WWW.NET.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Интернет ресурсы
 

Pages:   || 2 | 3 |

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский ...»

-- [ Страница 1 ] --

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Ю. К. Машков, О. В. Малий

ТРИБОФИЗИКА

Учебное текстовое электронное издание

локального распространения

Омск

Издательство ОмГТУ

————————————————————————————————

Сведения об издании: 1, 2 © ОмГТУ, 2015 ISBN 978-5-8149-2011-9 УДК 539.92(075) ББК 34.413я73 М38

Рецензенты:

Д. Н. Коротаев, д-р техн. наук, профессор кафедры «Эксплуатация и ремонт автомобилей», Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия;

М. Ю. Байбарацкая, канд. техн. наук, профессор, Омский автобронетанковый инженерный институт Машков, Ю. К.

М38 Трибофизика : учеб. пособие / Ю. К. Машков, О. В. Малий ; Минобрнауки России, ОмГТУ. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. – 256 с. : ил.

ISBN 978-5-8149-2011-9 В пособии рассмотрено строение, состав и свойства материалов триботехнического назначения, включая металлы и сплавы, полимеры и полимерные композиционные материалы, а также методы структурной модификации и особенности структурно-энергетического состояния и фазовых превращений при трении с позиций термодинамического подхода к оценке структурно-фазового и напряженно-деформированного состояния поликристаллических структур. Отдельно рассмотрены процессы самоорганизации при трении композиционных материалов и термодинамики процессов трения и изнашивания металлов и полимеров.



Для студентов машиностроительных направлений подготовки бакалавров, инженеров и магистров техники и технологии, а также студентов среднего профессионального образования.

УДК 539.92(075) ББК 34.413я73 Рекомендовано редакционно-издательским советом Омского государственного технического университета © ОмГТУ, 2015 ISBN 978-5-8149-2011-9 1 электронный оптический диск Оригинал-макет издания выполнен в Microsoft Office Word 2007 с использованием возможностей Adobe Acrobat X.

Минимальные системные требования:

• процессор Intel Pentium 1,3 ГГц и выше;

• оперативная память 256 Мб;

• свободное место на жестком диске 260 Мб;

• операционная система Microsoft Windows XP/Vista/7;

• разрешение экрана 1024576 и выше;

• акустическая система не требуется;

• дополнительные программные средства Adobe Acrobat Reader 5.0 и выше.

Редактор В. А. Марк

–  –  –

Сводный темплан 2015 г.

Подписано к использованию 02.09.15.

Объем 2,30 Мб.

————————————————— Издательство ОмГТУ.

644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12 Эл. почта: info@omgtu.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие по курсу «Трибофизика» занимает важное место в числе основных дисциплин естественно-научного цикла (физика, химия, физическое материаловедение) в образовательных программах инженерно-технических направлений подготовки высшего профессионального образования. Оно предназначено для изучения теоретической части учебной дисциплины, для практических (семинарских) занятий и самостоятельной работы студентов. Содержание пособия соответствует рабочей программе курса «Трибофизика» и основным задачам его освоения студентами.

Учебное пособие адресуется преподавателям и студентам направлений подготовки бакалавров: 150.100.62 «Материаловедение и технологии материалов», 210.600.62 «Нанотехнология» и магистров направления 28.04.02 «Наноинженерия» дневной и заочной формы обучения.

Настоящее издание как учебное пособие подготовлено с использованием предшествующих учебных пособий автора: «Трение и модифицирование материалов трибосистем» (рекомендовано Минобразования РФ в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности «Триботехника»). – М. : Наука, 2000, учебное пособие «Трибология конструкционных материалов» (рекомендовано Госкомитетом РФ по высшему образованию в качестве учебного для студентов вузов). – Омск : Изд-во ОмГТУ, 1996.

При написании пособия также использованы материалы монографий:

1. Машков, Ю. К. Трибофизика и структурная модификация материалов трибосистем / Ю. К. Машков, О. В. Кропотин. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2009. – 324 с.

2. Самоорганизация и структурное модифицирование в металлополимерных трибосистемах / [Ю. К. Машков и др.]. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. – 232 с.

Настоящее издание содержит новые сведения о физических основах и методах создания эффективных наноматериалов и покрытий триботехнического назначения, обеспечивающих существенное повышение надежности и долговечности узлов трения (трибосистем) машин. При этом особое внимание уделяется анализу трибофизических процессов в условиях фрикционного взаимодействия деталей приборов и машин, а также взаимосвязи структурно-фазовых изменений в материалах деталей (металлических, полимерных, композиционных) с изменением их физико-механических свойств в условиях эксплуатации.

Значительная часть материала по описанию закономерностей трения и изнашивания в металлополимерных системах, структурной модификации и самоорганизации имеет научную новизну. Основные результаты исследований были получены в течение последних двух десятилетий.

Выражаем глубокую благодарность за участие в проведении экспериментальных исследований, помощь в анализе и оформлении полученных результатов коллегам и ученикам Ю. К. Машкова. Особая благодарность Л. Ф. Калистратовой, А. И. Блесману, В. И. Сурикову.

ВВЕДЕНИЕ В ТРИБОФИЗИКУ

Предметом трибофизики является изучение деформационных, динамических, тепловых, акустических, электрических, адгезионных и других процессов, вызываемых трением, а также проблемы работоспособности и эффективности узлов трения машин, их энергетики и эффективности.

Трибофизика – это научно-техническая дисциплина, с течением времени приобретающая все большее значение. Она несомненно представляет собой один из значимых и сложных предметов. Для создания эффективных узлов трения необходимо глубокое научное обоснование принимаемых технических решений, расчетов при проектировании и выборе конструкционных и смазочных материалов, системы испытаний, технического обслуживания и ремонта.

С проблемой надежности машин связана важнейшая задача трибофизики – обеспечение сохранения показателей качества узлов трения в течение всего периода их эксплуатации в составе машин.

Важными условиями создания высоконадежных узлов трения являются их полноценный расчет и проектирование. На этом этапе закладываются все основные технические характеристики изделия, в том числе устанавливаются и обосновываются необходимые требования к надежности конструкции и применяемым материалам. Кроме того, здесь разрабатываются методы защиты узлов трения от внешних воздействий, рассматриваются возможности автоматического восстановления утраченной работоспособности, оценивается их приспособленность к ремонту и техническому обслуживанию.

При изготовлении (производстве) узлов трения их надежность обеспечивается за счет применения современных материалов и смазок, методов обработки, контроля и управления технологическим процессом изготовления, качества сборки, а также за счет использования современных методов испытаний, доводки и других средств обеспечения современного технологического уровня.

Считается, что в индустриально развитых странах на устранение последствий трения и износа подвижных соединений расходуется приблизительно 4,5 % валового национального дохода. За год в мире используется более 100 млн тонн смазочных материалов, огромное количество металла, энергии.

Отмеченные проблемы трибофизики и трибологии отражены в предлагаемом учебном пособии в объеме, необходимом современному инженеру. Особенность курса состоит в более полном, чем обычно, рассмотрении физических основ трибофизичских процессов, протекающих в узлах трения (трибосистемах), что по нашему мнению, позволяет инженерам самостоятельно анализировать и находить технические решения, опираясь на понимание законов физики и механики наблюдаемых технических эффектов.

Основные термины и определения

Трибофизика – наука о трении, износе, смазке и взаимодействии контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении.





Название этой научной дисциплины образовано от греческих слов «трибос» – трение и «логос» – наука. Она охватывает теоретические и экспериментальные исследования физических (механических, электрических, магнитных, тепловых), химических, биологических и других явлений, связанных с трением, изнашиванием и смазкой. Как наука трибология имеет характерные научно-технические разделы: теорию контактирования трения и изнашивания, включая трибофизику, трибохимию, триботехническое материаловедение, а также триботехнику, трибоинформатику и др.

Триботехника – прикладной раздел трибологии, который охватывает конечную стадию процесса создания трибосопряжений (узлов, деталей и элементов пар трения) с учетом достижений трибоанализа, трибоматериаловедения и триботехнологий. Принципы триботехники находят отражение в методах расчета и конструирования, изготовления, испытаний, смазки, эксплуатации, диагностирования и ремонта узлов трения и вшивающихся тел.

Трибосистема – сложная многокомпонентная система, образуемая при взаимодействии трущихся тел, промежуточной и окружающей сред, участвующих в процессах трения, изнашивания, теплообразования и других процессах, определяющих свойства, связи, параметры и характеристики процессов трения и изнашивания. В трибосистеме происходит преобразование энергии механического движения в менее упорядоченные виды (теплоту, звук, колебания и т.д.) и ее диссипация – передача преобразованной энергии во внешнюю среду.

Трибоанализ – раздел трибологии, охватывающий проблемы накопления и систематизации научной информации о фундаментальных исследованиях основных трибологических процессов с целью прогнозирования результатов контактного взаимодействия твердых тел при трении, изнашивании и смазке в заданных условиях.

Трибометрия – раздел трибологии, изучающий методы проведения испытаний на трение, изнашивание при сухом трении и смазке, метрологические требования к этим испытаниям, оборудованию и приборам, таким как адгезиометры, твердомеры, профилографы, машины трения для модельных испытаний, испытательные стенды и типовые системы для натурных триботехнических испытаний, датчики, усилители, регистрирующие приборы, а также методы оценки погрешности экспериментов и испытаний. К трибометрии относится оценка и анализ условий равновесия, контактных напряжений в тех или иных точках контакта, формирования сил диссипативного характера, рассмотрение, проявления законов сохранения энергии, импульса и переноса вещества и др.

Трибодиагностика – совокупность методов и средств контроля и управления состоянием деталей и узлов трения в целом. Наиболее часто применяются следующие методы: акустоэмиссионные (акустоэлектрические), радиоактивные, электрофизические (по интенсивности и амплитудно-частотному спектру трибоЭДС, магнитной индукции и др.), температурные, виброакустические, феррографические и др.

Триботехническое материаловедение – раздел трибологии, изучающий поведение материалов при трении, изнашивании и смазке (изменение структурно-фазовых состояний поверхностных слоев металлов, сплавов, композитов, полимеров и других материалов под действием силы трения, изнашивания, температуры трения, окружающей и смазочной сред и других производных от них факторов). В этом разделе трибологии рассматриваются принципы создания триботехнических материалов, обеспечивающих высокую надежность в эксплуатации, оценивается специфическая взаимосвязь между физико-химическими закономерностями трения и триботехническими свойствами материалов.

Интенсивность разрушения поверхностных слоев материалов при трении, как правило, мало зависит от исходных прочностных свойств материалов. Исходные физико-механические свойства материалов рекомендуется подбирать таким образом, чтобы в результате контактной деформации, тепловыделения и физико-химического взаимодействия с материалом контртела и окружающей средой создавался и воспроизводился на поверхности трения рабочий слой с оптимальными триботехническими свойствами.

Антифрикционные материалы – материалы, используемые в узлах трения: подшипниках, направляющих, радиальных и торцовых уплотнениях и др. Принято считать, что коэффициент трения антифрикционных материалов при наличии смазки составляет 0,005…0,05, а без нее – 0,04…0,3. Условия применения антифрикционных материалов зависят от их состава и в первую очередь обусловлены физическими свойствами входящих в них базовых материалов (матрицы материала или связующего) и специфических антифрикционных наполнителей. Для этих целей используют металлические, порошковые, пористые с последующей пропиткой, твердосплавные, полимерные, древесные, графитовые и другие базовые материалы. Антифрикционные наполнители – твердые кристаллические материалы со сложными решетками, легкоплавкие или пластичные материалы, некоторые полимеры (например фторопласты, графит, дисульфид молибдена и вольфрама и ряд других). Антифрикционные материалы применяют в виде объемных элементов и тонких покрытий.

При выборе материалов контртела для каждого антифрикционного материала следует учитывать условия их совместимости.

Фрикционные материалы – материалы, предназначенные для работы в узлах трения, передающих или рассеивающих кинетическую энергию движущихся масс (в тормозах, муфтах, сцеплениях, демпферах, вариаторах и др.). Эффективность работы таких материалов в значительной степени определяется величиной и стабильностью коэффициента трения, а также их износостойкостью. Фрикционные материалы применяются как при сухом трении, так и при трении со смазкой.

Триботехнология – это раздел трибологии, изучающий триботехнические аспекты формообразований деталей пары трения, обработки материалов разрушающими и деформирующими способами, возможности достижения требуемых свойств поверхности трения узлов и деталей за счет различных упрочняющих методов нанесения специальных покрытий и т.п.

Внешнее трение – совокупность механических, тепловых, химических, электрических и других процессов, проявляющихся при касательном перемещении двух тел в зонах соприкосновения их поверхностей.

Внутреннее трение – явление, создающее вязкое сопротивление относительному перемещению частиц в слое газов и жидкостей и относительному микросмещению частей твердого тела.

Изнашивание – процесс отделения материала с поверхности твердого тела при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах (значение износа может выражаться в единицах длины, массы и др.).

Скорость изнашивания – отношение величины износа к интервалу времени, в течение которого он возник. Различают мгновенную (в определенный момент времени) и среднюю (за определенный момент времени) скорость изнашивания.

Интенсивность изнашивания – отношение значения износа к пути трения, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы. Единицы объема выполненной работы выбираются в каждом конкретном случае.

Виды и характеристики внешнего трения и изнашивания

Сила трения – сила сопротивления относительному перемещению одного тела по поверхности другого под действием внешней силы.

Сила трения покоя возникает при контакте двух тел при микросмещении.

Сила трения движения возникает при контактировании двух тел, находящихся в относительном движении.

Трение скольжения возникает при относительном движении соприкасающихся тел.

Трение качения – трение движения, при котором относительное перемещение возникает за счет перекатывания.

Трение без смазочного материала (сухое трение) – трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала.

Трение со смазочным материалом – трение двух тел при наличии на поверхностях трения введенного смазочного материала.

Абразивное изнашивание – механическое изнашивание материала в результате режущего, деформирующего или царапающего действия твердых тел или твердых частиц.

Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание – изнашивание в результате воздействия твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа).

Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание – изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости или газа.

Усталостное изнашивание – изнашивание в результате усталостного разрушения при периодическом деформировании микрообъемов материала поверхностей трения.

Кавитационное изнашивание – изнашивание, при котором разрушение поверхностей вызывают кавитационные пузырьки, схлопывающиеся вблизи поверхности, что ведет к местному высокому ударному действию, высокой локальной температуре и др.

Коррозионно-механическое изнашивание – изнашивание в результате механического воздействия при химическом и (или) электрохимическом взаимодействии материала со средой.

Окислительное изнашивание – коррозионно-механическое изнашивание, при котором в механизме разрушения поверхностей преобладает химическая реакция материала с кислородом.

Электроэрозионное изнашивание – изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Смазка и смазочные материалы Смазка – процесс действия смазочного материала, в результате которого уменьшается износ, повреждения поверхности, температура и сила трения.

Смазывание – способ подведения смазочного материала к поверхности трения.

Смазочный материал – материал, обладающий вязкостью, текучестью и другими свойствами, который вводится в зазор между поверхностями трения для уменьшения износа, повреждений поверхностей и силы трения.

Газовая смазка – смазка, при которой разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении, осуществляется потоком газа.

Жидкостная смазка – смазка, при которой разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении, осуществляется жидким смазочным материалом.

Твердая смазка – смазка, при которой разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении, осуществляется твердым смазочным материалом.

Гидродинамическая смазка – смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате гидродинамического давления, возникающего в слое жидкости при относительном движении поверхностей.

Гидростатическая смазка – смазка, при которой полное разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется жидкостью, поступающей в зазор между поверхностями под давлением.

Газодинамическая смазка – газовая смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникающего в потоке газа при относительном движении поверхностей.

Эластогидродинамическая смазка – смазка, при которой состояние жидкого смазочного материала между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении, определяется реологическими свойствами смазочного материала, а также упругими свойствами конструкционных материалов.

Граничная смазка – смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и граничных слоев смазочного материала.

Полужидкостная (смешанная) смазка – смазка, при которой осуществляется частично гидродинамическая, частично граничная смазка.

1. ТРИБОФИЗИКА И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Все современные технические системы, включая приборы, машины, технологическое оборудование, имеют в своем составе, за редким исключением, подвижные сопряжения деталей, образующие узлы трения различного типа. Контактное взаимодействие деталей при их относительном движении при работе машин сопровождается развитием сложных физикохимических процессов, приводящих к изменению структуры и свойств материалов деталей узла трения. Современная наука о внешнем трении – пограничная область знаний, имеющая фундаментальное и прикладное значение. Её содержание является синтезом соответствующих разделов физики, химии, механики. В 80-х гг. прошлого века утвердилось новое название науки о трении, изнашивании и смазке машин – трибология.

Трибология как научная дисциплина охватывает экспериментальнотеоретические исследования физических (механических, электрических, тепловых, магнитных), химических, биологических и других явлений, связанных с трением. Для оценки трения необходимо учитывать взаимосвязь и взаимоотношение между контактирующими телами, внешними энергетическими воздействиями, накоплением и рассеянием энергии, а также последствия трибологических процессов, вызывающих изменение свойств и состояний системы или ее элементов во времени. Изменения могут происходить одновременно и последовательно, они могут приводить к изменению химического состава и строения материала (химические, ядерные изменения) либо энергетического состояния и свойств (физические изменения). Трибологические процессы являются вынужденными, они могут быть обратимыми (упругая деформация, повышение температуры) и необратимыми (пластическая деформация, изнашивание).

