Тверді мастила призначені для зниження тертя в умовах, при яких неможливе створення рідинного змащення. Наприклад, вони застосовуються при роботі в вакуумі, при низькій і високій температурі, в агресивному середовищі і т.д. Найбільш поширеними твердими мастилами є тверді тіла, що мають шарувату структуру. Низьке тертя у них досягається внаслідок явно вираженої анізотропії властивостей. Найбільш поширеними матеріалами цієї групи є графіт, дісульфіт молібдену, тальк, слюда і нітрид бору. Принцип дії твердих мастил розглянемо на прикладі графіту.
Структура графіту представлена на рис. 6:
Шари атомів вуглецю з щільною упаковкою знаходяться на великих відстанях один від одного. У таких шарах атоми мають гексагональну розташування і мають міцними міжатомними зв'язками (420 кДж / г атом). Міцність же зв'язків між атомами, розташованими в різних площинах, на порядок менше, тому при терті відбувається порівняно легкий зрушення одній площині щодо іншої.
Останнім часом в якості твердого змащення застосовують твердий підшипниковий полімерний матеріал політетрафторетилен (ПТФЕ), що володіє унікальними антифрикційними властивостями. ПТФЕ, або фторопласт, володіє низьким коефіцієнтом тертя (0,05-0,1) аж до температури розм'якшення (320оС). Використанню фторопласта в чистому вигляді перешкоджають його низька міцність, токсичність парів фтору, погана теплопровідність, високий коефіцієнт теплового розширення і низька здатність чинити опір тертю при високих швидкостях і підвищеному тепловиділення. Тому ПТФЕ вводять в поверхню пористого металу, найчастіше пористої бронзи. ПТФЕ, заповнюючи пори металу, забезпечує хороші антифрикційні властивості, а бронзова матриця створює досить міцний і добре проводить теплоту каркас. Металофторопластова підшипники широко застосовуються за кордоном і в вітчизняному машинобудуванні, а використовують їх переважно в вузлах тертя, що працюють без змащення або в умовах змішаної мастила. Для підвищення зносостійкості і збільшення ресурсу таких підшипників у фторопласт вводять наповнювачі (мідь, бронзу, скловолокно, графіт і ін.).
Відповідно до стандартної термінологією, рідинна або гідродинамічна мастило здійснюється при повному поділі поверхонь тертя під впливом тиску, що виникає в шарі мастила при відносному переміщенні пар тертя. Внутрішнє тертя в шарі мастила визначається, в основному, її в'язкістю.
Існують функціональні зв'язки між дотичним напруженням на майданчику всередині рухомої рідини і похідною швидкості по нормалі до цієї площадки. Такі залежності називають «реологическими характеристиками». Залежність дотичних напружень від поперечної похідною швидкості представлена на рис. 7.
Мал. 7 - Залежність дотичних напружень від поперечної похідною швидкості
У загальному випадку деформація середовища почнеться тоді, коли напруги досягнуть значення (крива I на малюнку 7). тоді
Середовища, що підкоряються таким законом, називаються нелінійно-в'язкопластичні. До них відносяться, наприклад, мінеральні масла при низькій температурі, жири і т.д.
Середовища, у яких немає взагалі (крива II), називають рідинами.
На рис I.7 - статичне максимальне напруження зсуву, - динамічне максимальне напруження зсуву, величина якого визначається екстраполяцією прямолінійного ділянки.
Середовища, у яких. а (крива III), називають неньютоновскими рідинами (жири, суспензії і ін.). Якщо. то аномалія в'язкості відсутня, і має місце лінійний закон
Якщо ж (крива II), то отримаємо вираз для. зване гіпотезою Ньютона:
де - динамічний коефіцієнт в'язкості. В останньому випадку говорять про істинно в'язкою або ньютонівської рідини.
Виходячи з умов рівноваги ньютонівської рідини і з урахуванням рівняння нерозривності потоку рідини, отримано рівняння ізотермічного плину мастила - рівняння Рейнольдса:
де координати x і z характеризують поздовжнє і поперечне переміщення елементарного об'єму рідини,
h - глибина положення елементарного обсягу.
Процес розвитку гідродинамічних тисків у шарі мастила розглянемо на прикладі переміщення похилій площині зі швидкістю V відносно нерухомої площини (рис.8).
На ділянці від а до b гідродинамічний течія і течія зсуву здатні посилювати швидкість переміщення рідини по товщині шару, а на ділянках від bдо з - послаблювати. Це випливає із закону збереження маси, згідно з яким витрата рідини через будь-який перетин постійний в даний момент часу.
Причиною розвитку гідродинамічного тиску в шарі рідини, при якому виникає змінність тиску по довжині мастильного шару, є або змінний перетин мастильної щілини (клинчасте), або змінна щільність рідини і відносне переміщення пар тертя, або здавлювання шару.
Мал. 8 - Процес розвитку гідродинамічних тисків у шарі мастила
Аналізуючи рівняння Рейнольдса, можна простежити за всіма складовими, які сприяють виникненню тиску в змащувальному шарі. Перший член лівої частини рівняння визначає витрата мастила в напрямку координати X, другий - в напрямку Z. Перший член правої частини рівняння визначає внесок швидкості щодо ковзання поверхонь V і форму мастильного шару. а другий член - внесок швидкості зближення поверхонь. Найбільш важливим фактором є облік клиноподібної форми мастильного шару, особливо при розрахунках радіальних підшипників.
Слід зазначити, що при виводі рівняння гідродинамічної теорії мастила О. Рейнольдсом були зроблені наступні допущення:
- інерційні сили частинок мастила вважаються значно меншими, ніж сили в'язкості;
- мастило приймається як ньютонівська рідина;
- в'язкість у всьому шарі приймається постійною;
- товщина шару мастила мала в порівнянні з іншими розмірами;
- ковзання на межі рідина - тверде тіло або газ - тверде тіло відсутня.
Подальший розвиток гідродинамічної теорії мастила йшло по шляху вирішення неізотермічних завдань, обліку деформації опор і геометричної форми пар тертя.