Трение и выбор антифрикционных материалов

 
 
 
 
 
М. А. ФИЛИППОВ, О. Ю. ШЕШУКОВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТРЕНИЕ И ВЫБОР АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 621.891 
ББК 34.41 
Ф53 
 
 
 
Рецензенты: 
кафедра материаловедения, контроля в машиностроении и методики  
профессионального образования Российского государственного  
профессионально-педагогического университета (РГППУ)  
(зав. кафедрой проф., д-р техн. наук Б. Н. Гузанов); 
проф., д-р техн. наук Б. А. Потехин  
(Уральский государственный лесотехнический университет) 
 
 
 
 
Филиппов, М. А. 
Ф53   
Трение и выбор антифрикционных материалов : учебное пособие / 
М. А. Филиппов, О. Ю. Шешуков. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 172 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1615-3 
Рассмотрены основные виды и механизмы трения и изнашивания. С позиций современных представлений описаны физико-химические свойства поверхностей трения 
деталей, условия их контактного взаимодействия. Проанализированы виды трения, основные виды повреждений рабочих поверхностей и обусловленные ими механизмы 
трения и изнашивания. Обоснованы требования, предъявляемые к антифрикционным и 
износостойким материалам и описаны принципы выбора адекватных материалов применительно к различным условиям их работы. Кратко рассмотрены распространенные 
типы лабораторных установок для изучения трения и изнашивания металлов, особенности взаимосвязи структуры со свойствами основных антифрикционных и износостойких материалов.  
Для студентов и аспирантов металлургических и машиностроительных специальностей вузов. Может быть полезно инженерно-техническим работниками предприятий 
и научно-исследовательских институтов. 
 
УДК 621.891 
ББК 34.41 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1615-3 
” Филиппов М. А., Шешуков О. Ю., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 5 
 
Глава 1. Общие закономерности трения и изнашивания ................................. 8 
1.1. Внешнее трение твердых тел .............................................................................. 8 
1.1.1. Виды трения 
................................................................................................... 9 
1.2. Изнашивание металлов при трении 
.................................................................. 12 
1.2.1. Методы измерения износа 
.......................................................................... 13 
 
Глава 2. Классификация и характеристика видов и механичмов  
изнашивания ............................................................................................................ 22 
2.1. Классификация видов изнашивания 
................................................................. 22 
2.1.1. Абразивное изнашивание ........................................................................... 24 
2.1.2. Эрозионное изнашивание 
........................................................................... 31 
2.1.3. Кавитационное изнашивание 
..................................................................... 34 
2.1.4. Усталостное изнашивание 
.......................................................................... 38 
2.1.5. Изнашивание при схватывании и заедании 
.............................................. 42 
2.1.6. Окислительное изнашивание ..................................................................... 45 
2.1.7. Водородное изнашивание 
........................................................................... 51 
2.1.8. Изнашивание при фреттинг-коррозии .......................................................... 
53 
 
Глава 3. Процессы, происходящие на поверхностях трения,  
и механизмы изнашивания и разрушения 
......................................................... 58 
3.1. Кинетика процессов изнашивания ................................................................... 58 
3.2. Структурные превращения металлов при трении .......................................... 60 
3.3. Виды нарушения фрикционных связей поверхностей трения ...................... 70 
3.4. Механизмы изнашивания и разрушения при трении ..................................... 72 
3.5. Эффект безызносности (избирательный перенос при трении) ..................... 75 
3.5.1. Сущность эффекта безызносности ............................................................ 75 
3.5.2. Реализация эффекта безызносности 
.......................................................... 82 
 
Глава 4. Антифрикционные материалы на основе цветных металлов ....... 85 
4.1. Принципы выбора антифрикционных материалов 
......................................... 86 
4.2. Баббиты ............................................................................................................... 88 
4.3. Сплавы меди ....................................................................................................... 91 
4.3.1. Бронзы 
.......................................................................................................... 
91 
4.3.1.1. Оловянные бронзы 
................................................................................ 91 
4.3.1.2. Алюминиевые бронзы .......................................................................... 95 
4.3.1.3. Бериллиевые бронзы ............................................................................ 99 
4.3.1.4. Кремнистые бронзы 
............................................................................ 102 
4.3.1.5. Свинцовые бронзы ............................................................................. 103 
4.3.1.6. Применение бронз как антифрикционного материала 
................... 104 
4.3.2. Латуни ........................................................................................................ 
107 
4.3.2.1. Двойные латуни 
.................................................................................. 107 
4.3.2.2. Многокомпонентные (легированные) латуни 
................................. 111 
4.3.2.3. Деформируемые латуни .................................................................... 112 
4.3.2.4. Литейные латуни 
................................................................................ 113 
3 
 

