سوده‌شناسی

علم تریبولوژی شاخه‌ای از علوم مهندسی است که به درک و بررسی پدیده‌های اصطکاک، روانکاری، و سایش در سطوحی که با هم در تماس و در حرکت نسبی هستند می‌پردازد. این علم بسیار میان‌رشته‌ای است و از زمینه‌های علمی گوناگونی، از جمله فیزیک، شیمی، علم مواد، ریاضیات، زیست‌شناسی، و مهندسی بهره می‌گیرد. موضوعات اساسی مورد مطالعه در تریبولوژی، تریبوسیستم‌ها هستند؛ یعنی سامانه‌های فیزیکی شامل سطوحی که در تماس با هم هستند. زیرشاخه‌های تریبولوژی شامل بیوتریبولوژی، نانوتریبولوژی، و تریبولوژی فضایی است. همچنین با حوزه‌های دیگری مانند تریبوخوردگی (یعنی اثر هم‌زمان خوردگی و سایش) و مکانیک تماسی (که رفتار تغییر شکل سطوح در تماس را توصیف می‌کند) مرتبط است. به طور تقریبی ۲۰٪ از کل مصرف انرژی جهان به دلیل تأثیر اصطکاک و سایش در بخش‌های حمل‌ونقل، تولید، تولید برق، و مصارف خانگی است.

معنای واژه

واژۀ تریبولوژی از ریشۀ یونانی τριβ- فعل τρίβω (tribo) به معنای «سایش دادن» گرفته شده است و از پسوند -logy که از واژۀ یونانی -λογία (-logia)، به معنای «مطالعه‌» یا «شناخت» گرفته شده است، آمده است. پیتر جاست این کلمه را در سال ۱۹۶۶، در گزارشی با همین نام که در آن بر هزینه‌های اقتصادی ناشی از اصطکاک، سایش، و خوردگی برای اقتصاد بریتانیا برجسته می‌کرد، ابداع کرد.

تاریخچه

تاریخ اولیه

با وجود این که نامگذاری رسمی حوزۀ تریبولوژی نسبتاً جدید است، مطالعات کمّی دربارۀ اصطکاک را می‌توان تا سال ۱۴۹۳ دنبال کرد؛ زمانی که لئوناردو داوینچی برای نخستین بار دو «قانون» اساسی اصطکاک را بیان کرد. به گفتۀ لئوناردو، مقاومت اصطکاکی برای دو جسم متفاوت با وزن یکسان، اما با سطوح تماس در عرض‌ها و طول‌های متفاوت، یکسان است. او همچنین مشاهده کرد که نیروی لازم برای غلبه بر اصطکاک، با دو برابر شدن وزن، دو برابر می‌شود. با این حال، یافته‌های لئوناردو در دفترچه‌های یادداشت او منتشر نشده باقی ماند.

آزمایش‌های تریبولوژیکی که توسط لئوناردو داوینچی پیشنهاد شده بود.

دو «قانون» بنیادی اصطکاک نخستین بار (در سال ۱۶۹۹) توسط گیوم آمونتونس منتشر شد؛ قوانینی که امروزه معمولاً با نام او شناخته می‌شوند. این قوانین بیان می‌کنند که:

• نیروی اصطکاکی که بین دو سطح لغزنده عمل می‌کند، متناسب با نیرویی است که سطوح را به هم فشار می‌دهد.
• نیروی اصطکاک مستقل از مساحت ظاهری تماس بین دو سطح است.

اگرچه این قوانین ساده به طور همگانی قابل اعمال نیستند، اما به طرز شگفت‌آوری برای طیف وسیعی از سامانه‌ها صادق هستند. این قوانین توسط چارلز-آگوستین دو کولمب (در سال ۱۷۸۵) گسترش داده شدند. او نشان داد که نیروی اصطکاک ایستا می‌تواند به زمان تماس سطوح بستگی داشته باشد و نیروی اصطکاک لغزشی (جنبشی) ممکن است به سرعت لغزش، نیروی عمودی و سطح تماس بستگی داشته باشد.

در سال ۱۷۹۸، چارلز هاچت و هنری کاوندیش اولین آزمایش قابل اعتماد در بارۀ سایش اصطکاکی را انجام دادند. در پژوهشی که به سفارش شورای خصوصی بریتانیا انجام شد، آنها از دستگاهی ساده با حرکت رفت‌وبرگشتی برای ارزیابی میزان سایش سکه‌های طلا استفاده کردند. نتیجه نشان داد که سکه‌هایی که بین آنها ذرات ریز مانند شن یا گرد وجود داشت، در مقایسه با سکه‌هایی که این ذرات بینشان نبود، با سرعت بیشتری ساییده می‌شوند. در سال ۱۸۶۰، تئودور رای فرضیه‌ای را به نام فرضیۀ رای مطرح کرد.

در سال ۱۹۵۳، جان فردریک آرچارد معادله آرچارد را توسعه داد که سایش ناشی از لغزش را توصیف می‌کند و مبتنی بر نظریۀ تماس زبری‌ها است.

دیگر پیشگامان پژوهش در تریبولوژی، فیزیکدان استرالیایی فرانک فیلیپ بودن و فیزیکدان بریتانیایی دیوید تیبور بودند که هر دو از آزمایشگاه کاوندیش در دانشگاه کمبریج فعالیت می‌کردند. آنها با هم کتاب مرجع و مهم اصطکاک و روانکاری جامدات را نوشتند (بخش اول در سال ۱۹۵۰ و بخش دوم در سال ۱۹۶۴ منتشر شد). مایکل جی. نیل یکی دیگر از رهبران این حوزه در اواسط تا اواخر دهه ۱۹۰۰ بود. او در حل مسائل طراحی ماشین با تکیه بر دانش خود در زمینۀ تریبولوژی تخصص داشت. نیل به عنوان یک آموزشگر مورد احترام بود و توانایی ویژه‌ای در پیوند دادن کار نظری با تجربه عملی خود داشت. به گونه‌ای که راهنمایی‌های طراحی ساده و قابل فهمی ارائه می‌کرد. کتابچه راهنمای تریبولوژی، که او اولین بار در سال ۱۹۷۳ و سپس در سال ۱۹۹۵ ویرایش و به‌روزرسانی کرد، همچنان در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد و مبنای بسیاری از دوره‌های آموزشی برای طراحان مهندسی است.

دانکن داوسون در کتاب خود با عنوان «تاریخچه تریبولوژی» (ویرایش دوم، ۱۹۹۷) به بررسی سیر تاریخی این علم پرداخته است. این کتاب، تحولات تریبولوژی را پیش از تاریخ تا تمدن‌های اولیه (بین‌النهرین، مصر باستان) دنبال می‌کند و نقاط عطف و پیشرفت‌های کلیدی تا پایان قرن بیستم را برجسته می‌سازد.

گزارش جاست

اصطلاح تریبولوژی پس از انتشار گزارش جاست در سال ۱۹۶۶ به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت. این گزارش هزینه‌های عظیم ناشی از اصطکاک، سایش و خوردگی را برای اقتصاد بریتانیا (1.1 تا 1.4 درصد از تولید ناخالص داخلی) برجسته کرد. در نتیجه، دولت بریتانیا چندین مرکز ملی برای رسیدگی به مشکلات تریبولوژی تأسیس نمود. از آن زمان، این اصطلاح در میان جوامع بین‌المللی رواج یافته و امروزه بسیاری از متخصصان خود را «تریبولوژیست» معرفی می‌کنند.

