти волны перемещаются под прямым углом к направлению скорости скольжения и в том же направлении, в котором переме­щается эластомер относительно подложки. Между волнами вслед­ствие молекулярно-кинетических скачкообразных перескоков дейст­вуют силы адгезии. Из-за микроскопической неровности поверхно­сти перемещение волн отделения сопровождается гистерезисными потерями.

По мере уменьшения шероховатости твердой подложки при данной скорости скольжения отчетливо проявляется эффект повы­шения жесткости эластомеров. При этом жесткость в условиях постоянства температуры изменяется из-за изменения частоты де­формирования выступов поверхности твердой подложки при их встрече в процесс скольжения. На температурных зависимостях коэффициента трения скольжения (при постоянных частоте или ско­рости скольжения), как и на его зависимостях от скорости сколь­жения (при постоянной температуре), возникают в основ­ном два максимума, имеющих релаксационную природу. Один из них — (при скоростях скольжения v порядка 10 м/с) обуслов­лен адгезией, а второй (при и = 40-У-60 м/с) имеет гистерезисную природу.

Таким образом, все существующие теоретические подходы к трению твердых тел можно разделить на четыре группы.

1. Согласно г е о м е т р и ч е с к и м теориям, трение объясня­ется за счет подъема одной из пар трения по неровностям, как по наклонным микроплоскостям (эта точка зрения существовала в эпоху развития механики абсолютно твердых тел). На самом же деле тела обычно неоднородны по твердости, поэтому неровности более твердого тела внедряются в более мягкое тело и деформиру­ют его поверхностный слой.

2. Адгезионные теории объясняют трение молекулярным взаимодействием на площадках фактического контакта. Из этой группы теорий трения можно назвать теорию Томлинсона (1929), молекулярную теорию Дерягина [13.1] (1934) и теорию Боудена и Тейбора [13.2] (1933). К этой же группе можно отнести молеку­лярно-кинетическую теорию трения высокоэластических материа­лов Бартенева [10] (1954). Для твердых тел, находящихся в сцеп­лении, адгезионный механизм трения может быть связан как с рас­сеянием упругой энергии на молекулярных шероховатостях, так и с разрушением мостиков сварки.

3. Деформационные теории объясняют трение как ре­зультат работы, затрачиваемой на деформирование некоторого объема, связанного со Взаимным внедрением выступов контактиру­ющих тел.

4. Последняя группа теорий может быть названа комбини­рованными, ибо они учитывают и адгезию, и деформацию по­верхностных слоев. К этой группе, в частности, относится теория Крагельского, успешно развивающаяся и в настоящее время [13.5].

Следовательно, можно констатировать, что природа трения в общем случае двойственная: адгезионно-деформационная (или мо­лекулярно-механическая) .

При изучении внешнего трения твердых тел важно правильно оценивать площадь фактического контакта Бф, зависящую от меха­нических свойств фрикционной пары, шероховатости поверхностей и силы нормального давления. Первые методы расчета 5ф были основаны на моделировании макронеоднородностей поверхности каким-либо одним видом геометрической фигуры (шар, конус, эл­липсоид и др.) и на предположении, что деформация совокупности локальных контактов при выбранной модели является либо чисто упругой, либо пластической, либо упругопластической [13.3].

В 1940 г. Журавлевым был предложен метод расчета S$, в ос­нову которого он положил идею моделирования шероховатости по­верхности набором сфер одного и того же радиуса. Так как число контактирующих выступов увеличивается по мере углубления в ше­роховатую поверхность по линейному закону, при расчете площади фактического контакта предварительно определялась вероятность встречи двух микровыступов.

В 1943 г. Крагельский рассмотрел задачу о контактировании двух упругих тел с шероховатыми поверхностями, моделируя эти микронеровности набором бесконечно тонких стерженьков конеч­ной длины.

В 1946 г. Щедров получил расчетную формулу фактической пло - тцади упругого контакта двух сопряженных поверхностей с учетом волнистости и шероховатости на базе сферической модели поверх­ности.

В 1958 г. Ильченко рассмотрел пирамидальную модель. При этом микронеровности моделировались усеченными пирамидами, окончания которых представляли собой шаровые сегменты. Исполь­зуя методы суммирования по микроплощадкам и определения ве­роятного числа контактов, он получил расчетную формулу для упругопластического контакта двух поверхностей одинаковых ви­дов обработки.

Расчет для чисто упругого процесса контактирования двух сфер был сделан Арчардом в 1959 г. В основу этого расчета было поло­жено оригинальное моделирование сфер: малые сферы одного и того же радиуса располагаются на одной сфере большого радиуса с определенной плотностью.

Все существующие методы экспериментального определения 5ф можно разделить на две основные группы: косвенные методы опре­деления iS<|> как после снятия нагрузки, так и под нагрузкой, пря­мые методы измерения 5ф под нагрузкой. Из косвенных методов следует выделить следующие:

а) метод замера электропроводности контакта, впервые приме­ненный Боуденом и Тейбором в 1939 г.;

б) метод измерения 5ф с помощью переноса фиксированного ве­щества (например, краски) в местах контакта с одной поверхности на другую. Точность замера при этом зависит от толщины слоя краски, ее качества и т. д.;

в) метод измерения теплопроводности через контакт двух ме­таллов для расчета 5ф*,

г) метод измерения сближения контактирующих поверхностей.

