Партнерка на США и Канаду по недвижимости, выплаты в крипто
- 30% recurring commission
- Выплаты в USDT
- Вывод каждую неделю
- Комиссия до 5 лет за каждого referral
ЛЕКЦИЯ № 3
План лекции:
1. Адсорбция и хемосорбция.
2. Адсорбционный эффект понижения прочности (эффект Ребиндера).
3. Взаимное контактирование деталей.
4. Взаимное внедрение поверхностей.
5. Механизм изнашивания деталей пар трения и рабочих органов машин.
ПРОЦЕССЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ В ЭЛЕМЕНТАХ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Поверхностная энергия
Поверхностные атомы вследствие свободных связей обладают большей энергией, нежели атомы внутри твердого тела.
Избыток энергии, отнесенный к единице поверхности, называют удельной поверхностной энергией или просто поверхностной энергией.
Полная энергия кристалла состоит из внутренней и поверхностной энергии.
При соприкосновении двух тел поверхностная энергия исчезает и может выделиться в виде теплоты или затратиться на подстройку в кристаллической решетке одного кристалла к другому
Адсорбция и хемосорбция
В результате взаимодействия ненасыщенных силовых полей твердого тела с силовыми полями молекул газа, движущихся к твердой поверхности, или взаимодействия жидкости, соприкасающейся с твердым телом, поверхность последнего покрывается пленкой веществ, содержащихся в окружающей среде: газов, паров воды, обычно находящихся в воздухе, и паров других жидкостей, а также веществ, растворенных в жидкостях и соприкасающихся с поверхностью твердого тела.
Явление образования на поверхности твёрдого тела тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ либо поглощение этих веществ поверхностью тела называют адсорбцией.
Наибольшей способностью к адсорбции обладают поверхностно-активные вещества, т. е. вещества, молекулы которых ориентируются при адсорбции перпендикулярно к поверхности (например, органические кислоты, их металлические мыла, спирты и смолы). Вода проявляет большую адсорбционную активность к резине и антифрикционным пластикам
Молекулы веществ, адсорбированных на поверхности твердого тела, обладают способностью перемещаться по поверхности из областей, где имеется их избыток, в места, где их недостаточно для полного покрытия поверхности. Подвижность адсорбированных молекул зависит от вида адсорбции.
Адсорбция бывает физическая и химическая. При химической адсорбции (хемосорбции) полярные концы молекул, связываясь с поверхностью тела, образуют в ней монослой, сходный с химическим соединением. Подвижность молекул в результате этого сильно ограничивается.
Хемосорбция, в отличие от физической адсорбции, носит избирательный характер; она протекает с большой интенсивностью в местах нарушения регулярности кристаллической решетки (включениями либо "дырками"). Во многих случаях физическая и химическая адсорбция протекает одновременно, но одна из них является преобладающей. Так, имеются основания считать, что адсорбция жирных кислот на металлических поверхностях при нормальной температуре носит в основном физический характер, а при повышенной температуре — химический.
Адсорбированный слой поверхностно-активных веществ является мономолекулярным.
Адсорбционный эффект понижения прочности (эффект Ребиндера)
Поверхностно-активная среда влияет на процессы деформации и разрушения твердых тел, значительно понижая их сопротивляемость деформированию и разрушению в результате физической (обратимой) адсорбции поверхностно-активных веществ из окружающей среды.
Этот эффект был установлен П. А. Ребиндером и назван его именем. Различают внешний и внутренний адсорбционные эффекты.
Внешний адсорбционный эффект происходит в результате адсорбции поверхностно-активных веществ на внешней поверхности деформируемого твердого тела, что вызывает пластифицирование поверхности и снижение предела текучести σт, а также коэффициента упрочнения λ = dσ/dε, где σ — напряжение, ε — деформация (рис. 1).
При внешнем адсорбционном эффекте благодаря адсорбированию слоя поверхностно-активных веществ понижается поверхностная энергия твердого тела, что приводит к облегчению выхода дислокаций.
