Tribology

Трибология — это наука и техника, изучающая трение, смазку и износ взаимодействующих поверхностей в относительном движении. Она в высшей степени междисциплинарна и опирается на многие академические области, включая физику, химию, материаловедение, математику, биологию и инженерию. Основными объектами изучения трибологии являются трибосистемы, которые являются физическими системами контактирующих поверхностей. Подразделы трибологии включают биотрибологию, нанотрибологию и космическую трибологию. Она также связана с другими областями, такими как связь коррозии и трибологии в трибокоррозии и контактная механика того, как деформируются контактирующие поверхности.
Примерно 20% от общего расхода энергии в мире обусловлено воздействием трения и износа в транспортном, производственном, энергетическом и жилом секторах.

В этом разделе будет представлен обзор трибологии со ссылками на многие более специализированные области.

Этимология

Слово трибология происходит от греческого корня τριβ- глагола τρίβω, tribo, «я тру» на классическом греческом языке, и суффикса -logy от -λογία, -logia «изучение», «знание». Питер Йост ввел это слово в 1966 году в одноименном отчете, в котором подчеркивалась стоимость трения, износа и коррозии для экономики Великобритании.

История

История ранних веков

Несмотря на сравнительно недавнее название области трибологии, количественные исследования трения можно проследить еще до 1493 года, когда Леонардо да Винчи впервые отметил два фундаментальных «закона» трения. По словам Леонардо, сопротивление трения было одинаковым для двух разных объектов одинакового веса, но соприкасающихся по разной ширине и длине. Он также заметил, что сила, необходимая для преодоления трения, удваивается с удвоением веса. Однако выводы Леонардо остались неопубликованными в его записных книжках.

Два основных «закона» трения были впервые опубликованы (в 1699 году) Гийомом Амонтоном, с именем которого они теперь обычно ассоциируются. Они утверждают, что:

Хотя эти простые утверждения не являются универсально применимыми, они справедливы для удивительно широкого спектра систем. Эти законы были далее развиты Шарлем-Огюстеном де Кулоном (в 1785 году), который заметил, что сила трения покоя может зависеть от времени контакта, а трение скольжения (кинетическое) может зависеть от скорости скольжения, нормальной силы и площади контакта.

В 1798 году Чарльз Хэтчетт и Генри Кавендиш провели первый надежный тест на износ трением. В исследовании, заказанном Тайным советом Великобритании, они использовали простую возвратно-поступательную машину для оценки скорости износа золотых монет. Они обнаружили, что монеты с зернистостью между ними изнашивались быстрее, чем самосопряженные монеты. В 1860 году Теодор Рейе[a] предложил гипотезу Рейе [it]. В 1953 году Джон Фредерик Арчард разработал уравнение Арчарда, которое описывает износ скольжения и основано на теории контакта неровностей.

Другими пионерами трибологических исследований являются австралийский физик Фрэнк Филип Боуден и британский физик Дэвид Тейбор, оба из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Вместе они написали основополагающий учебник Трение и смазка твердых тел (часть I первоначально была опубликована в 1950 году, а часть II — в 1964 году). Майкл Дж. Нил был еще одним лидером в этой области в середине-конце 1900-х годов. Он специализировался на решении задач проектирования машин, применяя свои знания трибологии. Нила уважали как педагога, обладавшего даром объединять теоретическую работу со своим собственным практическим опытом для создания простых для понимания руководств по проектированию. Справочник по трибологии, который он впервые отредактировал в 1973 году и обновил в 1995 году, до сих пор используется во всем мире и составляет основу многочисленных учебных курсов для инженеров-проектировщиков.

Дункан Доусон рассмотрел историю трибологии в своей книге 1997 года История трибологии (2-е издание). Она охватывает развитие от доисторических времен до ранних цивилизаций (Месопотамия, Древний Египет) и освещает ключевые события вплоть до конца двадцатого века.

Отчет Йоста

Термин трибология стал широко использоваться после публикации Доклада Йоста в 1966 году. В докладе подчеркивалась огромная стоимость трения, износа и коррозии для экономики Великобритании (1,1–1,4% ВВП). В результате правительство Великобритании создало несколько национальных центров для решения трибологических проблем. С тех пор этот термин распространился в международном сообществе, и многие специалисты теперь называют себя «трибологами».