اهمیت جهانی

با وجود تحقیقات گسترده پس از گزارش جاست، تأثیر جهانی اصطکاک و سایش بر مصرف انرژی، هزینه‌های اقتصادی، و انتشار دی اکسید کربن هنوز قابل توجه است. در سال ۲۰۱۷، کنت هولمبرگ و علی اردمیر تلاش کردند میزان این تأثیر را در سطح جهانی کمی‌سازی کنند. آنها چهار بخش اصلی مصرف‌کننده انرژی را مورد بررسی قرار دادند: حمل‌ونقل، تولید، تولید برق‌، و تولید برق بخش خانگی. نتایج حاصل به شرح زیر بود:

• در مجموع، حدود ۲۳٪ از مصرف انرژی جهان از تماس‌های تریبولوژیکی سرچشمه می‌گیرد. از این مقدار، ۲۰٪ برای غلبه بر اصطکاک و ۳٪ برای بازسازی قطعات فرسوده و تجهیزات یدکی به دلیل سایش و موارد مرتبط با سایش استفاده می‌شود.
• با بهره‌گیری از فناوری‌های جدید برای کاهش اصطکاک و محافظت در برابر سایش، می‌توان تلفات انرژی ناشی از اصطکاک و سایش در وسایل نقلیه، ماشین‌آلات، و سایر تجهیزات در سراسر جهان را در درازمدت (۱۵ سال) ۴۰٪ و در کوتاه‌مدت (۸ سال) ۱۸٪ کاهش داد. در مقیاس جهانی، این صرفه‌جویی‌ها سالانه معادل ۱.۴٪ از تولید ناخالص داخلی و ۸.۷٪ از کل مصرف انرژی در درازمدت خواهد بود.
• بیشترین صرفه‌جویی انرژی در کوتاه‌مدت در حمل‌ونقل (۲۵٪) و در تولید برق (۲۰٪) پیش‌بینی شده است، در حالی که صرفه‌جویی بالقوه در بخش‌های تولیدی و مسکونی حدود ۱۰٪ تخمین زده می‌شود. در بلندمدت، صرفه‌جویی به ترتیب ۵۵٪، ۴۰٪، ۲۵٪ و ۲۰٪ خواهد بود.
• پیاده‌سازی فناوری‌های پیشرفته تریبولوژیکی همچنین می‌تواند انتشار جهانی دی‌اکسید کربن را تا ۱۴۶۰ میلیون تن معادل دی‌اکسید کربن ( _MtCO2 ) کاهش دهد و منجر به ۴۵۰ هزار میلیون یورو صرفه‌جویی در هزینه در کوتاه‌مدت شود. در درازمدت، این کاهش می‌تواند به بزرگی ۳۱۴۰ میلیون تن معادل دی‌اکسید کربن و ۹۷۰ هزار میلیون یورو صرفه‌جویی در هزینه باشد.

تریبولوژی کلاسیک که شامل کاربردهایی مانند یاتاقان‌های توپی، سیستم‌های چرخ‌دنده، کلاچ‌ها، ترمزها و موارد مشابه است، در بستر مهندسی مکانیک شکل گرفت. اما در دهه‌های اخیر، تریبولوژی به حوزه‌های کاملاً جدیدی گسترش یافته است؛ به‌ویژه در فناوری‌های میکرو و نانو، همچنین در زمینه‌های زیست‌شناسی و پزشکی.

مفاهیم بنیادی

تریبوسیستم

مفهوم تریبوسیستم‌ها برای ارزیابی دقیق ورودی‌ها، خروجی‌ها و تلفات مربوط به سیستم‌های تریبولوژیکی به کار می‌رود. آگاهی از این پارامترها به تریبولوژیست‌ها امکان می‌دهد که روش‌های آزمایش مناسب برای سیستم‌های تریبولوژیکی طراحی کنند.

تریبوفیلم

تریبوفیلم‌ها لایه‌های نازکی هستند که بر روی سطوح تحت تنش تریبولوژیکی تشکیل می‌شوند. این لایه‌ها نقش مهمی در کاهش اصطکاک و سایش در سیستم‌های تریبولوژیکی ایفا می‌کنند.

منحنی استریبک

منحنی استرایبک نشان می‌دهد که اصطکاک در تماس‌های روان‌کاری‌شده با سیال، تابعی غیرخطی از ویسکوزیتۀ روان‌کار، سرعت ورودی (entrainment velocity)، و بار تماس است.

فیزیک

اصطکاک

واژهٔ اصطکاک از واژهٔ لاتین «frictionem» به‌معنای «مالش» گرفته شده است. این اصطلاح برای توصیف تمامی پدیده‌های اتلافی به‌کار می‌رود که قادر به تولید گرما بوده و در برابر حرکت نسبی میان دو سطح مقاومت می‌کنند. دو نوع اصلی اصطکاک وجود دارد:

صطکاک ایستایی

که بین سطوح در حالت ثابت یا نسبتاً ساکن رخ می‌دهد.

اصطکاک جنبشی

که بین سطوح در حرکت نسبی رخ می‌دهد.

مطالعه پدیده‌های اصطکاک عمدتاً ماهیتی تجربی دارد و امکان دستیابی به نتایج دقیق را فراهم نمی‌کند، بلکه تنها می‌توان به نتیجه‌گیری‌های تقریبیِ مفید دست یافت. این ناتوانی در کسب نتیجه‌ای قطعی ناشی از پیچیدگی بسیار زیاد این پدیده است. هرچه بررسی آن با جزئیات بیشتری انجام شود، عناصر تازه‌ای نمایان می‌گردند که خود موجب پیچیده‌تر شدن توصیف کلی آن می‌شوند.

قوانین اصطکاک

تمام نظریه‌ها و مطالعات مربوط به اصطکاک را می‌توان در قالب سه قانون اصلی خلاصه کرد که در بیشتر موارد معتبر هستند:

قانون اول آمونتون‌ها

نیروی اصطکاک با بار عمودی نسبت مستقیم دارد.

قانون دوم آمونتون‌ها

اصطکاک مستقل از مساحت ظاهری تماس است.

قانون سوم کولن

اصطکاک جنبشی مستقل از سرعت لغزش نسبی است.

کولن بعدها در برخی موارد انحرافاتی از قوانین آمونتون مشاهده کرد. در سیستم‌هایی که میدان‌های تنش به‌طور قابل‌توجهی ناهمگن دارند، قوانین آمونتون در مقیاس ماکروسکوپی برقرار نمی‌مانند، زیرا لغزش موضعی پیش از آن‌که کل سیستم به‌طور کامل شروع به لغزش کند، رخ می‌دهد.

اصطکاک ایستایی

یک جسم با جرم معین m را در حالت سکون بر روی یک سطح افقی در نظر بگیرید. برای به‌ حرکت‌ در آوردن این جسم باید نیروی خارجی ${\vec {F}}_{out}$ اعمال شود. در این حالت، مقاومتی در برابر حرکت مشاهده می‌شود که ناشی از نیرویی برابر و در جهت مخالف نیروی اعمال‌شده است؛ این نیرو همان نیروی اصطکاک ایستایی ${\vec {F}}_{s.f.}$ می‌باشد.

با افزایش تدریجی نیروی واردشده، به نقطه‌ای می‌رسیم که در آن بلوک بلافاصله شروع به حرکت می‌کند. در این وضعیت، با توجه به دو قانون نخست اصطکاک که پیش‌تر بیان شدند، می‌توان نیروی اصطکاک ایستایی را نیرویی دانست که اندازه‌اش برابر با حداقل نیروی لازم برای آغاز حرکت بلوک است. همچنین، ضریب اصطکاک ایستایی به‌صورت نسبت میان نیروی اصطکاک ایستایی و نیروی عمود بر سطح بلوک تعریف می‌شود.$${\left|{\vec {F}}_{s.f.}\right|}\leq \mu {\left|{\vec {N}}\right|}$$

اصطکاک جنبشی

به‌محض آنکه بلوک به حرکت درمی‌آید، نیروی اصطکاکی که بر آن وارد می‌شود شدت کمتری نسبت به نیروی اصطکاک ایستایی ${\vec {F}}_{s.f.}$ دارد. نیروی اصطکاک در زمان حرکت نسبی، نیروی اصطکاک جنبشی ${\vec {F}}_{d.f.}$ نامیده می‌شود. در این حالت لازم است علاوه بر دو قانون نخست آمونتون، قانون کولن نیز در نظر گرفته شود تا بتوان بیان کرد که رابطه‌ای میان نیروی اصطکاک جنبشی، ضریب اصطکاک جنبشی و نیروی عمود بر سطح وجود دارد که شدت نیروی اصطکاک جنبشی را تعیین می‌کند. $$\left|{\vec {F}}_{d.f.}\right|=k{\left|{\vec {N}}\right|}$$

ضریب اصطکاک ایستایی و جنبشی

ضریب اصطکاک جنبشی و ایستایی

در این نقطه می‌توان ویژگی‌های اصلی ضریب اصطکاک ایستایی $\mu$ و ضریب اصطکاک جنبشی $k$ را خلاصه کرد.