Молекулы органических кислот и спиртов относительно велики, они не могут проникнуть в трещины и вызывают внешний адсорбционный эффект. Эффект Ребиндера можно также продемонстрировать на примере продавливания стального шарика через сквозное цилиндрическое отверстие в металлическом образце (рис.2). При продавливании шарика избыточный поверхностный слой металла пластически деформируется, образуя наплыв перед шариком. При продавливании шарика без смазочного материала в зону деформации вовлекается значительно больше металла, чем в присутствии активной среды. На рис. 3. показана микроструктура металла в пластической волне при продавливании шарика. Силы продавливания при смазывании парафином в 3 раза меньше, чем в случае отсутствия смазочного материала.
Рис. 1 Зависимость напряжения σ от деформации ε монокристаллов олова: 1 — в чистом вазелиновом масле; 2 — в 0,2%-ном растворе олеиновой кислоты в вазелиновом масле; 60 — предел текучести
Внутренний адсорбционный эффект вызывается адсорбцией поверхностно-активных веществ на внутренних поверхностях раздела — зародышевых микротрещинах разрушения, возникающих в процессе деформации твердого тела. Этот эффект заключается в адсорбции атомов поверхностно-активных веществ на поверхностях микротрещин при деформации разрушения и облегчения их развития в результате снижения работы образования новой поверхности.
Отличительной особенностью эффекта Ребиндера является то, что он проявляется только при совместном действии среды и определенного напряженного состояния. Речь идет об обратимом участии среды.
Рис. 2. Наплыв металла при продавливании шарика без смазочного материала (а) и с окисленным парафином (б) (по данным П. А. Ребиндера) (×3): 1— образец; 2 — пуансон; 3 — шарик; 4 - наплыв
Рис. 3. Микроструктура металла в пластической волне при вдавливании шарика без смазочного материала (а) и с окисленным парафином (б), ×30 (по данным П. А. Ребиндера)
Это принципиально отличает эффект Ребиндера от химических или электрохимических процессов, коррозии или растворения твердого тела в окружающей среде. Эффект может быть вызван не только адсорбцией, но и воздействием жидкости.
Адсорбируемые поверхностно-активные молекулы, стремясь покрыть всю поверхность тела в зоне соприкасания с активной средой, проникают в ультрамикроскопические трещины, мигрируя по их стенкам со скоростями, значительно превосходящими скорость всасывания жидкости в зазор. Когда активные молекулы достигают мест, где ширина зазора равна размеру одной-двух молекул (рис. 4.), адсорбционный слой своим давлением стремится расклинить трещину для дальнейшего их продвижения. Давление на стенки трещины у её вершины может доходить до 10 ГПа.
Рис. 4. Схема адсорбционно-расклинивающего действия полярных молекул смазочного материала: F — давление адсорбированного слоя; Q — расклинивающие силы
Растягивающие напряжения, остаточные или от внешней нагрузки, раскрывают ультрамикротрещины и способствуют проявлению эффекта Ребиндера. Наоборот, при сжимающих напряжениях трещины замыкаются, может даже произойти "самозалечивание" их, и эффект может не проявиться.
Химически неагрессивные, но поверхностно-активные среды снижают предел выносливости материала по сравнению с его величиной в неактивной среде.
Эффект Ребиндера лежит, также в основе облегчения резания пластичных тел (металлов) под влиянием поверхностно-активных компонентов смазочно-охлаждающих жидкостей.
Пленки на металлических поверхностях
Практически все металлы подвергаются окислению. Металлические поверхности в процессе обработки очень быстро покрываются первичной окисной пленкой. Такие пленки обнаруживаются и на благородных металлах. Несмотря на малую толщину, пленка всего в несколько элементарных ячеек кристаллической решетки данной фазы окисла при нормальной температуре приостанавливает дальнейшее окисление. Разрушение поверхностей трения в среде воздуха тоже сопровождается их окислением.
Скорость образования оксидной пленки на поверхности металла исчисляется долями секунды. Так, для возникновения слоя толщиной 1,4 нм достаточно 0,05 с. С увеличением толщины рост пленки замедляется.
Оксидная пленка находится в напряженном состоянии, испытывая растяжение или сжатие 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 её устойчивости, наступают мгновенные смещения, и пленка приобретает пористое (рыхлое) строение.
Взаимное контактирование деталей
Взаимное контактирование деталей происходит на выступах поверхностей на высотах, образованных микронеровностями. При изучении контакта деталей можно выделить:
номинальную площадь контакта, соответствующую номинальным сопрягаемым размерам деталей;
фактическую (физическую) площадь контакта, равную сумме фактических малых площадок соприкасания;
контурную площадь касания, представляющую собой сумму площадок, ограниченных контурами, в которые вписаны области с близлежащими площадками фактического контакта.
