Адгезия твердых тел

Трение часто является следствием действия сил адгезии. Адгезией называют поверхностное явление, связанное с возникновением сцепления между атомами и молекулами поверхностных слоев контактирующих тел,. Преодоление сил адгезии поверхностей двух контактирующих поверхностей тел происходит в момент начала их взаимного перемещения.

Перемещение элементов структуры какого-либо тела, определяющее внутреннее трение, связано с преодолением сил сцепления между атомами и молекулами внутри структуры. Если силы сцепления действуют внутри тела, то они обуславливают когезию, если на поверхности — адгезию.

Взаимное перемещение поверхностей твердых тел при их взаимодействии связано с преодолением сил адгезии. Чем больше площадь контакта реальных тел, тем прочнее адгезионное сцепление. Частицы поверхностных слоев взаимодействующих тел создают поле сил. Воздействие этого поля сил убывает с увеличением расстояния от поверхности. Этим объясняется тот факт, что для проявления сил адгезии требуется достаточное сближение поверхностей.

При взаимном перемещении двух твердых тел сопротивление трения складывается из адгезионной F_а и когезионной (деформационной) F_к составляющих. В зависимости от условий трения значения составляющих F_а и F_к могут увеличиваться, уменьшаться или быть равными нулю. Энергия взаимодействия совершенно чистых (ювенильных) поверхностей максимально (предельно) сближенных тел коррелирует с их свойствами: типом кристаллической решетки, ее параметрами и т. д.

Адгезия зависит от силы межмолекулярного взаимодействия между твердыми телами. Атомы и молекулы поверхностных слоев твердых тел находятся в неравновесном состоянии. Оно характеризуется значительной величиной поверхностной энергии, достигающей для металлов значений порядка 2000;4000 эрг/см². Это способствует активному взаимодействию поверхности твердых тел с атомами и молекулами окружающей среды (жидкости, газа или твердого тела), что оказывает существенное влияние на процессы трения и изнашивания.

Для образования прочной адгезионной связи между поверхностями твердых тел необходимо привести их в соприкосновение в достаточном количестве точек. При этом контактирующие поверхности не должны иметь каких-либо пленок, загрязнений, т.к. взаимодействие в этом случае будет происходить не между телами, а между пленками.

Определяющим фактором в процессе образования адгезионной связи является геометрический фактор, характеризуемый величиной площади истинного контакта.

Адгезионные связи между касающимися поверхностями возникают вследствие действия межповерхностных сил и сил молекулярного сцепления на поверхности раздела. Данные связи зависят от особенностей электронного строения контактирующих тел, концентрации валентных электронов, плотности свободных электронов на поверхности раздела.

Уровень адгезионного взаимодействия определяется энергией атомных связей, структурой поверхности, распределением атомов в поверхностных слоях, наличием дефектов кристаллической решетки. Оно является причиной появления заедания, «холодной сварки», подповерхностного разрушения трущихся материалов, часто способствует росту интенсивности изнашивания и сил трения.

Сила адгезионного взаимодействия связана, прежде всего, с величиной суммарной площади фактического контакта, на которой проявляется действие поверхностных сил. На площадках фактического контакта трущихся тел при определенной величине нагрузок происходит разрушение всех экранирующих слоев (загрязнений, смазки, оксидов, адсорбированных веществ). Сила адгезионного взаимодействия зависит также и от влияния упругопластических контактных деформаций. Деформирование и относительное перемещение тел также вызывает разрушение промежуточных слоев. Если адгезионное взаимодействие в месте контакта больше прочности менее прочного материала, то осуществляется его когезионное разрушение.

Для приближенного определения величины объемного адгезионного износа V контактирующих тел при трении используют зависимость Арчарда.

(1).

где k — коэффициент адгезионного износа; N — величина нормальной нагрузки; L — путь трения; H — твердость более мягкого материала контактирующих тел.

Сближение атомов контактирующих поверхностей на расстояние межатомного взаимодействия, и электронный обмен приводят к образованию узлов схватывания и возникновению прочных химических связей. Механические свойства образовавшихся узлов схватывания (мостиков сварки) зависят от процессов рекристаллизации, диффузии, релаксации напряжений.

Адгезионное взаимодействие наблюдается практически во всех узлах трения — в зубчатых передачах, опорах скольжения и качения, муфтах, при механической обработке металлов и др.