این ضرایب کمیت‌هایی بدون بعد هستند که از نسبت بین شدت نیروی اصطکاک ${\vec {F}}_{f}$ و شدت بار اعمال‌شده ${\vec {W}}$ به‌دست می‌آیند. مقدار آن‌ها به نوع سطوحی که در تماس متقابل قرار دارند بستگی دارد و در هر حالت، شرط $\mu >k$ همواره برقرار است.

به‌طور معمول، مقدار هر دو ضریب از عدد یک فراتر نمی‌رود و تنها در بازه‌های مشخصی از نیرو و سرعت می‌توان آن‌ها را ثابت در نظر گرفت. خارج از این محدوده‌ها، شرایط حدی وجود دارد که سبب تغییر این ضرایب و متغیرهای مربوط به آن‌ها می‌شود.

در سیستم‌هایی که میدان‌های تنش در آن‌ها به‌طور قابل‌توجهی نامتجانس هستند، ضریب اصطکاک ایستایی در مقیاس کلان به فشار خارجی، اندازهٔ سیستم یا شکل آن وابسته است، زیرا لغزش‌های موضعی پیش از آن‌که کل سیستم به‌طور کامل شروع به لغزش کند، رخ می‌دهند.

جدول زیر مقادیر ضرایب اصطکاک ایستایی و جنبشی را برای مواد معمول نشان می‌دهد:

جدول ضرایب اصطکاک ایستایی و حنبشی که بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند

سطوح تماس	اصطکاک ایستایی	اصطکاک جنبشی
چوب-چوب	۰.۲۵–۰.۵	۰.۲
چوب-مقوا	۰.۳۲	۰.۲۳
یخ-یخ	۰.۱	۰.۰۲
اسکی چوبی اسکیولد - برف	۰.۰۴	۰.۰۴
شیشه - شیشه	۰.۹–۱.۰	۰.۴
فولاد-فولاد (صاف)	۰.۶	۰.۶
فولاد-فولاد (روغن‌کاری شده)	۰.۰۹	۰.۰۵
فولاد-یخ	۰.۱	۰.۰۵
فولاد-یخ (خشک)	۰.۷۸	۰.۴۲
فولاد-آلومینیوم	۰.۶۱	۰.۴۷
فولاد-برنج	۰.۵۱	۰.۴۴
فولاد-هوا	۰.۰۰۱	۰.۰۰۱
فولاد-تفلون	۰.۰۴	۰.۰۴
تفلون-تفلون	۰.۰۴	۰.۰۴
لاستیک-سیمان (خشک)	۱.۰	۰.۸
لاستیک-سیمان (مرطوب)	۰.۷	۰.۵
مس-فولاد	۰.۵۳	۰.۳۶
مس-شیشه	۰.۶۸	۰.۵۳
مفاصل سینوویال	۰.۰۱	۰.۰۰۳

اصطکاک غلتشی

اصطکاک غلتشی

در مورد اجسامی که قادر به غلتیدن هستند، نوع خاصی از اصطکاک وجود دارد که در آن پدیدهٔ لغزش، که مشخصهٔ اصطکاک جنبشی است، رخ نمی‌دهد. با این حال، نیرویی نیز وجود دارد که حرکت را مقاوم می‌کند، و این حالت همچنین از حالت اصطکاک ایستایی نیز مستثناست. این نوع اصطکاک را «اصطکاک غلتشی» می‌نامند. اکنون می‌خواهیم به‌صورت دقیق بررسی کنیم که چه اتفاقی برای چرخی که بر سطح افقی می‌غلتد، می‌افتد. در ابتدا، چرخ در حالت سکون قرار دارد و نیروهای مؤثر بر آن عبارت‌اند از نیروی وزن $m{\vec {g}}$ و نیروی عمودی ${\vec {N}}$ که پاسخی است از سوی سطح نسبت به وزن چرخ.

در این مرحله، چرخ به حرکت درمی‌آید و در نتیجه در نقطهٔ اثر نیروی عمودی جابجایی رخ می‌دهد؛ به‌گونه‌ای که این نیرو اکنون در جلوی مرکز چرخ و در فاصله‌ای برابر با b اعمال می‌شود، که مقدار آن برابر با ضریب اصطکاک غلتشی است. مقاومت در برابر حرکت ناشی از جدایی میان نیروی عمودی و نیروی وزن در لحظهٔ آغاز غلتیدن است، بنابراین مقدار گشتاور ناشی از نیروی اصطکاک غلتشی برابر است با:$${{\vec {M}}_{r.f.}}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}$$آنچه در سطح میکروسکوپی بین چرخ و سطح تکیه‌گاه رخ می‌دهد، در شکل نشان داده می‌شود؛ جایی که می‌توان رفتار نیروهای واکنش صفحهٔ تغییرشکل‌داده را که بر یک چرخ بی‌حرکت وارد می‌شوند، مشاهده کرد.

غلتیدنِ پیوستهٔ چرخ باعث ایجاد تغییرشکل‌های بسیار خفیفی در سطح می‌شود و پس از اینکه چرخ از یک نقطه عبور کرد، سطح دوباره به حالت اولیهٔ خود بازمی‌گردد. در مرحلهٔ فشردگی، سطح در برابر حرکت چرخ مقاومت می‌کند، در حالی که در مرحلهٔ بازگشت (دِکمپرشن) یک نیروی کمکی و مثبت به حرکت چرخ وارد می‌کند.

بنابراین، نیروی اصطکاک غلتشی در نتیجۀ تغییر شکل‌های کوچکی که هم سطح تکیه‌گاه و خود چرخ تجربه می‌کنند است. می‌توان آن را به صورت $|{\vec {F}}_{r}|=b|{\vec {N}}|$ بیان کرد که در آن می‌توان b را برحسب ضریب اصطکاک لغزشی $\mu$ به شکل ${\textstyle b={\mu v \over r}}$ نوشت (r شعاع چرخ است).

سطوح

با دقت بیشتر می‌توان نه‌تنها سطحِ کاملاً خارجی فلز، بلکه لایه‌های بلافصل زیرسطحی آن را نیز بررسی کرد؛ لایه‌هایی که رفتارشان به تاریخچهٔ فلز، ترکیب آن، و فرآیندهای ساختی که طی کرده است وابسته‌اند.

می‌توان فلز را به چهار لایه مختلف تقسیم کرد:

1. ساختار بلوری - ساختار اساسی فلز، شکل داخلی حجمی است.
2. لایۀ ماشینکاری شده - لایه‌ای که ممکن است حاوی مواد خارجی نیز باشد و از فرآیندهای پردازشی که فلز در معرض آن قرار گرفته است، ناشی می‌شود.
3. لایۀ سخت‌شده - به دلیل خنک شدن سریعی که در فرآیندهای کاری در معرض آن قرار می‌گیرند، ساختار کریستالی با سختی بیشتری نسبت به لایه‌های داخلی دارد.
4. لایۀ بیرونی یا لایۀ اکسید - لایه‌ای که به دلیل برهمکنش شیمیایی با محیط فلز و از رسوب ناخالصی‌ها ایجاد می‌شود.

لایهٔ اکسیدها و ناخالصی‌ها (اصطلاحاً «جسم سوم») از نظر تریبولوژیکی اهمیت زیادی دارد، زیرا معمولاً باعث کاهش اصطکاک می‌شود. نکتهٔ اساسی دیگر دربارهٔ اکسیدها این است که اگر سطح را کاملاً تمیز و صیقلی کنیم تا به یک «سطح کاملاً فلزیِ خالص» برسیم، چیزی که رخ می‌دهد در واقع اتصال یا یکی‌شدن دو سطح در تماس است. دلیل آن این است که در غیاب این لایه‌های نازکِ آلاینده، اتم‌های فلز نمی‌توانند دو جسم را از یکدیگر تشخیص دهند و در صورت تماس، تمایل به تشکیل یک جسم واحد دارند.

منشأ اصطکاک

تماس بین سطوح از تعداد زیادی نواحی میکروسکوپی تشکیل شده است که در منابع علمی به آن‌ها «زِبری‌ها» یا «جُنکشن‌های تماس» گفته می‌شود؛ جایی که تماس اتم‌به‌اتم رخ می‌دهد. پدیدهٔ اصطکاک، و بنابراین اتلاف انرژی، دقیقاً ناشی از تغییرشکل‌هایی است که این نواحی تحت اثر بار و حرکت نسبی متحمل می‌شوند. این تغییرشکل‌ها می‌توانند پلاستیک، الاستیک یا از نوع گسیختگی باشند.