Значение

Несмотря на значительные исследования после отчета Йоста, глобальное влияние трения и износа на потребление энергии, экономические расходы и выбросы углекислого газа по-прежнему значительно. В 2017 году Кеннет Холмберг и Али Эрдемир попытались количественно оценить их влияние во всем мире. Они рассмотрели четыре основных сектора потребления энергии: транспорт, производство, электроэнергетика и жилой сектор. Были сделаны следующие выводы:

Классическая трибология, охватывающая такие приложения, как шарикоподшипники, зубчатые передачи, сцепления, тормоза и т. д., развивалась в контексте машиностроения. Но в последние десятилетия трибология расширилась до качественно новых областей применения, в частности микро- и нанотехнологий, а также биологии и медицины.

Фундаментальные концепции

Трибосистема

Концепция трибосистем используется для предоставления детальной оценки соответствующих входов, выходов и потерь в трибологических системах. Знание этих параметров позволяет трибологам разрабатывать процедуры испытаний для трибологических систем.

Трибофильм

Трибопленки — это тонкие пленки, которые образуются на поверхностях, подверженных трибологическому напряжению. Они играют важную роль в снижении трения и износа в трибологических системах.

Кривая Стрибека

Кривая Штрибека показывает, как трение в контактах, смазываемых жидкостью, является нелинейной функцией вязкости смазки, скорости увлечения и контактной нагрузки.

Физика

Трение

Слово трение происходит от латинского «frictionem», что означает трение. Этот термин используется для описания всех тех диссипативных явлений, которые способны производить тепло и препятствовать относительному движению между двумя поверхностями. Существует два основных типа трения:

Static friction

Which occurs between surfaces in a fixed state, or relatively stationary.

Dynamic friction

Which occurs between surfaces in relative motion.

Изучение явлений трения является преимущественно эмпирическим исследованием и не позволяет достичь точных результатов, а только полезных приблизительных выводов. Эта невозможность получения определенного результата обусловлена ​​чрезвычайной сложностью явления. При более пристальном его изучении оно представляет новые элементы, которые, в свою очередь, делают глобальное описание еще более сложным.

Законы трения

Все теории и исследования трения можно свести к трем основным законам, которые справедливы в большинстве случаев:

First Law of Amontons

The frictional force is directly proportional to the normal load.

Second Law of Amontons

Friction is independent of the apparent area of contact.

Third Law of Coulomb

Dynamic friction is independent of the relative sliding speed.

Позже Кулон обнаружил в некоторых случаях отклонения от законов Амонтона. В системах со значительными неоднородными полями напряжений законы Амонтона не выполняются макроскопически, поскольку локальное скольжение происходит раньше, чем скольжение всей системы.

Статическое трение

Рассмотрим брусок определенной массы m, помещенный в спокойное положение на горизонтальной плоскости. Если вы хотите переместить блок, необходимо применить внешнюю силу ${\displaystyle {\vec {F}}_{out}}$, таким образом, мы наблюдаем определенное сопротивление движению, оказываемое силой, равной и противоположной приложенной силе, которая является как раз силой трения покоя ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$.

Постоянно увеличивая приложенную силу, мы получаем такое значение, при котором блок мгновенно начинает двигаться. На этом этапе, также принимая во внимание первые два закона трения, указанные выше, можно определить силу трения покоя как силу, равную по модулю минимальной силе, необходимой для того, чтобы вызвать движение блока, а коэффициент трения покоя ${\displaystyle \mu }$ как отношение силы трения покоя ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$. и нормальная сила в блоке ${\displaystyle {\vec {N}}}$, получая$${\displaystyle {\left|{\vec {F}}_{s.f.}\right|}\leq \mu {\left|{\vec {N}}\right|}}$$

Динамическое трение

После того, как блок приведен в движение, на него действует сила трения с меньшей интенсивностью, чем сила трения покоя ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$. Сила трения во время относительного движения известна как динамическая сила трения ${\displaystyle {\vec {F}}_{d.f.}}$. В этом случае необходимо учитывать не только первые два закона Амонтона, но и закон Кулона, чтобы иметь возможность утверждать, что соотношение между динамической силой трения ${\displaystyle {\vec {F}}_{d.f.}}$, коэффициент динамического трения k и нормальная сила N следующие:$${\displaystyle \left|{\vec {F}}_{d.f.}\right|=k{\left|{\vec {N}}\right|}}$$

Коэффициент статического и динамического трения

На этом этапе можно суммировать основные свойства коэффициентов статического трения ${\displaystyle \mu }$ и динамического ${\displaystyle k}$.