Развитие трибологии, как и всякой другой науки, сопровождается появлением и развитием новых направлений научных исследований.

Анализ научных публикаций и тематики научно-технических конференций последних десятилетий показывает, что в современной трибологии развивается ряд направлений. Среди них – трибофизика, трибомеханика, трибоматериаловедение, триботехника, триботехнология, трибомониторинг, трибоинформатика.

Трибофизика как направление современной физики изучает процессы и явления, происходящие в реальных системах тел (трибосистемах), где тела контактируют друг с другом в условиях взаимного перемещения.

Трибофизика рассматривает задачи термодинамики, статистической физики, электродинамики, кинетики и другие, которые выходят за пределы механики и материаловедения. Современный этап развития трибофизики характеризуется комплексным подходом к изучению и познанию явлений и процессов, протекающих на поверхностях и в поверхностных слоях взаимодействующих тел, применением высокоэффективных физических, химических и математических методов исследований и вычислительной техники. Анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований позволил достигнуть существенного прогресса в понимании природы трения и изнашивания различных материалов при разнообразных внешних условиях и различных состояниях взаимодействующих поверхностей. Этому способствовали результаты исследования адгезионного взаимодействия металлов и полимеров при трении, структурно-фазовых превращений и реологии поверхностных слоев при различных температурах и уровнях внешнего энергетического воздействия. Анализ и обобщение полученных результатов на основе термодинамического подхода позволили сделать вывод о стремлении всей поверхностной материальной системы перейти в наиболее выгодное структурно-энергетическое состояние при минимальном производстве избыточной энтропии и интенсивности изнашивания.

Трибология изучает внешнее и внутреннее трение твердых и жидких тел, закономерности и механизмы их изнашивания, включая весь комплекс элементов, участвующих в процессах трения и изнашивания, существующие между ними связи и свойства этих элементов. Взаимодействующие элементы образуют единую систему, которая при внешнем рассмотрении воспринимается как единое целое.

Реализация трибологического процесса, т.е. последовательность изменения структуры и свойств материалов в зоне контакта возможна только в трибологической системе (ТС) при внешнем энергетическом воздействии. Спектр внешних воздействий составляют силы и энергия (механическая, электрическая, тепловая). ТС должна быть внутренне скоординирована, иметь определенную структуру и совокупность взаимно сопряженных элементов. Совокупность элементов определяет состав ТС.

Эти элементы ТС находятся в некотором взаимном соотношении, определяющем их принадлежность к системе и её структуру. Трибологические процессы включают комплекс физико-химических процессов и зависят от большого количества параметров, поэтому для упрощения и упорядочения их описания целесообразно применение системного анализа. Системный подход к проблемам трибологии показан в работах Г. Саломона, Ч. Чихоса, Д. Мура. Структурная схема ТС согласно системному подходу показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема трибосистемы Данная структурная схема включает элементы, находящиеся в относительном движении, смазочную среду и взаимные связи между элементами системы. Элементами трибосистемы могут быть как твердые тела различного вида (металлические, полимерные, композиционные), находящиеся в относительном движении, так и жидкости, и твердые тела, например, подверженные кавитации в контакте с жидкостью. Входной характеристикой ТС является работа, определяемая параметрами механического воздействия на материал в зоне контакта (нагрузкой, скоростью скольжения, длиной пути и т.д.). Выходной характеристикой ТС является полезная работа, которая может реализоваться в различных формах: движение кулачкового механизма, качение колеса автомобиля, движение исполнительного механизма гидромотора, транспортирование сыпучего груза. Выходными характеристиками трибосистемы являются также результаты процессов трения и изнашивания, приводящие в конечном счете к разрушению трибосистемы (отделение частиц изнашивающего материала, тепловыделение, шум, накопление дефектов структуры и т.д.). На трибосистему действуют возмущающие факторы, например повышенная температура, вибрация, загрязнения, нарушение кинематики движения (радиальное биение вращающихся деталей машин).

Свойства трибосистем определяются их составом и структурой и характеризуются следующими показателями: износостойкостью, антифрикционностью, теплостойкостью, совместимостью материалов ТС.

Износостойкость ТС характеризует свойство материалов системы сопротивляться изнашиванию. Критериями износостойкости являются скорость изнашивания и интенсивность изнашивания.

Антифрикционность характеризует свойство материалов ТС не оказывать сопротивления относительному перемещению элементов системы и оценивается коэффициентом трения.

При полном анализе трибологических процессов в числе выходных параметров ТС обязательно учитывается такой важный параметр, как коэффициент трения. Он является результатом комплекса физико-химических процессов, сопровождающих трение двух тел, поэтому его нельзя отнести к какой-либо одной детали, одному материалу. Аналогично нельзя отнести к одному элементу ТС характеристики износостойкости (скорость изнашивания, интенсивность изнашивания), так как они зависят от свойств всех элементов трибосистемы. Согласно современным положениям трибологии коэффициент трения и интенсивность изнашивания являются нелинейными функциями физико-механических свойств материалов пары трения, условий работы (вид смазки, свойства и температура окружающей среды) и режимов трения (скорость относительного движения, контактное давление).

Теплостойкость характеризует свойства материала деталей ТС сохранять работоспособное состояние при повышении температуры окружающей среды и температуры в зоне контакта. Она определяется физикомеханическими свойствами материалов элементов системы.

Системный анализ позволяет определить внутренние связи, входные и выходные параметры при реализации цели работы ТС – преобразование движения (подшипники, тормоза), энергии (зубчатые передачи), информации (кулачковые и следящие механизмы) и массы (трубопроводы, установки волочения проволоки). При этом ТС характеризуется как открытая, динамичная, гранично управляемая система. Трибосистемы, как правило, являются многофазными, состоящими из фаз с различающимися свойствами, и неоднородными, т.е. гетерогенными. Как термодинамические ТС могут быть открытыми или замкнутыми. Открытые ТС могут обмениваться энергией и веществом (массой) с окружающей однородной средой, замкнутые ТС – только энергией. Существуют также изолированные термодинамические системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом.

В трибологических системах реализуются различные трибологические процессы, характер и интенсивность которых определяются функциональными характеристиками ТС. В общем случае функциональные характеристики описывают преобразование входных параметров X в выходные Y при взаимодействии элементов ТС, как показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема функционального действия ТС:

Е1, Е2 – твердые тела; S – смазочный материал; А – окружающая среда Вход в ТС равнозначен воздействию окружающей среды на систему, включая совокупность полей механических и электрических сил, химических реакций и тепловых полей. Внешним воздействиям (кинетическим, динамическим, тепловым), имеющим энергетический характер, принадлежит основная роль в трибологических процессах. Механические воздействия непосредственно влияют на детали пары трения и через них – на смазочные материалы. Тепловые воздействия могут вызывать изменения свойств материалов деталей и термохимические изменения в смазочных материалах.

Выход в ТС можно рассматривать как реакцию системы на внешнее воздействие и как результат трибологических процессов: сопротивление (сила) трения F1, износ Z, сопутствующие процессы Р1, например повышение температуры поверхности трения, старение материалов, трибоэлектрические, термомеханические и другие процессы.

Трибологическая система может изменять свои функциональные характеристики в процессе работы, при этом изменяются её состояния (рис.1.3).

Рис. 1.3. Изменение функциональных характеристик ТС

При введении энергии в зону контактного трибологического взаимодействия в системе совершается работа и формируется фактическая поверхность контакта. Затем в результате взаимодействия происходит диссипация (рассеяние) энергии, которая включает следующие процессы:

накопление энергии: образование локальных дефектов и дислокаций, накопление энергии в деформированном объеме материала;

эмиссию: фононов (акустические волны, шум), фотонов (триболюминесценция), электронов (экзоэлектроны, эффект Крэмера);

превращение накоплений энергии в теплоту и увеличение энтропии.

При переходе ТС из статического состояния в динамическое возникают и развиваются трибологические процессы, которые влияют на структуру системы и описываются оператором (рис. 1.2). В результате действия трибологического оператора происходят изменения свойств материалов деталей и смазочного материала и их взаимодействия: Y = {F1, Z, P1}.

Между выходом и входом существует обратная связь, действие которой проявляется в изменении скорости при изменении силы трения или в увеличении силы трения при увеличении вязкости смазочного материала.

Состояние I (см. рис. 1.3) – период приработки деталей ТС, нестационарное состояние. В этот период система автоматически приспосабливается к оптимальным условиям взаимодействия деталей Е1, Е2 и его можно назвать периодом саморегулирования.

Свойства деталей и взаимодействие между ними изменяются таким образом, что при неизменном внешнем энергетическом воздействии уменьшается интенсивность изнашивания. В этот период происходит формирование оптимальной микрогеометрии сопряженных поверхностей и благоприятные изменения структуры и свойств материала деталей, называемые трибоприспосабливаемостью.

По завершении периодов приработки и приспосабливаемости наступает состояние II – период стационарного состояния с постоянной интенсивностью изнашивания. Этот период является основным для ТС и имеет наибольшую продолжительность по сравнению с другими периодами работы системы. Чем дольше длится стационарное состояние, тем дольше период нормальной эксплуатации трибологической системы.

По мере накопления дефектов и старения элементов ТС она переходит в состояние III, характеризующееся высокой и возрастающей интенсивностью изнашивания, которое может приобретать лавинный характер и приводить к аварии. Изнашивание с высокой интенсивностью происходит вследствие изменений свойств материалов и деталей, находящихся во фрикционном взаимодействии, изменений смазочных материалов (старение) и возникновений вредных побочных (динамических) процессов.

Надежность и долговечность трибосистем в значительной степени зависят от свойств материалов и правильности их выбора для заданных условий работы узла трения. При выборе материалов для трибосистемы необходимо учитывать способность их к совместимости. Под совместимостью материалов трибосистем (деталей узлов трения) понимают способность обеспечить оптимальное состояние в заданном диапазоне условий работы по выбранным критериям. Такими критериями могут быть критическая температура, температура перехода в смешанный режим трения, предельная нагрузка переходного режима, предельная нагрузка образования задира и т.п. При хорошей совместимости обеспечиваются невысокие уровни трения, износа и длительная работа трибосистемы без повреждения трущихся поверхностей.

Наиболее полно физические представления о природе совместимости материалов как об оптимальном состоянии трибосистемы в заданных условиях работы вытекают из положений термодинамики необратимых процессов. Применение этих положений в трибологии описано в работах Б.И. Костецкого, Л.И. Бершадского, Ю.К. Машкова, А.А. Полякова, С.А. Полякова и др. Трибосистема рассматривается как открытая система, обменивающаяся энергией и веществом с окружающей средой. Трибопроцессы проходят в стационарном установившемся и нестационарном переходном режимах. Наблюдаются локальные равновесные состояния внутри неравновесной системы. В этом случае соблюдается принцип взаимности Онзагера между термодинамическими силами и потоками. При трении все процессы – изнашивание, тепловыделение, трибоэлектризация, диффузионные и магнитные потоки и др. – являются необратимыми и могут оцениваться различными энтропийными потоками. По И. Пригожину, при стационарном состоянии системы скорость возникновения энтропии становится постоянной и минимальной при заданных постоянных параметрах внешнего воздействия.

Полное приращение энтропии определяется выражением, отражающим суть второго начала термодинамики:

= d e S + di S, dS где deS – изменение энтропии в результате обмена с окружающей средой;

diS – изменение энтропии вследствие необратимых процессов внутри трибосистемы.

Следовательно, минимальное увеличение энтропии системы может быть достигнуто при выполнении двух условий:

при минимальной скорости возникновения энтропии в данной системе (трибосистеме);

при максимальном оттоке (диссипации) энтропии из данной системы за счет обмена с окружающей средой.

В процессе эволюции системы к стационарному состоянию она стремится к минимуму производства энтропии. При достижении минимума (dS/dt = min) необратимые процессы внутри системы осуществляются с меньшей интенсивностью, и система работает в режиме наименьшего трения и изнашивания с минимальным расходом энергии на трение.

Переход трибосистемы из неравновесного термодинамически нелинейного состояния в стационарное состояние связан с образованием диссипативной поверхностной структуры, происходящим в результате самоорганизации. Для реализации процесса самоорганизации необходимы соответствующие условия. Задача создания таких условий должна решаться при выборе и разработке материалов трибосистем для конкретных условий трения, выборе смазочных материалов и конструкций деталей узлов трения.

Так, при разработке полимерных композиционных материалов для металлополимерных трибосистем Ю.К. Машковым предложен комплекс требований к составу, структуре и свойствам материала (табл. 1.1), обеспечивающий минимизацию накопления энтропии в трибосистеме.

Таблица 1.1 № Требования к материалу Достигаемый эффект п/п Максимально высокие прочность и Снижение деформации под нагрузжесткость, минимальное снижение кой и приращения конфигурациэтих параметров при повышении онной энтропии температуры Максимально высокая теплопровод- Увеличение диссипации тепловой ность энтропии Максимальная теплоемкость Увеличение удельной энтропии Минимальная сила (коэффициент Снижение производства теплоты трения) и энтропии Способность полимерной матрицы Производство конфигурационной к образованию более упорядочен- отрицательной энтропии (него-энтной слоистой (ориентированной) ропии), снижение скорости накопструктуры типа ЖКС из аморфной ления общей энтропии фазы Наполнители должны способство- Увеличение удельной энтропии вать выполнению требований по и межслоевого расстояния ЖСК, пунктам 1–5 уменьшение накопления энтропии Технология изготовления полимер- Снижение энтропии в исходном ных и металлополимерных деталей состоянии и уменьшение накопледолжна обеспечивать получение ния конфигурационной энтропии ориентированной структуры (вытяжка макромолекул) в поверхностном слое Разработка композиционных материалов на основе ПТФЭ и технологии изготовления уплотняющих элементов пневмо- и гидроаппаратуры с учетом приведенных требований позволила существенно повысить износостойкость и срок службы герметизирующих устройств названной аппаратуры благодаря формированию диссипативной трибоструктуры поверхностного слоя типа термотропных жидких кристаллов вследствие самоорганизации надмолекулярной структуры ПТФЭ при стационарном установившемся режиме трения.

1.2. МАТЕРИАЛЫ ТРИБОСИСТЕМ Наибольшее распространение для изготовления узлов деталей трения (трибосистем) получили металлические конструкционные материалы, прежде всего, стали и чугуны. Их термическая и химико-термическая обработка (цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование, сульфидирование, борирование, легирование хромом, никелем, марганцем, вольфрамом, молибденом, ванадием и др.) позволяет существенно изменить структуру и повысить антифрикционные противоизносные свойства поверхностей трения.

Кратко охарактеризуем основные типы применяемых материалов.

Углеродистые конструкционные стали высокой прочности и с высокими упругими свойствами. Содержание углерода от 0,60 до 0,85 %.

После закалки и отпуска детали из этих сталей могут работать в условиях трения при высоких статических и вибрационных нагрузках (опоры валов, направляющие, кулачковые механизмы и т.д.).

Положительной особенностью углеродистых сталей является комплекс специфических механических свойств при относительно невысокой ударной вязкости (например, Сталь 70 имеет предел прочности ав = 730 МПа, предел текучести ат = 430 МПа).

Углеродистые стали обладают также хорошими технологическими свойствами (обрабатываемость резанием, свариваемость, штампуемость).

Эти стали не являются дефицитными, они не дороги.

Легированные стали. В термически обработанном состоянии эти стали имеют высокий предел текучести, твердость и пластичность, что обеспечивает их износостойкость в разнообразных условиях эксплуатации. Упрочнение стали достигается за счет подбора состава стали и оптимальной термической или химико-термической обработки.

Цементируемые стали – наиболее широко используются для изготовления шестерен, подшипников скольжения, золотниковых прецизионных пар гидроаппаратуры и других высокоответственных пар трения. Зубья шестерен работают в тяжелых условиях трения качения со скольжением, подвержены усталостному осповидному износу, известному под названием питтинг. Цементация с последующей термообработкой обеспечивает значительное повышение износостойкости и долговечности шестерен.

Чугун различных марок. Чугуны широко используются наряду со сталями для изготовления деталей узлов трения. Графитовые включения в матрице чугуна, придавая своеобразие этому материалу, представляют собой основу его классификации (рис. 1.4). В зависимости от структуры графита, металлической основы и механических свойств чугуны разделяются на три вида: серые, ковкие и высокопрочные. Все они находят применение в производстве деталей узлов трения, передаточных механизмов и других устройств, работающих в условиях трения и изнашивания.

–  –  –

Цветные металлы и сплавы. Сплавы на основе цветных металлов в настоящее время наиболее часто применяются в качестве антифрикционного материала для изготовления смазываемых подшипников скольжения. Общая классификация антифрикционных цветных сплавов приведена на рис. 1.5.