Большее практическое значение имеют прямые методы, к кото­рым, в частности, могут быть отнесены оптические методы. Они основаны на том, что один из контактирующих образцов или даже оба изготовляются из прозрачного материала, сквозь который фик­сируется площадь контакта.

Метод, при котором одна, из контактирующих поверхностей прозрачна, а другая — нет, носит название метода Меха у (впервые он применен в 1939 г., а в дальнейшем был существенно усовершенствован). Он основан на контактировании поверхности непрозрачного тела с треугольной стеклянной призмой. На контак­тирующую грань призмы (через призму) направляется параллель­ный пучок света так, что происходит его полное внутреннее отра­жение. В местах контакта полное внутреннее отражение наруша­ется и в отраженном свете можно видеть точки соприкосновения тела с гранью призмы.

Оптический метод для определения 5ф в случае, когда контакти­руют два прозрачных тела, был предложен Крагельским и Швецо­вой. В основу метода положены явления преломления и рассеяния света при прохождении световых лучей из одной среды в другую. При прохождении через два контактирующих образца лучи света идут в точках контакта без преломления (если контактирующие пары оптически однородны), а в тех местах, где контакт отсутству­ет, свет рассеивается. Вследствие этого в проходящем свете контак­тирующие точки видны в виде ярко светящихся пятен на сером фоне.

Используется также метод оценки степени контактирования тел, основанный на наблюдении фазового контраста. Сущность его за­ключается в том, что при контактировании шероховатой поверхно­сти с полированной пластиной, покрытой тончайшей серебряной пленкой, в местах контакта пленка и стекло незначительно дефор­мируются. Пленку через стекло рассматривают в микроскоп и, при­меняя метод фазового контраста, фиксируют пятна и их размер. Недостатком этого метода является невозможность его применения к движущимся сопряженным поверхностям.

Согласно теории Боудена и Тейбора, сила трения двух твердых поверхностей обусловлена срезом мостиков сварки, образовавшихся в вершинах неровностей в результате сильной адгезии. При малых нагрузках, когда фактическое нормальное давление рф меньше пре­дела их текучести при сжатии, происходит упругая деформация. Так как площадь фактического контакта мала, уже при весьма ма­лых нагрузках в большинстве пятен контакта достигается предел текучести. В этих и во вновь образованных пятнах, где фактическое нормальное давление превысит предел текучести, при дальнейшем увеличении нагрузки будет происходить пластическое сжатие. При этом рф уже не превышает предела текучести а (т. е. рф<о).

Среднее фактическое давление можно рассматривать как посто­янную материала, равную пределу текучести а. Вследствие этого с увеличением силы N нормального давления главным образом уве­личивается 5ф: Ы=о8ф. В результате сила трения

t = N — , (13.5)

<Г С

где т — сопротивление срезу, а а — предел текучести. Значение со­противления срезу, полученное из уравнения (13.5), обычно бывает больше непосредственно измеренного. Это обусловлено тем, что срез при трении происходит по площади, обычно в несколько раз превышающей суммарную площадь мест схватывания при статиче­ском контакте и определяемой из отношения 5ф = Л^/а.

Процесс постепенного изменения размеров детали, происходя­щий при трении, называется их износом. Результат износа прояв­ляется в виде изменения размеров детали по поверхности трения, а свойство материала оказывать сопротивление износу в определен­ных условиях эксплуатации или испытания называется износостой­костью. Основные критерии износа материалов и формулы для оценки их износостойкости рассмотрены Крагельским.

Одним из часто применяемых способов определения износа де­талей небольшого веса является взвешивание их до и после испыта­ния. Получил применение и радиометрический метод определения скорости изнашивания с помощью радиоактивных изотопов (метод меченых атомов). Идея радиометрического метода основана на том, что при введении в материал детали (износ которой изучают) ра­диоактивного изотопа вместе с продуктами износа будет отделяться пропорциональное им количество атомов радиоактивного изотопа и по интенсивности их излучения можно судить об износе материа­ла.

В случае гладкой поверхности появление «волн отделения» приводит к износу полимера посредством скатывания его поверх­ностного слоя, тогда как в случае шероховатой поверхности имеет место преимущественно абразивный износ [13.5]. В случае гистере- зисного механизма внешнего трения (т. е. при наличии механиче­ских потерь) при деформации шероховатостей наблюдается уста­лостный износ полихмеров. Следует отметить, что последний вид износа не является интенсивным как абразивный и изделие из по­лимера сохраняет работоспособность в течение длительного време­ни. Абразивный износ является весьма интенсивным, и полимер быстро теряет свою работоспособность. Когда полимер перемеща­ется по грубой шероховатой поверхности, то адгезия и гистерезис приводят соответственно к абразивному и усталостному износу. Для эластомеров с повышенными твердостью и сопротивлением раздиру «волны отделения» и износ посредством скатывания не имеют места. На температурных и временных зависимостях макси­мумы силы трения соответствуют минимумам износа (или истира­ния) полимеров.

Общим для адгезионных и гистерезисных процессов внешнего трения и износа является их вязкоупругая природа. Однако между ними имеется и отличие: вязкоупругая природа адгезий, связанной с молекулярно-кинетическими процессами, проявляется на микро­скопическом, а вязкоупругая природа гистерезиса — на макроско­пическом уровнях.