Особенности трения полимеров

В современной транспортной технике широко используются детали трения из эластичных полимеров – резин. Это различные уплотнения, прокладки, ролики и т.п.

Полимеры в высокоэластичном состоянии - эластомеры или резины при трении имеют ряд особенностей:

1 – высокую подвижность полимерных цепей, т.е. резина обтекает микронеровности и вместо пластических деформаций происходят высокоэластические;

2 – наличие в молекуле каучука полярных групп увеличивает адгезионные силы в зоне контакта;

3 – при определенной (40 % ) нагрузке площадь фактического контакта становится равной номинальной площади;

4 – жесткость резины (Е) слабо влияет на коэффициент трения т.к. чем больше модуль, тем меньше фактическая площадь контакта, но больше число цепей (связей) на единицу площади.

Несмотря на обратимость высокоэластической деформации, она ближе к пластической, чем к упругой, так как возможны значительные перемещения, и происходят необратимые потери энергии.

В соответствии с адгезионно-деформационной теорией для эластомеров также имеет место зависимость

. (1.18)

Обе составляющие имеют вязкоупругую природу. При адгезии энергия рассеивается на поверхностном молекулярном уровне, а при деформации – во всем объеме деформированного эластомера.

При скольжении эластомера по твердому телу поверхностные макромолекулы эластомера образуют с контртелом фрикционные связи. Этапы этого взаимодействия следующие:

– образование связей;

– растяжение макромолекул;

– разрыв связей;

– релаксация (постепенное уменьшение деформации).

Следовательно, макромолекулярные цепи эластомера совершают непрерывные скачки из одного равновесного состояния в другое.

Деформационная составляющая определяется объемными свойствами материала. Она обусловлена запаздыванием восстановления эластомера после вдавливания в него отдельного выступа микронеровностей. При трении эластомеров по несмазанной (сухой) металлической поверхности адгезионная составляющая в два раза больше деформационной.

Смазка, снижая адгезию, уменьшает силу трения.

Другой группой высокоэффективных материалов, применяемых в транспортной триботехнике, являются полимерные композиты. Наибольшей несущей способностью обладают относительно тонкослойные покрытия на основе фторопластовых волокон.

Изнашивание трибосопряжений

Механизм изнашивания

Изнашивание – это процесс изменения размеров и формы контактирующих деталей трения в результате их поверхностного разрушения.

Чаще всего износ коррелирует с силой трения. Однако далеко не всегда малым силам трения соответствует малая величина износа.

Например: при трении фторопласта-4 по стали, коэффициент трения достигает 0.02, а величина износа очень велика и может протекать со скоростью 0,5 мм/с.

В связи с этим изнашивание деталей трения в различных условиях эксплуатации требует самостоятельного дополнительного изучения.

Износ – это результат изнашивания. Он может быть выражен или измерен в единицах длины – мкм, мм; в единицах объёма – ; в единицах массы – мг, г. Часто удобно относить износ всех деталей машины к одной, характерной для этой машины, величине.

Например: для автомашины это километры пробега, для трактора – гектары пахоты.

Износ может быть допустимым или предельным [h] – когда при достижении этой величины износа дальнейшая эксплуатация узла становится невозможной, неэкономичной или опасной.

Износ самых разных деталей узлов трения может быть выражен, для удобства сравнения, безразмерной величиной - интенсивностью изнашивания - отношением износа к пути трения.

Величина обратная интенсивности или скорости изнашивания называется износостойкостью.

Ранее мы рассматривали идеализированную кривую износа (Лоренца), образованную прямыми (см. рисунок 1.3). Реальная кривая износа – это набор циклических возмущений вокруг некоторого среднего значения, описываемого плавной кривой (рисунок 1.22).

Подобный вид кривой объясняется тем, что изменение поверхностных физико-механических свойств происходит постепенно, накапливаясь в определённых участках контакта, в частности, в вершинах неровностей микропрофиля. Достигая критической величины, местное накопление энергии вызывает отделение частицы износа - поверхностное разрушение. Отдельные микроразрушения суммируются в величину износа или зазора сопряжения. Рост зазоров изменяет условия трения и способствует дальнейшему увеличению износа. Эти процессы характеризуют детерминированное плавное изменение износа во времени. Случайное колебание рабочих нагрузок, макро- и микроотклонений контактирующих поверхностей, а также случайные колебания прочих эксплуатационных условий приводят к случайному повторению цикла как по времени и нагрузке, так и по прочим условиям. Сумма массы независимых случайных воздействий приводит к возникновению вероятностной случайной циклической составляющей. Таким образом, при многократных, повторяемых испытаниях набора любых пар трения величина износа, размеры частиц износа и параметры процесса изнашивания имеют статистическое распределение. Оно может быть самым различным и определяется природой контактирующих материалов и условиями их работы в узле трения.