Многие детали узлов трения целесообразно изготавливать из полимерных материалов. Для этих целей применяют термопластические полимеры (полиамиды, полиэтилен и др.), реактопласты (эпоксидные смолы), специальные композиционные фрикционные полимерные материалы, в которых использованы теплостойкий армирующий компонент, порошкообразные наполнители, полимерные связующие и другие функциональные агенты.

Рис. 1.5. Классификация антифрикционных сплавов

Среди самосмазывающихся материалов ведущее место занимают фторопласты, а также антифрикционные композиты на основе полиамидов, поликарбонатов, полиэтилена, полиакрилатов и др.

Приведенные краткие сведения о материалах узлов трения являются минимальной информацией, без которой было бы затруднительным изучение основных разделов курса трибологии.

1.2.1. Структура и дефекты металлических материалов

Свойства металлических элементов трибосистем (твердых тел) определяются их строением и структурой. Под строением твердых тел понимают расположение в пространстве и взаимодействие частиц твердого тела:

атомов, ионов, молекул. Электроны в атомах распределяются по энергетическим уровням (орбитам) и подуровням (орбиталям). Максимальное количество электронов N на энергетическом уровне с номером n определяется из зависимости N = 2n2. Энергия электронов тем выше, чем больше номер уровня n. Энергия электронов на энергетических уровнях подразделяется по подуровням (орбиталям) s, p, d, f. Максимальное количество электронов на орбиталях следующее: s – 2; p – 6; d – 10; f – 14. Зная порядковый номер элемента, можно построить электронную модель атома элемента.

Электронное строение атомов металлов определяет такие свойства, как электропроводность, типы связей между частицами вещества в твердом материале, от чего сильно зависят механические и триботехнические свойства материалов.

Прежде чем подробно рассмотреть свойства металлов (металлические свойства), необходимо отметить, что под металлом следует понимать вещество с металлическими свойствами независимо от того, идет ли речь о химическом элементе или о сплаве из нескольких химических элементов, хотя часто это понятие относят только к чистым металлам. К числу важнейших и лучше всего выраженных свойств металлов относится металлический блеск, высокая электропроводность в сочетании с хорошей теплопроводностью и высокая способность к пластической деформации.

Высокая электропроводность, а также косвенно и другие характерные свойства металлов обусловлены их электронным строением. Известно, что в металле не все электроны связаны со «своим» атомом: значительная их часть свободна. Эти электроны могут более или менее легко перемещаться от одного атома к другому и связаны только с металлическим кристаллом в целом.

В процессе конденсации или кристаллизации частицы вещества (атомы) стремятся к такому расположению в пространстве, чтобы энергия их взаимодействия была минимальной. В зависимости от характера взаимодействия и свойств твердые тела разделяют на кристаллические и аморфные. В положении минимальной энергии взаимодействия атомы находятся в устойчивом состоянии термодинамического равновесия. Этому способствует определенный порядок в пространственном расположении частиц, определяемый понятием «кристаллическая решетка».

Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое кристаллическое тело, получившее название монокристалла. Наименьшим элементом кристалла, достаточно полно отражающим его свойства в трех направлениях, является элементарная кристаллографическая ячейка. Наибольшее распространение имеют кристаллические решетки из элементарных ячеек следующих типов: объемно-центрированная кубическая (ОКЦ); гранецентрированная кубическая (ГЦК); гексагональная, которая бывает плотно упакованной (ГПУ) и неплотно упакованной (рис. 1.6). Кристаллические решетки характеризуются следующими основными параметрами: периодом решетки, атомным радиусом, энергией решетки.

а б в

Рис. 1.6. Элементарные ячейки:

а – ОЦК; б – ГЦК; в – ГПУ Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки: a, b, c (см. рис. 1.6). Под атомным радиусом понимают половину межатомного расстояния между центрами ближайших атомов кристаллической решетки при нормальной температуре и атмосферном давлении.

Энергия кристаллической решетки – это энергия, выделяющаяся при образовании кристалла из ионов, атомов или других частиц, образующих кристалл, когда исходное состояние этих частиц газообразное.

От величины энергии решетки зависит температура плавления, модуль упругости, прочность, твердость, износостойкость и др. Увеличение валентности атомов приводит к увеличению энергии решетки.

Физико-механические свойства монокристаллов во многом определяются межатомными расстояниями в разных направлениях. В плоскости с наибольшими межатомными расстояниями монокристаллы обладают наименьшими значениями механических свойств. Поэтому у многих кристаллов имеются явно выраженные слабые и сильные плоскости скольжения, по-разному реагирующие на воздействие внешних сил (например, модули упругости Юнга у монокристалла меди в трех пространственных направлениях могут значительно различаться). Анизотропия кристаллов приводит к необходимости введения определенной системы в обозначениях узловых плоскостей и направлений в кристаллах. Для обозначения кристаллографических плоскостей общепринятой является система индексов Миллера. Согласно этой системе, если плоскость параллельна какой-либо из осей координат, то индекс, соответствующий этой оси, будет равен нулю, а остальные – единице (рис. 1.7).

Если плоскость пересекает все три оси координат, то она имеет индекс (111) (рис. 1.7, в). Практически в процессе кристаллизации металлов и сплавов в кристаллизационным объеме одновременно зарождается множество произвольно ориентированных монокристаллов. Образующееся при этом твердое тело (поликристалл) представляет собой конгломерат сросшихся между собой различных по размерам и форме кристаллов (кристаллитов) с размерами от 10–3 до 10–5 м.

–  –  –

В поликристалле кристаллиты отделены друг от друга межкристаллической прослойкой, в которой нарушен порядок расположения атомов.

В результате этого поликристалл в целом в отличие от отдельных кристаллов обладает некоторой усредненной однородностью физических свойств в различных направлениях. Модуль упругости Юнга для поликристалла меди равен 12·104 МПа и примерно одинаков в разных направлениях.

Характерная особенность кристаллических твердых тел состоит в том, что процесс плавления происходит при постоянной температуре и требует подвода дополнительной тепловой энергии, потребной для разрушения кристаллической решетки. В процессе кристаллизации твердых тел выделяется определенное количество тепла, равное скрытой теплоте плавления.

Строение аморфных твердых тел определяется тем, что межатомные связи распространяются на относительно небольшие расстояния, и взаимная ориентация сохраняется только между ближайшими частицами, поэтому общий порядок в расположении частиц отсутствует (рис. 1.8).

а б

Рис. 1.8. Схематическая картина внутренного строения тел:

а – кристаллических; б – аморфных Аморфные тела по своему строению в определенной степени напоминают жидкость, но отличаются от нее меньшими межатомными расстояниями и подвижностью атомов. Они обладают изотропией физических и других свойств в различных направлениях. Переход аморфных тел из жидкого состояния в твердое происходит монотонно в некотором интервале температур, в отличие от кристаллических тел, затвердевающих при постоянной температуре. Характерными представителями аморфных тел являются стекло, смолы, многие полимеры. Для одних и тех же материалов, температур и давлений аморфные тела имеют больший удельный объем, большую внутреннюю энергию (за счет нескомпенсированных связей) и большую энтропию по сравнению с той же массой кристаллических тел.

Для понимания закономерностей формирования различных структур твердых тел, определяющих их физико-механические свойства, необходимо рассмотреть и разобраться в том, какие силы удерживают частицы вещества в кристаллах в определенном положении и придают им свойства твердых тел.

Силы связи между частицами имеют электрическую природу, но проявляется она по-разному в различных кристаллах. Различают четыре основных типа связей: полярную, ковалентную, металлическую и ионную. Соответственно имеем четыре типа кристаллических решеток и кристаллов.

Молекулярные кристаллы формируются при полярном типе связей.

Представителями тел с таким типом связей являются Н2, N2, CO2, H2O, CH4 в закристаллизованном (твердом) состоянии. Молекулярные кристаллы состоят из молекул, между которыми действуют слабые силы Ван-дерВаальса поляризационной природы. Неполярные в обособленном состоянии молекулы вышеназванных веществ обладают высокой поляризуемостью, т.е. асимметрией концентрации электронов в атоме. Благодаря этому создается возможность для удержания расположенных рядом молекул так, чтобы плюс одного диполя примыкал к минусу другого, достигая минимума потенциальной энергии. Из конструкционных материалов полярная связь наблюдается между макромолекулами полимерных материалов. В то же время связь между частицами в макромолекулах твердых полимеров ковалентная.

Этим объясняется значительное различие свойств полимерного материала вдоль и поперек направления главной цепи макромолекул.

Атомные кристаллы с ковалентным типом связей образуются при обобществлении электронов соседних атомов. Связь между соседними атомами осуществляется парами валентных электронов, находящихся на общей для них связывающей орбите. При образовании ковалентной связи каждый атом достраивает свою валентную оболочку до восьми электронов за счет обобществления электронов ближайших соседних атомов. Типичным представителем тел с ковалентным типом связи является алмаз, состоящий из атомов углерода с электронным строением 1s22s22p2.

Пространственное расположение атомов в кристалле алмаза и схема обобществления валентных электронов атомов углерода в кристалле алмаза показаны на рис. 1.9.

Атомные кристаллы с ковалентной связью имеют элементы V, VI групп и VII В-подгруппы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Преимущественно ковалентная связь образуется также между разнородными атомами в таких химических соединениях, как карбиды (Fe3C, SiC) и нитриды (AlN), которые оказывают большое влияние на свойства сплавов технического назначения.

–  –  –

Рис. 1.9. Схема расположения атомов в кристалле алмаза (а) и обобществления электронов в кристаллической решетке алмаза (б) Материалы с ковалентным типом связи широко применяются в технике, на их основе создаются полупроводниковые материалы, химические соединения – карбиды, нитриды, которые являются важнейшими упрочняющими фазами в высокопрочных и износостойких металлических сплавах. Ковалентный тип связи, как уже было показано, является определяющим для обеспечения высокой прочности цепных макромолекул полимерных материалов.

Металлические кристаллы. При конденсации паров металла в жидкое или твердое состояние его атомы сближаются настолько, что электронные орбиты их внешних электронов перекрываются, что позволяет валентным электронам переходить свободно от одного атома к другому наподобие атомов газа. При этом электроны обобществляются между всеми атомами кристалла. Между электронами и положительными ионами возникают силы электростатического взаимодействия, определяющие силу связи между атомами в кристалле.

Прочность металлических кристаллов достаточно высокая, особенно у переходных металлов, что объясняется участием в образовании связей не только s-электронов, но и части электронов d-подуровня. Благодаря этому повышается модуль упругости и температура плавления металлических кристаллов. Металлические кристаллы обладают высокой электропроводностью вследствие обобществления электронов всего кристалла и появления «электронного облака».

Кристаллы с ионной связью формируются из разноименно заряженных ионов, например Na+ и Cl–, которые образуются в результате перехода электронов из атомов одного типа (Na) к атомам другого типа (Cl).

Расстояние между центрами ионов в кристалле определяется уравновешиванием сил притяжения между ионами и катионами и сил отталкивания их электронных оболочек.

Ионная связь является типичной для неорганических соединений.

Кристаллическая решетка хлористого натрия может быть представлена как совокупность двух кубических гранецентрированных решеток (ГЦК) из ионов натрия и хлора, смещенных друг относительно друга на половину ребра куба.

Ионные кристаллы обладают малой электропроводностью при низких температурах и хорошей ионной проводимостью при высоких температурах. В ионных кристаллах силы взаимодействия между положительными и отрицательными ионами тем больше, чем больше их валентность и чем меньше сумма их радиусов. При увеличении силы взаимодействия между ионами повышается твердость и температура плавления кристалла.

Водородная связь – это особый вид молекулярного взаимодействия.

Слабоэкранированное одним электроном ядро атома водорода, участвующего в ковалентной связи, может притягиваться к сильноэлектроотрицательным атомам (кислород, фтор) и образовывать с ними вторую связь.

Водородная связь прочнее других межмолекулярных. Она характерна для взаимодействия молекул углеводородов (в частности полимеров) с кислородом оксидов металлов и является важнейшей формой связи между молекулами воды в жидком состоянии и в виде льда. В табл. 1.2. представлены величины энергии перечисленных типов связей и указаны характерные свойства кристаллов.

–  –  –

Энергия связи En и сила F взаимодействия атомов зависят от расстояния r между ними. На рис. 1.10, а показаны функции En(r), F(r). Имеется в виду, что один атом помещен в начале отсчета, второй можно перемещать вдоль оси r. При этом r0 – положение устойчивого термодинамического равновесия, в котором находятся атомы при температуре Т = 0 К.

Если вещество нагрето, то второй атом будет колебаться относительно первого, и чем выше температура, тем больше размах колебаний. Если же кинетическая энергия превысит высоту потенциального барьера на En, то данный атом может оторваться от первого и произойдет диссоциация.

Пунктиром показан график зависимости силы от расстояния между атомами. При r = r0 сила взаимодействия равна нулю. Левая крутая ветвь характеризует силы отталкивания, а правая пологая – силы притяжения.

Часто r0 принимают за условный диаметр атома, хотя истинное среднее расстояние между центрами атомов, как следует из сказанного, увеличивается с ростом температуры из-за асимметрии потенциальной кривой, что и является причиной теплового расширения.

Когда атомы объединяются в кристалл, то потенциальные кривые накладываются, и у расположившихся в цепочку атомов (рис. 1.10, б) результирующая кривая имеет периодический характер. Периодический характер имеет и зависимость силы F от координаты r, график которой изображен тонкой линией.

а б Рис. 1.10. Силовые и энергетические характеристики межатомного взаимодействия Дефекты кристаллов делят на нульмерные (точечные), одномерные и двумерные. К точечным относятся энергетические, электронные и атомные. Наиболее распространены энергетические дефекты – фононы – кванты волн растяжения-сжатия и сдвига (звуковые волны). Тепло в кристалле распространяется также в виде механических волн со звуковой скоростью.

В квантовой механике распространение звуковых волн (как и электромагнитных) рассматривается как движение частиц – фононов. Энергия фонона, как и фотона, по формуле Планка равна h. К электронным дефектам относятся избыточные электроны, дырки, экситоны. Последние представляют собой пару электрон – дырка, связанную кулоновскими силами.

Основные виды атомных дефектов включают вакансии (рис. 1.11, а), атомы в межузлиях (рис. 1.11, б), чужеродные атомы в узлах. Расстояния между атомами в разных направлениях решетки (рис. 1.11, в) различны (АА, АБ, АВ). Поскольку от межатомного расстояния зависят физические свойства кристаллов: прочность, электропроводность, показатель преломления и другие, то идеальные кристаллы являются анизотропными средами (в разных направлениях различные свойства).

А Б В Т

–  –  –

Анизотропия свойств характерна для идеальной кристаллической решетки – монокристалла. Монокристаллы выращиваются при строго контролируемых температуре и давлении из тщательно очищенного от примесей материала. Их прочность близка к идеальной. Если при отливке изделия такие меры не соблюдаются, то кристаллизация начинается одновременно на множествах центров, которыми являются примесные атомы и другие дефекты. В результате возникает множество произвольно ориентированных монокристаллов с размерами порядка десятков микрометров (рис. 1.12). В то время как каждый кристаллит обладает анизотропией, твердое тело, состоящее из многих тысяч кристаллов, в среднем однородно, практически изотропно и называется поликристаллом. Обычные конструкционные материалы являются поликристаллами.

Важная роль в поведении кристаллов при деформации принадлежит одномерным дефектам – дислокациям. Простейшая линейная дислокация представляет собой отсутствующий ряд атомов (см. рис. 1.11, в). Более сложной является винтовая дислокация (рис. 1.11, г), которая возникает в результате поворота одной части кристалла относительно другой. Пластическая деформация кристаллов осуществляется при сдвиговых напряжениях, во много раз меньших теоретических, благодаря движению дислокаций, которое начинается при сравнительно небольшой относительной деформации порядка 10–4–10–3. Когда дислокация проходит через весь кристалл, одна часть его смещается относительно другой на величину межатомного расстояния. Учитывая то, что плотность дислокаций велика (составляет в начале сдвига ~ 106–108 см–3), то сдвиг приводит к однородному скольжению множества блоков кристалла относительно друг друга с выходом дислокаций и образованием ступенек на границах тела. Подвижность дислокаций, а следовательно, и скорость пластической деформации экспоненциально повышаются с ростом температуры.

Зависимость прочности от плотности дефектов показана на рис. 1.13.

Сначала рост числа дефектов (дислокаций) приводит к падению прочности. После достижения минимума прочность нарастает. В этом случае проявляется взаимодействие дислокаций друг с другом и другими дефектами, приводящее к затормаживанию движения дислокаций. Поэтому существуют два способа упрочнения материалов: снижение числа дефектов, тогда прочность стремится к теоретической (участок 1 на кривой прочности), либо увеличение плотности дефектов (участок 2).

Оба способа реализованы в промышленности. В строго контролируемых условиях получают высокопрочные волокна (например из бора), близкие по строению к бездефектным монокристаллам. На основе этих волокон изготавливают металло-композитные материалы с огромной прочностью на разрыв. Из таких легких и прочных материалов начато изготовление кузовов гоночных автомобилей. Другим примером получения изделий из металлов, содержащих наименьшее число дефектов, является технология изготовления лопаток турбин турбореактивных двигателей.