Рис. 5 Схема контактирования деталей: а×б — номинальная площадь контакта
Контурные площадки легко обнаруживаются при проверке качества сопряжения деталей на краску — это пятно касания. Для плоских поверхностей, не имеющих отклонений от плоскостности, контурная площадь равна номинальной.
Процесс контактирования поверхностей при статическом нагружении протекает следующим образом. Поверхность воспринимает нагрузку вершинами выступов неровностей на высотах, образуемых макрогеометрическими отклонениями. Здесь располагаются зоны, из которых складывается контурная площадь касания. В контакт первыми вступают противостоящие друг другу на сопряженных поверхностях выступы, сумма высот которых наибольшая. Деформация неровностей и их основ вызывает сближение поверхностей. По мере повышения нагрузки сближение поверхностей увеличивается, и в контакт вступают пары выступов с меньшей суммой высот. Разновременность вхождения в контакт выступов, различающихся по высоте, дифференцирует их напряженное состояние и деформацию.
Возможны следующие виды деформации выступов: упругая; упругопластическая без упрочнения; упругопластическая с упрочнением. При первичном нагружении чисто упругая деформация неровностей возможна только у эластичных тел, например резины; упругая деформация превалирует при контактировании весьма гладких твердых металлических поверхностей. В большинстве случаев первичного нагружения пластической деформации принадлежит ведущая роль в формировании фактической площади контакта. Входящие в касание выступы пластически сплющиваются, чаще всего с внедрением: внедряется более твердый выступ или тот, которому геометрическая форма придает большее сопротивление деформации.
После деформации, даже сильной, шероховатость поверхностей лишь несколько видоизменяется. Малые неровности пластически деформируются по своей высоте в той же пропорции, в какой пластически деформируется материал, лежащий под выступами (рис. 6). Аналогичное явление наблюдалось и у меди, подвергнутой сильному наклепу.
Площадь фактического контакта поверхностей состоит из множества дискретных малых площадок, расположенных на различных высотах пятна
Рис. 6. Косой срез глубокого отпечатка в отожженной меди, показывающий стойкость смятию неровностей поверхностей
касания в местах наиболее полного сближения поверхностей. Между площадками касания тел имеются соединенные между собой или закрытые микрополости, заполненные воздухом или другой газовой средой, смазочным материалом, продуктами износа и т. п.
Площадь фактического контакта составляет от одной десятитысячной до одной десятой номинальной площади касания. Даже при высоких нагрузках площадь фактического контакта не превышает 40% номинальной площади.
Площадь фактического контакта возрастает с увеличением удельной нагрузки, снижении шероховатости поверхности и росте радиуса закругления вершин ее неровностей; она несколько увеличивается при большей длительности действия нагрузки. Эта площадь убывает с увеличением упругих характеристик, предела текучести материала и высоты неровностей поверхностей.
Взаимное внедрение поверхностей
До сих пор мы рассматривали касание поверхностей, погрешности которых обусловлены технологией обработки или износом. Между тем контактирование под нагрузкой поверхностей тел, из которых хотя бы одно поликристаллическое, а у другого однородная поверхность, связано с образованием шероховатости поверхности вследствие неоднородности деформации. Это означает, что будь поверхность с гетерогенной структурой даже идеально гладкой, она, как и сопряженная с ней поверхность, приобретает под нагрузкой шероховатость. Поясним причину.
Технические металлы состоят из большого числа кристаллитов разного состава, ориентировки и формы с линейными размерами обычно от 0,001 до 0,1 мм. Свойства кристаллита, как и монокристалла, отличаются четко выраженной анизотропией, в то время как поликристаллу, у которого любая ориентировка составляющих малых кристалликов равновероятна, свойственна изотропность как результат статистической устойчивости свойств для всех направлений. У монокристалла константы упругости и предел упругости зависят от направления растягивающей силы. Так, модуль продольной упругости Е монокристалла железа изменяется от 284 до 132 ГПа, тогда как для поликристалла Е=210 ГПа, для монокристалла цинка Еmax=123,6 и Еmin=34,3ГПа.