 
4.3.2.5. Специальные медные сплавы ........................................................... 114 
4.3.3. Принципы выбора режимов термической обработки меди  
и её сплавов 
.......................................................................................................... 116 
4.3.3.1. Выбор режимов отжига меди и её сплавов ..................................... 116 
4.3.3.2. Выбор режимов закалки и старения дисперсионно-твердеющих  
медных сплавов ............................................................................................... 120 
4.3.3.3. Взаимодействие меди и её сплавов с газами и применение  
защитных атмосфер при термической обработке 
........................................ 122 
4.3.3.4. Виды брака при термической обработке меди и её сплавов ......... 125 
4.3.3.5. Области применения антифрикционных сплавов меди 
................. 125 
4.4. Антифрикционные сплавы и припои ............................................................. 126 
4.5. Алюминиевые сплавы ...................................................................................... 126 
4.6. Сплавы на цинковой основе 
............................................................................ 131 
 
Глава 5. Антифрикционные сплавы на основе железа,  
металлокерамические и неметаллические материалы ................................. 134 
5.1. Антифрикционные чугуны 
.............................................................................. 134 
5.2. Металлокерамические материалы .................................................................. 146 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ. Контрольные тесты по трению, износу, 
антифрикционным и износостойким материалам 
......................................... 150 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 167 
 
4 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Работа любого механизма и машины связана с передачей энергии и потерями части передаваемой энергии на трение. Трение – всеобщее явление живой 
и неживой природы. Поверхности двух тел, вступающие в контакт, испытывают трение. Человечество более 5 тыс. лет назад научилось использовать трение 
для получения огня, а впоследствии – во множестве других применений, но до 
настоящего времени многие стороны этого явления остаются недостаточно 
изученными. Это вызвано тем, что при трении одновременно происходят механические, физические, химические, электрические, тепловые, вибрационные и 
другие процессы. Эти процессы быстро протекают в очень тонких поверхностных слоях контактирующих тел и трудно поддаются изучению.  
Процесс трения, сопровождаемый различными воздействиями, вызывает 
изнашивание поверхности материалов. Можно сказать, что все, что испытывает 
трение, изнашивается, несмотря на впечатляющие успехи триботехники в создании безызносных узлов трения – исключения лишь подтверждают правило. 
Далеко не все, что изношено, может быть восстановлено. Чем ответственнее 
машины и механизмы, чем сложнее  условия работы узлов и пар трения современных агрегатов (например, в космических программах, высокотемпературных и низкотемпературных установках, радиационного облучения и др.), чем 
выше стоимость конструкций, тем важнее  роль материаловедения при назначении материалов пар трения, при выборе технологии упрочняющей обработки 
и анализе процессов, происходящих на рабочих поверхностях при трении.  
В большинстве случаев такие детали или узлы работают в контакте с твердыми, жидкими или газообразными средами, рабочие поверхности которых подвергаются действию трения, а, следовательно, механическому изнашиванию.  
В мире и в России 80–90 % машин – автомобилей, самолётов, локомотивов, станков – преждевременно выходят из строя не вследствие поломок, а в результате недопустимого изменения размеров, формы или состояния рабочих 
поверхностей из-за трения и износа контактирующих деталей при работе любого механизма и агрегата машины.  
Износ (изнашивание) в общем случае можно охарактеризовать как изменение размеров, формы, массы или состояния поверхностного слоя твердого 
тела под влиянием внешней среды. Износ может вызываться трением поверхностей деталей машин одна о другую, воздействием на поверхность рабочей 
среды потоков жидкости, газа или контакта поверхности с твердыми частицами. 
Наиболее распространенным видом механического изнашивания, которому подвержены машины и агрегаты горнодобывающей и перерабатывающей, 
строительно-дорожной техники и транспорта, является абразивное изнашивание и его разновидности – газо- и гидроабразивное изнашивание. В то же время 
любые пары трения в закрытых механизмах – автомобилях, станках, приборах – 
подвержены адгезионному и усталостному изнашиванию. Разработка новых 
износостойких материалов и методов борьбы с этими видами изнашивания 
остается одной из важнейших проблем материаловедения.  
5 
 