Следовательно, износ имеет двойственную природу, одновременно подчиняясь детерминированным и случайным закономерностям.

Для удобства рассмотрим последовательно взаимодействие контактных поверхностей, изменения в поверхностных слоях и изнашивание - их разрушение.

Взаимодействие характеризуется следующими особенностями.

1. Дискретностью реального контакта (обычно по пятнам фактического контакта, иногда по вершинам микронеровностей);

2. Высокой, по техническим масштабам, величиной контактных напряжений;

3. Наличием зоны всестороннего сжатия, обусловленной значительной величиной нормальных напряжений;

4. Цикличностью силового воздействия.

Изменения в поверхностных слоях возникают вследствие ряда следующих причин.

1. Работы узла в начальный период эксплуатации (приработкой), проявляющейся в образовании равновесной шероховатости, текстурирования и т. п.;

2. Значительной пластичности контактной зоны в результате всестороннего сжатия и адсорбционного пластифицирования смазкой (эффект Ребиндера):

3. Накоплении энергии в циклически передеформированных поверхностных микрообъёмах.

Изменения в приповерхностных слоях в результате взаимодействия контактных поверхностей приводит к их изнашиванию. Механизм этого процесса зависит, в основном, от типа внешних воздействий и природы контактирующих тел.

Рассматривая процесс изнашивания как сумму множества отдельных микроразрушений, базируются, чаще всего, на усталостной теории изнашивания. В этом случае в математическую модель изнашивания входит более 10 параметров, определяющих тип контакта, свойства контактирующих материалов, параметры поверхностей и т.д. Расчетные выражения этого типа могут быть использованы как первое приближение, а их уточнение требует значительного объема экспериментальных исследований.

Расчет износа с позиций термофлуктуационной теории прочности основан по концепции С.Н. Журкова на ее кинетической природе. Расчетные формулы содержат до 15 параметров, включающие молекулярные и общефизические константы, характеристики условий разрушения и т.д.

Физический смысл моделей в этом случае представляется более четким, но пока не удается получить результаты, сопоставимые с экспериментальными данными.

Расчеты, основанные на энергетической теории изнашивания, базируются на следующей концепции: для отделения частицы износа необходимо накопить в некотором объеме материала критический запас внутренней энергии. Сами авторы прикладной части этой теории признают, что точное определение критической плотности энергии является пока проблематичным.

Следовательно, в настоящее время отсутствует единая теоретическая база для расчетного определения величины износа, а наиболее точные результаты могут быть получены на основе экспериментальных исследований.

Влияние природы материалов

Здесь и далее будем рассматривать стационарные условия изнашивания. В этом случае:

- фактическая площадь контакта сопрягаемых тел в любой момент времени постоянна;

- средняя скорость изнашивания также постоянна.

Рассмотрим процесс изнашивания с позиции деформационно-адгезионной теории.

При контакте грубых металлических поверхностей со значительной шероховатостью адгезионная составляющая силы трения мала. В этом случае при низких нагрузках происходит взаимная упругая деформация микронеровностей. Фрикционные связи образуются и разрушаются с частотой равной числу оборотов вала или кратной ему при наличии огранки или вибраций.

Циклическое упругое нагружение приповерхностных микрообъёмов металла приводит к их усталости и отделению от основного металла. Отделение частиц износа происходит по механизму многоцикловой усталости аналогичному обычной усталости материалов, но, в связи с особенностями нагружения, носящему название фрикционной или контактной усталости.

При значительных нагрузках деформация становится пластической. Холодная пластическая деформация вызывает наклёп, охрупчивающий поверхностные микрообъёмы в контактных зонах. Наклёп может повысить износостойкость поверхности трения, но перенаклёп - резко понижает контактную выносливость. Отделение частиц износа происходит по механизму близкому к малоцикловой усталости.

