Проблемы внешнего трения тел и граничной смазки

ЧЛЕН КОРР. АН СССР Б. В. ДЕР ЯГ И Н

ПРОБЛЕМЫ  ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ   И   ГРАНИЧНОЙ

СМАЗКИ

В то время как внутреннее трение проявляется при деформации однородного тела (жидкости, газа), при которой скорости частиц тела остаются непрерывной функцией координат, внешнее трение твердых тел характеризуется наличием скачка скоростей между соприкасающимися участками поверхностей обоих тел. Ввиду этого при внешнем трении (в отличие от случая внутреннего трения) силы сопротивления локализованы в одной плоскости — плоскости скольжения. Эта особенность сближает внешнее трение с явлениями, сопровождающими образование плоскостей скольжения при пластической деформации монокристаллов.

Хорошо известно, что на практике при внешнем трении для облегчения скольжения в большинстве случаев применяют различные смазочные средства (жиры, масла). Как показали основатели гидродинамической теории смазки — Петров, Рейнольде, Жуковский, Чаплыгин, если нагрузка не слишком велика и скорость скольжения не слишком мала, то трущиеся поверхности оказываются отделенными слоем смазки такой толщины, при которой явление скольжения по существу исчезает и задача приобретает гидродинамический характер. В силу этого сопротивление движению в данном случае определяется исключительно внутренним трением слоев смазочной прослойки и не зависит от природы трущихся поверхностей. Особая простота этого случая трения твердых тел наряду с практической выгодой его реализации привела к широкому развитию и применению гидродинамической теории смазки.

Если, однако, скорость «скольжения» недостаточно велика, то смазочная прослойка делается настолько тонкой (она может даже прорываться в отдельных точках контакта), что ее свойства становятся отличными от свойства смазки «в объеме» и начинают зависеть от природы поверхностей трущихся тел. Данный случай, или режим граничного полужидкостного трения, чрезвычайно запутан, и потому, несмотря на чрезвычайно большое практическое значение этого режима, исследование его находится на такой ступени развития, когда общая математическая теория еще отсутствует.

Однако ряд экспериментальных  работ позволил выявить особые свойства тончайших граничных смазочных  слоев и их роль в процессах трения и износа. Основной, принципиальный интерес имеет вопрос о том, какова вязкость граничных слоев, прилегающих к твердым по-

Проблемы  внешнего трения твердых   тел   и  граничной   смазки     29

верхностям. До недавнего времени он оставался открытым ввиду отсутствия метода, достаточно тонкого для измерения вязкости в слоях толщиной от 10^–7 до 10^–5 см, в каковых пределах заключены толщины граничных пленок с  их особыми свойствами.

В результате разработки в лаборатории  поверхностных сил Института физической химии АН СССР Г. М. Страховским, Е. Ф. Пичугиным,  
В. В. Карасевым и автором данной статьи совершенно нового метода измерения вязкости, метода «сдувания», эту трудную задачу удалось разрешить. Так например, Е. Ф. Пичугиным и автором данной статьи было доказано, что в граничных пленках масел, содержащих поверхностно-активные молекулы с длинной углеводородной цепью, вязкость вблизи стенки (металла) больше, чем в объеме, на несколько десятков процентов; иногда наблюдается более сложная зависимость — вблизи стенки вязкость меньше, на большем расстоянии — больше объемной «нормы». Только для чистейшего, неполярного вазелинового масла вязкость строго постоянна вплоть до самой стенки. Основной интерес этих данных заключается в том, что эти изменения вязкости указывают на отличия структуры граничных пленок от объемной (что было доказано для некоторых случаев и методами диффракции рентгеновских лучей и электронов) и на те толщины, в которых эти структурные особенности локализованы.

Достойно удивления, что  при адсорбции жирных кислот и  других алифатических соединений из вазелинового масла образование адсорбционного слоя сопровождается появлением особой структуры в слоях вазелинового масла толщиной порядка сотни молекул. Повидимому, эта структура связана с ориентацией молекул, распространяющейся от поверхности в глубь жидкости.

Особый интерес представляет вопрос о термодинамических особенностях граничных пленок, связанных с особенностями их структуры. Как показал в нашей лаборатории в Институте физической химии В. В. Карасев, можно, исследуя поведение тонких пленок масел на твердой поверхности, вдоль которой установлен температурный градиент, и пользуясь развитой автором настоящей статьи теорией, определить изменения удельной энтропии граничных слоев по сравнению с ее объемным  значением  в  функции расстояния  от твердой  стенки.

Помимо энтропийной «аномалии», связанной, по нашему мнению, со структурными аномалиями граничных слоев, аномалия термодинамического поведения проявляется, и притом наиболее наглядным и непосредственным образом, в другом эффекте — в «расклинивающем действии», обнаруженном и исследованном автором совместно с  
М. М. Кусаковым, а также Е. Обуховым, начиная с 1934 года¹. Этот эффект способен объяснить, как это нами много раз отмечалось (например на 1-й Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах в 1940 году), сохранение смазочной прослойки при малых скоростях, когда гидродинамическое клиновое действие недостаточно. Все же можно предполагать, что исследованное нами в статических условиях расклинивающее действие при больших нагрузках способно поддерживать граничную пленку только з несколько молекул толщиной,  что в условиях  реальных    шероховатых    поверхностей    не

¹ Связь между расклинивающим действием и «энтропийным» эффектом была рассмотрена в теоретической работе члена-корр. АН СССР Я. И. Френкеля. Однако  
Я. И. Френкель трактует изменения энтропии в граничных пленках независимо от их структурных особенностей, что оставляет без объяснения ряд основных явлений.