Эти коэффициенты представляют собой безразмерные величины, определяемые соотношением интенсивности силы трения ${\displaystyle {\vec {F}}_{f}}$и интенсивность приложенной нагрузки ${\displaystyle {\vec {W}}}$, в зависимости от типа поверхностей, участвующих во взаимном контакте, и в любом случае всегда действует условие: ${\displaystyle \mu >k}$.

Обычно значение обоих коэффициентов не превышает единицы и может считаться постоянным лишь в определенных диапазонах сил и скоростей, за пределами которых возникают экстремальные условия, изменяющие эти коэффициенты и переменные.

В системах со значительными неоднородными полями напряжений макроскопический коэффициент статического трения зависит от внешнего давления, размера или формы системы, поскольку локальное скольжение происходит до того, как система начнет скользить.

В следующей таблице приведены значения коэффициентов статического и динамического трения для распространенных материалов:

Трение качения

В случае тел, способных катиться, существует особый вид трения, при котором не возникает явления скольжения, характерного для динамического трения, но существует также сила, противодействующая движению, что исключает также случай статического трения. трение. Этот вид трения называется трением качения. Теперь мы хотим подробно наблюдать, что происходит с колесом, катящимся по горизонтальной плоскости. Первоначально колесо неподвижно, и силы, действующие на него, представляют собой силу веса ${\displaystyle m{\vec {g}}}$ и нормальная сила ${\displaystyle {\vec {N}}}$задается реакцией на вес пола.

В этот момент колесо приводится в движение, вызывая смещение в точке приложения нормальной силы, которая теперь приложена перед центром колеса, на расстояние b, которое равно значению коэффициента трения качения. Противодействие движению вызвано разделением нормальной силы и силы веса именно в тот момент, когда начинается вращение, поэтому значение крутящего момента, создаваемого силой трения качения, составляет $${\displaystyle {{\vec {M}}_{r.f.}}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}}$$То, что происходит на микроскопическом уровне между колесом и опорной поверхностью, описано на рисунке, где можно наблюдать, как ведут себя силы реакции деформируемой плоскости, действующие на неподвижное колесо.

Непрерывное вращение колеса вызывает незаметные деформации плоскости, и после перехода в следующую точку плоскость возвращается в исходное состояние. В фазе сжатия плоскость противодействует движению колеса, а в фазе декомпрессии она вносит положительный вклад в движение.

Сила трения качения зависит, таким образом, от малых деформаций, испытываемых опорной поверхностью и самим колесом, и может быть выражена как ${\displaystyle |{\vec {F}}_{r}|=b|{\vec {N}}|}$, где можно выразить b относительно коэффициента трения скольжения ${\displaystyle \mu }$ как ${\textstyle b={\mu v \over r}}$, где r — радиус колеса.

Поверхности

Идя еще глубже, можно изучить не только самую внешнюю поверхность металла, но и непосредственно более внутренние состояния, связанные с историей металла, его составом и процессами изготовления последнего.

металл можно разделить на четыре различных слоя:

Слой оксидов и примесей (третье тело) имеет фундаментальное трибологическое значение, фактически он обычно способствует снижению трения. Другим фактом фундаментальной важности относительно оксидов является то, что если бы вы могли очистить и выровнять поверхность, чтобы получить чистую «металлическую поверхность», то мы бы наблюдали объединение двух поверхностей в контакте. Фактически, при отсутствии тонких слоев загрязняющих веществ атомы рассматриваемого металла не способны отличить одно тело от другого, таким образом, образуя единое тело при контакте.

Происхождение трения

Контакт между поверхностями состоит из большого количества микроскопических областей, в литературе называемых выступами или контактными соединениями, где происходит контакт атома с атомом. Явление трения, а следовательно, и рассеивания энергии, обусловлено именно деформациями, которые такие области претерпевают из-за нагрузки и относительного движения. Пластические, упругие или разрывные деформации могут наблюдаться:

Энергия, рассеиваемая во время этого явления, преобразуется в тепло, тем самым повышая температуру соприкасающихся поверхностей. Повышение температуры зависит также от относительной скорости и шероховатости материала, оно может быть настолько большим, что может привести даже к расплавлению участвующих материалов.

В явлениях трения температура имеет основополагающее значение во многих областях применения. Например, повышение температуры может привести к резкому снижению коэффициента трения, а следовательно, и эффективности тормозов.