• تغییر شکل‌های پلاستیک - تغییر شکل‌های دائمی شکل برآمدگی‌ها است.
• تغییر شکل‌های الاستیک - تغییر شکل‌هایی که در آن‌ها انرژی مصرف‌شده در مرحلۀ فشرده‌سازی تقریباً به‌طور کامل در مرحلۀ رفع فشار بازیابی می‌شود (هیسترزیس الاستیک).
• تغییر شکل‌های ناشی از شکست - تغییر شکل‌هایی که منجر به شکستن برآمدگی‌ها و ایجاد نواحی تماس جدید می‌شوند.

انرژی‌ای که در طی این پدیده اتلاف می‌شود به گرما تبدیل شده و در نتیجه باعث افزایش دمای سطوحِ در تماس می‌گردد. میزان افزایش دما به سرعت نسبی و زبریِ ماده نیز بستگی دارد و می‌تواند آن‌قدر زیاد شود که حتی منجر به ذوب موادِ درگیر شود.

در پدیده‌های اصطکاک، دما در بسیاری از حوزه‌های کاربردی نقش اساسی دارد. برای مثال، افزایش دما می‌تواند موجب کاهش شدید ضریب اصطکاک شود و در نتیجه، کارایی ترمزها را به‌طور قابل توجهی کاهش دهد.

نظریه انسجام

طبق نظریهٔ چسبندگی، در حالتی که زبری‌های کروی‌شکل با یکدیگر در تماس باشند و تحت بار ${\vec {W}}$ قرار بگیرند، یک تغییرشکل در آن‌ها رخ می‌دهد که با افزایش بار از حالت الاستیک به حالت پلاستیک تبدیل می‌شود. این پدیده باعث بزرگ‌تر شدن مساحت واقعی تماس $A_{r}$ می‌شود و به همین دلیل می‌توان آن را به صورت زیر بیان کرد:$$A_{r}={{\vec {W}} \over D}$$که در آن D سختی ماده‌ای است که به‌صورت بار اعمال‌شده تقسیم بر مساحت سطح تماس تعریف می‌شود.

اگر در این مرحله دو سطح نسبت به هم لغزش داشته باشند، یک مقاومت در برابر تنش برشی t مشاهده می‌شود که ناشی از وجود پیوندهای چسبندگی است، که دقیقاً به دلیل تغییرشکل‌های پلاستیکی ایجاد شده‌اند. بنابراین نیروی اصطکاک به صورت زیر خواهد بود:$${\vec {F}}_{a}=A_{r}{\vec {t}}$$در این مرحله، از آنجا که ضریب اصطکاک نسبتِ بین شدت نیروی اصطکاک و شدت بار اعمال‌شده است، می‌توان بیان کرد که:$$\mu ={t \over D}$$ بنابراین این رابطه به دو ویژگی ماده مرتبط است: مقاومت برشی t و سختی. برای به‌دست آوردن ضریب اصطکاک پایین μ، می‌توان از موادی استفاده کرد که نیاز به تنش برشی کمتری دارند، اما در عین حال بسیار سخت باشند. در مورد روانکارها نیز، در واقع از یک بستر ماده با تنش برشی پایین t استفاده می‌کنیم که روی یک ماده بسیار سخت قرار گرفته است.

نیروی وارد بر دو جسم جامدِ در تماس تنها شامل مؤلفه‌های عمودی نخواهد بود، همان‌طور که تا کنون فرض شده بود، بلکه دارای مؤلفه‌های مماسی نیز خواهد بود. این موضوع توصیف تعامل بین زبری‌ها را پیچیده‌تر می‌کند، زیرا به دلیل این مؤلفهٔ مماسی، تغییر شکل پلاستیکی با بار کمتری نسبت به حالتی که این مؤلفه نادیده گرفته شود، رخ می‌دهد. بنابراین، توصیف واقعی‌تر از ناحیهٔ هر اتصال منفرد که ایجاد می‌شود، به‌صورت زیر داده می‌شود:$${A_{i}}^{2}=\left({\frac {{\vec {W}}_{i}}{D}}\right)^{2}+\alpha \left({\frac {{\vec {F}}_{i}}{D}}\right)^{2}$$با $\alpha$ نیروی ثابت و "مماس" ${\vec {F}}_{i}$ روی مفصل اعمال می‌شود.

برای به‌دست آوردن بررسی‌های واقعی‌تر، باید پدیدهٔ جسم سوم نیز در نظر گرفته شود، یعنی حضور مواد خارجی مانند رطوبت، اکسیدها، یا روانکارها بین دو جسم جامد در تماس. در این صورت، ضریبی به نام c معرفی می‌شود که قادر است مقاومت برشی t مادهٔ خالص را با مقاومت برشی جسم سوم $t_{t.b.}$ مرتبط کند:$$t=c\cdot t_{t.b.}$$با مقادیر c بین صفر و ۱.

با بررسی رفتار در حدها، خواهیم داشت که برای c = 0، t = 0 و برای c = 1 به حالتی بازمی‌گردیم که سطوح مستقیماً با یکدیگر در تماس هستند و حضور جسم سوم وجود ندارد. با در نظر گرفتن آنچه گفته شد، می‌توان فرمول ضریب اصطکاک را به‌صورت زیر اصلاح کرد:$$\mu ={\frac {c}{[\alpha (1-c^{2})]^{1/2}}}$$ در پایان، اجسام الاستیک در تعامل با یکدیگر مورد بررسی قرار می‌گیرند.

به‌طور مشابه با آنچه که مشاهده کردیم، می‌توان معادله‌ای از نوع زیر تعریف کرد:$$A=K{\vec {W}}$$که در این حالت، K به خواص الاستیک مواد بستگی دارد. همچنین برای اجسام الاستیک، نیروی مماسی به ضریب c، که پیش‌تر ذکر شد، وابسته است و به صورت زیر خواهد بود:$${\vec {F}}_{T}=cAs$$و بنابراین می‌توان یک توصیف نسبتاً کامل از ضریب اصطکاک به‌دست آورد.$$\mu =cKs$$

اندازه‌گیری اصطکاک

ساده‌ترین و سریع‌ترین روش برای ارزیابی ضریب اصطکاک بین دو سطح، استفاده از یک سطح شیب‌دار است که روی آن یک بلوک ماده قرار داده شده و لغزیده می‌شود. همان‌طور که در شکل دیده می‌شود، نیروی عمودی سطح برابر با $mg\cos \theta$ و نیروی اصطکاک برابر با $mg\sin \theta$ است. این امر امکان می‌دهد تا ضریب اصطکاک به‌راحتی با استفاده از تانژانت زاویه‌ای که در آن بلوک شروع به لغزش می‌کند، محاسبه شود. در واقع داریم:$$\mu ={F_{a} \over N}={mg\sin \theta \over mg\cos \theta }={\sin \theta \over \cos \theta }=\tan \theta$$سپس از سطح شیب‌دار به سیستم‌های پیچیده‌تری منتقل شدیم که امکان در نظر گرفتن تمام شرایط محیطی ممکن در زمان اندازه‌گیری را فراهم می‌کنند، مانند دستگاه‌های غلتک متقاطع یا دستگاه میله و دیسک. امروزه دستگاه‌های دیجیتالی مانند «Friction Tester» وجود دارند که با استفاده از پشتیبانی نرم‌افزاری، امکان وارد کردن تمامی متغیرهای مورد نظر را فراهم می‌کنند.

یکی دیگر از روش‌های پرکاربرد، آزمایش فشردگی حلقه است. یک حلقهٔ صاف از مادهٔ مورد مطالعه با استفاده از پرس به‌صورت پلاستیکی تغییر شکل داده می‌شود. اگر تغییر شکل منجر به گسترش، هم در دایرهٔ داخلی و هم در دایرهٔ خارجی شود، ضرایب اصطکاک کم یا صفر خواهند بود. در غیر این صورت، برای تغییر شکلی که تنها در دایرهٔ داخلی گسترش یابد، ضرایب اصطکاک افزایش خواهند یافت.

روانکاری

برای کاهش اصطکاک بین سطوح و کنترل سایش، از موادی به نام روان‌کننده استفاده می‌شود. برخلاف آنچه ممکن است تصور کنید، این مواد تنها روغن یا چربی نیستند، بلکه هر مادهٔ سیالی که با ویسکوزیته مشخص می‌شود نیز می‌تواند روانکار باشد، مانند هوا و آب. البته برخی روانکارها بسته به نوع کاربرد مناسب‌تر از سایرین هستند: به‌عنوان مثال، هوا و آب به‌راحتی در دسترس‌اند، اما اولی تنها در شرایط بار و سرعت محدود قابل استفاده است، در حالی که دومی می‌تواند به سایش مواد کمک کند.