Таким образом, усталостное изнашивание представляет собой вид механического изнашивания в результате многократного повторного деформирования микрообъёмов материала поверхностного слоя. Этот процесс имеет скрытый (латентный) период – накопление повреждений внутри металла. Типичному усталостному изнашиванию подвергаются кольца подшипников качения.

Наконец, при ещё больших нагрузках процесс пластического оттеснения металла переходит в микрорезание – снятие микростружек в результате царапанья поверхности отдельными выступами микронеровностей. Процесс микрорезания происходит при отрицательных передних углах, а отделение удлинённых стружек – продуктов износа, облегчено всесторонним сжатием микрообъёмов контактной зоны. Характерным для изнашивания микрорезанием является отсутствие участка приработки на кривой износа.

При малой величине шероховатостей контактирующих металлических поверхностей более существенную роль при изнашивании играет адгезионная составляющая. Она способствует возникновению в микрозонах контакта значительного количества фрикционных связей, разрушающихся при движении тел. Малопрочные адгезионные связи, разрушаясь на стыке, вызывают циклические напряжения в микрообъёмах, примыкающих к этой связи. Накопление воздействий вызывает отделение частицы износа по механизму многоцикловой контактной усталости.

Более прочные адгезионные связи разрушаются не на стыке, а вырывая прилегающий микрообъём из менее прочного материала.

Самые прочные фрикционные связи адгезионной природы делают невозможной эксплуатацию узла трения, приводят к его заклиниванию. Эта катастрофическая форма изнашивания называется схватыванием.

Схватывание – прочное соединение металлических поверхностей в результате их совместного деформирования в процессе трения.

Различают схватывание I рода или холодное – возникновение локальных металлических связей в результате холодной деформации контакта; и схватывание II рода или горячее – аналогичный процесс вызванный местным повышением температуры.

Следует отметить, что не существует резкой границы, отделяющей начальную стадию пластической деформации от упругой. Кроме того, даже при трении поверхностей со значительной шероховатостью возникают адгезионные связи. То есть, процессы упругого, пластического оттеснения, микрорезания и адгезии идут параллельно. Можно говорить лишь об относительно большем вкладе того или иного механизма в суммарный процесс изнашивания.

Таким образом, рассмотренные механизмы изнашивания протекают одновременно на разных участках фактической площади контакта металлических поверхностей и разделяются условно.

Полимерные материалы и композиты представляют собой относительно малопрочные вязкоупругие среды с зависимостью свойств от времени воздействия. Это накладывает определённый отпечаток на процессы их изнашивания.

По величине модуля упругости полимерные материалы можно условно разделить на:

– жёсткие, обычно из группы реактопластов (фенолформальдегидные, эпоксидные);

– полужёсткие или средней жёсткости (полиамидные, полипропиленовые);

– мягкие или низкой жёсткости (полиэтилен, резины).

Чем ниже жёсткость полимерного материала, тем он лучше адаптируется к условиям трения: увеличивается площадь фактического контакта и снижаются контактные напряжения.

Процессы изнашивания практически всех полимерных материалов сопровождаются следующими общими особенностями.

1. Ростом теплонапряжённости узла из-за низкой теплопроводности полимера;

2. Значительной величиной термического расширения полимера;

3. Относительно сильным набуханием в различных жидких рабочих средах;

4. Увеличением зазора в связи с ползучестью полимера;

5. Адгезионным переносом полимера на поверхность металлического контртела;

6. Деструкцией полимера.

Деструкция может быть механической (механодеструкция) – механическое разрушение связей в макромолекуле; термической (термодеструкция) – разрушение макромолекул под действием высоких температур; химической (чаще всего окислительной) - окисление кислородом воздуха.

Эти три процесса могут идти параллельно.

Изнашивание жёстких полимеров протекает по механизму наиболее близкому к изнашиванию металлов. Возможно упругое и пластическое деформационное оттеснение материала, его царапанье и микрорезание при росте нагрузок. Отделение частиц износа в основном происходит по механизму многоцикловой фрикционной усталости.

