В общем случае коэффициент трения зависит от большого числа факторов (напряженно-деформированного состояния фрикционного контакта, механических и физико-химических свойств поверхностного слоя контактирующих тел, окружающей среды, в том числе смазочного материала, конструктивных особенностей сопряжения, режима работы узла трения и т.д.) и определяется в основном взаимодействием поверхностных слоев твердых тел, вовлеченных в трибологический контакт, между собой и взаимодействием рабочих поверхностей твердых тел со средой, включая смазочный материал.
Взаимодействие твердых тел в процессе трения развивается в микрообъемах, образующихся в зоне касания этих тел. По И.В. Крагельскому, в местах касания возникают фрикционные связи (т.е. пятна контакта, которые образуются и существуют лишь при совместном действии нормальных и тангенциальных сил в фрикционном контакте), образующие некоторое «третье тело». Это третье тело включает в себя измененный материал обоих контактирующих тел, наделенный своим химическим составом, напряженным состоянием и структурой. И.В. Крагельский при анализе трибологического процесса выделяет три этапа:
· образование фрикционной связи;
· существование фрикционной связи, обусловленное изменениями, протекающими на поверхностях трения (направление этих изменений определяется принципом Ле Шателье-Брауна) в результате указанных взаимодействий;
· нарушение фрикционных связей, приводящее к разрушению поверхностей.
В том случае, если разрыв фрикционных связей происходит внутри «третьего тела», имеет место внешнее трение. При этом должно соблюдаться такое соотношение прочностных свойств «третьего тела» и свойств материала трущихся тел в объеме, при котором прочность на сдвиг возрастает по мере удаления от поверхности вглубь основного материала (сформулированное И.В. Крагельским правило положительного градиента механических свойств по глубине, характеризуемое отношением dτкр/dτ>0). При этом важно не только соотношение сдвиговых прочностей в тончайшем поверхностном слое («третье тело») и в объеме тел, но и геометрические характеристики трибологического контакта (безразмерная глубина зоны деформации). Это соотношение называется порогом внешнего трения. Для сферической модели неровностей это соотношение имеет вид:
(3)
где h - глубина внедрения единичной неровности в деформируемое тело, r - радиус этой неровности, τ - сдвиговая прочность фрикционной связи; στ - предел текучести деформируемого материала.
Распределение областей локализации внешнего и внутреннего трения иллюстрирует рис.3.
Рис.3. Области локализации внешнего и внутреннего трения (по Польцеру и Майснеру)
На процесс внешнего трения влияет большое количество факторов: напряженно-деформированное состояние, механические и физико-химические свойства контактирующих тел, окружающая среда, режим работы и т.д. Но в конечном счете основную роль играет взаимодействие твердых тел между собой на участках трибологического контакта. Это взаимодействие заключается в преодолении сил молекулярного притяжения (адгезии) между контактирующими телами на пятнах (элементарных участках) площади фактического контакта, а также в формоизменении рельефа контактирующих тел в результате их упругих и пластических деформаций их поверхностных слоев. Таким образом, трение определяется процессами деформации поверхностных слоев и адгезией контактирующих тел в результате их межмолекулярного взаимодействия.
Согласно молекулярно-механической теории И.В. Крагельского, силу трения можно рассматривать как сумму адгезионной и деформационной составляющих
F = Fадг + Fдеф, (4)
где Fадг и Fдеф - адгезионная и деформационная составляющие силы трения, действующие на элементарных пятнах контакта.