Теория сплоченности

Теория адгезии утверждает, что в случае сферических неровностей, соприкасающихся друг с другом, подвергающихся воздействию ${\displaystyle {\vec {W}}}$ Под действием нагрузки наблюдается деформация, которая по мере увеличения нагрузки переходит из упругой в пластическую. Это явление включает в себя увеличение реальной площади контакта ${\displaystyle A_{r}}$, которое по этой причине можно выразить как:$${\displaystyle A_{r}={{\vec {W}} \over D}}$$где D — твердость материала, определяемая как приложенная нагрузка, деленная на площадь контактной поверхности.

Если в этой точке две поверхности скользят между собой, то наблюдается сопротивление сдвиговому напряжению t, обусловленное наличием адгезионных связей, которые были созданы именно из-за пластических деформаций, и поэтому сила трения будет определяться выражением$${\displaystyle {\vec {F}}_{a}=A_{r}{\vec {t}}}$$На этом этапе, поскольку коэффициент трения представляет собой отношение интенсивности силы трения к интенсивности приложенной нагрузки, можно утверждать, что$${\displaystyle \mu ={t \over D}}$$таким образом, соотносясь с двумя свойствами материала: прочностью на сдвиг t и твердостью. Для получения низких значений коэффициентов трения ${\displaystyle \mu }$ можно прибегнуть к материалам, которые требуют меньшего напряжения сдвига, но которые также очень твердые. В случае смазочных материалов, по сути, мы используем подложку из материала с низким напряжением резания t, помещенную на очень твердый материал.

Сила, действующая между двумя соприкасающимися твердыми телами, будет иметь не только нормальные компоненты, как предполагалось до сих пор, но также и тангенциальные компоненты. Это еще больше усложняет описание взаимодействия шероховатостей, поскольку из-за этой тангенциальной компоненты пластическая деформация идет с меньшей нагрузкой, чем при игнорировании этой компоненты. Более реалистичное описание площади каждого отдельного созданного соединения дается следующим образом:$${\displaystyle {A_{i}}^{2}=\left({\frac {{\vec {W}}_{i}}{D}}\right)^{2}+\alpha \left({\frac {{\vec {F}}_{i}}{D}}\right)^{2}}$$с ${\displaystyle \alpha }$ константа и «касательная» сила ${\displaystyle {\vec {F}}_{i}}$ применяется к суставу.

Чтобы получить еще более реалистичные соображения, следует также учитывать явление третьего тела, то есть наличие посторонних материалов, таких как влага, оксиды или смазочные материалы, между двумя контактирующими твердыми телами. Затем вводится коэффициент c, который позволяет соотнести прочность на сдвиг t чистого «материала» и третьего тела ${\displaystyle t_{t.b.}}$$${\displaystyle t=c\cdot t_{t.b.}}$$с 0 < c < 1.

Изучая поведение в пределах, можно обнаружить, что для c = 0, t = 0 и для c = 1 оно возвращается к состоянию при котором поверхности непосредственно соприкасаются и отсутствует присутствие третьего тела. Учитывая только что сказанное, можно исправить формулу коэффициента трения следующим образом:$${\displaystyle \mu ={\frac {c}{[\alpha (1-c^{2})]^{1/2}}}}$$В заключение, случай взаимодействия упругих тел друг с другом считается.

Аналогично тому, что мы только что видели, можно определить уравнение типа$${\displaystyle A=K{\vec {W}}}$$где в данном случае K зависит от упругих свойств материалов. Также для упругих тел касательная сила зависит от коэффициента c, показанного выше, и она будет равна$${\displaystyle {\vec {F}}_{T}=cAs}$$и, следовательно, можно получить достаточно исчерпывающее описание коэффициента трения$${\displaystyle \mu =cKs}$$

Измерения трения

Самый простой и непосредственный метод оценки коэффициента трения двух поверхностей — это использование наклонной плоскости, по которой скользит блок материала. Как видно на рисунке, нормальная сила плоскости задается стилем ${\displaystyle mg\cos \theta }$, а сила трения равна ${\displaystyle mg\sin \theta }$. Это позволяет нам утверждать, что коэффициент трения можно очень легко вычислить с помощью тангенса угла, под которым брусок начинает скользить. На самом деле у нас есть $${\displaystyle \mu ={F_{a} \over N}={mg\sin \theta \over mg\cos \theta }={\sin \theta \over \cos \theta }=\tan \theta }$$ Затем от наклонной плоскости мы перешли к более сложным системам, которые позволяют нам учитывать все возможные условия окружающей среды, в которых проводятся измерения, например, машина с перекрестными роликами или машина со штифтом и диском. Сегодня существуют цифровые машины, такие как «Тестер трения», которые позволяют с помощью программного обеспечения вводить все необходимые переменные. Еще одним широко используемым процессом является испытание на сжатие колец. Плоское кольцо из исследуемого материала пластически деформируют с помощью пресса, если деформация представляет собой расширение как внутреннего, так и внешнего круга, то коэффициенты трения будут низкими или нулевыми. В противном случае при деформации, которая расширяется только во внутренней окружности, коэффициенты трения будут возрастать.

