Трение и износ.

  Правила пропорциональной миниатюризации приводят к факту, что на микроуровне поверхностные силы по сравнению с объёмными имеют большее значение. Из этого следует, что для микроактюаторов трение имеет очень большое значение. Кроме того, из-за своей маленькой массы микромеханические элементы обладают малой силой инерции, что ведёт к высоким динамическим характеристикам, и следовательно они часто работают с высокой рабочей частотой и скоростью.
  С одной стороны трение ведёт к потерям, которое является причиной ухудшения функционирования элементов, с другой стороны трение приводит к износу, который негативно воздействует на функциональное поведение и ведёт к ускоренному старению и, в конечном счёте, поломке компонента. Трение является ключевым фактором, который определяет не только эффективность, но и долговечность. Однако трение не всегда сопровождается износом, возможно трение и без износа.
  Трение - это явление, воздействующее на поверхностный слой материала, и практически не затрагивающее объёмные характеристики. Это результат взаимодействия контактных областей поверхностей. Важные факторы, влияющие на величину трения: состояние поверхности, поверхностная топология и взаимодействующие материалы. По сравнению с традиционным машиностроением в микросистемах появляется трение твердых тел (сухое трение). Переход между сухим трением и трением со смазкой характеризуется формулой Зоммерфельда:

где p - F/(ld) давление нагрузки, ψ - (D-d)/d относительный радиальный зазор, D - внешний ра-диус подшипника, d - внутренний радиус подшипника, η - вязкость смазки, ω - это скорость и l длина подшипника.
 В формуле Зоммерфельда более чем где присутствует сухое трение, которое является доминирующим в точном машиностроении и в микромеханических устройствах. Поэтому гидродинамические подшипники скольжения, где вал движется по замкнутой смазочной плёнке, не применимы. К тому же для микромоторов сила поверхностного натяжения настолько велика, что существенно влияет на их функционирование. Поэтому в качестве подшипников скольжения используют подшипники сухого трения, которые, однако, могут быть снабжены молекулярными смазочными плёнками для уменьшения трения и износа. В этом случае характеристики смазки и контактной поверхности становятся главными факторами. С одной стороны характеристики материалов для смазочных плёнок молекулярной толщины изменяются, с другой стороны адгезия смазок с поверхностью, которая объясняется химической и физической адсорбцией, приобретает большую важность. Следует заметить, что на сегодняшний день ещё не существует общепринятых методов применения молекулярных плёнок толщиной в несколько нанометров. В этом случае шероховатость поверхности имеет более высокую важность, чем толщина используемой в микросистемах плёнки, которая лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров.
 Классическая инженерная модель макроскопического трения имеет следующие существенные характеристики:
1. Сила трения зависит только от нормальной силы F_N и всегда действует в направлении противоположном направлению движения.
2. Сила трения не зависит от величины поверхности соприкосновения.
3. Сила трения не зависит от скорости скольжения.
4. Сила трения покоя всегда больше силы трения движения.
5. Силы трения зависят только от двух материалов, которые скользят друг по другу.
Следующая формула, названая законом Кулона - Амонтона (Coulomb-Amonton) выражает эти соотношения:

где F₁ и F_N - это тангенциальная и нормальная составляющая силы и μ - кинетический коэффициент трения.
 Некоторые коэффициенты сухого трения скольжения μ для различных комбинаций материалов представлены в таблице 12.4.

 Любая поверхность имеет неровности и поверхностную волнистость, что приводит к тому что фактическая область контакта состоит из отдельных контактных точек. Точки контакта или неровности составляют только малую долю общей площади поверхности, зависящую от нагрузки.

рис. Модель, представляющая увеличение фактической контактной поверхности: a) контактная область с малой нагрузкой и b) контактная область с большой нагрузкой.

