Лабораторные работы по дисциплине "Физика трения" (стр. 5 )

Лабораторная работа №3

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ В СОПРЯЖЕНИИ ТРУЩЕЙСЯ ПАРЫ

Цель работы: Ознакомление с методикой определения температуры в контакте пары трения при помощи термопары.

Оборудование и материалы: Печь СНОЛ, термопара, микровольтметр МПГ1-154, эталонная термопара-термометр, машина трения и образцы для испытания.

I. Влияние температуры зон трения металлов на интенсивность процессов изнашивания

В трибологических процессах интенсивность изнашивания материалов деталей ТС (твердые тела, жидкости), как правило, возрастает с увеличением температуры. При абразивном изнашивании количество теплоты, выделяющейся в зоне трения, невелико, потому что почти вся энергия расходуется на образование новых поверхностей. При небольших относительных скоростях скольжения температура существенно не повышается, поскольку теплота работы трения интенсивно отводится из зоны трения материалами контактирующих деталей и среды. В случае адгезионного изнашивания влияние температуры на интенсивность процесса существенно, потому что она благоприятствует схватыванию металлов.

Адгезионное изнашивание схватыванием 2-го рода зависит в основном от температуры трибологических деталей. Максимальная температура поверхности трения Jmax равна сумме объемной температуры J0, среднеповерхностной J* и температурной вспышки Jвсп, вызванных трением,

.

Температура является важнейшим параметром адгезионных процессов и их интенсивности.

При схватывании 1-го рода температура существенно влияет на интервал процесса: чем выше температура, тем уже интервал. При схватывании 2-го рода увеличение температуры зон трения приводит к расширению границ существования этого процесса. С увеличением температуры изменяется химический состав материала ПС и уменьшается концентрация легирующих присадок из-за интенсификации диффузии из подповерхностных зон на поверхность металла, где легирующие присадки окисляются.

Изнашивание при схватывании 1-го рода имеет место при температуре

100 – 180 °С, изнашивание вследствие окисления – при температуре 180 – 560 °С и вследствие схватывания 2-го рода – при температуре 560 – 1200 °С.

Если зоны трения изнашиваются вследствие питтинга при смазке, то влияние температуры на интенсивность процесса незначительно. Температура существенно влияет на вязкость масла и сорбционное действие присадок, и с этой точки зрения рост температуры интенсифицирует усталостное изнашивание. Влияние температуры на интенсивность фреттинг-изнашивания неоднозначно. На воздухе увеличение температуры приводит к снижению интенсивности изнашивания материалов, а в защитных средах - к росту интенсивности.

Для хорошо механически обработанных поверхностей существует температура перехода, при которой износостойкость возрастает. Для меди эта темратура около 50 °С, для стали 140°С. При температуре около 500 °С интенсивность фреттинга невелика, потому что окислы, выполняющие функцию твердой смазки в зоне трения, стабильны.

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования показывают, что максимальное значение температур достигается не на поверхности, а на определенном расстоянии от поверхности тела трения (см. рис. 6). Так, например, при работе пары трения «колесо – тормозная колодка» максимум температур находится на расстоянии 200… 1000 мкм от поверхности катания колеса. Такое влияние характерно для большинства трибосопряжений и было впервые обнаружено и теоретически обосновано .

Рис. 1. Распределение температуры по глубине образца

Распределение температуры, в зависимости от расстояния от поверхности трения, называют градиентом температур. Если максимум находится на некотором расстоянии от поверхности, то такой градиент называют отрицательным. Величина этого градиента зависит от интенсивности теплоотдачи с поверхности. Поверхностный максимум может быть и в случае нестационарного погружения, которое обуславливает появление внутреннего источника тепла за счет гистерезисных потерь в полимере, ввиду его несовершенной упругости.

Из сказанного можно сделать вывод, что температура оказывает различное влияние на разные процессы трибологического изнашивания твердых тел.

II. Приближенные косвенные методы оценки температуры при трении

Из-за отсутствия метода измерения температур твердых тел при трении, который был бы универсален и давал достаточно высокую точность, разработано несколько способов применительно к разным конкретным случаям. предложена классификация методов измерения температуры при резании.