Смазка

Чтобы уменьшить трение между поверхностями и контролировать износ, используются материалы, называемые смазками. Вопреки тому, что вы могли бы подумать, это не просто масла или жиры, а любые жидкие материалы, характеризующиеся вязкостью, такие как воздух и вода. Конечно, некоторые смазочные материалы подходят больше других, в зависимости от типа использования, для которого они предназначены: например, воздух и вода легкодоступны, но первые можно использовать только в условиях ограниченной нагрузки и скорости, тогда как вторые могут способствовать износу материалов.

То, чего мы пытаемся достичь с помощью этих материалов, — это идеальная жидкая смазка или смазка, при которой можно избежать прямого контакта между рассматриваемыми поверхностями, вставляя между ними смазочную пленку. Для этого есть две возможности, в зависимости от типа применения, затрат на решение и уровня «совершенства» смазки, которого желательно достичь, есть выбор между:

Вязкость

Вязкость эквивалентна трению в жидкостях, по сути, она описывает способность жидкостей противостоять силам, вызывающим изменение формы.

Благодаря исследованиям Ньютона удалось глубже понять явление. Он, по сути, ввел понятие ламинарного течения: «течения, в котором скорость изменяется от слоя к слою». Идеально разделить жидкость между двумя поверхностями (${\displaystyle S_{1}}$, ${\displaystyle S_{2}}$) области A в различных слоях.

Слой, контактирующий с поверхностью << MATH0>>, который движется со скоростью v из-за приложенной силы F, будет иметь ту же скорость, что и v плиты, в то время как каждый следующий слой будет изменять эту скорость величины dv вплоть до слоя, контактирующего с неподвижной поверхностью ${\displaystyle S_{1}}$, который будет иметь нулевую скорость.

Из сказанного можно сделать вывод, что сила F, необходимая для того, чтобы вызвать вращательное движение в жидкости, заключенной между двумя пластинами, пропорциональна площади двух поверхностей и градиенту скорости:$${\displaystyle F\propto A{dv \over dy}}$$На этом этапе мы можем ввести пропорциональную константу ${\displaystyle \mu }$, что соответствует динамическому коэффициенту вязкости жидкости, чтобы получить следующее уравнение, известное как закон Ньютона$${\displaystyle F=\mu A{dv \over dy}}$$Скорость изменяется на одну и ту же величину dv слоя за слоем, а затем выполняется условие, что dv / dy = v / L, где L — расстояние между поверхностями ${\displaystyle S_{1}}$ и ${\displaystyle S_{2}}$, и тогда мы можем упростить уравнение, записав$${\displaystyle F=\mu A{v \over L}}$$Вязкость ${\displaystyle \mu }$ высока в жидкостях, которые сильно противодействуют движению, в то время как она ограничена для жидкостей, которые текут легко.

Чтобы определить, какой тип потока используется в исследовании, мы наблюдаем за его числом Рейнольдса$${\displaystyle Re={{\rho Lv} \over \mu }}$$Это константа, которая зависит от массы жидкости ${\displaystyle \rho }$ жидкости, от ее вязкости ${\displaystyle \mu }$ и от диаметра L трубки, по которой течет жидкость. Если число Рейнольдса относительно мало, то имеет место ламинарный поток, тогда как для < span class="mwe-math-element">${\displaystyle Re\simeq 2000}$< img alt="{\displaystyle Re\simeq 2000}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert Skin-invert" src="https://.org/api /rest_v1/media/math/render/svg/c7335b366de92ffbb9b5cd4a36fba7538cf6a0de" style="vertical-align: -0.338ex; ширина: 10,596ex; height:2.176ex;"/> поток становится турбулентным.

В заключение хотим подчеркнуть, что жидкости можно разделить на два типа по вязкости:

Вязкость как функция температуры и давления

Температура и давление — два основных фактора, которые следует учитывать при выборе смазочного материала вместо другого. Сначала рассмотрите влияние температуры.