آنچه که با استفاده از این مواد تلاش می‌کنیم به دست آوریم، روانکاری با سیال کامل است، یا روانکاری به‌گونه‌ای که امکان جلوگیری از تماس مستقیم بین سطوح مورد نظر فراهم شود، با قرار دادن یک فیلم روانکار بین آن‌ها. برای این کار دو امکان وجود دارد که بسته به نوع کاربرد، هزینه‌های قابل صرف و سطح «کمال» روانکاری مورد نظر، می‌توان بین آن‌ها انتخاب کرد:

• روانکاری سیال‌ایستاتیک (یا هیدرواستاتیک در مورد روغن‌های معدنی) - که شامل قرار دادن ماده روان‌کننده تحت فشار بین سطوح در تماس است.
• روانکاری سیال (یا هیدرودینامیک) - که شامل بهره‌برداری از حرکت نسبی بین سطوح برای نفوذ ماده روان‌کننده است

ویسکوزیته

ویسکوزیته معادل اصطکاک در سیالات است. در واقع مقاومت سیال را در برابر نیروهایی که باعث تغییر شکل آن‌ می‌شوند، توصیف می‌کند.

با تشکر از مطالعات نیوتن، درک عمیق‌تری از این پدیده به‌دست آمده است. او در واقع مفهوم جریان آرام را معرفی کرد: «جریانی که در آن سرعت از لایه‌ای به لایهٔ دیگر تغییر می‌کند». به‌صورت ایده‌آل می‌توان یک سیال بین دو سطح ($S_{1}$, $S_{2}$) با مساحت A را به لایه‌های مختلف تقسیم کرد.

لایه‌ای که با سطح $S_{2}$ در تماس است و به دلیل نیروی اعمال‌شده F با سرعت v حرکت می‌کند، همان سرعت v صفحه را خواهد داشت، در حالی که هر لایهٔ بعدی به‌تدریج این سرعت را به اندازهٔ dv تغییر می‌دهد تا به لایه‌ای برسیم که با سطح ثابت $S_{1}$ در تماس است و سرعت آن صفر خواهد بود.

با توجه به آنچه گفته شد، می‌توان بیان کرد که نیروی F لازم برای ایجاد حرکت لغزشی در یک سیال محصور بین دو صفحه، متناسب با مساحت دو سطح و گرادیان سرعت است:$$F\propto A{dv \over dy}$$در این مرحله می‌توان یک ثابت تناسب μ معرفی کرد که معادل ضریب ویسکوزیته دینامیکی سیال است، تا معادلهٔ زیر به‌دست آید که به‌عنوان قانون نیوتن شناخته می‌شود:$$F=\mu A{dv \over dy}$$سرعت به همان مقدار dv از لایه‌ای به لایهٔ دیگر تغییر می‌کند و بنابراین شرایطی رخ می‌دهد که dv / dy = v / L، که در آن L فاصله بین سطوح $S_{1}$ و $S_{2}$ است. در این صورت می‌توان معادله را ساده‌سازی کرده و به شکل زیر نوشت:$$F=\mu A{v \over L}$$ویسکوزیته $\mu$ در سیالاتی که در برابر حرکت مقاومت زیادی دارند بالا است، در حالی که برای سیالاتی که به‌راحتی جریان می‌یابند، مقدار آن کم است.

برای تعیین نوع جریان در مطالعه، عدد رینولدز آن را بررسی می‌کنیم.$$Re={{\rho Lv} \over \mu }$$این یک ثابت است که به چگالی ρ سیال، ویسکوزیته μ آن و قطر L لوله‌ای که سیال در آن جریان دارد، بستگی دارد. اگر عدد رینولدز نسبتاً کم باشد، جریان لایه‌ای است، در حالی که برای $Re\simeq 2000$ جریان به حالت آشفته تبدیل می‌شود.

در پایان می‌خواهیم تأکید کنیم که می‌توان سیالات را بر اساس ویسکوزیتهٔ آن‌ها به دو نوع تقسیم کرد:

1. سیالات نیوتنی ، یا سیالاتی که در آنها ویسکوزیته فقط تابع دما و فشار سیال است و نه گرادیان سرعت؛
2. سیالات غیر نیوتنی یا سیالاتی که ویسکوزیته آنها به گرادیان سرعت نیز بستگی دارد.

ویسکوزیته به عنوان تابعی از دما و فشار

دما و فشار دو عامل بنیادی هستند که هنگام انتخاب یک روانکار به جای دیگری باید ارزیابی شوند. ابتدا تأثیرات دما را در نظر بگیرید.

سه عامل اصلی تغییر دما وجود دارد که می‌تواند بر رفتار روانکار تأثیر بگذارد:

• شرایط آب و هوایی؛
• عوامل حرارتی محلی (مانند موتور خودرو یا پمپ‌های خنک‌کننده)؛
• اتلاف انرژی ناشی از اصطکاک بین سطوح.

به‌منظور طبقه‌بندی روانکارهای مختلف بر اساس رفتار ویسکوزیتهٔ آن‌ها به‌عنوان تابعی از دما، در سال ۱۹۲۹ شاخص ویسکوزیته (V.I.) توسط دین و دیویس معرفی شد. آن‌ها بهترین روانکار موجود در آن زمان، یعنی روغن پنسیلوانیا، را با شاخص ویسکوزیته ۱۰۰ و بدترین آن، روغن آمریکایی خلیج فارس، را با مقدار ۰ مشخص کردند. برای تعیین مقدار شاخص روغن‌های میانی، از روش زیر استفاده می‌شود: دو روغن مرجع انتخاب می‌شوند به‌گونه‌ای که روغن مورد نظر در دمای ۱۰۰ درجه سلسیوس ویسکوزیتهٔ مشابهی داشته باشد، و از معادلهٔ زیر برای تعیین شاخص ویسکوزیته استفاده می‌شود.$$V.I.={{L-O_{\text{Test}}} \over {L-H}}\times 100$$ این فرآیند معایبی دارد:

• برای مخلوط روغن‌ها، نتایج دقیق نیستند؛
• اگر خارج از محدوده دمایی ثابت باشید، هیچ اطلاعاتی وجود ندارد؛
• با پیشرفت فناوری‌ها، روغن‌هایی با شاخص گرانروی (VI) بیش از ۱۰۰ تولید می‌شوند که با روش فوق قابل توصیف نیستند.

در مورد روغن‌هایی با شاخص ویسکوزیته بالاتر از ۱۰۰، می‌توان از رابطه‌ای متفاوت استفاده کرد که امکان به‌دست آوردن نتایج دقیق را فراهم می‌کند.$$V.I.={{10^{N-1}} \over {0.00715}}+100$$$$N={{\operatorname {Log} (H)-\operatorname {Log} (O_{\text{Test}})} \over {\operatorname {Log} (v)}}$$که در این حالت، H ویسکوزیته روغن در دمای ۱۰۰ درجه فارنهایت (۳۸ درجه سانتی‌گراد) با شاخص ویسکوزیته ۱۰۰ و v ویسکوزیتهٔ سینماتیکی روغن مورد مطالعه در دمای ۲۱۰ درجه فارنهایت (۹۹ درجه سانتی‌گراد) است.

بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که افزایش دما منجر به کاهش ویسکوزیته روغن می‌شود. همچنین مفید است که به خاطر داشته باشیم افزایش فشار به همان ترتیب باعث افزایش ویسکوزیته می‌شود. برای ارزیابی اثرات فشار بر ویسکوزیته از معادلهٔ زیر استفاده می‌شود.$$\mu =\mu _{0}\exp {(\alpha p)}$$که در آن μ ضریب ویسکوزیته فشار p، μ₀ ضریب ویسکوزیته در فشار جو و α یک ثابت است که رابطه بین ویسکوزیته و فشار را توصیف می‌کند.

