Полученная экспериментально зависимость силы трения эласто­мера по стали в вакууме и атмосфере от температуры состоит из

трех участков (см. рис. 13.5), соответст­вующих высокоэластическому состоянию III, переходной области II и стеклообраз­ному состоянию /. При высоких темпера­турах на участке АВ сила трения с пони­жением температуры возрастает, дости­гая левее точки В максимума. На участке

Рис. 13.12. Зависимость силы трения эласто­мера на основе НК по гладкой стальной поверх­ности в вакууме (сплошная кривая) и в атмо­сфере (пунктирная кривая) от температуры

II сила трения при переходе из высокоэластического состояния в стеклообразное падает и затем на участке III в стеклооб! разном сос­тоянии проходит через небольшой максимум, т. е. температурная зависимость силы трения характеризуется двумя максимумами: ос­новным и низкотемпературным. Отклонение силы трения при низ­ких температурах (ниже Гк) от прямой ВС объясняется главньм образом уменьшением Бф вследствие постепенного перехода поли­мера в стеклообразное состояние.

При переходе из высокоэластического состояния в стеклообраз­ное происходит замена одного молекулярного механизма трения другим. В стеклообразном состоянии сила трения образуется из вкладов взаимосвязанных адгезионной и объемно-механической составляющих. Чем больше адгезионная составляющая, тем боль­ше и объемно-механические потери, которые связаны с внутренним трением в самом полимере. Низкотемпературный максимум при температуре Тм2 существенно связан с механическими потерями в самом полимере, так как при многократных деформациях, при этой же температуре наблюдается максимум потерь, связанный с замораживанием подвижности малых участков полимерных це­пей. При исследовании фрикционных свойств эластомеров в атмос­фере при повышенных температурах на кривой F=f(T) (рис. 13.12) появляется еще высокотемпературный максимум, связанный с ин­тенсификацией процессов окисления поверхностных слоев.

Все некристаллические полимеры дают температурную зависи­мость силы трения, аналогичную приведенной. Смещение этой за­висимости по шкале температур вправо или влево обусловлено поло­жением области стеклования того или иного полимера. Следова­тельно, адгезионный механизм трения эластомеров связывается с рассеянием энергии при многократных деформациях полимерных цепей, частично выходящих на поверхность в процессе непрерывно­го разрушения и восстановления физических связей между поли­мерными цепями и твердой гладкой поверхностью.

Природа трения полимеров в высокоэластическом состоянии — молекулярно-кинетическая; она связана главным образом с меха­ническими потерями в поверхностном мономолекулярном слое по­лимера. Механические потери в объемах шероховатостей самого полимера не столь существенны. Молекулярный механизм трения полимеров в высокоэластическом состоянии (состоящих из гибких линейных молекул, связанных в пространственную сетку и находя­щихся в интенсивном тепловом движении) заключается в следую­щем. Под действием теплового движения цепи полимера непрерыв­но изменяют свою конформацию, а те из них, которые выходят на поверхность полимера, могут сцепляться с твердой поверхностью металла. Участки макромолекул находятся в контакте с твердой поверхностью ограниченное время, а затем совершают перескок в новое место контакта, преодолевая молекулярные силы сцепления с твердой поверхностью. Если тангенциальная сила равна нулю, то цепи находятся в ненапряженном состоянии и перескоки цепей рав­новероятны по всем направлениям поверхности. Если тангенциаль­ная сила отлична от нуля, то вероятность перескоков максимальна* в направлении тангенциальной силы и минимальна в противопо­ложном направлении. При установившемся скольжении тангенци­альная сила равна направленной в противоположную сторону силе трения.

Таким образом, в высокоэластическом состоянии механические потери в самом полимере дают весьма малый вклад в силу трения,, которая в основном определяется рассеянием энергии в поверхно­стном молекулярном слое при многократных деформациях поверх­ностных полимерных цепей в процессе непрерывного разрушения и восстановления ван-дер-ваальсовых связей между полимерными цепями и твердой поверхностью металла, т. е. адгезионной состав­ляющей силы трения, определяемой из молекулярно-кинетической теории трения по уравнению вида

F= ЛШл ■ ln-^-, (13.31)

X X v

где U — энергия активации процесса трения; К — средняя длина перескока цепи из одного равновесного положения в другое; Ук — число цепей, находящихся в контакте; v0 — константа и и— ско­рость скольжения.

Основной расчетной величиной, характеризующей фрикционные свойства эластомеров, является коэффициент трения f=F[N. Клас­

сическое понимание статического коэффициента трении не может быть распространено на трение между резиной и другими твердыми телами. Можно лишь говорить об условном статическом трении как инженерной характеристике резины, относя его к предельно малой скорости процесса. Это оправдывается тем, что при малых танген­циальных силах скольжением резины практически можно /пре­небречь как «вековым» процессом. Условность статического трения ярко проявляется в зависимости этой величины от температуры и скорости приложения тангенциальной силы.

Начальное трение по своей природе является кинетическим, в связи с чем наблюдается зависимость его от скорости нарастания тангенциальной силы. Учитывая это, начальное трение нельзя отождествлять со статическим трением, под которым понимается наличие на контакте двух поверхностей рубежной силы, ниже ко­торой скольжение не наблюдается сколь угодно долго.

Исследование Тирионом сухого трения резины и Денни — трения полимеров со смазкой показали, что законы трения высокоэласти­ческих материалов со смазкой и без смазки одинаковы, но коэффи­циенты трения отличаются как по значению, так и по физической природе. Бартеневым [10] был предложен закон трения высоко­эластических материалов в следующем виде:

F = cS„ а° + а/Д (13.32)

1 + ар

где p=N/SH — нормальное давление; Sn — номинальная площадь контакта; а — постоянная, по размерности обратно пропорциональ­ная статическому модулю сжатия резины; с и а — константы, зави­сящие от температуры и скорости скольжения. При малых нагруз­ках эта формула переходит в двучленную формулу Кулона, а при больших принимает вид формулы Тириона — Денни

_L(13.33)

f ас с

Из приведенных на рис. 13.13 зависимостей обратного коэффи­циента трения резины от нагрузки при двух температурах следует, что в области больших давлений проявляется линейность, свиде­тельствующая о применимости формулы (13.33).