Существуют три основные причины изменения температуры, которые могут повлиять на поведение смазочного материала:

Для классификации различных смазочных материалов в зависимости от их вязкости в зависимости от температуры в 1929 году Дин и Дэвис ввели индекс вязкости (ИВ). Они назначили наилучшую доступную на тот момент смазку, а именно нефть из Пенсильвании, индекс вязкости 100, и в худшем случае американскую нефть с побережья Мексиканского залива, значение 0. Для определения значения промежуточного индекса масла используется следующая процедура: выбираются два эталонных масла так, чтобы рассматриваемое масло имело одинаковую вязкость при 100 °C, и для определения индекса вязкости используется следующее уравнение$${\displaystyle V.I.={{L-O_{\text{Test}}} \over {L-H}}\times 100}$$Этот процесс имеет некоторые недостатки:

В случае масел с V.I. выше 100 вы можете использовать другое отношение, которое позволяет вам получить точные результаты$${\displaystyle V.I.={{10^{N-1}} \over {0.00715}}+100}$$$${\displaystyle N={{\operatorname {Log} (H)-\operatorname {Log} (O_{\text{Test}})} \over {\operatorname {Log} (v)}}}$$где в данном случае H — вязкость при 100 °F (38 °C) масла с V.I. = 100, а v — кинематическая вязкость исследуемого масла при 210 °F (99 °C).

Поэтому в заключение можно сказать, что повышение температуры приводит к снижению вязкости масла. Также полезно иметь в виду, что, таким же образом, повышение давления подразумевает увеличение вязкости. Для оценки влияния давления на вязкость используется следующее уравнение$${\displaystyle \mu =\mu _{0}\exp {(\alpha p)}}$$где ${\displaystyle \mu }$ — коэффициент вязкости под давлением p, ${\displaystyle \mu _{0}}$ — коэффициент вязкости при атмосферном давлении, а ${\displaystyle \alpha }$ — константа, описывающая связь между вязкостью и давлением.

Меры вязкости

Для определения вязкости жидкости используются вискозиметры, которые можно разделить на 3 основные категории:

Первые два типа вискозиметров используются в основном для ньютоновских жидкостей, тогда как третий тип весьма универсален.

Носить

Износ — это прогрессирующее непроизвольное удаление материала с поверхности в относительном движении с другой или с жидкостью. Мы можем выделить два различных типа износа: умеренный износ и сильный износ. Первый случай касается низких нагрузок и гладких поверхностей, в то время как второй касается значительно более высоких нагрузок и совместимых и шероховатых поверхностей, на которых процессы износа гораздо более интенсивны. Износ играет фундаментальную роль в трибологических исследованиях, поскольку он вызывает изменения формы компонентов, используемых в конструкции машин (например). Эти изношенные детали должны быть заменены, и это влечет за собой как проблему экономического характера из-за стоимости замены, так и функциональную проблему, поскольку если эти компоненты не будут заменены вовремя, машине в ее комплексе может быть нанесен более серьезный ущерб. Однако это явление имеет не только отрицательные стороны, на самом деле, его часто используют для уменьшения шероховатости некоторых материалов, устраняя неровности. Мы ошибочно склонны представлять износ в прямой корреляции с трением, в действительности эти два явления не могут быть легко связаны. Могут быть такие условия, что низкое трение может привести к значительному износу и наоборот. Для того чтобы это явление произошло, требуются определенные сроки реализации, которые могут меняться в зависимости от некоторых переменных, таких как нагрузка, скорость, смазка и условия окружающей среды, а также существуют различные механизмы износа, которые могут возникать одновременно или даже в сочетании друг с другом:

Адгезивный износ

Как известно, контакт между двумя поверхностями происходит посредством взаимодействия между неровностями. Если в области контакта приложить сдвигающее усилие, то может быть возможным отрыв небольшой части более слабого материала из-за его адгезии к более твердой поверхности. Описан именно механизм адгезионного износа, представленный на рисунке. Этот тип износа весьма проблематичен, поскольку он предполагает высокие скорости износа, но в то же время можно уменьшить адгезию, увеличив шероховатость поверхности и твердость вовлеченных поверхностей или внедрив слои загрязняющих веществ, таких как кислород, оксиды, вода или масла. В заключение, поведение объема адгезионного износа можно описать с помощью трех основных законов

Law 1 – Distance

The mass involved in wear is proportional to the distance traveled in the rubbing between the surfaces.