 
Авторы представили данный учебный материал, придерживаясь традиций 
Уральской школы металловедения и используя многолетний опыт чтения соответствующих дисциплин материаловедческого цикла на металлургическом факультете, а в последние 10 лет – Институте новых материалов и технологий 
Уральского федерального университета. Вместе с тем, при написании данного 
пособия авторы не могли не использовать многие важные положения из классических монографий, справочников и учебников по вопросам трения и изнашивания Ф. П. Боудена и Д. Тейбора, М. М. Хрущева, И. В. Крагельского,  
Б. И. Костецкого, В. Д. Конвисарова, В. Д. Кузнецова, И. М. Любарского  
и Л. С. Палатника, В. Н. Кащеева, Д. Н. Гаркунова, Н. А. Буше, Р. М. Матвеевского, Д. Мура, Д. Бакли, А. С. Ахматова, А. В. Белого, Л. Г. Коршунова и др. 
При этом основные разделы из работ наших коллег были заимствованы преимущественно такие, которые относятся к металловедческим аспектам фрикционного взаимодействия трущихся поверхностей и принципам выбора износостойких материалов, с учетом основного постулата металловедения: «состав 
материала – технология его получения и обработки – формирующаяся вторичная микроструктура рабочей поверхности при эксплуатации – износостойкость 
при данном виде контактного воздействия на поверхность». Потому благодарим авторов классических монографий и учебников за возможность их подробного цитирования. Кроме того, наука о трении и износе не стоит на месте, появляются новые возможности и результаты исследований с применением новых 
методик и их теоретическая проработка, равно как непрерывно возрастает информационное поле интернета, значимые сведения из которого приведены  
в данном учебном пособии. Особое внимание уделено протеканию фазовых 
превращений в метастабильных структурах рабочих поверхностей при трении, 
применению и развитию предложенного нашим учителем И. Н. Богачевым 
принципа метастабильности аустенита при выборе износостойких материалов. 
Описаны результаты изучения условий формирования, строения диссипативных структур рабочих поверхностей, роли нанокристаллической структуры  
в процессах трения, полученные в последние годы. 
Формирование специфической структуры поверхностей трения и изнашивания описывается с позиций дислокационной теории. В основе описания 
основных структурных изменений лежит представление об образовании на 
контактирующих поверхностях металлической пленки с особыми свойствами, 
формированием границы раздела между поверхностной пленкой и основным 
металлом и диффузионным перераспределением дефектов металлов по толщине зоны деформации. Обсуждается проблема защитной роли вторичных 
структур с высокой прочностью, теплостойкостью, пониженной теплопроводностью, способствующих развитию нормального изнашивания.  
Рассмотрены современные представления о фазовых превращениях в 
тонких поверхностных слоях: образование неравновесных структурных составляющих – аустенита трения, мартенсита трения. Исходя из положения о неадекватности стандартных механических характеристик в отношении возможности суждения об износостойкости при трении, развивается концепция  
6 
 

 
о прочности поверхности как решающем условии обеспечения высокой износостойкости. При этом определяющее значение отводится способности металла  
к упрочнению под воздействием фрикционных нагрузок. Подчеркивается важная роль деформационных мартенситных превращений в обеспечении высокой 
способности к упрочнению контактной поверхности в сочетании с возможностью релаксации напряжений в процессе образования кристаллов мартенсита 
деформации. Обосновывается высокая износостойкость сплавов с метастабильной структурой и сталей со структурой неотпущенного тетрагонального высокоуглеродистого мартенсита. 
Развито представление об эффективной твердости как адекватном критерии износостойкости металлических материалов с разным типом структуры. 
Эффективная твердость рассмотрена как комплексная характеристика, учитывающая не только исходную прочность металлов, но также и упрочнение, обусловленное деформационным превращением и структурными превращениями 
при фрикционном воздействии. 
Рассмотрены существующие представления о критериях и закономерностях изнашивания на основе структурно-энергетической теории с учетом различий на макро- и микроструктурных уровнях изнашивания, связанных со ступенчатой сменой жесткости напряженного состояния по глубине слоев материалов, вовлеченных в процессы деформирования в зоне контакта, а также сменой 
возникающих при этом диссипативных структур. 
 
 
7 
 

 
Глава 1 
ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ 
 
1.1. Внешнее трение твердых тел 
 
Внешнее трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающему между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии 
(ГОСТ 23.002-78). 
Мерой трения является сопротивление трения, уравновешенное равнодействующей слой контакта при перемещении одного тела относительно другого. 
Противодействие силам сцепления имеет место при внутреннем трении 
в процессе взаимного перемещения элементов структуры какого-нибудь тела 
(газа, жидкости твердого тела) или при внешнем трении, когда при контакте 
поверхностных ей двух тел эти неровности срезаются, упруго или пластически 
деформируются. Противодействие силам адгезии двух контактирующих поверхностей тел начинается при попытке их взаимного перемещения. Адгезия – 
это поверхностное явление, заключающееся в сцеплении поверхностей в результате воздействия, в частности, поля сил. 
Поле сил создается зарядом атомов (ионов, молекул), из которых состоит 
верхний слой контактирующих между собой тел. Это поле экспоненциально 
уменьшается с увеличением расстояния от поверхности. Практически поверхностное взаимодействие типа ванн-дер-ваальсова исчезает на расстоянии 1–2 нм, 
поэтому для адгезии необходимо соответствующее сближение поверхностей. 
Адгезия и когезия вызываются одними и теми же силами, различие заключается в их локализации. Если силы действуют внутри тела, то вызывают 
когезию, если действуют на поверхности – адгезию (рис. 1.1). Силы адгезии 
тем больше, чем больше воздействие электростатических и электродинамических сил в зоне контакта тел. Это тесно связано со структурой тел и, следовательно, их поверхности. Характер сил адгезии – аддитивный, поэтому, чем 
больше реальная поверхность контакта, тем прочнее адгезионное сцепление. 
 