В настоящее время лопатку выращивают как монокристалл в специальных формах при строго контролируемых условиях.

–  –  –

Второй способ – насыщение кристалла дефектами – осуществляется за счет закалки, легирования или механического наклепа. Легирование приводит к появлению в решетке инородных атомов. Закалка вызывает измельчение зерен поликристалла, причем границы зерен являются двумерными дефектами. На них рассеиваются дислокации. Деформационное упрочнение – наклеп приводит к образованию огромного количества новых дислокаций, которые препятствуют их взаимному перемещению.

1.2.2. Строение и структура полимерных материалов При анализе структуры полимерных материалов примененяют термин надмолекулярная структура, поскольку свойства полимеров задаются на уровне молекулярного строения, а реализуются на уровне надмолекулярной структуры. Действительно, макромолекулы являются миниатюрными физическими телами, способными не только к изменению формы и размеров, но и к фазовым переходам. Некоторые макроскопические свойства такие, например, как эластичность, задаются уже на молекулярном уровне. Другие свойства существенным образом зависят от способа упаковки макромолекул в полимерном теле. Этот способ упаковки и представляет собой надмолекулярную структуру. При упаковке в «сплошное»

тело макромолекулы сохраняют часть своей индивидуальности, в первую очередь это относится к гибкоцепным макромолекулам. Способ их упаковки зависит от того, в какой степени изменяется их конформация во время кристаллизации, так как достаточно протяженные участки цепей должны распрямляться и укладываться параллельно.

Для лучшего понимания особенностей формирования структуры полимеров рассмотрим одно из фундаментальных понятий физики полимеров – конформация макромолекулы. Конформацией макромолекулы называют взаимное расположение в пространстве её звеньев (частей). В этой формулировке сознательно употребляется слово звеньев, а не атомов или групп атомов, так как, во-первых, именно наличие повторяющихся звеньев (например, –CF2–CF2–CF2– у политетрафторэтилена) превращает совокупность химически связанных между собой атомов в макромолекулу;

во-вторых, взаимное расположение звеньев характеризуется не только расстоянием между ними (как у атомов), но и их взаимной ориентацией.

В каждый момент времени все атомы и, следовательно, звенья макромолекулы занимают определенные положения в пространстве (с точностью до принципа неопределенности), однако в результате теплового движения эти положения все время изменяются, т.е. мгновенные конформации переходят одна в другую. За мгновенными конформациями никаким экспериментальным методом уследить невозможно, поэтому когда говорят о конформации макромолекулы, имеют в виду всю совокупность мгновенных конформаций, принимаемых макромолекулой в определенных условиях.

Любая мгновенная конформация макромолекулы полностью описывается значениями длин химических связей между атомами, валентных углов между химическими связями, примыкающими к общему атому, и углов внутреннего вращения между химическими связями, разделенными одной связью (рис. 1.14). Отсюда следует, что полимерная цепь обладает гибкостью.

Рис. 1.14. Схема отрезка цепи натурального каучука, состоящего из трех групп (атомы водорода не показаны) Гибкость – основное свойство полимерных цепей, приводящее к качественно новым свойствам полимеров – высокоэластичности и отсутствию хрупкости в твердом состоянии. Гибкость полимерной цепи приводит к тому, что если достаточно длинная макромолекула предоставлена сама себе, то подавляющее большинство принимаемых макромолекул конформаций окажутся свернутыми, а их совокупность составит конформацию статистического клубка (рис. 1.15).

а б в

–  –  –

Рис. 1.15. Типичные конформации линейной макромолекулы Благодаря этому возможны огромные обратимые и низкомодульные деформации полимеров при растяжении. Такие деформации, называемые высокоэластическими, объясняются тем, что под действием растягивающей силы клубок относительно легко разворачивается, а это может сопровождаться увеличением продольных размеров в десятки и даже сотни раз.

Вторая характерная конформация – статистическая глобула (рис. 1.15, б).

Эта конформация отличается большей и постоянной плотностью. Третьим типом является вытянутая конформация: транс-зигзаг (рис. 1.15, в) у карбоцепных полимеров с простыми С – С связями и без массивных боковых групп и спираль (рис. 1.15, г) у макромолекул с массивными боковыми группами.

Возможность существования макромолекул с вытянутой конформацией приводит к появлению в полимерных кристаллах выделенного направления – кристаллографической оси, совпадающей с направлением вытянутых конформаций. Эта структурная анизотропия приводит не только к механической и статической, но и к термодинамической анизотропии.

складчатые Четвертый тип конформации макромолекул – (рис. 1.15, д, е). Её можно представить как вытянутую цепь с изломами.

По сравнению с вытянутой конформацией она несколько проигрывает в конформационной энергии, но зато может обеспечить взаимодействие между вытянутыми участками без помощи других макромолекул. Такая конформация реализуется в кристаллическом состоянии и -структурах полипептидов и белков. Целые макромолекулы способны укладываться в пачки, из пачек, в свою очередь, возможно построение других более сложных надмолекулярных структур.

Несмотря на большое многообразие структур, их можно отнести к одной из следующих четырех групп:

глобулярные структуры;

фибриллярные структуры, характерные для начальных стадий кристаллизации хорошо упорядоченных аморфных полимеров;

крупнокристаллические структуры (сферолиты, монокристаллы), наблюдающиеся на более поздних стадиях кристаллизации;

полосатые структуры, характерные для полимеров, находящихся в высокоэластичном состоянии (каучук и другие эластомеры).

Кристаллы полимеров отличаются от обычных низкомолекулярных кристаллов (атомных, ионных), которые в механическом, кинетическом и термодинамическом смысле являются квазиизотропными, т.к. силы связи между узлами в направлениях различных кристаллографических осей (и вообще между смежными узлами в любых направлениях) практически не различаются.

При кристаллизации линейных полимеров ситуация резко изменяется, так как появляется некоторая преимущественная ось – ось С, совпадающая с направлением цепи главных валентностей. В этом направлении связи между узлами – ковалентные, и равнопрочность осей решетки исчезает. Выберем в полимерном кристалле небольшой элемент объема, в котором цепи упакованы параллельно (рис. 1.16), и рассмотрим поведение этого элемента при двух способах его растяжения: в направлении оси С и перпендикулярно ей. Механическая анизотропия этого элемента очевидна: разрушить его при втором способе растяжения легче, поскольку при этом не надо преодолевать энергию ковалентных связей.

Рис. 1.16. Полимерный кристалл

Кристаллизация требует максимально возможного сближения молекул, достижения наиболее плотной упаковки их с одновременным выделением скрытой теплоты кристаллизации. Для большинства закристаллизированных полимеров коэффициент упаковки, т.е. отношение собственного объема макромолекул к истинному объему высокомолекулярного тела колеблется в пределах 0,62–0,67. В процессе кристаллизации наблюдается увеличение упорядоченности системы (уменьшение ее энтропии, S 0) и выделение тепла (уменьшение энтальпии, Н 0), поэтому термодинамически кристаллизация возможна только в том случае, если [H] [TS], т.е. когда G = H – TS 0 и свободная энергия уменьшается.

Для осуществления процесса кристаллизации кроме термодинамических факторов существенное значение имеют и кинетические. Установлено, что кристаллизация полимеров принципиально не отличается от кристаллизации низкомолекулярных соединений и включает две стадии: образование зародышей и их дальнейший рост. Скорость образования зародышей Vз зависит от температуры и имеет максимальное значение между температурами стеклования Тст и плавления Тпл, при которых она равна нулю. При заданной температуре число зародышей в единице объема n = Vз, где – время.

Согласно современным представлениям о строении полимеров складчатая ламель является основным структурным элементом кристаллических полимеров в блоке. Большинство полимеров имеют степень кристалличности значительно меньше 100 %, поэтому между кристаллическими областями располагаются аморфные, где складчатость нерегулярна и имеются выступающие из кристаллита петли переменной длины этой цепи, переходящие из одной ламели к другой (проходные цепи) и обеспечивающие зацепление молекул в межкристаллических областях, целостность и прочность, так как разрушить образец, не разорвав проходные цепи, невозможно.

Толщина ламели, т.е. длина распрямленного (он может быть и спиральным) участка цепи намного меньше контурной цепи молекул L, и из отношения L можно примерно оценить, сколько складок образует одна макромолекула при вхождении в кристалл. При кристаллизации из очень разбавленного раствора чаще получаются правильные складки, в которых для цепей типа полиэтилена входят 4 звена (чтобы совершить поворот на 180о), а поверхность монокристаллов, выращенных из расплава, содержит, наряду с правильными складками, петли различных размеров (причем цепи могут возвращаться в кристалл далеко от места выхода) или свободные концы. В результате получаются кристаллы или кристаллиты со сложенными цепями (КСЦ). Толщина ламели определяется термодинамической и кинетической историей ее роста: чем медленнее и ближе к равновесной температуре плавления происходит рост, тем больше будет. В то же время при высоких давлениях Вундерлих получал пластинки, где = L, т.е. цепи были полностью вытянуты. В этом случае имеем кристаллиты с вытянутыми цепями (КВЦ). Следовательно, полимерные кристаллиты могут существовать в двух топологически различных формах: КСЦ и КВЦ при полном совпадении обычных кристаллографических параметров. Общим для обеих форм является чередование кристаллитов длиной и аморфных участков длиной (рис. 1.17).

–  –  –

Рис. 1.17. Схема больших периодов в системах с КЦС (а) и КВЦ (б) В случае КВЦ число проходных цепей намного превосходит число таковых в системе КСЦ, где число проходных цепей не может превосходить 50 %. В среднем величина d = + приблизительно постоянна по всему объекту кристаллоаморфного полимерного тела, ее называют большим периодом.

Температура плавления Тпл систем с КВЦ выше, чем систем с КСЦ.

Из этого следует, что свободная энергия G для первых ниже, т.е. они более устойчивы. Плавление кристаллоаморфных полимеров всегда растянуто по оси температур, но это настоящий переход первого рода, так как на него затрачивается теплота плавления Н, он проявляет выраженный гистерезис (кристаллизация происходит существенно ниже Тпл) и отвечает другим признакам перехода первого рода.

Из рис. 1.18 видно, что фазовые линии заменяются «коридорами», равновесная температура плавления – интервалом температур в пределах четырехугольника 1-4-2-3. Так как в системе имеется распределение по d или, то сначала плавятся кристаллиты с малыми, потом с большими и т.д. – вплоть до плавления каркаса КВЦ. Кроме того, из-за существования цепей с различной степенью натянутости возникают внутренние напряжения, что может вносить механический вклад в изменение Тпл даже при равенстве d или.

Рис. 1.18. Фазовая диаграмма Гиббса для реальных кристаллоаморфных полимеров Каждому типу полимеров соответствует своя поверхностная энергия G, и фазовая диаграмма приобретает вид, изображенный на рис. 1.18.

Линия кристаллической фазы превращается в «коридор», нижнюю границу которого образуют КВЦ, а верхнюю – наиболее нестабильные КСЦ.

Точка плавления при этом превращается в область в виде четырехугольника.

Кристаллизация может происходить по фибриллярному механизму без образования складок, при этом закристаллизованные пачки размещаются вдоль фибрилл. По мере возрастания размеров кристаллических образований все меньше становится подвижность, поверхность и поверхностная энергия, все труднее происходят перестройки и укладка их составных частей. Поэтому кристаллизация обычно останавливается на стадии лент и ламелей. Так как при этом не используется до конца поверхностная энергия, в полимере сохраняются внутренние напряжения, которые будучи недостаточно сильными, чтобы вызвать дальнейшее укрупнение частицы, делают систему неравновесной.

Когда кристаллизация задерживается на стадии лент и ламелей или фибрилл, тенденция к уменьшению внутреннего напряжения приводит к возникновению сферолитов, образование которых сопровождается некоторым уменьшением поверхностной энергии при минимальной перестройке малоподвижной структуры кристаллического полимера. Сферолиты могут иметь довольно правильную шарообразную форму, и они хорошо видны под микроскопом.

Методом рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии к настоящему времени определены элементарные ячейки многих полимеров. В простейшем случае полиэтилена линейного строения она имеет орторомбическую структуру с цепями, расположенными вдоль четырех ребер и в середине ячейки параллельно друг другу в форме плоского зигзага с периодом идентичности 2,54 10–10 м (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Схема цепи полиэтилена

Некоторые полимеры дают четкие дифракционные картины, типичные для кристаллических систем. В то же время на рентгенограммах обнаруживаются размытые области, характерные для жидкостей, – аморфное гало. Это свидетельствует о том, что в полимере имеются не только кристаллические участки, но также и аморфные, которые могут достигать десятков процентов.

Аморфное состояние полимеров характеризуется жидкоподобной структурой разной степени замороженности. Никакого специального порядка в аморфных полимерах нет. Но отсутствие порядка вовсе не означает однородность. Аморфные полимеры – это структурно-неоднородные системы. Однако можно совершенно определенно говорить о влиянии гибкости цепей на состояние аморфных полимеров.

1.3. СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Многообразие конструкций узлов трения (трибосистем) и условий их работы в машинах и приборах не позволяет рекомендовать какой-то универсальный материал, обеспечивающий высокую надежность и долговечность различных технических систем. Основными факторами, которые должны учитываться в первую очередь при выборе материалов, являются нагрузочные характеристики (контактное давление, скорость скольжения), заданный технический ресурс (общая продолжительность работы узла трения в часах), температурные условия эксплуатации, условия смазки (наличие и вид смазочного материала), характер окружающей среды (атмосферный воздух или инертный газ и их влажность, вакуум), требования к моменту (коэффициенту) трения.

Доподлинно могут учитываться технические и экономические возможности использования материала, ограничения по массе узла трения, радиационная стойкость материала, особые требования и ограничения по условиям применения трибосистемы, например ограничения по испаряемости материала в вакууме, которые могут приводить к загрязнению находящихся рядом оптических или других систем. Для обеспечения названных разнообразных технических требований и условий эксплуатации материалы трибосистем должны удовлетворять определенным требованиям. Одним из главных требований к материалу пары трения является достаточная в заданных условиях работы износостойкость, которая характеризуется интенсивностью изнашивания – отношением величины линейного износа к пути трения.

Следующим важным требованием к материалам деталей узлов являются высокие характеристики механических свойств: предел прочности в, предел упругости у, предел текучести т, относительное удлинение и сужение,. Предел прочности определяет несущую способность узла, а предел упругости и предел текучести характеризуют предельное значение контактных напряжений для упругих деформаций при фрикционном взаимодействии. Относительное удлинение и сужение – это, как известно, показатели пластичности, играющие большую роль в механизме фрикционного взаимодействия.

Важными требованиями к свойствам материалов пары трения являются твердость и микротвердость материала. При абразивном изнашивании эта характеристика определяет износостойкость пары трения. Твердость материала прямо влияет на величину внедрения микронеровностей сопряженной поверхности, т.е. величину деформации при контактном взаимодействии, а следовательно, и вид деформации (упругая или пластическая). В то же время величина деформации зависит от модуля упругости Е – важнейшей характеристики упругих свойств металлов. Большинство деталей машин, в том числе детали узлов трения (подшипников качения и скольжения, зубчатых зацеплений и т.д.), работают при циклически действующей нагрузке. Циклическое нагружение испытывают поверхностные слои трущихся деталей вследствие дискретности контактного взаимодействия микронеровностей поверхностей. В условиях циклического нагружения каждый материал разрушается после определенного числа циклов нагружения при действующих напряжениях ниже предела текучести. В материаловедении это явление называется усталостью, а в качестве характеристики материала, работающего в условиях циклического напряжения, используется предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после произвольно большого числа циклов нагружения. К материалам деталей узлов трения, рассчитываемых на большой ресурс работы, предъявляются определенные требования по пределу выносливости во избежание усталостного разрушения до выработки заданного ресурса.

Материалы деталей узлов трения должны обладать необходимыми теплофизическими свойствами: хорошей теплопроводностью и температуропроводностью, достаточно высокой теплоемкостью и стабильным коэффициентом линейного и объемного температурного расширения. Достаточно высокие теплофизические свойства обеспечивают отвод и рассеивание тепла, генерируемого в зоне трения, предохраняя детали узлов трения от чрезмерного нагрева, способного вызвать ухудшение механических и триботехнических свойств материалов.

1.3.1. Металлы и сплавы Металлы и сплавы до последнего времени были основным материалом для изготовления деталей узлов трения. Это объясняется тем, что они, как правило, больше других материалов удовлетворяют разнообразным условиям эксплуатации узлов трения и техническим требованиям к свойствам материалов. Металлы обладают такими качествами, как прочность и пластичность, высокая твердость и теплопроводность, способность образовывать различные виды соединений с одним или несколькими элементами, приобретая новые важные свойства. В зависимости от химической природы элементов и условий, в которых находится система, металлы могут образовывать между собой, а также с неметаллами твердые растворы, эвтектические смеси и химические соединения.

Износостойкость сталей и чугунов зависит от их структуры. Каждая из структурных составляющих обладает различными свойствами, которые следует учитывать при выборе технологии обработки стали и чугуна, предназначенных для различных узлов трения (табл. 1.3).