Law 2 – Load

The mass involved in wear is proportional to the applied load.

Law 3 – Hardness

The mass involved in wear is inversely proportional to the hardness of the less hard material.

Важным аспектом износа является выброс частиц износа в окружающую среду, что все больше угрожает здоровью человека и экологии. Первым исследователем, который исследовал эту тему, был Эрнест Рабинович.

Абразивный износ

Абразивный износ состоит из режущего усилия твердых поверхностей, которые воздействуют на более мягкие поверхности, и может быть вызван либо шероховатостью, которая, как наконечники, срезают материал, о который они трутся (двухкомпонентный абразивный износ), либо частицами твердого материала, которые вклиниваются между двумя поверхностями в относительном движении (трехкомпонентный абразивный износ). На уровнях применения двухкомпонентный износ легко устраняется посредством адекватной обработки поверхности, в то время как трехкомпонентный износ может вызвать серьезные проблемы и поэтому должен быть максимально устранен посредством соответствующих фильтров, даже до конструкции машины с утяжелением.

Усталостный износ

Усталостный износ — это тип износа, вызванный чередующимися нагрузками, которые вызывают локальные контактные силы, повторяющиеся с течением времени, что в свою очередь приводит к ухудшению состояния вовлеченных материалов. Наиболее непосредственным примером такого износа является износ расчески. Если вы снова и снова проводите пальцем по зубьям расчески, то вы увидите, что в какой-то момент один или несколько зубцов расчески отрываются. Это явление может привести к разрушению поверхностей из-за механических или термических причин. Первый случай — это тот, который описан выше, в котором повторяющаяся нагрузка вызывает высокие контактные напряжения. Второй случай, однако, вызван термическим расширением материалов, участвующих в процессе. Поэтому для уменьшения этого типа износа полезно попытаться уменьшить как контактные силы, так и термоциклирование, то есть частоту, с которой вмешиваются различные температуры. Для достижения оптимальных результатов также полезно устранить, насколько это возможно, примеси между поверхностями, локальные дефекты и включения инородных материалов в вовлеченных телах.

Коррозионный износ

Коррозионный износ происходит в присутствии металлов, которые окисляются или корродируют. Когда чистые металлические поверхности вступают в контакт с окружающей средой, на их поверхностях образуются оксидные пленки из-за загрязняющих веществ, присутствующих в самой среде, таких как вода, кислород или кислоты. Эти пленки постоянно удаляются из абразивных и адгезионных механизмов износа, постоянно воссоздаваемых взаимодействиями чистого загрязняющего металла. Очевидно, что этот тип износа можно уменьшить, пытаясь создать среду «ad hoc», свободную от загрязняющих веществ и чувствительную к минимальным термическим изменениям. Коррозионный износ также может быть положительным в некоторых приложениях. Фактически, создаваемые оксиды способствуют снижению коэффициента трения между поверхностями или, будучи во многих случаях тверже металла, к которому они принадлежат, могут использоваться в качестве превосходных абразивов.

Износ при трении или фреттинг

Износ от трения происходит в системах, подверженных более или менее интенсивным вибрациям, которые вызывают относительные перемещения между контактирующими поверхностями в пределах порядка нанометров. Эти микроскопические относительные движения вызывают как адгезионный износ, вызванный самим смещением, так и абразивный износ, вызванный частицами, образующимися в клейкой фазе, которые остаются в ловушке между поверхностями. Этот тип износа может быть ускорен наличием коррозионно-активных веществ и повышением температуры.

Эрозионный износ

Эрозионный износ происходит, когда свободные частицы, которые могут быть как твердыми, так и жидкими, ударяются о поверхность, вызывая абразивный износ. Механизмы, задействованные в этом процессе, различны и зависят от определенных параметров, таких как угол удара, размер частиц, скорость удара и материал, из которого состоят частицы.

Факторы, влияющие на износ

Среди основных факторов, влияющих на износ, мы находим

Доказано, что чем тверже материал, тем больше он уменьшается. Аналогичным образом, чем меньше два материала взаимно растворимы, тем больше снижается износ. Наконец, что касается кристаллической структуры, можно утверждать, что некоторые структуры более устойчивы к износу других, например гексагональная структура с компактным распределением, которая может деформироваться только за счет скольжения по базовым плоскостям.