اندازه‌گیری ویسکوزیته

برای تعیین ویسکوزیتهٔ یک سیال از ویسکومتر استفاده می‌شود که می‌توان آن‌ها را به سه دستهٔ اصلی تقسیم کرد:

• ویسکومترهای مویین، که در آن‌ها ویسکوزیته سیال با لغزاندن آن به داخل یک لولۀ مویین اندازه‌گیری می‌شود.
• ویسکومترهای قطره جامد، که در آنها ویسکوزیته با محاسبه سرعت یک جامد که در سیال حرکت می‌کند، اندازه‌گیری می‌شود.
• ویسکومترهای چرخشی، که در آنها ویسکوزیته با ارزیابی جریان سیال قرار گرفته بین دو سطح در حرکت نسبی بدست می‌آید.

دو نوع اول ویسکومترها به طور عمده برای سیالات نیوتنی استفاده می‌شوند، در حالی که نوع سوم بسیار چندمنظوره است.

سایش

سایش، عبارت است از حذف تدریجی و غیرارادی ماده از یک سطح که نسبت به سطح دیگر یا یک سیال در حرکت است. می‌توان دو نوع سایش متفاوت را تشخیص داد: سایش متوسط و سایش شدید. حالت اول مربوط به بارهای کم و سطوح صاف است، در حالی که حالت دوم مربوط به بارهای بسیار بیشتر و سطوح سازگار و زبر است که در آن فرآیندهای سایش بسیار شدیدتر رخ می‌دهند.

سایش نقش بنیادی در مطالعات تریبولوژی دارد، زیرا باعث تغییر شکل قطعات مورد استفاده در ساخت ماشین‌آلات می‌شود. این قطعات ساییده شده باید جایگزین شوند که این موضوع هم مشکلات اقتصادی، به دلیل هزینهٔ جایگزینی، و هم مشکلات عملکردی ایجاد می‌کند؛ زیرا اگر این قطعات به‌موقع تعویض نشوند، ممکن است آسیب‌های جدی‌تری به کل ماشین وارد شود.

با این حال، این پدیده تنها جنبهٔ منفی ندارد و گاهی برای کاهش زبری برخی مواد و از بین بردن زبری‌های سطحی نیز به کار می‌رود. به‌طور اشتباه معمولاً سایش را به‌طور مستقیم با اصطکاک مرتبط می‌دانیم، در حالی که در واقع این دو پدیده به‌سادگی به هم متصل نیستند. ممکن است شرایطی وجود داشته باشد که اصطکاک کم باعث سایش قابل توجه شود و بالعکس.

برای وقوع این پدیده، زمان‌های مشخصی لازم است که بسته به برخی متغیرها مانند بار، سرعت، روانکاری و شرایط محیطی تغییر می‌کند. همچنین مکانیزم‌های مختلفی برای سایش وجود دارد که ممکن است به‌طور هم‌زمان یا حتی ترکیبی با یکدیگر رخ دهند:

1. سایش چسبنده؛
2. سایش ساینده؛
3. فرسودگی ناشی از خستگی؛
4. سایش خورنده؛
5. سایش یا سایش ناشی از سایش؛
6. سایش فرسایشی؛
7. سایر پدیده‌های سایش جزئی (سایش ناشی از ضربه، کاویتاسیون، جوش خوردگی سایشی، گسترش سایش).

سایش چسبندگی

همان‌طور که مشخص است، تماس بین دو سطح از طریق تعامل بین زبری‌ها (آسپر‌یتی‌ها) رخ می‌دهد. اگر نیروی برشی در ناحیه تماس اعمال شود، ممکن است بخشی کوچک از ماده ضعیف‌تر جدا شود، به دلیل چسبندگی آن به سطح سخت‌تر. آنچه توصیف شد، دقیقاً مکانیزم سایش چسبندگی است. این نوع سایش بسیار مشکل‌ساز است، زیرا شامل سرعت‌های بالای سایش می‌شود، اما در عین حال می‌توان چسبندگی را با افزایش زبری و سختی سطوح درگیر یا با وارد کردن لایه‌هایی از ناخالصی‌ها مانند اکسیژن، اکسیدها، آب یا روغن کاهش داد. در پایان، رفتار حجم سایش چسبندگی را می‌توان از طریق سه قانون اصلی توصیف کرد.

1. فاصله: جرم درگیر در سایش متناسب با مسافت طی شده در مالش بین سطوح است.
2. بار: جرم درگیر در سایش متناسب با بار اعمال شده است.
3. سختی: جرم درگیر در سایش با سختی ماده‌ی کم‌سخت‌تر نسبت معکوس دارد.

یکی از جنبه‌های مهم سایش، انتشار ذرات سایش به محیط است که به‌طور فزاینده‌ای سلامت انسان و اکوسیستم را تهدید می‌کند. اولین پژوهشگری که این موضوع را بررسی کرد، ارنست رابینوویچ بود.

سایش سایشی

سایش سایشی شامل تلاش برش سطوح سخت است که بر سطوح نرم‌تر عمل می‌کنند و می‌تواند یا به‌دلیل زبری سطوح باشد که نوک‌های آن‌ها ماده‌ای را که با آن‌ها تماس دارد، برش می‌دهند (سایش سایشی دو‌جسمی) یا از ذرات ماده سختی که بین دو سطح در حرکت نسبی قرار می‌گیرند، ایجاد شود (سایش سایشی سه‌جسمی). در سطح کاربردی، سایش دو‌جسمی به‌راحتی با پرداخت سطح مناسب حذف می‌شود، در حالی که سایش سه‌جسمی می‌تواند مشکلات جدی ایجاد کند و بنابراین باید تا حد امکان با استفاده از فیلترهای مناسب، حتی پیش از طراحی وزن‌دار ماشین، از بین برده شود.

فرسودگی ناشی از سایش

سایش خستگی نوعی از سایش است که ناشی از بارهای متناوب است. این بارها باعث ایجاد نیروهای تماس محلی می‌شوند که به‌طور مکرر در طول زمان اعمال می‌شوند و در نتیجه باعث تخریب مواد درگیر می‌شوند. نمونهٔ ملموس و فوری این نوع سایش، سایش شانه است. اگر انگشت خود را بارها و بارها روی دندانه‌های شانه بکشید، مشاهده می‌شود که در نهایت یک یا چند دندانهٔ شانه کنده می‌شوند.

این پدیده می‌تواند منجر به شکستن سطوح به دلایل مکانیکی یا حرارتی شود. حالت اول همان چیزی است که در بالا توضیح داده شد؛ جایی که بار مکرر باعث ایجاد تنش‌های بالای تماس می‌شود. اما حالت دوم ناشی از انبساط حرارتی مواد درگیر در فرآیند است.

برای کاهش این نوع سایش، بهتر است هم نیروهای تماس و هم چرخه‌های حرارتی، یعنی فرکانس تغییر دماها، کاهش یابند. برای نتایج بهینه، همچنین بهتر است تا حد امکان ناخالصی‌ها بین سطوح، نقص‌های محلی و ورود مواد خارجی به اجسام درگیر حذف شوند.

سایش خورنده

سایش خوردگی زمانی رخ می‌دهد که فلزاتی در حضور محیطی که باعث اکسید شدن یا خوردگی آن‌ها می‌شود، قرار دارند. هنگامی که سطوح فلز خالص با محیط اطراف تماس پیدا می‌کنند، به‌دلیل ناخالصی‌های موجود در محیط، مانند آب، اکسیژن یا اسیدها، فیلم‌های اکسیدی روی سطوح آن‌ها ایجاد می‌شود. این فیلم‌ها به‌طور مداوم توسط مکانیزم‌های سایش سایشی و چسبندگی از بین می‌روند و مجدداً از تعامل بین فلز خالص و آلوده‌شده تولید می‌شوند.

واضح است که این نوع سایش را می‌توان با تلاش برای ایجاد یک محیط اختصاصی، عاری از آلاینده‌ها و حساس به تغییرات حداقلی دما، کاهش داد. سایش خوردگی در برخی کاربردها می‌تواند مفید نیز باشد. در واقع، اکسیدهایی که ایجاد می‌شوند، به کاهش ضریب اصطکاک بین سطوح کمک می‌کنند و یا، که در بسیاری از موارد سخت‌تر از فلزی هستند که به آن تعلق دارند، می‌توانند به‌عنوان ساینده‌های عالی مورد استفاده قرار گیرند.

