Граничне тертя

При граничному терті поверхні розділені тонким шаром мастила товщиною 0,01…0,1мкм., при цьому мастило під впливом поля молекул твердих тіл переходить в псевдотвердий стан і здатне витримувати значні навантаження.

Граничне тертя виникає в тому випадку, коли поверхні тіл тертя розділені шаром мастила (рисунок 4.4) товщини – порядку 0,1мкм. і менше, аж до розміру молекул. Розділений шар називається граничним шаром. Цей шар суттєво зменшує тертя і зношування. Особливо це відноситься до граничних шарів жирних кислот, смол та інших ПАР. Жирні кислоти входять в склад багатьох мастильних масел. Молекули мастильної речовини мають на одному кінці активні групи, які прилипають до поверхні і утворюють плівку у вигляді ворсу. Ця плівка є достатньо міцною і володіє здатністю витримувати великі навантаження без руйнування. В’язкість масла майже не впливає на процес граничного тертя.

Рисунок 4.4 – Схеми контактування тіл при граничному мащенні: а – контактування ідеальних поверхонь; б – контактування реальних поверхонь; А – ділянки, що сприймають навантаження; Б – ділянки безпосереднього контактування

При взаємному переміщенні поверхонь тертя молекули-«ворсинки» ніби вигинаються у протилежні сторони. У дійсності відбувається зсув з перескакуванням елементів псевдо кристалічної структури плівки. На відновлення орієнтації молекул у попередній стан – перпендикулярно до поверхні тіла - необхідних деякий час, який можна розглядати як час релаксації.

Механізм граничного тертя можна представити у наступному виді. Під впливом навантаження відбувається пружна і пластична деформація на площадках фактичного контакту, під яким у даному випадку розуміють площадки найбільш близького прилягання поверхонь, покритих граничною плівкою мастильного матеріалу, аж до мономолекулярного шару. На площадках контакту відбувається взаємне впровадження ділянок поверхонь без порушення цілісності мастильної плівки. Опір руху при ковзанні складається з опору зсуву граничного шару і опору «проорюванню» поверхонь впровадженими об’ємами. Крім того, на площадках контакту, які сприймають найбільш значну пластичну деформацію, і на ділянках поверхонь з високими локальними температурами може відбутися руйнування мастильної плівки з виникненням адгезії оголених ділянок поверхонь і схоплювання металів на мікроділянках (рисунок 4.3). Це викликає додатковий опір руху і збільшення сили тертя.

Завдяки високій рухомості молекул мастильного матеріалу на поверхні тертя адсорбція протікає з великою швидкістю, завдяки чому плівка володіє властивістю «самозаліковування» при її місцевих пошкодженнях. Ця властивість плівок відграє велику роль у попередженні процесу лавинного схоплювання. З часом, по мірі зростання шляху тертя, гранична плівка зношується, при цьому масло з плівки адсорбується на продуктах зношування і виноситься з поверхні тертя. Окислення плівки сприяє дезорієнтації структури і її руйнуванню.

При граничному терті у більшості випадків швидкість зношування і знос деталей достатньо великі. Основна причина цього у тому, що внаслідок хвилястості і шорсткості поверхонь їх контактування відбувається на дуже малих ділянках, а контактні тиски мають високе значення. У цих умовах тонка гранична плівка масла не оберігає поверхні від пластичного деформування, що призводить до зношування деталей.

Введення у граничний шар мастильного матеріалу поверхнево-активних речовин збільшує товщину граничного шару і сприяє зменшенню швидкості зношування. Це пояснюється тим, що збільшуючи товщини граничного шару, молекули ПАР суттєво впливають і на механічні характеристики поверхневого шару металу. Адсорбуючись на поверхні, вони викликають адсорбційне зниження міцності згідно розглянутого вище ефекту П.А. Ребіндера, завдяки якому відбувається пластифікування поверхневих шарів, тобто зменшення межі текучості.