–  –  –

С увеличением содержания углерода, как правило, повышается твердость и износостойкость сплавов. Важной характеристикой, связанной с триботехническими свойствами материала, являются тип кристаллической решетки, число и характер распределения ее дефектов, анизотропия свойств кристаллов.

Эффективные методы повышения износостойкости и механических свойств сталей и чугунов – термическая и химико-термическая обработка (цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование, сульфидирование, борирование), легирование хромом, никелем, марганцем, вольфрамом, молибденом и ванадием. Применение названных методов позволяет существенно изменять структуру, а следовательно, и свойства сплавов, особенно свойства поверхностных слоев в желаемом направлении. При разработке новых металлических материалов целесообразно создавать структуры, содержащие твердые частицы, распределенные в сравнительно мягкой основе. Такими частицами могут быть карбиды железа, карбиды легирующих элементов и сложные карбиды. Наличие в структуре твердых частиц позволяет локализовать схватывание на малых участках поверхности, избежать заедания и снизить интенсивность изнашивания.

Рассмотрим основные типы сталей, наиболее широко применяемые в узлах трения.

Углеродистые конструкционные стали высокой прочности и с высокими упругими свойствами содержат углерода от 0,60 до 0,80 %. После закалки и отпуска детали из этих сталей могут работать в условиях трения при высоких статических и вибрационных нагрузках (опоры валов, направляющие, кулачковые механизмы и т.д.). Положительной особенностью углеродистых сталей является достаточно высокий комплекс механических свойств при относительно невысокой ударной вязкости (например, сталь 70 имеет предел прочности в = 730 МПа, предел текучести т = 430 Мпа). Углеродистые стали обладают также хорошими технологическими свойствами (обрабатываемостью резанием, свариваемостью, штампуемостью). Эти стали не являются дефицитными, они недороги.

Основной недостаток углеродистых сталей – малая прокаливаемость, поэтому высокие механические свойства после упрочняющей термической обработки получаются только в деталях малых сечений в относительно неглубоком поверхностном слое крупных деталей.

Легированные стали в термически обработанном состоянии имеют высокий предел текучести и высокую твердость, что обеспечивает их высокую износостойкость в разнообразных условиях эксплуатации. Упрочнение от действия дисперсных частиц упрочняющей фазы достигается за счет подбора состава стали и оптимальной термической или химикотермической обработки.

Упрочняющими фазами в сталях могут быть карбиды разного состава; нитриды; карбонитриды; интерметаллиды; чистые металлы, малорастворимые в железе, например чистая медь. Наиболее эффективное упрочнение достигается такими фазами, которые способны растворяться в твердом растворе (в аустените при нагреве), а затем выделяться из него в мелкодисперсном состоянии и сохраняться при температурах технологической обработки и использовании изделия.

К эффективным упрочнителям относятся VC, VN, NbC, NbN, MoC и комплексные фазы на их основе. Оптимальное упрочнение от твердых дисперсных частиц достигается при условии, когда эти частицы достаточно малы и когда расстояние между ними в твердом растворе мало. Обеспечивается это соответствующим подбором легирующих элементов и режимов термической обработки (закалки и высокого отпуска, закалки и низкого отпуска), позволяющим получить структуру с высокими механическими и триботехническими свойствами.

Для изготовления шестерен, подшипников скольжения, золотниковых прецизионных пар гидроаппаратуры и других высокоответственных деталей пар трения используют цементуемые стали. С целью получения требуемых механических и триботехнических свойств деталей из малоуглеродистых и легированных сталей их можно подвергать также цианированию или нитроцементации. В условиях массового производства нитроцементация малоуглеродистых сталей и карбонитрирование легированных сталей имеют преимущество перед простой цементацией. Применение нитроцементации углеродистых сталей обеспечивает лучшую прокаливаемость поверхностного слоя, что позволяет получить высокую твердость и износостойкость деталей при закалке в масле, в то время как цементованный слой при закалке в масле имеет более низкую твердость переходных структур (троостит, сорбит).

Особую группу износостойких сталей составляют шарикоподшипниковые стали, содержащие от 0,6 до 1,5 % углерода и от 0,6 до 1,5 % хрома: сталь ШХ6 (0,6 % С); ШХ9 (0,9 % С); ШХ15 (1,5 % С) и др.

При легировании хромом в шарикоподшипниковых сталях достигается повышение прокаливаемости и износостойкости. К этим сталям предъявляются повышенные требования по чистоте от неметаллических включений, которые могут быть очагами зарождения усталостных дефектов при длительной работе подшипника. Стали после закалки и низкого отпуска (150–200 оС) обладают очень высокой твердостью 61–66 HRC.

В условиях трения и изнашивания, сопровождаемых большими удельными динамическими нагрузками, высокой износостойкостью отличается высокомарганцовистая сталь марки Г13. Эта сталь имеет в своем составе 1,0–1,4 % углерода и 12,7–14 % марганца, обладает аустенитной структурой и относительно невысокой твердостью (200–250 НВ). В процессе эксплуатации, когда на деталь узла трения действуют высокие нагрузки, которые вызывают в материале деформацию и напряжения, превосходящие предел текучести, происходит интенсивное наклепывание стали Г13 и увеличение твердости и износостойкости. После наклепа сталь сохраняет высокую ударную вязкость. Благодаря этим свойствам сталь Г13 широко используется для изготовления корпусов шаровых мельниц, щек камнедробилок, крестовин рельсов, гусеничных траков, козырьков землечерпалок и т.д.

Чугун. Наряду с высокоуглеродистыми и легированными сталями в качестве износостойких материалов применяют чугун различных марок.

Решающее влияние на триботехнические свойства чугуна оказывают включения графита и фосфоридная эвтектика чугуна, которые определяются структурой, зависящей от состава сплава, условий охлаждения литья и термической обработки. Износостойкость чугуна зависит также от содержания перлита: увеличение перлита в структуре до 30 % повышает износостойкость чугуна.

На механические и антифрикционные свойства чугуна влияет количество, форма и распределение графитовых включений в основной структуре. При работе чугуна в паре трения графит выполняет двоякую роль:

являясь непрочной составляющей структуры чугуна, он уменьшает сопротивление силам трения, а как продукт износа играет роль смазки. Положительное влияние графита проявляется в том, что, заполняя в результате изнашивания мелкие поры на трущихся поверхностях, он выравнивает удельные нагрузки, действующие на поверхность. Установлено, что при одном и том же содержании графита износостойкость чугуна возрастает с уменьшением размера графитовых включений.

В зависимости от структуры графита, металлической основы и механических свойств чугуны разделяются на три вида: серые, ковкие и высокопрочные. Все они находят применение в производстве деталей узлов трения, передаточных механизмов и других устройств, работающих в условиях трения и изнашивания.

Антифрикционный графитизированный чугун применяют для изготовления нагруженных деталей узлов трения (подшипников, шарнирных соединений, втулок). Марки антифрикционного чугуна, структура и допустимые режимы работы приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4 Марки, структура и допустимые нагрузки

–  –  –

Оловянные баббиты Б83 и Б89 являются лучшими для подшипников, т.к. оловянная основа вязкая и пластичная, она менее других склонна к усталостному разрушению. На втором месте стоят свинцовые баббиты (Б16, Б6), в которых мягкой основой является свинец. Эти баббиты значительно дешевле оловянных, а по качеству уступают им ненамного.

Цинковые баббиты ЦАМ10-5 и ЦАМ5-10 уступают баббитам на оловянной основе по пластичности, коэффициенту трения и примерно равноценны баббитам на свинцовой основе.

Сплавы на медной основе также широко применяются в качестве антифрикционных материалов. Различают две группы медных сплавов:

латуни – сплавы на основе меди с цинком, бронзы – сплавы на основе меди с другими (кроме цинка) элементами.

Практическое применение имеют латуни с содержанием цинка до 45 %. В качестве антифрикционных материалов применяются латуни кремнистые (ЛКС80-3-3 – содержание кремния 2,5–4 %), марганцовистые (ЛМцС58-2-2 – содержание марганца до 2,5 %), алюминиево-железистые латуни (ЛАЖ60-1-1Л – содержание алюминия до 1,5 %, железа до 1,5 %).

Из антифрикционных латуней изготавливают втулки, подшипники, арматуру.

Бронзы, применяемые для изготовления подшипников скольжения, делятся на оловянные, алюминиевые и свинцовые.

Оловянные бронзы подразделяют на деформируемые (БрОФ 6,5-0,15;

БрОЦС 4-4-2.5) и литейные (БрОЦС 4-4-17, БрОЦСН 3-7-5-1). В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антифрикционными и упругими свойствами, что очень важно для деталей узлов трения. Литейные бронзы применяются главным образом при изготовлении отливок (заготовок) для деталей триботехнического назначения (втулки и вкладыши подшипников, венцы червячных колес) и пароводяной арматуры.

Алюминиевые бронзы с оптимальными свойствами содержат 3–8 % алюминия. Увеличение содержания алюминия до 10–11 % ведет к значительному повышению прочности и понижению пластичности вследствие появления в структуре гамма-фазы. Детали из алюминиевых бронз изготавливают литьем, обработкой давлением и резанием. Это, как правило, относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок и фланцев.

Свинцовые бронзы (БрСЗО) используют как высококачественный антифрикционный материал, имеющий высокую прочность и температуростойкость (Тпл = 1050–1100 оС). Антифрикционные свойства свинцовой бронзы несколько хуже, например, баббитов, но она обладает повышенными прочностными характеристиками и более тугоплавка.

Алюминиевые подшипниковые сплавы в последние годы получили широкое распространение. В качестве антифрикционных материалов они имеют ряд положительных особенностей: высокую теплопроводность, низкий модуль упругости и плотность, высокую коррозийную стойкость, относительно высокую прочность. В настоящее время созданы весьма разнообразные по химическому составу алюминиевые подшипниковые сплавы. В своей структуре они имеют мягкую пластичную основу металла (алюминия) с включениями твердых структурных составляющих (кристаллы FeAl, AlNi, CuAl, MgSi, AlSb и др.). Введение в сплавы элементов с низкой температурой плавления (Pb, Cd) или добавка графита обеспечивают повышение сопротивления к схватыванию алюминиевых сплавов при сухом или граничном трении. Цинк и магний, имеющие повышенную растворимость в алюминии, вводятся для повышения прочности и нагрузочной способности материала. Подшипники из алюминиевых сплавов применяются в тракторной промышленности, тепловозостроении и других отраслях. Из алюминиевых сплавов изготавливают как монометаллические детали (втулки, шарниры и др.), так и биметаллические подшипники на стальной подложке.

Пористые антифрикционные материалы используют для изготовления деталей узлов трения методом прессования с последующим спеканием из порошков на железной и медной основах.

В качестве обязательных добавок к ним применяют порошки самосмазывающихся материалов:

графита, дисульфида молибдена и др.

Обычно пористые антифрикционные материалы перед использованием в узлах трения пропитывают жидким смазочным материалом. Детали из таких материалов применяют в парах трения при недостаточной смазке или при недопустимости применения системы смазывания. В процессе работы такой трибосистемы с повышением температуры масло автоматически выделяется (объем пор 15–30 % объема детали) и поступает в зону фактического контакта. Эти пары трения устойчиво работают и в условиях обильной смазки. Спеченные из порошков пористые детали узлов трения обладают хорошими прочностными и антифрикционными свойствами и находят широкое применение. Железографитовые спеченные материалы (ЖГр-1; ЖГр-3 и др.) используют при удельных нагрузках до 600 МПа, скорости скольжения 6 м/с и температуре до 150 оС. Коэффициент трения в этих условиях составляет 0,04–0,06. При меньших нагрузках скорости скольжения могут достигать 20–30 м/с.

Применение железографитовых подшипников позволяет экономить большое количество сплавов цветных металлов – бронзы, баббита. В ряде случаев железографитовые подшипники скольжения могут успешно заменить шариковые и роликовые подшипники качения. Наличие графита и запас жидкой смазки в порах придает металлокерамическим подшипникам свойства самосмазывающихся, что уменьшает опасность выхода из строя узлов трения из-за недостаточной смазки. Использование подшипников из порошков взамен литых повышает срок службы подшипников от 1,5 до 10 раз. В последнее время расширяется применение пористых спеченных подшипников, пропитанных фторопластом. Такие подшипники весьма перспективны для несмазываемых опор скольжения благодаря высоким антифрикционным свойствам фторопласта. Коэффициент трения подшипников, пропитанных фторопластом, без смазки составляет примерно 0,05. Они надежно работают при температурах до 280 оС в кислых и щелочных средах.

1.3.2. Полимеры и полимерные композиционные материалы Твердые полимерные материалы широко применяются в узлах трения скольжения и качения современных машин и механизмов. Технически обоснованное применение пластмасс позволяет увеличить надежность и ресурс машин, улучшить их эксплуатационные, технико-экономические характеристики и технологичность, отказаться от дефицитных сплавов цветных металлов и снизить стоимость машин.

Полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные по реакции на теплоту. К термопластичным относятся пластмассы с линейной или разветвленной структурой полимеров, свойства которых обратимо изменяются при многократном нагревании и охлаждении.

К термореактивным пластмассам относятся полимеры, в которых при термическом воздействии возникают реакции химического связывания цепных молекул друг с другом с образованием сетчатого строения. Такие полимеры не могут переходить в пластичное состояние при повышении температуры без нарушения пространственных связей в структуре полимера.

Полимеры (термопластичные и термореактивные) могут использоваться в качестве антифрикционных материалов как в чистом виде, так и в виде композиционных материалов с различными наполнителями.

Из полимерных материалов изготавливают зубчатые колеса, шкивы, трущиеся элементы (детали) подшипников, кулачковых механизмов, направляющих, уплотнений, сепараторы шарикоподшипников, шарниры и т.д.

Антифрикционные материалы на основе термопластов отличает высокая технологичность, низкая себестоимость, хорошие демпфирующие свойства. Детали из термопластов изготавливают высокопроизводительными методами – литьем под давлением и экструзией, крупногабаритные детали – центробежным литьем, ротационным формованием, анионной полимеризацией мономера непосредственно в форме, нанесением антифрикционных покрытий из расплавов порошков. Термореактивные полимеры перерабатываются преимущественно методами компрессионного и литьевого прессования. Они более прочны и термостойки. Порошкообразные термореактивные композиции наносят на трущиеся поверхности деталей в виде тонкослойных покрытий.

В машиностроении разработан целый ряд конструкций подшипников, передач, направляющих и уплотнений, в которых смазывание обеспечивается благодаря специальным элементам конструкции (деталям), изготовленным из так называемых полимерных самосмазывающихся материалов (ПСМ).

По составу все ПСМ можно разделить на следующие группы: композиции, содержащие главным образом антифрикционные наполнители, полимерные связующие и пластификаторы (дополнительные смазочные материалы); композиции с комплексными наполнителями, улучшающими физико-механические и триботехнические свойства материалов; комбинированные самосмазывающиеся материалы типа металлополимерной ленты, в которой совмещаются преимущества составных частей металла как несущей и теплопроводной основы и полимера как антифрикционного самосмазывающегося слоя, обеспечивающего надежную защиту поверхности трения от схватывания.

Материалы на основе фторопласта. Фторопласт занимает особое место среди других полимеров, его нельзя отнести ни к термопластам, ни к реактопластам, так как ему присущи свойства обеих групп. Он отличается самым низким и стабильным коэффициентом трения – 0,04 при трении по стали и лучшими смазывающими свойствами среди полимеров. Однако твердость чистого фторопласта невелика, что приводит к значительному деформированию поверхностных слоев при контактном взаимодействии и интенсивному изнашиванию при трении. Поэтому для изготовления деталей узлов трения чистый фторопласт не применяют, а используют композиционные материалы на основе фторопласта. В табл. 1.6 приведены физико-механические и триботехнические свойства ПСМ на основе фторопласта-4.

–  –  –

Материалы на основе полиамидов. Широкое применение в различных узлах трения находят антифрикционные композиционные материалы на основе полиамидов. Полиамиды благодаря наличию в основной полимерной цепи амидных групп –NH–CO– и, как следствие этого, сильных межмолекулярных связей отличаются от большинства промышленных полимеров высокими механическими свойствами, жесткостью, твердостью и стойкостью к ударным нагрузкам, повышенной усталостной прочностью и радиационной стойкостью. Полиамиды имеют довольно низкий коэффициент трения и по этому показателю уступают только фторопласту и полиформальдегиду, однако по износостойкости и несущей способности превосходят их. Для улучшения прочностных свойств полиамиды армируют, а для снижения коэффициента трения и интенсивности изнашивания наполняют твердыми смазочными материалами (графитом, MoS2, коксом и др.). В табл. 1.7 приведен состав и физико-механические свойства композиционных материалов на основе полиамидов. Повышение износостойкости достигается введением наполнителей в виде волокон вместо дисперсных порошков, например углеродных волокон вместо графита.