 
Рис. 1.1. Силы адгезии (1) и когезии (3); 
2 – элементы строения тела (атомы, ионы, молекулы) 
8 
 

 
Всякое воздействие, приводящее к отрыванию элементов тела, встречает 
сопротивление когезионных сил, а отрывание или взаимное перемещение тел, 
соприкасающихся между собой, встречает сопротивление адгезионных сил.  
При взаимном перемещении тел с идеально гладкими поверхностями существовало бы только сопротивление адгезионных сил. Взаимное перемещение 
реальных шероховатых поверхностей контакта встречает не только адгезионное 
сопротивление, но и сопротивление неровностей обеих поверхностей, возникающее в результате упругих и пластических деформаций, срезания неровностей, 
царапания и т. д. Все эти воздействия уравновешиваются силами сцепления при 
декогезии материала. Итак, трение является следствием действия сил адгезии и 
когезии.  
 
1.1.1. Виды трения 
 
 
Кроме деления трения на внешнее и внутреннее практически более важным является деление трения на сухое, граничное и жидкостное. На рис. 1.2 
представлены схемы разных видов трения.  
 
 
Рис. 1.2. Различные виды трения: 
а – внутреннее; б – адгезия поверхностей; в – жидкостное; 
г – граничное; д – сухое 
 
Трение без смазки (сухое трение) происходит при отсутствии на поверхностях трения обоих твердых тел смазочного материала всех видов. Для снижения внешнего трения трущиеся поверхности разделяются слоем смазываю9 
 

 
щего вещества, при этом сухое трение тел заменяется жидкостным трением, 
или внутренним трением смазывающего вещества. Жидкостное трение возникает между двумя телами, полностью разделенными слоем жидкости (смазки). 
Отсутствие контакта между поверхностями предохраняет их от разрушения. 
Если из-за большого давления слой смазки выдавливается из пространства между трущимися поверхностями, то между ними образуется тонкий слой 
смазочного материала, сохраняющийся там только в результате взаимодействия жидкости с твердыми телами. Этот слой называется граничной пленкой 
смазки.  Чем сильнее взаимодействие, тем прочнее граничная пленка. Она не 
допускает возникновения сухого трения. Трение при наличии пленки граничной смазки называется граничным трением. Граничное трение двух твердых 
тел возникает при тонком слое смазки на поверхностях трения, не превышающем высоты шероховатостей соприкасающихся поверхностей. 
Вид трения в макрообласти определяется совокупностью видов трения  
в микрообласти контакта. Вообще трение в макрообласти является результирующей смесью разных видов трения, т. е. смешанным трением, характеризующимся нестационарными трибологическими процессами. Области контакта 
можно представить как совокупность элементов структуры атомов, ионов, молекул в виде шаров. Между этими элементами действуют силы, которые соединяют их в одно тело. Вид элементов структуры и действующих между ними силами оказывает наибольшее влияние на трибологические процессы, отсюда 
следует, что понимание трибологических процессов и явлений требует знания 
структуры принимающих участие в этих процессах тел и действующих сил. 
Трибологические процессы и явления можно рассматривать на разных уровнях: 
для выяснения некоторых проблем необходим анализ явлений в области ядра и 
электронов, в иных случаях – атомов, молекул или групп молекул и кристаллов. 
В зависимости от наличия относительного движения различают трение 
покоя и трение движения, причем коэффициент трения в первом случае больше, чем во втором, в зависимости от характера движения – трение скольжения и трение качения. Сила трения качения примерно в 10 раз меньше силы 
трения скольжения. В зависимости от наличия смазочного материала между 
трущимися поверхностями – трение со смазочным материалом и трение без 
смазочного материала.  
Согласно широко распространенной молекулярно-механической теории, 
поверхностные связи при трении формируются вследствие упругопластической 
деформации поверхностных слоев контактирующих тел и адгезионного взаимодействия их поверхностей. Молекулярно-механическое изнашивание получается 
в результате одновременного механического воздействия и воздействия молекулярных или атомных сил. 
Данная теория базируется на представлении о двойственной природе трения и дискретном характере контакта между реальными поверхностями твердых тел. Неровности на поверхности любого твердого тела обусловливают контакт на отдельных элементарных площадках (пятнах) касания (рис. 1.3). 
10