Полимеры средней жёсткости также могут подвергаться пластическому оттеснению и микрорезанию. Кроме того, в связи с деформацией ползучести под нагрузкой, растёт площадь фактического контакта, и снижаются контактные напряжения. Это приводит к уменьшению деформационной составляющей усилия трения и к росту – адгезионной из-за увеличения контактной площади. Адгезионное взаимодействие может выражаться в «намазывании» (фрикционном переносе) полимера на металлическое контртело и в последующем выносе этих частиц из узла трения. Изнашивание в этом случае происходит в результате адгезионного переноса.

Маложёсткие полимеры и, в частности, эластомеры деформируются не пластически, а высокоэластически. Адгезионные связи с контртелом прочны и разрушаются только при значительном вытягивании микрообъёмов.

Жёсткие резины (автомобильные шины) подвергаются в основном усталостному изнашиванию и микрорезанию (при торможении). Мягкие резины (как, например, стирательная резинка) изнашиваются в связи с образованием частиц скатывания. Изнашивание в результате скатывания наступает при высоких коэффициентах трения, значительных деформациях, наступающих до начала скольжения, и низкой адгезии к контртелу.

Следовательно, изнашивание полимеров подчиняется тем же закономерностям, что и изнашивание металлов, но имеет ряд особенностей.

Влияние окружающей среды

Окислительное изнашивание.Подавляющее большинство узлов трения работает в атмосфере и кислород последней оказывает существенное влияние на характер изнашивания любых материалов. Генерирование тепла в узле трения, активация поверхностных слоёв, подвергающихся постоянному действию рабочих нагрузок, облегчает и ускоряет окисление поверхности кислородом. Непрочная, как правило, хрупкая плёнка окислов разрушается при скольжении и выносится из узла трения. Вновь обнажившиеся ювенильные поверхности металла опять окисляются и процесс повторяется. Таким образом, изнашивание является результатом одновременного действия химических и механических факторов.

Окислительное - это коррозионно-механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой.

Пример использования аналогов окислительного изнашивания - это применение для притирки поверхностей различных притирочных паст (ГОИ, алмазной и т. п.).

Абразивное изнашивание.Узлы сельскохозяйственных, дорожных, транспортных, строительных и т.п. машин работают в абразивных средах. Это дорожная пыль, песок и другие твёрдые частицы различной природы.

Изнашивание при взаимодействии поверхностей трения с абразивом бывает следующих видов:

1 – изнашивание о закреплённый абразив (о шаржированную поверхность);

2 – изнашивание о свободный абразив (пыль в узле);

3 – изнашивание в абразивной среде (бур, плуг в земле);

4 – изнашивание струёй воздуха или воды с абразивом, т.е. абразивным потоком (сопла пескоструйных машин, гидроабразивная обработка).

В последнем случае играет роль угол атаки абразивного потока.

При абразивном изнашивании механизм этого процесса определяется, в основном, пластическим оттеснением и микрорезанием; адгезионное взаимодействие мало. Дополнительно, под действием генерируемой в узле температуры могут иметь место структурные превращения в поверхностном слое. При образовании более мягких структур изнашивание увеличивается.

Характерным для абразивного изнашивания является отсутствие на кривой Лоренца участка приработки (рисунок 1.23).

Таким образом, абразивное изнашивание - это механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твёрдых тел или твёрдых частиц.

Эррозионно-кавитационное изнашивание. Лопатки гидротурбин, гребные винты, насосы, поверхности систем водяного охлаждения и другие детали трения работают в водных или иных жидких средах, где подвергаются эррозионно-кавитационному изнашиванию.

Кавитация, от латинского cavitas, в дословном переводе означает полость, каверна, пустота.

Кавитационное разрушение поверхности включает следующие этапы:

- в потоке жидкости, движущейся по поверхности твёрдого тела могут возникать разрывы-пустоты;

- эти пустоты заполняются газами, выделяющимися из жидкости, в которой они растворены, и парами этой жидкости;

- при попадании этих пузырей в зоны высоких давлений пары конденсируются, а газы растворяются в жидкости;

- в образовавшуюся пустоту устремляется с громадным ускорением жидкость и пузырь схлопывается.

Размеры пузырьков до десятых долей миллиметра; время их разрушения примерно 0,001 с; на площади в 1 см² за 1 с образуется и разрушается до 30 млн. пузырьков.

Микрогидравлические удары или локальный разогрев вызывают образование каверн и полостей на поверхности деталей.

