Коэффициент трения сталь по стали: виды трения и их величины

Трение является одной из важнейших характеристик при конструировании и эксплуатации машин и механизмов. От правильного определения коэффициента трения зависит надежность и долговечность узлов трения, а также энергопотребление всей конструкции.

Основные понятия теории трения

Трение - это сила сопротивления относительному перемещению соприкасающихся твердых тел. Различают несколько видов трения:

• трение покоя (статическое) - возникает при попытке сдвинуть неподвижные тела
• трение скольжения (кинетическое) - действует при относительном перемещении тел
• трение качения - возникает при качении одного тела по другому

Величина силы трения скольжения описывается известной формулой:

F_тр = μ × N

где μ - коэффициент трения скольжения, N - сила нормального давления между телами.

Коэффициент трения зависит от многих факторов:

• материалов трущихся поверхностей
• шероховатости и микрогеометрии поверхностей
• наличия смазочного материала
• относительной скорости скольжения
• температуры в зоне контакта

Значения коэффициента трения стали по стали

Сталь является одним из наиболее широко используемых конструкционных материалов в машиностроении. Рассмотрим типичные значения коэффициента трения скольжения для различных пар сталь-сталь.

Для несмазанных стальных поверхностей высокой твердости (закаленная сталь) коэффициент трения скольжения обычно лежит в диапазоне 0,15-0,2.

Для отожженных и низкоуглеродистых сталей этот показатель может достигать 0,3-0,4. Такая разница объясняется более высокой адгезией мягкой стали, обусловленной повышенной пластичностью материала.

Коэффициент трения покоя для стали по стали чуть выше - в среднем около 0,15-0,17.

Применение смазочных материалов позволяет существенно снизить трение в стальных трибосопряжениях. Например, при гидродинамическом режиме смазки коэффициент трения может опускаться до 0,001-0,01.

Для сравнения, трение полированного стекла или пластмассы по стали значительно ниже - порядка 0,05-0,1. А вот чугун имеет еще большее сцепление со сталью из-за высокой шероховатости - до 0,5-0,6.

Таким образом, при расчетах узлов трения, где присутствует сталь, необходимо учитывать ее марку, параметры поверхности, а также наличие смазки. Это позволит повысить точность инженерных расчетов.

Влияние шероховатости поверхности на трение

Шероховатость стальной поверхности оказывает существенное влияние на коэффициент трения. Чем больше неровностей и микровыступов на поверхности, тем выше трение из-за увеличения фактической площади контакта и зацепления микронеровностей.

Если отполировать стальную поверхность до зеркального блеска (параметр шероховатости Ra менее 0,1 мкм), то коэффициент трения может снизиться на 30-50% по сравнению с необработанной сталью.

Покрытия для снижения трения

Для уменьшения трения часто используются специальные покрытия, наносимые на рабочие поверхности стальных деталей. Например, оксидно-хромовые, нитридно-титановые или политетрафторэтиленовые (тефлоновые) покрытия позволяют снизить коэффициент трения в 2-5 раз.

Зависимость трения от температуры

Повышение температуры в зоне контакта, как правило, приводит к росту сил трения. Это связано с разупрочнением и размягчением поверхностных слоев стали, увеличением их пластичности и адгезии.

Однако при очень высоких температурах (свыше 300°C) может наблюдаться некоторое снижение трения из-за образования оксидных пленок. Поэтому прогрев стальных трибосопряжений перед эксплуатацией иногда используется как эффективный метод уменьшения износа.

Влияние скорости скольжения

Изменение скорости относительного перемещения (скольжения) стальных поверхностей также влияет на силу трения. Как правило, до некоторого порогового значения скорости коэффициент трения растет, а затем выходит на насыщение или даже несколько снижается.

Это связано с интенсивностью образования и разрушения микросвязей в пятне контакта. При низких скоростях успевают образовываться новые связи, компенсирующие разрушаемые, а на высоких скоростях - уже нет.

Модели трения стали по стали

Существует несколько теоретических моделей, описывающих трение скольжения стальных поверхностей. Наиболее известные - это модель пластического контакта Боудена-Табора и модель адгезионного взаимодействия.

Первая модель предполагает пластическую деформацию микроскопических неровностей в пятне контакта с последующим их отрывом. Вторая объясняет трение образованием и разрушением адгезионных связей между атомами поверхностных слоев стали.