–  –  –

Материалы на основе полиимидов. Полиимиды отличаются высокой термической и термоокислительной устойчивостью. Они начинают разлагаться на воздухе только в области температур 350–450 оС, а в вакууме или инертной среде при 500 оС. Полиимиды относятся к самым радиационностойким материалам, что в сочетании с малой летучестью в вакууме делает их перспективными для применения в узлах трения, работающих в вакууме. Изделия из полиимидов могут длительно эксплуатироваться при температуре 200–260 оС (например, полиимид ПМ-69 сохраняет 90 % прочности при изгибе после 500 ч работы при 250 оС и после 100 ч работы при 300 оС). Ценным свойством полиимидов является высокое сопротивление ползучести, особенно при высоких температурах. Возможность применения полиимидов для изготовления деталей высокой точности обеспечивается их малой усадкой (0,7–1,0 %) при прессовании и спекании и небольшим (0,2–0,3 %) водопоглощением.

В чистом виде полиимиды обладают плохими антифрикционными свойствами (коэффициент трения 0,6–0,7), которые резко улучшаются при введении твердосмазочных наполнителей: коэффициент трения снижается в 5–10 раз, интенсивность изнашивания монотонно повышается с увеличением контактного давления, повышение скорости скольжения также вызывает увеличение интенсивности изнашивания. Коэффициент трения материалов на основе полиимидов с увеличением скорости скольжения снижается.

Детали узлов трения получают горячим прессованием. Для изготовления пористых изделий, например подшипников, к полиимиду добавляют полиформальдегид. При температуре до 340 оС наиболее эффективно работают композиции, содержащие 45 % графитированного волокна (коэффициент трения снижается до 0,05–0,10) при допустимом контактном давлении 350 МПа.

Недостатком материалов на основе полиимидов является большая скорость газовыделения, что в некоторых случаях повышает их хрупкость, предъявляя особые требования к технологии обработки деталей. Кроме того, эти материалы имеют высокую стоимость. Поэтому их применяют в основном для изготовления ответственных деталей подвижных сопряжений, работающих в экстремальных условиях.

Материалы на основе поликарбоната. Композиционные материалы на основе поликарбоната относятся к перспективным ПСМ для деталей узлов трения благодаря высокой механической прочности и ударной вязкости, стабильности свойств и размеров в широком интервале температур, стойкости к атмосферным воздействиям. Эти материалы устойчивы к ультрафиолетовому излучению и резким перепадам температур, но имеют ограниченную стойкость к действию ионизирующего излучения.

Материалы на основе поликарбоната применяют для уплотнений, клапанов и других элементов, работающих в вакууме, инертной, газовой и других средах при температурах от 50 до 110 оС. В табл. 1.8 приведены состав и свойства некоторых материалов на основе поликарбоната.

Таблица 1.8

–  –  –

Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости в поликарбонат вводят специальные наполнители и твердые смазки. Введение дисульфида молибдена, графита или 15–20 % фторопласта-4 снижает коэффициент трения в 2–3 раза.

К недостаткам поликарбоната следует отнести склонность к образованию микротрещин в поверхностном слое под влиянием остаточных напряжений после механической обработки и вследствие инородных включений и микропор. Поэтому обязательной финишной операцией должна быть термообработка для снятия внутренних напряжений.

Материалы на основе эпоксидных смол. Композиционные материалы на основе эпоксидных смол нашли применение для изготовления деталей трибосопряжений вследствие хорошей адгезии эпоксидных полимеров к металлам и другим материалам, высокой механической прочности, малой усадки и водопоглощения. Наряду с традиционными наполнителями (графит, кокс, дисульфид молибдена, оксиды металлов, различные волокнистые материалы и т.п.) в эпоксидные смолы вводят фурановые олигомеры, полиэтилен, кремнийорганические смолы, диоксид титана и другие специальные добавки, что значительно увеличивает твердость, жесткость, нагрузочную способность и износостойкость композиционных материалов. Свойства некоторых антифрикционных материалов на основе эпоксидных смол приведены в табл. 1.9.

–  –  –

1.4. СОСТОЯНИЕ И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

1.4.1. Особенности структурно-энергетического состояния поверхностного слоя Атомы и другие частицы, находящиеся внутри тела, взаимодействуют при наиболее плотной укладке с 12 соседними частицами (рис. 1.20).

Результирующая всех сил взаимодействия стремится к нулю. Частица, находящаяся на поверхности, взаимодействует с шестью соседними. Равнодействующая сил притяжения со стороны соседей F направлена F внутрь тела. Иначе говоря, равнодействующая сила F действует на граничную молекулу. Поскольку энергия сил притяжения отрицательна, то поверхностная частица обладает энергией, избыточной по сравнению с находящимися Рис. 1.20. Атомы в объеме внутри (поверхностной энергией). Избыточная и на границе энергия характеризует способность к межмолекулярному притяжению поверхностей, которое называют адгезией. Адгезия проявляется в прилипании. Притяжение между слоями атомов внутри тела называют когезией.

Наличие нескомпенсированных связей у граничных частиц приводит к оседанию на поверхности молекул окружающей среды, что снижает запас поверхностной энергии. Процесс поглощения поверхностью молекул называется адсорбцией. В результате уменьшения запаса поверхностной энергии выделяется теплота адсорбции. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Различают адсорбцию физическую и химическую.

Физическая адсорбция связана с притяжением инородных молекул за счет сил Ван-дер-Ваальса. Хемосорбция вызвана действием валентных связей.

Поверхность в разных точках имеет разную поверхностную энергию.

Микродефекты обладают повышенной адсорбционной активностью.

За счет физической адсорбции на поверхности молекулы газов и воды оседают в первую очередь на активных участках – центрах адсорбции.

Сорбированные молекулы вступают в химическую реакцию с материалом.

Так протекает окисление поверхностей, вызывающее коррозию. Образуется окисная пленка. Сорбированная влага и температура стимулируют процесс окисления. Рост окисной пленки сначала происходит быстро, затем замедляется. Пленки различают по толщине: тонкие (толщина до 40 нм), средние (до 500 нм), толстые – видимые (толщиной более 500 нм). Окислы бывают мягкими и рыхлыми, например, у меди, железа и его сплавов (ржавчина). Твердые и сплошные пленки образуются на алюминии, благородных металлах. Свойства оксидных пленок обычно существенно отличаются от свойств материала основы. Наиболее важными являются тепловое расширение, хрупкость, соотношение адгезионной и когезионной прочности. Из-за различия в свойствах пленки могут растрескиваться и отслаиваться, что существенно влияет на изнашивание при трении.

Особое значение имеет физическая адсорбация молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ). К ним относятся, в частности, органические вещества, молекулы которых имеют полярные группы (OH, COOH, NH2) и неполярные CH2 (рис. 1.21). Молекулы ПАВ активными группами сорбируются на активных центрах поверхности, образуя молекулярный ворс, который разделяет пару контактирующих поверхностей и существенно снижает трение.

ПАВ, адсорбированные на поверхности СН2 твердого тела, способны изменять характер взаимодействия с жидкостью (смачивание).

В зависимости от того, как ориентируются молекулы ПАВ по отношению к твердой поверхОН ности, последняя может хорошо смачиваться (гидрофильная) или плохо (гидрофобная поРис. 1.21. Молекула ПАВ верхность). Так, если молекулярный ворс направлен полярными группами к поверхности, а противоположные концы являются неполярными, то смачивание хорошее, если ориентация молекул противоположная – смачивание плохое. Оценка гидрофильности проводится по величине угла смачивания (рис. 1.22). При смачивании 0 /2, при несмачивании /2.

Поскольку система стремится сократить запас поверхностной энергии, то Рис. 1.22. Силы натяжения тело пытается уменьшить площадь поверхности. Капля жидкости принимает сферическую форму, так как сфера имеет наименьшее отношение площади поверхности к объему. Поэтому поверхность находится в растянутом состоянии, и если из нее выделить элемент, то действие оставшейся части на элемент можно заменить равнораспределенными по контуру силами натяжения.

Мерой избыточной поверхностной энергии является коэффициент поверхностного натяжения, равный избыточной энергии в расчете на единицу площади поверхности или силе натяжения, действующей на единицу длины контура элемента поверхности. На рис. 1.22 показаны силы натяжения на границах раздела фаз: 12 – твердое тело – жидкость;

23 – жидкость – газ; 13 – твердое тело – газ. Поскольку система находится ( 12 13 ) / 23.

в равновесии, сумма сил равна нулю, а cos За счет сил = натяжения жидкость в капиллярах образует мениски, под которыми возникает давление, рассчитываемое по формуле Лапласа, направленное к центру кривизны:

–  –  –

Под действием этого давления наблюдается капиллярный эффект (рис. 1.23), заключающийся в подъеме либо опускании уровня жидкости в капилляре на высоту

–  –  –

Капиллярный эффект имеет большое значение для пористых тел.

Он используется для подачи масла в зону трения в подшипниках с пористыми втулками.

Окружающая среда и смазка содержат некомпенсированные положительные и отрицательные заряды и молекулы поверхностно-активных веществ (ПАВ), например органические вещества, имеющие полярные группы ОН, СООН и NHr, хорошо растворимые в воде, и неполярные группы, состоящие из углеродных цепей типа не смачивающиеся водой.

Примером жидкости, содержащей гидрозоли и ПАВ, является современный смазочный материал.

В общем случае процесс поглощения инородных атомов и молекул жидкими и твердыми веществами называется сорбцией. Сорбция включает в себя процесс адсорбции, происходящий на границе раздела твердое тело – газ, твердое тело – жидкость, жидкость – газ. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называют адсорбентом, а поглощенное из прилегающего объема вещество – адсорбатом. Молекулы адсорбата, приближаясь из объема газа или раствора к поверхности раздела фаз, испытывают притяжение со стороны этой поверхности. При соприкосновении поверхность адсорбента постепенно покрывается адсорбированным слоем молекул адсорбата.

Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией, и для его проведения требуется подведение извне энергии, пропорциональной теплоте адсорбции.

Адсорбционный процесс на поверхности раздела происходит с очень большой скоростью, измеряемой долями секунды, и замедляется в пористых телах. Хемосорбция определяется как скоростью протекания химической реакции, так и диффузией вещества через окисленный слой, поэтому скорость процесса хемосорбции колеблется в очень широких пределах.

В ряде случаев количество адсорбираванного вещества оценивают и по массе адсорбата, отнесенной к единице поверхности адсорбента.

При контактировании твердых пористых тел необходимо учитывать количество влаги, которое сконденсировано в этих порах.

Твердым телам (жидкостям) свойственна внутренняя сорбция (атомов, ионов, молекул), протекающая на их внутренних поверхностях (на границах зерен и дефектов их структуры, их свободной поверхностной энергией) и т.п. Возможен процесс внутреннего поглощения веществ в газах, жидкостях и твердых телах (абсорбция). Жидкость или твердое тело, поглощающее газ или растворенное вещество, называют абсорбатом. Этот процесс обусловлен как диффузией абсорбатов в абсорбентах, так и процессами их растворения. Порой поглощение абсорбата может осложняться и протекающими хемосорбционными процессами в абсорбенте.

1.4.2. Напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя В процессе механической обработки деталей в поверхностных слоях происходит изменение структуры металла и его механических свойств.

Названные изменения являются следствием процессов, развивающихся в поверхностном слое под влиянием внешнего энергетического воздействия в виде контактного давления и относительного перемещения (скольжения) обрабатывающего инструмента. При этом основная часть механической энергии преобразуется в тепловую, создавая градиент температур по глубине слоя. В результате этих процессов в материалах деталей также как и при термической обработке развиваются остаточные напряжения.

В каждом реальном твердом теле действуют внутренние напряжения различного происхождения, они существуют вне зависимости от того, нагружено данное тело или нет. Напряжения могут быть временными или постоянными – остаточными. Величина внутренних напряжений часто бывает того же порядка, что и полезных напряжений, которые возникают в твердом теле в условиях эксплуатации при нагружении деталей машин.

Технологические процессы обработки деталей и инструментов должны обеспечивать получение остаточных напряжений в поверхностных слоях, способствующих повышению надежности и срока службы в определенных условиях эксплуатации, в том числе в условиях трения. Внутренние напряжения классифицируются по признакам протяженности силового поля и по своей физической сущности. Согласно этой классификации различают три вида внутренних напряжений.

Напряжения первого рода – макроскопические зональные напряжения, охватывающие целые области или все изделие. Эти напряжения имеют ориентацию, связанную с формой изделия. Напряжения первого рода возникают при механической, термической и химико-термической обработке, при прокатке и протяжке изделий, при нанесении электролитических покрытий, при механическом упрочнении поверхностей, сварке, холодной правке и других технологических процессах.

Всякая механическая обработка поверхности сопряжена с возникновением напряженного состояния поверхностных слоев, которое уравновешивается напряжением обратного знака в более глубоко расположенных зонах, т.е. создаются напряжения первого рода. Причины их возникновения: 1) пластические деформации в зоне обработки; 2) нагрев металла, возникающий в зоне резания; 3) фазовые превращения в поверхностных слоях металла, приводящие к образованию различных структур, обладающих неодинаковым удельным объемом и создающих в этих слоях остаточные напряжения различных знаков и величины.

Величина и знак остаточных напряжений после механической обработки зависят от обрабатываемого материала, его структуры, геометрии и состояния режущего инструмента, от эффективности охлаждения, вида и режима обработки. Величина остаточных напряжений может быть значительной (до 1000 МПа и выше) и оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики деталей машин, их износостойкость и прочность. Выбором метода и режима механической обработки можно получить поверхностный слой с заданной величиной и знаком остаточных напряжений.

Так, при точении закаленной стали 35ХГСА резцом с отрицательным передним углом 45° при скорости резания 30 м/мин, глубине резания 0,2–0,3 мм было получено повышение предела выносливости образцов на 40–50 % и обнаружены остаточные сжимающие напряжения первого рода, доходящие до 600 МПа. При шлифовании закаленной стали в поверхностном слое были обнаружены остаточные сжимающие напряжения до 600 МПа. В некоторых случаях напряжения первого рода создаются намеренно в целях упрочнения, например для повышения усталостной прочности. Такой эффект получают наложением на поверхностный слой больших сжимающих напряжений путем обкатки поверхности закаленным роликом или обдувкой струей стальной дроби. Такой прием позволяет создать остаточные напряжения сжатия до 900–1000 МПа на глубине около 0,5 мм.

Напряжения второго рода – микроскопические, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен.

Напряжения второго рода характерны для поликристаллических тел, так как они возникают в результате взаимодействия кристаллов между собой. Отдельные зерна, из которых состоит металл, не только ориентированы по разному, но и отличаются по строению (различные модификации металла, зерна различных составных частей металла, например включения графита, инородные включения). Напряжения второго рода являются следствием неоднородности физических свойств различных компонентов поликристалла, стесненных условий деформации отдельного зерна, а также анизотропии свойств внутри отдельного зерна. По характеру действия эти напряжения беспорядочно ориентированы в объеме металла, поскольку представляют собой результат взаимодействия множества анизотропных кристаллов.

Фазовые превращения в металлах и сплавах всегда сопровождаются возникновением внутренних напряжений второго рода, что связано с увеличением или уменьшением плотности вещества при переходе в другое фазовое состояние. В перлите напряжения этого происхождения имеют уровень порядка 75 МПа; напряжения цементита в ферритной основе теоретически могут достигать 350 МПа.

Напряжения третьего рода – субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла. Напряжения третьего рода являются следствием искажения, нарушения геометрии решетки. Эти напряжения в ряде случаев вычисляются теоретически, они также определяются методами рентгеноструктурного анализа. В общем напряженном состоянии твердого тела напряжения третьего рода играют большую роль.

С учетом экспериментальных данных о невысоком уровне напряжений второго рода можно полагать, что энергия, поглощаемая при пластической деформации, заключена в основном в напряжениях третьего рода.

Значительная часть напряжений деформации решетки сосредоточена вокруг дислокаций. Дислокация окружена полем упругих напряжений, которое взаимодействует с такими же полями соседних дислокаций. Характер силового воздействия на данную дислокацию от внешних нагрузок и от окружающих дислокаций одинаков. Дислокация характеризуется смещением атомов в ней самой; кроме того, возникают упругие смещения в окружающей дислокацию правильной решетке. Соответственно этому распределяются и напряжения. Другим источником напряжений третьего рода, охватывающих области меньшего, чем у дислокаций, порядка, являются внедренные атомы. В зависимости от характера взаимодействия внедренных атомов с атомами матрицы возможны как растяжения, так и сжатия решетки (рис. 1.24).

Поля напряжений распространяются по всем направлениям примерно на одинаковые расстояния, в то время как вокруг дислокаций силовое поле имеет относительно значительную напряженность, по крайней мере, в одном направлении.

а б

Рис. 1.24. Искажение решетки при внедрении разнородных атомов:

а – растяжение; б – сжатие Напряженно-деформированное состояние материала во многом зависит от характера релаксационных процессов, развивающихся в деформированном теле. Релаксационные явления чрезвычайно важны для изучения всех особенностей строения материалов и для научного объяснения многих присущих им свойств.

Для раскрытия физической картины напряженного состояния твердого тела понятие о релаксации как о процессе движения системы в направлении термодинамического равновесия вносит много существенного. Наличие напряжений первого, второго и третьего рода и явления релаксации свидетельствуют о том, что напряженное состояние твердого тела не остается постоянным, а с течением времени изменяется. В нем в большем или меньшем объеме, с большей или меньшей скоростью протекает процесс перераспределения напряжений.