 Так как исключительно точки контакта вносят вклад в генерацию силы, напряжение в точках контакта соответственно высоко, и предел текучести материала σ_m может быть достигнут при относительно малых силах. В пределах контактных точек происходят эластичные и пластические деформации, посредством чего общая суммарная площадь контакта А становится прямо пропорциональной давлению и обратно пропорциональной пределу текучести. A=p/σ_m. В контактных областях силы междуатомного взаимодействия действуют между смежными участками вещества, которые противостоят касательному напряжению σ_s. В этом случае силы трения переносятся толь-ко в область контакта. Таким образом, сила трения становится пропорциональной фактической площади контакта, и коэффициент трения находится по формуле μ=σ_s/σ_m. Эта модель даёт возможность объяснить трение Кулона, так как трение становится пропорциональным нагрузке, и не зависит от кажущейся площади. Сумма точек области находящихся в реальном контакте возрастает с увеличением нагрузки, из-за вовлечения большей области в адгезионное взаимодействие деформацией. Модель также объясняет, почему различные поверхности материалов имеют различный коэффициент трения - атомные поверхности имеют разные межмолекулярные связи. Некоторые применения этой идеи могут подтвердить вывод о том, что грубые поверхности могут иметь меньшее трение, чем очень хорошо отполированные, поскольку большая часть поверхности находится в контакте. Главная роль смазки - держать поверхности раздельно.

 Износ, который сопровождает трение, отчасти можно представить в виде следующей картины. Внутри точек контакта происходит сильная нагрузка на материал, которая приводит к пластическим деформациям с одной стороны и с другой стороны, из-за слипания точек контакта, к формированию трещин на поверхности контактирующего материала и в результате к необратимым изменениям. Для износа характерны следующие механизмы:
- Адгезия (слипание)
- Абразивный износ (стирание)
- Эрозия из-за разрыва оксидных покрытий
- Усталость.

 Межатомные взаимодействия - это результат разрушения и преобразования атомных связей. Внутри диапазона контактной области благодаря адгезионной силе может происходить перемещение вещества между точками контакта и искажение кристаллической решётки. Перемещение вещества становится более очевидным при комбинировании материалов, которые имеют большее взаимное адгезивное сходство или химическую растворимость, создавая больший износ при контакте похожих поверхностей, чем при разнородных. При абразивном износе, материал стирается из-за неровностей поверхностей взаимодействующих материалов или из-за твёрдых частиц. В основном более твёрдый материал удаляет верхний слой с более мягкого материала во время прохождения контакта. Поскольку поверхность металлических материалов покрыта оксидной плёнкой, высокие локальные нагрузки могут привести к разрыву оксидной плёнки. Это приведёт к открытию металлической поверхности и в результате к формированию новой оксидной плёнки. Усталость - это результат циклических напряжений, которые вызывают пластические деформации поверхности.

 Изучение трения на атомном уровне названо нанотрибологией - это исследования, выполненные путём измерения силы трения при помощи растрового силового микроскопа. Новые концепции и иногда интригующие, но противоречивые интуитивные результаты были открыты с тех пор, когда эта техника была впервые представлена в конце 80-х годов. Силы трения порождают гармонические колебания атомной кристаллической решётки, которые различаются в двух материалах. Энергия механических колебаний, в конечном счёте, производит тепло. Это показывает, что на атомном уровне трение это величина, которая зависит от материала и пропорциональная фактической, вместо кажущейся области контакта. Сила вдобавок пропорциональна степени своей необратимости, например, она зависит от коэффициента лёгкости с которой области слипаются друг с другом. Идеальным для предотвращения трения является материал, который сопротивляется образованию химических связей со множеством других материалов. Эта химическая инертность найдена в некоторых материалах, таких как тефлон. На атомном уровне было определено, что сухое трение иногда меньше, чем жидкое, потому что жидкость предоставляет больший фактический контакт между поверхностью и жидкостью, что приводит к гораздо большему адгезионному трению. Текстурирование может быть прежде всего использовано для уменьшения стикции (слипания) и трения покоя, так как более нерегулярные поверхности имеют меньшую стикцию. Текстурирование также может оказывать некоторую помощь смазочному материалу.

Раздел Трение и износ составлен с использованием учебных материалов М. Каспера. [2]