Scan011520105859

268

MATERIAŁY INŻYNIERSKIE

⁹ Jf• * j(    VH**, v

■*•    -f-i 4 £ £j.-- V

•/••    .. •!> fh '

;v-    -r*

[i *%

SBSK

Jeżeli dwie powierzchnie, które uważamy za płaskie, stykają się, nie ma znaczenia jak starannie były one obrabiane i wypolerowane; będą się one stykały tylko w miejscach styku wypukłości (to tak jakby odwrócić Austrię i położyć ją na Szwajcarii). Każde obciążenie dociskające do siebie powierzchnie będzie przenoszone jedynie w miejscach, gdzie stykają się ich wypukłości, a więc jedynie mały ułamek powierzchni przeniesie to obciążenie.

Początkowo, przy bardzo małym obciążeniu, stykające się wypukłości odkształcają się sprężyście. Jednakże przy rzeczywistych obciążeniach, na wierzchołkach wypukłości występują znaczne odkształcenia plastyczne. Jeżeli na wszystkich wypukłościach wystąpi odkształcenie plastyczne, tak że utworzy się lepszy styk pomiędzy powierzchniami, całkowite obciążenie przenoszone przez te powierzchnie^(rys.^5.3) będzie dane wzorem

a R

(25.3)

gdzie: a - rzeczywista powierzchnia styku, R_e - naprężenie ściskające wywołujące odkształcenie plastyczne materiału. Stąd, rzeczywista powierzchnia styku

;v ■■

• ilfc

(25.4)

X.

T--

^;

Widać, że jeżeli podwoimy wartość siły P, rzeczywista powierzchnia styku a zwiększy się dwukrotnie.

•>Ytóv

Rys. 25.3. Schematyczne przedstawienie styku pomiędzy dwiema powierzchniami

v »♦ 4

»    ‘V.

Rozważmy teraz jak geometria powierzchni styku wpływa na tarcie pomiędzy stykającymi się powierzchniami metalu. Jeżeli spróbujemy wywołać poślizg jednej powierzchni po drugiej, to ruchowi temu przeciwdziałają naprężenia ścinające r na wypukłościach. Naprężenia te są największe w tych miejscach, w których przekrój wypukłości jest najmniejszy, czyli w obszarze rzeczywistego styku. Siłę przeciwdziałającą tarciu można wyrazić jako

NF = or

r‘fkr.

W wyniku znacznych odkształceń plastycznych w miejscach styku, wierzchołki wypukłości zostają w obszarze styku a dociśnięte do siebie tak silnie, że powstaje bezpośrednie zbliżenie poszczególnych atomów. Takie złącze

j

TARCIE I ZUŻYCIE MATERIAŁU SPOWODOWANE TARCIEM

269

może przeciwstawić się naprężeniu ścinającemu o wielkości k, przy którym następuje odkształcenie plastyczne materiału (patrz rozdz. 11). Stąd siła F_s, przy której rozpoczyna się poślizg jednej powierzchni po drugiej, wynosi

^J (25.5)

Podstawiając R_e ze wzoru (25.3) otrzymujemy

Prawo tarcia podane równaniem

(25.6)

Z

A/

'A

wyprowadziliśmy, posługując się prostym modelem styku. Nasz model uwzględniający styk wypukłości przewiduje, że ju_s » 1/2, co jest prawidłowym rzędem wartości dla statycznego współczynnika tarcia pomiędzy powierzchniami metalowymi.

Dlaczego ju_k jest mniejsze? Ponieważ w trakcie ślizgania się powierzchni czas, w ciągu którego mogą utworzyć się zbliżenia atom-atom w miejscach kontaktu między wypukłościami powierzchni, jest krótszy i odpowiednio mniejsza jest powierzchnia styku, na której zachodzi ścinanie. Po zatrzymaniu poślizgu powierzchnie punktów styku zwiększają się nieco, wskutek pełzania materiału, a proces dyfuzji wzmacnia połączenie. W konsekwencji wartość // wzrasta do wartości ju_s.

Wartości współczynników tarcia

Jeżeli powierzchnie metalu oczyści się dokładnie w próżni, prawie niemożliwe jest spowodowanie poślizgu jednej powierzchni po drugiej. Wystąpienie jakichkolwiek sił ścinających zwiększa odkształcenie plastyczne materiału w miejscach styku, których powierzchnia szybko się zwiększa. Prowadzi to do całkowitego zatarcia się powierzchni (ju> 5, tabl. 25.1). Problem taki występuje w przestrzeni kosmicznej oraz w atmosferach (np. H₂), które usuwają wszelkie warstewki powierzchniowe istniejące na metalu. Najmniejszy ślad tlenu lub H₂0 znacznie zmniejsza ju, ponieważ tworzy się warstwa tlenku, która zapobiega powstawaniu rozległych połączeń.

W rozdziale 21 wspomnieliśmy, że na powierzchniach wszystkich metali, z wyjątkiem złota, tworzą się, czasami bardzo cienkie, warstewki tlenków tych metali. Badania wykazały, że w przypadku niektórych metali złącze utworzone na wierzchołkach wypukłości pomiędzy warstewkami tlenku ma mniejszą wytrzymałość na ścinanie niż sąsiadujący z nim metal (rys. 25.4).