Файл: Кутянин Г.И. Термостойкость и износостойкость кожи.pdf

ческих напряжений п теплового движения, порождающего энер­ гетические флуктуации, т. е. процесс разрушения подошвенного материала при эксплуатации обуви имеет термоактивационную природу.'

Полученные экспериментально данные о наличии связи между гермо- и износостойкостью подошвенной кожи [129, 161—164] не оставляют сомнений в справедливости этого вывода, который подтверждается также установлением прямой зависимости между износостойкостью импрегнпроваиной кожи п температурой плавле­ ния (размягчения) импрегната [162], о чем будет подробнее ска­ зано ниже.

Следовательно, связь между износостойкостью подошвенной кожи, величиной прилагаемой силы и температурой на поверхно­ сти трения Т образца может быть выражена [160] экспоненциаль­ ной зависимостью, подобной зависимости прочности материала от температуры и времени действия приложенной силы, установлен­ ной Н. С. Журковым для ряда твердых тел при одноосном растя.- жении:

где т — износостойкость подошвенной кожи; а — истинное давление в местах касания подошвы и опорной

поверхности; Т — температура, развивающаяся на поверхности истирания;

То — постоянная, численно близкая периоду собственных теп­ ловых колебаний атомов разрушаемого материала;

Uо — энергия активации разрушения связей, пропорциональ­ ная интенсивности сшивания при дублении структуры коллагена и температуре сваривания;

у— коэффициент, учитывающий неоднородность распределе­ ния напряжения по молекулярным цепям кожи;

е— основание натурального логарифма;

k — постоянная 'Больцмана.

Исходя из анализа этой зависимости, можно заключить, что износостойкость подошвы должна быть тем выше, чем больше энергия активации, т. е. выше прочность образующихся при дуб­ лении кожи поперечных связей (или чем выше температура сва­ ривания) и чем меньше фактическое опорное давление на подошву и ниже температура на поверхности истирания. Все это подтверж­ дается экспериментальными данными [28, 161, 159, 165].

Согласно излагаемым представлениям, требованию высокой износостойкости в большей степени отвечает термостойкая и от­ носительно более эластичная подошва, так как в участках сопри­ косновения ее с опорной поверхностью истинные давления меньше (чем у менее эластичных подошв) и, вероятно, также меньше ве­ личина коэффициента у, учитывающего природу и структуру ма­ териала и неоднородность распределения напряжений по моле­ кулярным цепям. В частнЬсти, величина коэффициента у вероят­

134

но зависит от природы исходного сырья, интенсивности взаимо­ действия между смежными структурными элементами кожи и ха­ рактера взаимодействия подошвы с опорной поверхностью [160].

Таким образом, разрушение подошвенной кожи в процессе экс­ плуатации обуви молено рассматривать как типичный термофлуктуацнонный процесс, происходящий под действием механической и тепловой энергии. Поэтому формула (15) может быть с успехом использована для объяснения процесса разрушения подошвы при носке обуви.

Выводы, сделанные на основании анализа уравнения С. Н. Жур­ кова для случая изнашивания подошвенных коле, совпадают со сформулированными одним из авторов [28] рекомендациями по повышению их износостойкости, а таклее в значительной степени справедливы и для подошвенных резин. В частности, снижение (до определенного предела) опорных давлений на подошву вслед­ ствие повышения ее эластичности и понилеение температуры на поверхности истирания, несомненно, будут способствовать повы­ шению ее износостойкости [160].

Наиболее слабыми участками, т. е. участками, где при исти­ рании кожи начинают разрушаться межцепные связи, могут быть границы раздела надмолекулярных структурных элементов, а именно неупорядоченные области структуры коллагена [160]. По­ следние имеют меиее плотную структуру, чем кристаллические зоны, они более доступны для дубящих веществ, а в молекулярных цепях областей сосредоточиваются большие напрялчения, причем неравномерно распределенные. Образовавшиеся в этих областях при дублении поперечные связи в процессе истирания колеи, оче­ видно, таклее разрушаются, так как степень износа зависит от числа и прочности связей (от интенсивности дубления).

Справедливость теории 'износостойкости подтверждается экспе­

и наметить научно обоснованные направления повышения такого их важнейшего свойства.

Изнашивание подошвы, происходящее вследствие отрыва струк­ турных элементов коліи, связано с разрывом мел<цепных связей, поэтому при одном и том же механическом усилии износ подошвы, очевидно, тем выше, чем выше температура поверхности истира­ ния кожи. Благодаря более высоким упругим свойствам и мень­ шей жесткости подошвенной колш хромового дубления в процессе носки обуви разогреваются меньше и имеют меньшие гистерезис­ ные потери, чем кол<и танидного дубления; будучи в то ліе время более термостойкими, они обнарулсивают и более высокий пока­ затель сопротивления истиранию [28].

Как уже подчеркивалось, эффект дубления прежде всего про­ является при испытании кожи в обводненном состоянии.

135

стойкость (температура сваривания) подошвенных кож.

Важным подтверждением теории износостойкости является совпадение данных о термостойкости п износостойкости кожи [159, 161]. Это можно видеть при рассмотрении рис. 43, на котором изображены кривые, характеризующие зависимость термо- и пзно- со-стойкости образцов подошвенной кожи хромтанидного дубления в мокром п сухом состоянии от температуры нагревания. Кривые падения износостойкости практически совпадают с кривыми тер-

мической усадки мокрых и сухих .образцов [70, 67]. При нагревании заметное понижение износостойкости мокрых образцов наблю­

рис. 43 свидетельствуют о резком различии в термостойкости сухих и мокрых кож и подтверждают зависимость между износо- и термо­ стойкостью подошвенных кож, т. е. межцепные связи в коже, опре­

3. ПРИЧИНЫ связи МЕЖДУ износо- и т ерм о с т о й к о с тью кож и

Сущность трения и износа твердых тел

Теория трения и износа твердых тел долгое время развивалась почти исключительно применительно к металлам и другим ма­ териалам с кристаллической структурой. Однако, несмотря на большое число экспериментальных и теоретических работ, процес-

136

сы трения и износа металлов остаются до сих пор недостаточно изученными. Еще менее изучен процесс износа органических ве­ ществ, в частности высокомолекулярных. Только в последние годы появился ряд исследований, посвященных изучению трения и из­ носа синтетических полимеров, например работы С. Б. Ратнера и его сотрудников.