30 Б. В.  Дерягин

обеспечивает    достаточно    низких    значений    коэффициента   трения   и износа.

Поэтому особый интерес  возбудили опыты Бика, Гивенса и Смита, обнаружившие резкое утолщение граничной пленки, сопровождаемое падением силы трения при скоростях, превышающих некоторое критическое ее значение (порядка 1 см/сек.), но все же значительно меньших, чем те, при которых толщина смазочной прослойки поддерживается гидродинамическим клиновым действием, уравновешивающим внешнюю нагрузку.

Существование грузоподъемности граничной  смазочной пленки порядка тысяч атмосфер в условиях кинетического трения было совершенно иным методом доказано в работе Е. Ф. Пичугина и автора настоящей статьи. Было показано, что шероховатость металлической или стеклянной поверхности, измеренная с помощью щупового профилометра, оказывается меньше в том случае, когда ощупываемая поверхность была предварительно покрыта слоем масла или воды, содержащих в растворе поверхностно-активные молекулы. Это кажущееся сглаживание поверхности объясняется буферным действием граничной пленки, сильнее продавливаемой выступами поверхности, чем над остальными участками ее рельефа. Оказалось, что сглаживающее действие различных масел находится в прямом соответствии с их смазочной эффективностью в условиях граничного трения, что позволяет использовать щуповые профилометры для оценки «маслянистости». Теоретическое объяснение этого эффекта представляет большие трудности. Повидимому, он связан с ориентированной структурой полимолекулярных граничных слоев, обусловливающей анизотропию их свойств и повышенное сопротивление «продавливанию» по сравнению с изотропным смазочным слоем.

Помимо влияния ориентации молекул на процесс трения, должен¹ существовать обратный эффект — влияния процесса и силы трения на ориентацию молекул. Подобное явление, как известно, наблюдается и в объеме жидкостей при наличии потока с высоким значением градиента скорости и, следовательно, значительной величиной силы внутреннего трения. Как показывают расчеты, подобная ориентация в потоке должна иметь место и в маслах.

В граничных пленках легко достигаются  большие значения градиента скорости, однако явление здесь специфично в том отношении, что соответствует переходу ориентации молекул из той, в типичных случаях нормальной к поверхности, которая обеспечивается действием «поверхностных» сил, в ориентацию, параллельную поверхности под влиянием градиента скоростей потока и сил трения. Это изменение ориентации молекул смазочного слоя под влиянием самого процесса трения должно вызывать обратное воздействие на величину коэффициента трения. Наиболее прямым методом изучения этого эффекта было бы изучение изменения коэффициента трения во времени, начиная с момента начала движения. Однако этот путь при обычных условиях трения мало пригоден для наблюдения эффекта, так как масляная прослойка в зоне контакта непрерывно обновляется вместе с перемещением зоны контакта относительно одной из трущихся поверхностей. Положение меняется, если зона контакта имеет значительную протяженность в направлении скольжения. Такой случай реализуется, если наблюдать трение вала или цилиндра, вращающегося вокруг горизонтальной оси, о перекинутую через нее проволоку, натягиваемую грузом. В этом случае удается весьма удобным и точным образом проследить за теми изменениями коэффициента трения, которые испытывает сма-

Проблемы  внешнего трения твердых  тел  и  граничной  смазки 31

зочная прослойка, увлекаемая поверхностью вала и скользящая под проволокой вдоль дуги ее контакта с валом. Для этого достаточно, как показывают расчеты, проследить за изменениями суммарной силы трения в зависимости от длины дуги обхвата. Подобные эксперименты были недавно весьма тщательно и тонко выполнены в нашей лаборатории в Институте физической химии АН СССР В. П. Лазаревым. Оказалось, что в случае смазки олеиновой кислотой, способной образовывать ориентированные граничные слои, коэффициент трения действительно испытывает вариации (примерно вдвое) вдоль дуги обхвата, особенно заметные при малых скоростях (несколько миллиметров в секунду). Наоборот, при смазке аполярным вазелиновым маслом коэффициент трения строго постоянен.

Этот существенно новый эффект указывает на особую сложность явлений  граничной смазки при кинетическом трении.

Тем не менее практическая важность этой области явлений заставляет ставить вопрос не об ослаблении, а об усилении исследовательских работ в этом направлении с целью создания полной и количественной теории граничной смазки. Более простые закономерности можно рассчитывать найти при том противоположном «жидкостной смазке» предельном случае, когда скорости так малы, что не только смазочная прослойка теряет вследствие утоньшения свои жидкостные свойства, но исчезают и явления изменчивости ориентации под воздействием сил трения.

Весьма интересный метод  изучения перехода вязкостного поведения смазочного слоя к пластичному, основанный на наблюдении колебаний, затухающих под влиянием сил трения, был применен А. С. Ахматовым. Им было показано, что при малых скоростях и толщинах смазочной прослойки скорости ее точек, повидимому, перестают быть непрерывными функциями координат и обнаруживается образование плоскостей скольжения. Именно в связи с этим сила трения перестает зависеть от скорости.

Для чисто граничного трения наиболее характерным и важным отличием от режима жидкостной или «полной» смазки является соблюдение закона Амонтона—Кулона — основного закона «сухого» трения. Вопрос о природе этого закона и его связи со свойствами тончайшей граничной пленки в значительной мере выяснен в работе В. П. Лазарева, важные данные получены в нашей лаборатории М. Л. Смолянским относительно ориентации адсорбционных монослоев и ее влияния на их смазочное действие.