Скорость износа

Для оценки ущерба, вызванного износом, мы используем безразмерный коэффициент, называемый скоростью износа, который определяется как отношение изменения высоты тела ${\displaystyle \Delta h}$ и длина относительного скользящего ${\displaystyle \Delta l}$.$${\displaystyle T_{\text{wear}}={\delta h \over \Delta l}}$$Этот коэффициент позволяет подразделить, в зависимости от размера, повреждения, полученные различными материалами в разных ситуациях, переходя от умеренной степени износа, через среднюю, к степени сильного износа.

Вместо этого для выражения объема износа V можно использовать уравнение Холма

где W / H представляет собой реальную площадь контакта, l — длину пройденного расстояния, а k и ${\displaystyle k_{a}}$ являются экспериментальными размерными факторы.

Измерение износа

При экспериментальных измерениях износа материалов часто необходимо воссоздать довольно малые скорости износа и ускорить время. Явления, которые в реальности развиваются через годы, в лаборатории должны происходить через несколько дней. Первая оценка процессов износа — это визуальный осмотр поверхностного профиля исследуемого тела, включая сравнение до и после возникновения явления износа. В этом первом анализе наблюдаются возможные изменения твердости и поверхностной геометрии материала. Другой метод исследования — это метод радиоактивного индикатора, используемый для оценки износа на макроскопических уровнях. Один из двух материалов, находящихся в контакте, вовлеченных в процесс износа, помечается радиоактивным индикатором. Таким образом, частицы этого материала, которые будут удалены, будут легко видны и доступны. Наконец, для ускорения времени износа одним из наиболее известных используемых методов является метод контактных испытаний под высоким давлением. В этом случае для получения желаемых результатов достаточно приложить нагрузку к очень уменьшенной площади контакта.

Приложения

Транспорт и производство

Исторически исследования трибологии были сосредоточены на проектировании и эффективной смазке компонентов машин, особенно подшипников. Однако изучение трибологии распространяется на большинство аспектов современных технологий, и любая система, в которой один материал скользит по другому, может быть затронута сложными трибологическими взаимодействиями.

Традиционно трибологические исследования в транспортной отрасли были сосредоточены на надежности, обеспечении безопасной и непрерывной работы компонентов машин. В настоящее время, из-за повышенного внимания к потреблению энергии, эффективность становится все более важной, и поэтому смазочные материалы становятся все более сложными и совершенными для достижения этого. Трибология также играет важную роль в производстве. Например, при обработке металлов давлением трение увеличивает износ инструмента и мощность, необходимую для обработки детали. Это приводит к увеличению затрат из-за более частой замены инструмента, потери допуска при изменении размеров инструмента и больших усилий, необходимых для формовки детали.

Использование смазок, которые минимизируют прямой контакт с поверхностью, снижает износ инструмента и требования к мощности. Также необходимо знать эффекты производства, все методы производства оставляют уникальный системный отпечаток (т. е. топографию поверхности), который будет влиять на трибоконтакт (например, образование смазочной пленки).

Исследовать

Поля

Исследования трибологии варьируются от макро до наномасштабов, в таких разнообразных областях, как движение континентальных плит и ледников до передвижения животных и насекомых. Исследования трибологии традиционно сосредоточены на транспортном и производственном секторах, но они значительно диверсифицировались. Исследования трибологии можно условно разделить на следующие области (с некоторым совпадением):

В последнее время интенсивные исследования суперсмазываемости (феномена исчезающего трения) активизировались в связи с растущим спросом на энергосбережение. Кроме того, разработка новых материалов, таких как графен и ионные жидкости, позволяет использовать принципиально новые подходы к решению трибологических проблем.

Общества

В настоящее время существует множество национальных и международных обществ, в том числе: Общество трибологов и инженеров по смазочным материалам (STLE) в США, Институт инженеров-механиков и Институт физики (IMechE Tribology Group, IOP Tribology Group) в Великобритании, Немецкое общество по трибологии (Gesellschaft für Tribologie), Корейское общество трибологии (KTS), Малайзийское общество трибологии (MYTRIBOS), Японское общество трибологов (JAST), Индийское общество трибологии (TSI), Китайское общество машиностроения (Китайская трибология) Институт) и Международный совет по трибологии.

Подход к исследованию

Исследования в области трибологии в основном эмпирические, что можно объяснить большим количеством параметров, которые влияют на трение и износ в трибологических контактах. Таким образом, большинство областей исследований в значительной степени полагаются на использование стандартизированных трибометров и испытательных процедур, а также испытательных стендов на уровне компонентов.