سایش ناشی از مالش یا فرتینگ

سایش مالشی در سیستم‌هایی رخ می‌دهد که تحت ارتعاشات بیشتر یا کمتر شدید قرار دارند و این ارتعاشات باعث ایجاد حرکت نسبی بین سطوح در تماس در مقیاس نانومتر می‌شوند. این حرکات نسبی میکروسکوپی باعث هر دو نوع سایش چسبندگی، ناشی از خود جابجایی، و سایش سایشی، ناشی از ذرات تولیدشده در فاز چسبندگی که بین سطوح گیر می‌افتند، می‌شود. این نوع سایش می‌تواند با وجود مواد خورنده و افزایش دما تسریع شود.

سایش فرسایشی

سایش فرسایشی زمانی رخ می‌دهد که ذرات آزاد، که می‌توانند جامد یا مایع باشند، به یک سطح برخورد کرده و باعث فرسایش آن شوند. مکانیزم‌های دخیل در این فرآیند انواع مختلفی دارند و به پارامترهایی مانند زاویه برخورد، اندازه ذرات، سرعت برخورد و جنس موادی که ذرات از آن تشکیل شده‌اند، بستگی دارند.

عوامل مؤثر بر سایش

• سختی
• حلالیت متقابل
• ساختار بلوری

تأیید شده است که هر چه یک ماده سخت‌تر باشد، میزان سایش کاهش بیشتری دارد. به همان ترتیب، هر چه دو ماده کمتر با یکدیگر حل‌پذیر باشند، سایش تمایل دارد بیشتر کاهش یابد. در نهایت، در مورد ساختار کریستالی، می‌توان گفت که برخی ساختارها برای مقاومت در برابر سایش مناسب‌تر از دیگران هستند، مانند ساختار شش‌ضلعی با چیدمان فشرده که تنها می‌تواند با لغزش در امتداد صفحات پایه تغییر شکل یابد.

نرخ سایش

برای ارائهٔ ارزیابی از آسیب‌های ناشی از سایش، از یک ضریب بدون بعد به نام نرخ سایش استفاده می‌کنیم که با نسبت بین تغییر ارتفاع جسم $\Delta h$ و طول لغزش نسبی $\Delta l$ تعریف می‌شود.$$T_{\text{wear}}={\delta h \over \Delta l}$$این ضریب این امکان را می‌دهد که بسته به مقدار آن، میزان آسیب وارد شده به مواد مختلف در شرایط گوناگون را دسته‌بندی کرد و از درجه سایش کم، از طریق درجه متوسط، تا درجه سایش شدید، پیش رفت.

برای بیان حجم سایش (V) می‌توان از معادلهٔ هولم استفاده کرد.

• $V=k{W \over H}l$ برای سایش چسبنذگی
• $V=k_{a}{W \over H}l$ برای سایش سایشی

که در آن W / H نمایانگر مساحت واقعی تماس، l طول مسیر طی‌شده و k و $k_{a}$ عوامل ابعادی تجربی هستند.

اندازه‌گیری سایش

در اندازه‌گیری‌های تجربی سایش مواد، اغلب لازم است که نرخ‌های سایش نسبتاً کوچک بازتولید شوند و زمان‌ها تسریع گردند. پدیده‌هایی که در واقعیت پس از سال‌ها رخ می‌دهند، در آزمایشگاه باید پس از چند روز اتفاق بیفتند.

یک ارزیابی اولیه از فرآیندهای سایش، بازرسی بصری پروفیل سطحی جسم مورد مطالعه است، که شامل مقایسه قبل و بعد از وقوع پدیده سایش می‌شود. در این تحلیل اولیه، تغییرات احتمالی سختی و هندسه سطحی ماده مشاهده می‌شوند.

روش دیگر برای بررسی، استفاده از ردیاب رادیواکتیو است که برای ارزیابی سایش در سطح ماکروسکوپی به کار می‌رود. یکی از دو ماده در تماس که در فرآیند سایش دخیل است، با یک ردیاب رادیواکتیو علامت‌گذاری می‌شود. به این ترتیب، ذرات این ماده که جدا می‌شوند، به راحتی قابل مشاهده و دسترسی خواهند بود.

در نهایت، برای تسریع زمان سایش، یکی از شناخته‌شده‌ترین تکنیک‌ها، آزمایش‌های تماس با فشار بالا است. در این روش، برای به دست آوردن نتایج مطلوب، کافی است بار بر روی یک ناحیه تماس بسیار کوچک اعمال شود.

کاربردها

حمل‌ونقل و تولید

به‌طور تاریخی، تحقیقات تریبولوژی بر طراحی و روانکاری مؤثر قطعات ماشین، به‌ویژه یاتاقان‌ها متمرکز بوده است. با این حال، مطالعهٔ تریبولوژی به بیشتر جنبه‌های فناوری مدرن گسترش یافته و هر سیستمی که در آن یک ماده روی مادهٔ دیگر لغزیده می‌شود، می‌تواند تحت تأثیر تعاملات پیچیدهٔ تریبولوژیکی قرار گیرد.

به‌طور سنتی، تحقیقات تریبولوژی در صنعت حمل‌ونقل بر اطمینان‌پذیری تمرکز داشت تا عملکرد ایمن و مداوم قطعات ماشین تضمین شود. امروزه، به دلیل تمرکز بیشتر بر مصرف انرژی، کارایی اهمیت فزاینده‌ای یافته و بنابراین روانکارها به‌طور فزاینده‌ای پیچیده و پیشرفته شده‌اند تا این هدف محقق شود. تریبولوژی همچنین نقش مهمی در تولید دارد. به‌عنوان مثال، در عملیات شکل‌دهی فلزات، اصطکاک باعث افزایش سایش ابزار و نیروی لازم برای کار روی قطعه می‌شود. این امر منجر به افزایش هزینه‌ها به دلیل تعویض مکرر ابزار، از دست رفتن دقت به‌علت تغییر ابعاد ابزار و نیاز به نیروهای بیشتر برای شکل‌دهی قطعه می‌گردد.

یکی از رایج‌ترین مواد در صنعت هوافضا به‌طور خاص، کامپوزیت‌های خودروانکار با ماتریس مس هستند که از روانکارهای جامد استفاده می‌کنند. این روانکارها با مس و سایر مواد مخلوط می‌شوند که این کار به‌طور مؤثر از طریق اختلاط صوتی تشدیدی انجام می‌گیرد.

استفاده از روانکارهایی که تماس مستقیم با سطح را به حداقل می‌رسانند، باعث کاهش سایش ابزار و نیاز به انرژی می‌شود. همچنین لازم است اثرات تولید را در نظر بگیریم؛ همهٔ روش‌های تولید یک «اثر انگشت» سیستمی منحصربه‌فرد (یعنی توپوگرافی سطح) از خود بر جای می‌گذارند که بر تماس تریبولوژیکی (مثلاً تشکیل لایهٔ روانکار) تأثیر می‌گذارد.

یکی از رایج‌ترین مواد در صنعت هوافضا به‌طور خاص، کامپوزیت‌های خودروانکار با ماتریس مس هستند که از روانکارهای جامد استفاده می‌کنند. این روانکارها با مس و سایر مواد مخلوط می‌شوند که این کار به‌طور مؤثر از طریق اختلاط صوتی تشدیدی انجام می‌گیرد.

استفاده از روانکارهایی که تماس مستقیم با سطح را به حداقل می‌رسانند، باعث کاهش سایش ابزار و نیاز به انرژی می‌شود. همچنین لازم است اثرات تولید را در نظر بگیریم؛ همهٔ روش‌های تولید یک «اثر انگشت» سیستمی منحصربه‌فرد (یعنی توپوگرافی سطح) از خود بر جای می‌گذارند که بر تماس تریبولوژیکی (مثلاً تشکیل لایهٔ روانکار) تأثیر می‌گذارد.