Релаксационные явления объясняются неустойчивостью внутреннего напряженного состояния, обусловленного неоднородностью строения поликристаллического тела. В нем неизбежно находятся участки как упругонапряженные, так и пластически деформированные. Объемы, находящиеся в различных состояниях, неодинаково реагируют на внешние силовые воздействия, в результате чего и возникает процесс перераспределения напряжений и деформаций. Процесс выравнивания поля внутренних напряжений при обычных температурных условиях протекает крайне медленно. Процесс снятия внутренних напряжений можно значительно ускорить, эффективным приемом можно считать термическую обработку.

Нагрев материалов повышает энергию атомов, благодаря чему искажения решетки устраняются, облегчается диффузия атомов, и они могут принимать положения, соответствующие термодинамическому равновесию.

Термическая обработка широко применяется для снятия остаточных напряжений. Наиболее эффективен отпуск при сравнительно низких температурах нагрева.

Изучение напряженно-деформированного состояния, соотношений между упругой и пластической составляющей и закономерностей их развития в условиях трения и изнашивания материалов представляет большой интерес и имеет существенное значение для развития трибофизики.

Характерной особенностью состояния материала поверхностного слоя при трении является возникновение деформации в тонком поверхностном слое в условиях относительно высоких локальных давлений и температур. Тонкий поверхностный слой материала заметно отличается от материала внутри объема по структуре и свойствам. Специфическое поведение поверхностных слоев в условиях деформации обусловлено особым положением атомов материала в поверхностном слое, где некоторые связи остаются свободными. Это приводит к возникновению свободной поверхностной энергии и к некоторым особенностям структурного состояния материала в тонком поверхностном слое. К субструктурным изменениям такого слоя относятся, например, микроскопические деформации, значительно влияющие на процессы трения и изнашивания. Специфическая роль поверхностного слоя проявляется на всех стадиях деформационного упрочнения. При этом может изменяться общий характер кривой напряжение – деформация, предел текучести, характер его изменения в процессе деформации и другие параметры процесса деформирования.

В условиях трения напряженное состояние и пластическая деформация могут возникать в локальных микрообъемах материала при сравнительно невысоких средних значениях нагрузки (контактного давления), так как фактические напряжения в них могут достигать значительных величин. Увеличение объемов (зон) пластической деформации происходит вследствие возрастания площади единичных контактов при повышении нормальной нагрузки и перераспределения напряжений под действием касательных напряжений. Благодаря совместному действию нормальных и касательных напряжений в поверхностном слое материала в условиях трения создается объемное напряжение, при котором даже высокопрочные материалы обнаруживают достаточную пластичность.

После снятия нагрузки внутренние напряжения в поверхностных слоях поликристаллических материалов полностью не снимаются. Результаты рентгеноструктурных исследований показывают, что в металлах с ОЦК и ГЦК решеткой независимо от степени предварительной деформации после снятия нагрузки в поверхностном слое образца всегда сохраняются напряжения сжатия, уравновешенные растягивающими напряжениями внутри образца. В поликристаллических металлах вследствие неравномерности гетероструктуры пластическая деформация при трении всегда неравномерна, что является одной из основных причин изменения физико-механических свойств поверхностного слоя. Часть механической энергии трения затрачивается на формирование остаточных напряжений и увеличение плотности внутренней энергии.

1.4.3. Влияние обработки на структуру и состояние поверхностного слоя Механическая обработка материалов неизбежно вызывает упругую и пластическую деформации поверхностного слоя. Структурные особенности твердых тел хорошо описываются теорией дислокаций. Согласно этой теории структура любого кристаллического тела представляет собой сложную систему блоков, фрагментов зерен и выходов отдельных групп дислокаций. Дислокационная структура на поверхности кристаллического тела реализуется в виде тонкой системы впадин и выступов.

В результате упругопластической деформации при механической обработке в поверхностном слое интенсивно перемещаются дислокации, образуются новые структуры с разрушением и переориентацией зерен в направлении действующих сил, развиваемых обрабатывающим инструментом. Изменение структуры и остаточные напряжения приводят к возникновению вблизи поверхности зон остаточных напряжений сжатия и растяжения с образованием микропор.

Исследованием образцов из цементованной стали 20Х2Н4А установлено, что в результате шлифования на цементованной поверхности образцов наблюдаются значительные остаточные растягивающие напряжения (более 300 МПа на поверхности), уменьшающиеся на глубине и переходящие в сжимающие напряжения на глубине 0,02 мм. В процессе последующего трения качения или качения с проскальзыванием остаточные растягивающие напряжения на поверхности переходят в сжимающие, величина которых увеличивается с увеличением пути трения.

Зависимости остаточных напряжений в поверхностном слое образцов после чистого качения при контактном давлении 1400 МПа приведены на рис. 1.25. При общей тенденции к повышению остаточных напряжений на отдельных этапах испытания наблюдается уменьшение сжимающих напряжений преимущественно на глубине 0,05–0,10 мм.

а б в

–  –  –

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается (сдвигается) по отношению к другой. Если нагрузку снять, то смещенная часть кристалла не возвратится на прежнее место, деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании.

Пластическая деформация вызывает уменьшение плотности металла и увеличение его удельного объема. Пластически деформированный при резании слой не может свободно увеличиваться в объеме, так как этому препятствует недеформированный металл, поэтому в наружном слое возникают напряжения сжатия, а в остальной части изделия – напряжения растяжения.

Этот механизм реализуется, если деформируемый слой не находится в состоянии ползучести. В результате механическая прочность и микротвердость поверхностных слоев увеличиваются по сравнению с нижележащими слоями. Зависимости микротвердости и пластической деформации поверхностного слоя детали из сплава ХН51ВМТЮКФР, обработанной точением, показаны на рис. 1.26.

Рис. 1.26. Изменение микротвердости (1) и пластической деформации (2) поверхностных слоев детали из сплава ХН51ВМТКЮКФР Приведенные зависимости наглядно показывают, что вследствие механической обработки в поверхностных слоях возникают макро- и микронапряжения. Величина и знак (сжатие или растяжение) макронапряжений зависят от методов и режимов обработки, применяемых смазочноохлаждающих жидкостей, качества инструмента, а также от вида предварительной обработки.

Таким образом, при обработке металла в его наружном слое под влиянием пластической деформации при отсутствии ползучести развиваются остаточные напряжения сжатия. В то же время тепловой эффект от резания металла вызывает появление остаточных растягивающих напряжений. Так как оба фактора действуют совместно и одновременно, то знак результирующего остаточного напряжения в поверхностном слое металла зависит от того, какой из факторов превалирует. Заметим, что величина остаточных напряжений может превосходить и предел текучести для одноосного напряженного состояния. Благоприятными остаточными напряжениями на поверхности с точки зрения прочности и износостойкости являются сжимающие напряжения, а растягивающие способствуют росту поверхностных трещин, дефектов и поверхностному разрушению (изнашиванию) материала.

В процессе шлифования и скоростного точения в поверхностном слое развиваются температуры до 800–850 °С. Такое повышение температуры доэвтектоидных и заэвтектоидных углеродистых сталей с содержанием углерода 0,4–1,1 % достаточно для структурно-фазового превращения перлита в аустенит. А последующее резкое охлаждение может приводить к превращению аустенита в мартенсит (вторичная закалка) в тончайших поверхностных слоях с переходом к структуре перлита по мере удаления от поверхности. Вследствие недостаточной скорости охлаждения при шлифовании закаленной и отпущенной стали образуется приповерхностный слой аустенитно-мартенситной структуры из вторично закаленного сплава.

Под ним располагаются слои, имеющие структуры всех видов отпуска (мартенсит отпуска, сорбит, троостит), вплоть до структуры исходного термически обработанного сплава. Подобные превращения наблюдаются и при точении. Каждой структурной составляющей (фазе) свойствен определенный удельный объем. Так, например, мартенсит является структурой, обладающей наибольшим удельным объемом, а аустенит – структурой с минимальным удельным объемом. Поэтому при превращении мартенсита наблюдается сжатие, что наряду с пластической деформацией является источником остаточных внутренних напряжений.

На основании рассмотренных процессов и явлений можно сделать следующий вывод. При механической обработке металлов протекают два противодействующих процесса: упрочнение в результате действия сил резания – наклеп, которое тем выше, чем больше давление резания, и разупорядочение – снятие наклепа за счет повышения температуры поверхностного слоя. Степень упрочнения и толщина наклепанного слоя при прочих равных условиях зависят от режимов резания.

Рассматривая свойства обработанных поверхностей, нельзя не учитывать влияние окружающей среды, поскольку поверхность твердого тела неизбежно адсорбирует элементы окружающей среды. Как правило, поверхность бывает покрыта слоями адсорбированных газов, паров воды и жиров. Поэтому физико-химические свойства обработанных металлических поверхностей определяются главным образом структурой, энергетическим состоянием и характером взаимодействия поверхности с окружающей средой. Поверхностные микрочастицы твердого тела не имеют симметричного окружения другими частицами со всех сторон, как внутренние частицы. Поэтому равнодействующая всех взаимодействий с соседними частицами не равна нулю при неизменяющемся строении кристаллической структуры. Окружающие частицы твердого тела дают равнодействующую сил притяжения, направленную перпендикулярно поверхности внутрь тела. Для того чтобы в несимметричном силовом поле атом, молекула или ион оставались в равновесии, необходима перестройка частиц кристалла вблизи поверхности, их расположение должно отличаться от взаимного расположения частиц во внутренних областях кристалла. Под влиянием рассмотренных силовых взаимодействий формируется особый поверхностный слой, толщина которого может быть примерно равной радиусу взаимодействия частиц (10–100 нм).

Поверхностный слой обладает избытком потенциальной энергии, которая соответствует работе, необходимой для мысленного перемещения внутренних частиц кристалла на поверхность. Этот избыток энергии, отнесенный к единице поверхности, называют удельной поверхностной или просто поверхностной энергией. Любое кристаллическое тело обладает внутренней и поверхностной энергией.

Работа, которую необходимо затратить, чтобы разделить кристалл на отдельные достаточно далеко расположенные и не взаимодействующие частицы, определяет внутреннюю энергию кристалла. Эта энергия пропорциональна величине, характеру сил связи и числу связей, т.е. объему кристалла. Поверхностная энергия всего кристалла пропорциональна его поверхности. Поэтому диспергирование кристалла, ведущее к увеличению его поверхности и образованию свободных связей без изменения объема, должно сопровождаться увеличением поверхностной энергии. При соединении двух тел поверхностная энергия уменьшается пропорционально суммарной площади соединившихся поверхностей и может выделиться в виде теплоты или затратиться на подстройку в кристаллической решетке одного кристалла к другому.

Поверхностная энергия характеризует твердость и прочность твердых тел. Она оказывает существенное влияние на их механические и триботехнические свойства. Было предложено много способов определения поверхностной энергии твердых тел, однако точное экспериментальное измерение ее невозможно. Попытка термодинамического вычисления поверхностной энергии сплавов по энергии смешения дала лишь качественные результаты.

Микроскопическое рассмотрение поверхности, ее энергетического состояния следует дополнить некоторыми данными дислокационной теории о дефектах кристаллов, поскольку они оказывают существенное влияние на поверхностную энергию и свойства поверхностного слоя. Взаимодействие между дислокациями и поверхностью влияет на пластические свойства металла. Дислокации могут удаляться из кристалла через поверхность и этим сокращать длину кристалла, могут двигаться параллельно поверхности, создавая на своем пути новую поверхность в виде ступеньки или разрезая поверхностный слой без образования новой поверхности.

Снижение поверхностной энергии облегчает выход дислокации. Поверхностные пленки могут заметно усиливать сопротивление выходу дислокаций, и тем сильнее, чем больше отличаются параметры решетки, характер кристаллической структуры и степень поликристалличности пленки. Удаление пленок заметно влияет на напряжение, необходимое для работы источников дислокаций, а следовательно, и на предел текучести.

Поверхностно-активные вещества, например органические кислоты, их металлические мыла, спирты и смолы, обладают наибольшей способностью к адсорбции. Молекулы этих веществ при адсорбции ориентируются перпендикулярно поверхности вследствие несовпадения центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в их молекулах даже в изолированном состоянии. Такие молекулы называют полярными, они притягиваются и удерживаются поверхностью тела.

Известно, что металл с кристаллической структурой представляет собой систему положительных ионов (ядра, окруженные электронами внутренних орбиталей), погруженную в отрицательный электронный газ обобществленных внешних электронов. Электроны, обладающие достаточным запасом кинетической энергии, вырываются из металла и образуют над его поверхностью отрицательно заряженное облако. Электроны, находящиеся внутри металла и вблизи его поверхности, отталкиваются от этого облака, смещаясь внутрь металла. В результате уменьшается поверхностная плотность электронов и индуцируется положительный заряд, равный по абсолютной величине отрицательному заряду электронного облака. Сила взаимодействия между зарядами – сила электрического изображения – имеет значительную дальность действия – до 10 мкм от поверхности. Следовательно, энергетический потенциал поверхности характеризуется потенциалом внешнего пространства на расстоянии примерно 10 мкм от поверхности. Облако электронов совместно с наружным слоем положительных ионов образует двойной электрической слой. Таким образом, наличие электрического потенциала поверхности твердого тела и полярных молекул поверхностно-активных веществ предопределяет уровень их энергетического взаимодействия при адсорбции и строение адсорбированной пленки.

Насыщенный адсорбционный монослой образуется из плотно расположенных полярных молекул, ориентированных параллельно друг другу и перпендикулярно поверхности тела. Адсорбированные молекулы взаимодействуют не только с поверхностью, но и между собой. Взаимодействие между молекулами в тангенциальном направлении к поверхности называют продольной когезией. Конец молекулы, присоединяющийся к металлу, подобен маленькому магниту, его называют полярным или активным. Остальная часть молекулы составляет так называемый хвост.

У всех органических кислот и их мыл активной является карбоксильная группа СООН, у спиртов – гидроксил ОН, у других веществ – группа NН СОСl и др.

Минеральные и растительные масла, соединения, входящие в состав животных жиров, и другие жидкости с цепными макромолекулами, в том числе углеводороды полнонасыщенных рядов СnН2n, имеющие неполярные молекулы, образуют на границе с металлической поверхностью пленки с особыми структурами, состоящими из монослоя и отдельных слоев с ориентацией молекул в них перпендикулярно поверхности металла (рис. 1.27).

Адсорбция происходит под влиянием поляризации неактивных углеводородистых молекул электрическим полем металлической поверхности.

Рис. 1.27. Схема адсорбированной пленки из неполярных молекул, ориентированных под влиянием электрического поля металлической поверхности Жидкости с молекулами большой длины – макромолекулами, содержащие в растворе поверхностно-активные вещества, образуют над монослоем полярных молекул граничный слой, в котором молекулы расположены не беспорядочно, как в объеме жидкости, а правильно ориентированы. Можно считать, что граничные слои находятся в особом агрегатном состоянии, имея квазикристаллическую структуру граничной фазы жидкости. Основанием для подобного утверждения служит наличие особого состава, структуры, свойств и выраженной границы раздела адсорбированной пленки, т.е. наличие всех признаков фазы термодинамической системы.

Совокупность всех воздействий среды и самой поверхности на физико-химические и механические свойства поверхностного слоя проявляется в адсорбционном понижении прочности – эффект П.А. Ребиндера.

Поверхностно-активная среда существенно влияет на процессы деформации и разрушения твердых тел, в том числе и при трении. Адсорбция поверхностно-активных веществ значительно снижает сопротивление тел деформированию и разрушению, проявляется в результате адсорбции поверхностно-активных веществ на внешней поверхности деформируемого твердого тела, что вызывает пластифицирование поверхности и снижение предела текучести, а также коэффициента деформационного упрочнения. Предел текучести олова, например, снижается вдвое, уменьшается также коэффициент деформационного упрочнения при испытании в масле, содержащем олеиновую кислоту (поверхностно-активное вещество).

Благодаря адсорбированному слою поверхностно-активных веществ снижается уровень поверхностной энергии, что приводит к облегчению выхода дислокации на поверхность кристаллических тел.

Эффект П.А. Ребиндера и его закономерности распространяются на полимерные материалы. Наиболее сильно он проявляется в условиях образования новых поверхностей, а также при наличии в твердом теле дефектов, в частности границ зерен. Адсорбируемые поверхностно-активные молекулы, стремясь покрыть всю поверхность тела, проникают в ультрамикроскопические трещины, мигрируя по их стенкам со скоростями, значительно превосходящими скорость всасывания жидкости в зазор.

Когда активные молекулы достигают мест, где ширина микротрещины – зазора равна размеру одной-двух молекул, адсорбционный слой своим давлением F стремится расклинить трещину силами Q для дальнейшего продвижения активных молекул (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Схема адсорбционно-расклинивающего действия полярных молекул смазочного материала Давление на стенки трещины у ее вершины может достигать 10 ГПа.