Наибольшее число работ посвящено изучению внешнего трения двух твердых тел, под которым понимается взаимодействие этих тел в местах соприкосновения, проявляющееся в противодействии перемещению одного тела по поверхности другого.

Трение, возникающее при перемещении относительно друг друга структурных элементов одного и того же тела, называется внутрен­ ним.

Обычно различают два вида взаимодействия поверхностей тру­ щихся тел: механическое, обусловленное зацеплением, взаимным внедрением неровностей соприкасающихся тел под действием сжи­ мающих и тангенциальных усилий, и молекулярное, обусловленное притяжением тел под действием остаточных сил молекул и. атом­ ных групп, образующих поверхность этих тел.

Представления о силах молекулярного взаимодействия положе­ ны в основу теории внешнего трения Г. Томлинсона [166], согласно которой, в процессе трения молекулы одного тела в местах касания входят в поле действия молекулярных сил другого тела.

Согласно теории Ф. Боудена [167], кинетическое трение при дви­ жении одного металлического тела по поверхности другого осуще­ ствляется на очень малых площадях контакта, на которых сосре­ доточиваются большие давления, ведущие к резкому местному по­ вышению температуры тел в точках касания. В результате этого часть молекул поверхности одного тела, потерявших состояние устойчивого равновесия и попавших в поле молекулярных сил дру­ гого тела, увлекаются последним или оказываются не связанными с обоими телами; они представляют собой продукты износа.

По мнению Ф. Боудена, температура в точках касания трущих­ ся тел может быть настолько велика, что происходит расплавление поверхностей и сваривание их. При движении трущихся поверхно­ стей в местах сваривания и вблизи них происходят пластические деформации и выравнивание поверхности тела. Сваривание и по­ следующий разрыв контактов рассматривается как главная при­ чина износа металлов при трении.

И. В. Крагельским [168] была предложена молекулярно-механи­ ческая теория трения. Согласно этой теории, трение, возникающее в отдельных точках контакта соприкасающихся поверхностей, обус­ ловлено как механическим сцеплением, так и молекулярным взаимодействием. Каждый из видов взаимодействия приводит к раз­ рушению материала различного характера. В первом случае проис­ ходит царапание поверхностей трущихся тел, а во втором — схва­ тывание их, приводящее к глубинному разрушению материала. Взаимное притяжение молекулярных полей при скольжении тел вызывает разогревание и течение (расплавление) поверхностных

слоев. При многократном взаимодействии возможны усталостные разрушения контактирующих участков и следующие за ними от­ слаивание II выкрашивание материала [168].

Материал] устойчивый к одному виду разрушения, может быть неустойчивым к другому виду разрушения, в связи с чем необхо­ дима дифференцированная оценка износостойкости материала по отношению к каждому виду разрушения.

Проблемы износа и деформации твердых тел с учетом влия­ ния среды подробно рассматриваются в трудах П. А. Ребиндера [169, 170], который определяет износ как поверхностное разруше­ ние трущихся тел под влиянием тангенциальных усилий, превосхо­ дящих предел текучести пли прочности. При этом происходят плас­ тические деформации с последующим вырыванием из поверхно­ стных слоев трущихся тел или скалыванием с них мельчайших частиц. Следовательно, износ рассматривается как явление по­ верхностного диспергирования под влиянием работы силы трения.

При движении одного тела по поверхности другого точка при­ ложения силы трения перемещается и, следовательно, эта сила со­ вершает работу [169, 170]. Поэтому при рассмотрении явления раз­ рушения твердых трущихся тел следует учитывать энергетический эффект процесса. При разрушении твердого тела под действием трения сначала происходят упругие, а затем пластические, необ­ ратимые деформации, которые предшествуют удалению (дисперги­ рованию) частиц материала с поверхности трущихся тел. Однако оказалось, что работа диспергирования, составляет ничтожную долю всей затраченной работы при трении. Поэтому, если для хрупких материалов энергией, расходуемой на диспергирование, можно пренебречь, то с еще большим правом это можно сделать для более пластичных материалов [171, 172].

Большая часть энергии, расходуемой на пластические деформа­ ции, переходит в теплоту, а меньшая — в поглощенную, скрытую энергию изменения кристаллической решетки [172]. По мере роста степени деформации поглощенная энергия составляет все меньшую и меньшую долю. Благодаря этому энергия, расходуемая на пла­ стические деформации, является главным источником появления тепла, а следовательно, и повышения температуры трущихся по­ верхностей. В свою очередь, повышение температуры при трении приводит к понижению предела текучести материала и способст­ вует дальнейшим пластическим деформациям, т. е. усиливает из­ нос материала.

Температура трущихся поверхностей, оказывает влияние на свойства поверхностных слоев тела и определяет кар величину сил трения, так и характер разрушения материала при изнашива­ нии. Даже при незначительном номинальном давлении и малой площади участков действительного контакта между трущимися те­ лами на этих участках сосредоточиваются высокие опорные давле­ ния, вызывающие пластические деформации. Кроме того, необхо­ димо учитывать возможность протекания при разрушении тела тех цепных химических реакций, которые инициируются свободными

138