К приближенным оценочным методам относятся:

1)  метод цветов побежалости, когда по виду теплоотдающих поверхностей можно судить о температуре, развиваемой при трении;

2)  способ применения легкоплавких веществ, заключающийся в том, что на поверхность трения наносится порошок вещества, температура плавления которого известна; имея в распоряжении ряд таких веществ, можно приближенно определить исследуемый интервал температур;

3)  прием, основанный на использовании составов, чувствительных к изменению температуры; при этом методе применяются восковые карандаши, термокраски, пигментированные термочувствительными соединениями; погрешность определения температур 5–10%, на что влияет также время воздействия температуры на краску;

4)  метод, при котором о температуре судят по изменению структуры материала пары трения.

Анализируя фазовые превращения, происходящие в результате воздействия температуры, можно косвенно судить о температуре при трении. Например, при трении пары «пластмасса 22 – чугун ЧНМХ» образуется новый промежуточный слой со структурой, соответствующей температурам порядка 1100–1200 °С. Наличие цементитной сетки и крупных цементитных игл характерно для температур порядка 1100-1200 °С на поверхности трения.

В другой фрикционной паре – «пластмасса 6ФП – чугун ЧНМХ» – судят о возникающих вследствие трения температурах по структуре латунной проволоки, входящей в состав пластмассы. Так, на глубине 3 мм от поверхности трения латунная проволока имеет крупнозернистую структуру, характерную для рекристаллизированного материала. Это указывает на то, что температура в данном случае достигала примерно 400 °С. По характеру заполнения латунным слоем трещин в тормозном барабане можно судить, что температура не превосходила температуру плавления.

По структуре поверхностного слоя можно определить не только максимальные температуры поверхности, но и характер распределения их. Например, поверхностный латунный слой, вероятно, имел температуру плавления только в отдельных, локальных местах, так как структура поверхностного слоя неоднородна. Во многих других местах поверхностный латунный слой имел структуру мелкозернистой деформированной латуни; это указывает на то, что в этих местах температура еще не достигла температуры плавления. Таким методом можно определить интервал температур, вызывающих изменение структуры. Исследование процессов трения, протекающих в условиях более низких температур, не дающих фазовых или структурных изменений, требует применения других методов. Использование так называемых «свидетелей», вследствие иных их теплофизических свойств, не приводит к заметному уточнению при определении температуры.

III. Методы, при которых температура непосредственно регистрируется приборами

Метод естественной термопары. В этом случае в качестве элементов термопары используется сама пара трения. Преимуществом метода является малая инерционность.

К недостаткам следует отнести то, что

1)  естественной термопарой измеряется усредненная температура на контакте;

2)  тарирование приходится производить с помощью искусственной термопары;

3)  скачки тока, вызванные как мгновенными вспышками температуры, так и скачками сопротивления в зоне контакта, могут повлечь за собой экстратоки размыкания и завысить результаты измерения;

4)  метод применим только для пары «металл – металл».

предложил измерять температуру своеобразным методом естественной термопары. Этот метод состоит в следующем. Берется одноименная пара трения. На один из элементов пары наносится тонкий слой другого металла. При этом поверхность трения будет являться одним спаем, поверхность сцепления покрытия другим элементом, – другим спаем. При трении в цепи создается термо - э. д. с. Располагая набором образцов с различной толщиной покрытия, можно судить о градиенте температуры. Материал покрытия должен быть износостойким, обладать хорошими термоэлектрическими свойствами, прочно сцепляться с основным материалом.

предложил метод двух контактов, который несколько устранил некоторые недостатки естественной термопары.

Метод определения температуры посредством термометра сопротивления. Полная установка для использования термометра сопротивления должна включать в себя, кроме термометра, состоящего из вольфрамовых проводов (для кожуха применяется платина, медь, никель, железо), источник тока и чувствительное измерительное устройство.

применил термометр сопротивления для определения температуры поверхности трения барабана при испытаниях на тормозном стенде. Термометр сопротивления закрепляется в колодке. Им измеряется лишь некоторая средняя объемная температура.

Метод полуискусственной термопары позволяет достаточно хорошо определять температуру в объеме вблизи поверхности трения. Один из элементов искусственной термопары приваривается или припаивается к данному металлическому элементу пары трения, который сам является вторым электродом.

Этим методом можно измерять температурные градиенты в более тонких слоях материала, так как отверстие сверлится под один провод, а не под два провода и спай термопары. Однако этот метод имеет и существенные недостатки:

1)  трудность тарирования;

2)  изменение тарировок в результате структурных и химических изменений самого испытуемого материала;