تحقیق

زمینه‌ها

تریبولوژی سیستم باز - تماس چرخ و ریل در زمستان

تحقیقات تریبولوژی از مقیاس ماکرو تا نانو را شامل می‌شود و در حوزه‌های متنوعی مانند حرکت صفحات قاره‌ای و یخچال‌های طبیعی تا حرکت حیوانات و حشرات کاربرد دارد. تحقیقات تریبولوژی به‌طور سنتی بر صنایع حمل‌ونقل و تولید متمرکز بوده است، اما اکنون این حوزه به‌طور قابل توجهی گسترش یافته است. می‌توان تحقیقات تریبولوژی را به‌طور کلی به حوزه‌های زیر تقسیم کرد (با کمی همپوشانی):

• تریبولوژی کلاسیک به اصطکاک و سایش در عناصر ماشین (مانند یاتاقان‌های غلتشی ، چرخ‌دنده‌ها ، یاتاقان‌های ساده ، ترمزها ، کلاچ‌ها ، چرخ‌ها و یاتاقان‌های سیال ) و همچنین فرآیندهای تولید (مانند شکل‌دهی فلزات ) می‌پردازد.
• بیوتربیولوژی به مطالعه اصطکاک ، سایش و روانکاری در سیستم‌های بیولوژیکی می‌پردازد. این حوزه با افزایش امید به زندگی انسان، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. مفاصل ران و زانوی انسان از سیستم‌های بیوتربیولوژی معمول هستند.
• تریبولوژی سبز با هدف به حداقل رساندن تأثیر زیست‌محیطی سیستم‌های تریبولوژیکی در کل چرخه عمر آنها انجام می‌شود. به طور خاص، تریبولوژی سبز با هدف کاهش تلفات تریبولوژیکی (مثلاً اصطکاک و سایش ) با استفاده از فناوری‌هایی با حداقل تأثیر زیست‌محیطی انجام می‌شود. این در تضاد با تریبولوژی سنتی است که در آن روش‌های کاهش تلفات تریبولوژیکی به طور جامع ارزیابی نمی‌شوند.
• ژئوتریبولوژی اصطکاک، سایش و روانکاری سیستم‌های زمین‌شناسی مانند یخچال‌های طبیعی و گسل‌ها را مطالعه می‌کند.
• نانوتریبولوژی پدیده‌های تریبولوژیکی را در مقیاس‌های نانوسکوپی مطالعه می‌کند. این حوزه با کوچک‌تر شدن دستگاه‌ها (مثلاً سیستم‌های میکرو/نانوالکترومکانیکی، MEMS / NEMS ) اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند و اختراع میکروسکوپ نیروی اتمی به تحقیقات در این زمینه کمک کرده است.
• تریبولوژی محاسباتی با هدف مدل‌سازی رفتار سیستم‌های تریبولوژیکی از طریق شبیه‌سازی‌های چندفیزیکی ، رشته‌هایی مانند مکانیک تماس ، مکانیک شکست و دینامیک سیالات محاسباتی را با هم ترکیب می‌کند.
• تریبولوژی فضایی، سیستم‌های تریبولوژیکی را که می‌توانند تحت شرایط محیطی شدید فضای بیرونی کار کنند، مطالعه می‌کند. به طور خاص، این امر به روان‌کننده‌هایی با فشار بخار پایین نیاز دارد که بتوانند نوسانات شدید دما را تحمل کنند.
• تریبولوژی سیستم باز، سیستم‌های تریبولوژیکی را که در معرض محیط طبیعی قرار دارند و تحت تأثیر آن قرار می‌گیرند، مطالعه می‌کند.
• تریبوانفورماتیک کاربردی از هوش مصنوعی ، یادگیری ماشین و روش‌های کلان داده در سیستم‌های تریبولوژیکی است.

اخیراً، به دلیل افزایش تقاضا برای صرفه‌جویی در انرژی، مطالعات گسترده‌ای در زمینهٔ ابرروانی (پدیدهٔ از بین رفتن اصطکاک) آغاز شده است.علاوه بر این، توسعهٔ مواد جدیدی مانند گرافن و مایعات یونی، امکان استفاده از روش‌های بنیادی جدید برای حل مسائل تریبولوژیکی را فراهم می‌کند.

انجمن‌ها

امروزه جامعه‌های ملی و بین‌المللی متعددی وجود دارند، از جمله: جامعهٔ تریبولوژیست‌ها و مهندسین روانکاری (STLE) در ایالات متحده، مؤسسهٔ مهندسین مکانیک و مؤسسهٔ فیزیک (گروه تریبولوژی IMechE و گروه تریبولوژی IOP) در بریتانیا، جامعهٔ آلمانی تریبولوژی (Gesellschaft für Tribologie)، جامعهٔ تریبولوژی کره (KTS)، جامعهٔ تریبولوژی مالزی (MYTRIBOS)، جامعهٔ تریبولوژیست‌های ژاپن (JAST)، جامعهٔ تریبولوژی هند (TSI)، انجمن مهندسی مکانیک چین (Chinese Tribology Institute) و شورای بین‌المللی تریبولوژی.

رویکرد پژوهشی

پژوهش در زمینه تریبولوژی عمدتاً تجربی است، که این موضوع با تعداد زیاد پارامترهایی که بر اصطکاک و سایش در تماس‌های تریبولوژیکی تأثیر می‌گذارند، قابل توضیح است. بنابراین، اکثر حوزه‌های تحقیقاتی به‌شدت به استفاده از تریبومترها و روش‌های آزمایشی استاندارد شده و همچنین تجهیزات آزمایش در سطح قطعه وابسته هستند.

جستارهای وابسته

• افزودنی ضدسایش — ترکیبات شیمیایی‌ای که برای کاهش میزان تماس فلز با فلز و محدود کردن سایش در سامانه‌های مکانیکی به روانکار افزوده می‌شوند.
• یاتاقان — قطعه‌ای مکانیکی که حرکت نسبی بین دو بخش را با کاهش اصطکاک و سایش ممکن می‌سازد.
• جوشکاری سرد — پدیده‌ای که در آن دو سطح فلزی در تماس بدون حرارت و در اثر فشار یا حرکت اصطکاکی به هم می‌چسبند.
• مکانیک تماس — شاخه‌ای از مکانیک که رفتار سطوح در تماس تحت بار را بررسی می‌کند.
• فرِتینگ — نوعی سایش ناشی از لغزش‌های بسیار کوچک یا لرزش‌های مکرر بین دو سطح تماس.
• اصطکاک — نیروی مقاومتی که در برابر حرکت نسبی دو سطح تماس عمل می‌کند.
• اصلاح‌گر اصطکاک — افزودنی‌هایی که برای تغییر ویژگی‌های اصطکاکی روانکار یا سطح تماس طراحی شده‌اند.
• گالینگ — نوعی شکست سطحی ناشی از جوش موضعی بین دو فلز در تماس لغزشی.
• لئوناردو داوینچی — از نخستین دانشمندانی که قوانین پایهٔ اصطکاک را مشاهده و ثبت کرد.
• فهرست سازمان‌های ترایبولوژی — مجموعهٔ نهادها و انجمن‌های علمی فعال در حوزهٔ ترایبولوژی در سطح جهان.
• روانکار — ماده‌ای (جامد، مایع یا گاز) که اصطکاک و سایش بین سطوح تماس را کاهش می‌دهد.
• روانکاری — فرایند استفاده از روانکار برای کاهش اصطکاک و محافظت از سطوح تماس.
• افزودنی روغن — مواد مکملی که برای بهبود عملکرد روغن‌های روانکار در برابر سایش، زنگ‌زدگی یا اکسیداسیون به آن افزوده می‌شوند.
• تحلیل روغن — روش ارزیابی وضعیت روانکار برای پیش‌بینی خرابی یا فرسایش اجزای ماشین.
• پیتر جاست — مهندس انگلیسی که گزارش جاست (Jost Report) را در ۱۹۶۶ منتشر کرد و پایه‌های ترایبولوژی نوین را بنا گذاشت.
• خستگی غلتشی تماس — پدیده‌ای که در آن سطح تماسِ غلتشی به‌مرور دچار ترک و شکست می‌شود.
• سکلومتر — ابزار اندازه‌گیری زبری یا حالت سطح پس از سایش یا پرداخت.
• ترایبولوژی فضایی — مطالعهٔ رفتار اصطکاک و روانکاری در شرایط خلأ و دماهای بالا در کاربردهای فضایی.
• علم سطح — مطالعهٔ ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی لایه‌های خارجی مواد جامد.
• سایش اصطکاکی — گونه‌ای از سایش ناشی از تماس و حرکت مداوم دو سطح.
• تریبومتر — دستگاهی برای اندازه‌گیری اصطکاک، سایش و پارامترهای روانکاری در آزمایش‌های ترایبولوژی.
• سایش — از بین رفتن تدریجی ماده از سطح تماس تحت اثر اصطکاک یا بار مکانیکی.
• زینک دی‌تیوفسفات — افزودنی رایج ضدسایش و ضدخوردگی در روغن‌های موتور، با ترکیب فسفر و گوگرد برای ایجاد لایهٔ محافظ روی فلزات.