Следовательно, эррозионно-кавитационным изнашиванием называется механическое изнашивание при движении твёрдого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создаёт местное, высокое ударное давление или высокую температуру.

Для борьбы с кавитационным разрушением подводной части плотин их обводам придавали специальную параболическую форму. Однако, сезонные изменения скорости течения сводили на нет эффективность этого мероприятия.

Более перспективным представляется предложение защищать поверхности, подвергающиеся кавитации, ворсом из металлов и полимеров высотой » 5 мм и плотностью » 80 ед/мм².

К сожалению, не все поверхности могут быть защищены таким образом.

Водородное изнашивание. Наблюдение за изнашиванием твёрдой рубиновой опоры хлопчатобумажной нитью, увеличением износа закалённой стали при трении о резину, пластмассу и другие мягкие материалы привели к открытию Д.Н. Гаркуновым и А.А. Поляковым водородного износа.

Оказалось, что при трении в результате значительного ускорения реакций дегидрогенизации углеводородов смазки, или полимеров, выделяется и адсорбируется на металлических поверхностях водород. Водород не только выделяется при трибодеструкции органических соединений, но может попасть, например, в чугун из влаги доменного дутья (биографический водород).

Вредное влияние водорода на металлы – водородная хрупкость, известно давно, но в узлах трения обнаружена сравнительно недавно (в 60 годах).

Адсорбированный металлическими поверхностями водород диффундирует в подповерхностные слои, что создаёт эффект его накопления. Диффузия и накопление водорода обусловлены температурным градиентом (максимум температуры не на самой поверхности, а под ней).

Диффузия водорода, например, в деформированный слой стали, вызывает одновременное развитие большого числа зародышей микротрещин, а затем мгновенное образование мелкодисперсного порошка металла. То есть, происходит диспергирование контактных, деформированных в процессе трения, микрообъёмов металла на глубину 1-2 мкм.

Водородное изнашивание – это процесс разрушения металлического элемента пары трения вследствие поглощения металлом водорода.

Изнашивание при фреттинге. Такие контактирующие пары трения как корпус подшипника – станина, торец гайки – плоскость детали, поверхность кронштейна – опорная деталь и т.п. при наличии вибродинамического, воздействия вызванного работой самой машины, соседнего агрегата или транспортировкой, подвергаются изнашиванию в результате фреттинг-процесса. Разрушение контактирующих поверхностей проявляется в виде мелких каверн и продуктов коррозии: налёта, пятен, порошка.

Этому виду изнашивания подвержены углеродистые и легированные стали, чугуны, цветные сплавы и т.п., например, в парах сталь-сталь, сталь – алюминиевый сплав, чугун-бакелит (пластик), работающих в среде воздуха, азота, кислорода, вакуума.

Изнашивание в результате фреттинг-процесса происходит при одновременном воздействии механических и химических факторов.

Химические факторы - это окисление контактных ювенильных поверхностей и продуктов износа. Окисление сопровождается увеличением объёма, т.е. контактные давления при жёстком силовом замыкании резко возрастают. Следует учитывать, что твёрдость большинства окислов выше, чем металлов. Например, – окись алюминия превосходит по твёрдости азотированные стали.

Динамические механические факторы проявляются в воздействии на контактную зону колебаний с весьма малой амплитудой. Для возникновения фреттинг-коррозии достаточна амплитуда 0,025 мкм при относительно малых скоростях скольжения порядка мм/с. Вследствие малости перемещений повреждения сосредотачиваются на небольших участках, продукты изнашивания не могут быть вынесены из зоны контакта и при высоких давлениях усиливается их абразивное воздействие. Одновременно значительные контактные напряжения приводят к схватыванию ювенильных поверхностей и образованию каверн в результате глубинных вырывов.

Сверхмалые перемещения препятствуют протеканию адаптационных процессов – возникновению вторичных защитных структур.

Следует отметить, что если довести амплитуду колебательного движения до 2,5 мм, то процесс изнашивания несмазанных металлических поверхностей замедлится и будет протекать как при обычном скольжении.

Таким образом, изнашивание в результате фреттинг-процесса – это коррозионно-механическое изнашивание как следствие интенсивного окисления и схватывания, вызванных малыми колебательными относительными перемещениями.