Остаточные растягивающие напряжения раскрывают ультрамикротрещины и способствуют проявлению эффекта П.А. Ребиндера. При сжимающих напряжениях трещины замыкаются, может даже произойти «самозалечивание» их, и эффект может не проявиться.

Большинство смазочных материалов содержит поверхностно-активные вещества, что предопределяет возможность пластификации поверхностных слоев материала деталей и снижения за счет этого сил трения, несмотря на то что окисные пленки препятствуют проникновению смазки к металлу, чем снижается влияние эффекта П.А. Ребиндера.

Физическое состояние поверхности трения твердого тела характеризуется наличием определенного состава поверхностных пленок и особенностями структуры поверхностных слоев. В реальных условиях на воздухе все микровыступы и микротрещины почти мгновенно, от сотых до тысячных долей секунды, покрываются оксидными пленками и слоями адсорбированных молекул газов, воды и жирных веществ. Обычно над ювенильной поверхностью находятся слои оксидов, прочно связанные с металлом. Эти пленки влияют как на деформационное упрочнение, так и на хрупкое разрушение, причем по-разному при различных температурах и степенях деформации, что часто не учитывается современными теориями. Совершенно очевидно влияние этих пленок на процессы трения, включающие интенсивную деформацию и неизбежное разрушение трущихся поверхностей. Оксидная пленка на цинке может изменить напряжение сдвига на 100 %, на алюминии напряжение сдвига возрастает в 2,3 раза при увеличении толщины оксидной пленки от 10 до 50 нм.

Несмотря на малую толщину, оксидная пленка всего в несколько элементарных ячеек кристаллической решетки данной фазы оксида при комнатной температуре (20–25 °С) приостанавливает дальнейшее окисление. Разрушение поверхностей трения и покрывающих их оксидных пленок в среде воздуха сопровождается окислением ювенильных поверхностей.

Продуктами окисления могут быть твердые растворы кислорода в металле и их химические соединения. Железо при комнатной температуре растворяет около 0,05 % кислорода, а при 1000 °С – 0,12 %. Известно, что железо с кислородом образуют три вида оксидов. Они представляют собой различные фазы в системе О2–Fе с различным типом кристаллической решетки: вюстит FеО, магнетит Fe3O4 и гематит Fе2О3. Вюстит растворим в железе и устойчив при температуре выше 570 °С; ниже этой температуры он распадается на магнетит и чистое железо: 4FеО = Fе3О4 + Fе.

Магнетит и гематит устойчивы во всем диапазоне температур – от комнатной до температуры плавления. Пленка на железе состоит из слоев, расположенных от поверхности внутрь в последовательности, соответствующей убыванию кислорода в оксиде (рис. 1.29).

Рис. 1.29. Схема оксидной пленки по фазовому составу

В меди и медных сплавах в результате окисления внутренних слоев поверхности образуются окись меди и медные оксиды, в зависимости от содержания меди в сплаве.

Оксидный слой, непосредственно прилегающий к металлу, является рыхлым, структурно подстраивающимся под кристаллическую решетку металла. Но по мере роста этого слоя упорядочивается его кристаллическое строение и уменьшается скорость его образования. Над слоями оксидов в зависимости от конкретных условий эксплуатации могут присутствовать адсорбционные слои газов, воды или смазочного материала, например слои полярных и неполярных молекул органических веществ.

Толщина и последовательность расположения различных слоев зависят от состава окружающей среды, но первым слоем всегда будет оксидная пленка (рис. 1.30, 1.31).

Рис. 1.30. Схема поверхности металла на воздухе:

1 – равновесная структура; 2 – деформированный слой металла с оксидом в микротрещинах; 3 – слой оксидов;

4 – адсорбционный слой ионов и молекул газа;

5 – слой водяных молекул; 6 – слой жирных молекул

Рис. 1.31. Схема поверхности металла со смазкой:

1 – равновесная структура; 2 – деформированный слой металла с оксидом в микротрещинах; 3 – слой оксидов;

4 – адсорбированный слой смазки; 5 – смазочный слой Оксидный слой сохраняет на границе с металлом отрицательный потенциал, в граничном деформированном слое металла сохраняется положительный потенциал. Наружный слой оксидного покрытия становится электроположительным и адсорбирует электроотрицательный слой кислорода, который уже не находит химических связей ввиду свободных катионов металлов. Следовательно, окисленный металл имеет два двойных электрических слоя.

Кроме оксидных пленок, металлические поверхности деталей пар трения всегда покрыты жировыми, газовыми и водяными молекулами, в зависимости от того, какая среда их окружает. Толщина адсорбированных пленок также зависит от окружающей среды. Толщина пленки воды может составлять 50–100 молекулярных слоев, жировые слои могут достигать толщины 1–5 мкм и удерживаются на поверхности благодаря электрической связи. Толщина пленки адсорбированных газов и паров составляет 0,1–2,5 нм. Расположенный под ними слой, возникающий под влиянием атмосферного кислорода, имеет на железе толщину до 5 нм, на стали примерно до 2 нм, на алюминии – до 15 нм. Оксидная пленка находится в напряженном состоянии, испытывая напряжения растяжения или сжатия в зависимости от соотношения объемов основного металла и образовавшегося на его базе окисла.

С увеличением толщины пленки возрастают силы упругости в самой пленке и на границе между пленкой и основным металлом. При некоторой толщине пленки происходит потеря ее устойчивости, возникают мгновенные смещения, и пленка приобретает рыхлое, пористое строение.

Любое пластическое деформирование твердых тел при обработке или фрикционном взаимодействии сопровождается выделением тепловой энергии. Это существенно ускоряет окислительные процессы образования оксидных слоев на обрабатываемой поверхности. Оксидные слои отличаются по своей плотности от материала основы, что приводит к появлению дополнительных напряжений и даже микротрещин в поверхностном слое.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение трибологическим системам и их общую характеристику.

2. Структура и дефекты металлических материалов трибосистем.

3. Особенности структуры полимерных материалов.

4. Основные свойства металлических материалов деталей узлов трения.

5. Свойства полимерных композиционных материалов триботехнического назначения.

6. Особенности структурно-энергетического и напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя деталей узлов трения.

2. ТРИБОФИЗИКА ПРОЦЕССА ТРЕНИЯ

2.1. КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Трение твердых тел имеет молекулярно-механическую природу. Нескомпенсированные молекулярные силы на границе раздела фаз твердое тело – газ, твердое тело – жидкость, жидкость – газ образуют силы притяжения между соприкасающимися телами. Образование молекулярной (ван-дер-ваальсовой) связи между сопряженными поверхностями однородных твердых тел получило название адгезии. Уровень адгезии оценивают по силе отрыва одного тела от другого или по удельной адгезии – отношению силы отрыва к площади отрыва (адгезионного шва).

Термодинамической характеристикой адгезии является убыль свободной энергии на 1 см2 поверхности взаимодействия в изотермическом обратимом процессе. Работа адгезии, т.е.

работа обратимого адгезионного отрыва определяется по выражению:

Wa = 10 + 20 + 12,

где 12 – поверхностное натяжение на границе фаз 1 и 2, между которыми реализуется адгезионное взаимодействие; 10 и 20 – поверхностное натяжение каждой из фаз 1 и 2 с окружающей средой.

На участках фактического контакта поверхностей действуют силы межмолекулярного притяжения, которые проявляются на расстояниях, в десятки раз превышающих межатомное расстояние в кристаллических решетках. При отсутствии либо наличии промежуточной вязкой прослойки (влаги, загрязнения и т.п.) между контактирующими поверхностями молекулярные силы вызывают адгезию на площадках фактического контакта, и поверхности как бы прилипают друг к другу. Строго говоря, адгезия имеет сложную природу. Поэтому наряду с молекулярной теорией существует несколько других теорий адгезии.

Электрическая теория связывает адгезию с возникновением двойного электрического слоя и разности электрических потенциалов контактирующих поверхностей. В диффузионной теории механизм адгезии предусматривает взаимное проникновение молекул и атомов в поверхностные слои взаимодействующих фаз твердых тел. В химической теории в качестве определяющего рассматривается химическое взаимодействие активных частей молекул, радикалов и т.п.

Наиболее сложным является механизм адгезионного взаимодействия полимерных тел с металлическими. Так, Д. Бакли при исследовании контактного взаимодействия атомарно-чистых поверхностей вольфрама и фторопласта-4 с помощыо автоионного микроскопа установил наличие интенсивного адгезионного взаимодействия, при котором молекулы фторопласта-4 на поверхности твердого тела представляют собой кластеры из трех атомов. Считается, что при адгезии фторопласта-4 в контакт с поверхностью металла входят атомы, расположенные на торце молекулы, т.е. происходит образование связи между поверхностью вольфрама и группой СF2, поэтому перенос идет кластерами из трех атомов. Вспомним, что макромолекулы фторопласта-4 представляют собой винтообразные цепи, состоящие из 26 групп СF2, которые могут кристаллизоваться с образованием гексагональной решетки.

Методом оже-электронной спектроскопии показано, что с поверхностью металла связан атом углерода группы СF2, и мы имеем дело с химическим взаимодействием, т.е. с образованием химических связей. Разрушение такого адгезионного соединения носит когезионный характер и происходит по объему менее прочного материала. В результате на более прочной металлической поверхности постепенно формируется тонкая полимерная пленка, которую называют пленкой фрикционного переноса.



Pages:   || 2 | 3 |
Похожие работы:

«166 УДК 665.642.4 СПОСОБЫ ОЧИСТКИ ПЕЧНЫХ ТРУБ УСТАНОВОК ЗАМЕДЛЕННОГО КОКСОВАНИЯ ОТ КОКСОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ METHODS OF CLEANING OF CHIMNEYS OF INSTALLATION FOR RETARDED COKING FROM COKE Мухамадеев Д.Х., Валявин Г.Г., Запорин В.П., ФГБОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной технический университет", г. Уфа, Российс...»

«ЭНЕРГЕТИКА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ _ УДК 629.5.01 Чернов С.К. УПРАВЛЕНИЕ ВЫСОКОИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ ПРОЕКТАМИ – МЕХАНИЗМ ЭФФЕКТИВНОГО РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ Государственное предприятие научно производственный комплекс газотурбостроения "Зоря"-"Машпроект" Состояние современной энергетики Украины характеризуется по...»

«GSM СИГНАЛИЗАТОР ® "EXPRESS GSM™" версия 2 Сертификат соответствия РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ РОСС RU.МЕ96.Н00187 САПО.425152.032 РЭ СОДЕРЖАНИЕ 1 ОПИСАНИЕ И РАБОТА 1.1 Назначение 1.2 Технические характеристики 1.3 Ком...»

«Курилова А.А., Курилов К.Ю. ФИНАНСОВЫЙ МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ ЗАТРАТАМИ НА ОСНОВЕ МЕТОДИКИ ВНУТРЕННЕГО АУДИТА Kurilova A.A., Kurilov K.J. THE FINANCIAL MECHANISM OF MANAGEMEN...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ" М.В. Василевский, Е.Г. Зыков РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ГАЗА В ИНЕРЦИОННЫХ АППАРАТАХ Учебное пособие...»

«ТАРИФНЫЙ ПЛАН "ПРЕМИУМ" Доступные карты: "Автокарта", "ЛУКОЙЛ", "Добрые дела", "Тревел карта", "Аэрофлот" "ЛУКОЙЛ" С 05.05.2016 г. Комиссия за ведение СКС и осуществление расчетов по карте 2000 RUB в календарный месяц;по первой карте, открытой в рамках Тарифного плана При выполнении "минимальных требований" –...»

«Руководство по эксплуатации Оптический нивелир ADA Ruber-Х32 RUBER X32 Ruber-Х32 Ruber x32 Оглавление 1. Общие указания..................................................... 3 2. Технические требования................................................ 3 2.1. Функ...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" К а ф е д р а аналитической и физической...»

«БАХЧЕВНИКОВ ОЛЕГ НИКОЛАЕВИЧ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ВАКУУМНЫХ ПУЛЬСАТОРОВ ДЛЯ СТОЙЛОВЫХ ДОИЛЬНЫХ АВТОМАТОВ Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства (по техническим наукам) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степ...»

«••• Известия ДГПУ, №1, 2014 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ УДК 621.791.76/.79 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУР В ЗОНЕ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПРИВАРКЕ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ И ПЛОСКИЕ ДЕТАЛИ MATHEMATICAL MODEL OF DISTRIBUTION OF THE...»

«ContiTech: рекомендации эксперта по замене ремней ГРМ • Детальная инструкция для Ford Focus 2.0-л 16-кл. модели двигателей EDDB, EDDC, EDDD • ContiTech демонстрирует как избежать ошибок при замене ремней В процессе работ по замене ремней ГРМ часто совершаются одни и те же ошибки. Для того что...»

«UZ0703414 штттштшшщшмш Ш К Ш Ш Щ Ё И Н ® ! тт мшжтштжт шшшшшштшт,-?.'.' 'Л. Ц Гл ^-^=—* j,^ Академия Наук Республики Узбекистан Физико-Технический Институт НПО Физика-Солнце "ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ" МАТЕРИАЛЫ ТРЕТЬЕЙ МЕЖДУ...»

«Электрооборудование ФАРЫ ГОЛОВНОГО СВЕТА КОНТРОЛЬНОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ РАДИОТЕЛЕФОН МУЛЬТИМЕДИЙНАЯ СИСТЕМА КОММУТАЦИОННЫЙ БЛОК В САЛОНЕ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПАРКОВКИ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ ПОДУШКИ БЕЗОПАСНОСТ...»

«УДК 80 РУССКИЙ ЯЗЫК В КОНТЕКСТЕ МУЛЬТИЛИНГВИЗМА: КОМПЕТЕНТНОСТНАЯ ПАРАДИГМА ОБУЧЕНИЯ Г. И. Ахмедов, Технического университета г. Кемниц (Кемниц, Германия). Т.И. Магомедова, Дагестанский государственный университ...»

«Анри ФАЙОЛЬ Общее и промышленное управление БИОГРАФИЧЕСКАЯ СПРАВКА По мнению американских историков менеджмента, Анри Файоль (1841—1925) является наиболее значительной фигурой, которую Европа дала науке управления в первой половине XX в. По окончании лицея и горной школы он поступил на службу в крупную горную и металл...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Институт _Социально-гуманитарных технологий Н...»

«********************************************************** дела военного комиссариата АПОУ СО гасти по городам НЛО.Исакова и Карпинск В.Чекасин ОТЧЕТ о проведении пятидневных учебных сборов со студентами предвыпускных курсов ГАПОУ СО "Карпинский машиностроительный техникум" 2015 год *********...»

«Е.В. Румянцев, инженер (ГОУ ВПО ЮУрГУ, филиал в г. Златоусте), главный конструктор (ООО "ПМ ШтриХ"), А.М. Володин, инженер (ООО "ПМ ШтриХ") ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ КОНСТРУКЦИИ КАРКАСНОГО АРОЧНОГО ПРОЕЗДА...»

«Одним из эффективных способов регулирования рынка недвижимости можетстать частно-государственное партнерство в сфере строительства жилой недвижимости, которое сможет минимизировать административные барьеры в данной сфере, а также привлечь дополнительные финансирование, предоставление кре...»

«Кабинет помещение, предназначенное для учебных занятий необходимым для этого оборудованием. Учебный кабинет учебное помещение ДДЮТ и Э "Путник", оснащенное наглядными пособиями, учебным оборудованием, мебелью и техническими средствами обучения, в...»

«К 100 ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ БОРИСОВА В.М. Сущев В.С., Суходолова В.И., Борисова С.И.КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: БОРИСОВ ВАСИЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ В статье изложены материалы, отражающие научно производственную деятельность докто ра техн...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации ПРОГРАММА-МИНИМУМ кандидатского экзамена по специальности 05.23.07 "Гидротехническое строительство" по техническим наукам Программа-минимум содержит 18 стр. Введение В основу настоящей программы положены вопросы, изучаемые в дисциплинах: гидрот...»

«0412233 Cr ОАО "Стройтрансгаз" Завод Теплотехнического оборудования "СТГ-Классик" Высокоэффективные модульные котлы с наддувной горелкой предварительного смешивания газа с воздухом Модульные котлы "СТГ-Классик" относятся к водотрубным ко...»

«Свод правил к ТСН КР-97 МО СВОД ПРАВИЛ К ТЕРРИТОРИАЛЬНЫМ СТРОИТЕЛЬНЫМ НОРМАМ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО КРОВЕЛЬ СП 31-101-97 РАЗРАБОТАНЫ АО ЦНИИПромзданий (С.М.Гликин, канд. техн. наук, Заслуженный Строитель России, А.М.Воронин, канд. техн. наук) при уча...»

«ГЕНЕРАЛЬНЫЕ СПОНСОРЫ Национальная МЕЖДУНАРОДНЫЙ мясная ФОРУМ ассоциация СВИНОВОДОВ (495) 912-01-55 (495) 730-48-30 www.natmeat.ru www.pticegrad.ru Руководитель проекта: С.В. Шабаев Технический директор: И.С. Шабаев Коммерческий директор: Д.В. Гончаров Контрольный редактор: Е.С. Левадняя Дизайн и верстка: Е.А. Сашина Корректура: О.П...»








 
2017 www.ne.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.