Если поликристаллическому чистому металлу свойственна неоднородность кристаллического строения, то большинство сплавов обладают также неоднородностью различных структурных составляющих по твердости и имеют разную ориентировку кристаллических зерен, выходящих на поверхность. В результате на отдельных площадках фактического контакта, начиная с малых нагрузок, происходит взаимное внедрение твердых составляющих и кристаллов, обращенных к поверхности "сильными" гранями, в менее твердые структурные составляющие и "слабые" грани кристаллов.
Неоднородность металла, вызванная всевозможными включениями, сегрегацией примесей, трещинами, остаточными напряжениями и т. п., благоприятствует взаимному внедрению поверхностей.
Для изнашивания поверхностей трения имеет значение не сам факт изменения их шероховатости, обусловленный неоднородностями строения металлов, а связанное с ним взаимное внедрение поверхностей.
Глубина взаимного внедрения зависит от физико-механических свойств материалов, шероховатости поверхностей и нагрузки.
МЕХАНИЗМ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТРЕНИЯ И РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН
Основные понятия
Пара трения — совокупность двух подвижно сопрягающихся поверхностей деталей (образцов) в реальных условиях службы или испытаний.
Узел трения - узел машины, содержащий пары трения.
Возможен износ поверхностей деталей, не входящих в состав пар трения, например при относительном микросмещении соприкасающихся поверхностей деталей неподвижных соединений.
Изменение размеров и формы детали в результате изнашивания именуют износом. Его выражают в единицах длины, объема или массы.
Интенсивность изнашивания — отношение износа детали (или испытуемого образца) к пути трения или объему выполненной работы.
Скорость изнашивания — отношение износа детали к времени, в течение которого проходило изнашивание.
Износостойкость оценивают величиной, обратной интенсивности или скорости изнашивания.
Предельным износом детали (узла) называют износ, при котором дальнейшая эксплуатация становится невозможной вследствие выхода детали (узла) из строя, неэкономичной или недопустимой ввиду снижения надежности механизма.
Механизм изнашивания металлических поверхностей
Для анализа расчленим процесс изнашивания на три явления: взаимодействие поверхностей трения; изменения, происходящие в поверхностном слое металла; разрушение поверхностей.
Взаимодействие поверхностей может быть механическим и молекулярным. Механическое взаимодействие выражается во взаимном внедрении и зацеплении неровностей поверхностей в совокупности с их соударением в случае скольжения грубых поверхностей. Молекулярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и схватывания. Адгезия не только обусловливает необходимость приложения касательной силы для относительного сдвига поверхностей, но и может привести к вырывам материала.
Схватывание свойственно только металлическим поверхностям и отличается от адгезии более прочными связями. Молекулярное взаимодействие возможно также на участках взаимного внедрения поверхностей. Оно обязательно будет при разрушении масляной пленки.
Изменения на поверхностях трения обязаны деформации, повышению температуры и химическому действию окружающей среды.
Изменения, вызванные деформацией, заключаются в следующем.
1. Многократные упругие деформации из-за несовершенства структуры материала приводят в определенных условиях к усталостному выкрашиванию поверхностей качения, а многократные упругие деформации микронеровностей поверхностей скольжения разрыхляют структуру.
2. Пластическое деформирование изменяет структуру материала поверхностного слоя..
Разрушение структуры—это заключительный этап пластической деформации по мере увеличения силового воздействия при однократном нагружении. Смещение кристаллических зерен сопровождается частичным нарушением сцепления, в результате при возрастании напряжения или многократном их повторении происходит ослабление, разрыхление, а в дальнейшем и разрыв структуры.
3. Пластическая деформация при температуре ниже температуры рекристаллизации приводит к наклепу поверхностного слоя — его упрочнению. Однако у самой поверхности структура несколько ослаблена, микротвердость понижена. Микротвердость достигает максимума на некоторой глубине, далее уменьшаясь до исходной.
4. При сильно отличающихся по твердости структурных составляющих материала и многократном воздействии нагрузки происходит вначале интенсивное изнашивание мягкой основы, вследствие этого повышается давление на выступающие твердые составляющие, они вдавливаются в мягкую основу, некоторые из них дробятся и перемещаются дополнительно под действием сил трения. В результате такого избирательного изнашивания поверхность обогащается твердыми структурными составляющими и приобретает строчечную структуру.
Влияние повышения температуры.
1. Если по условиям службы или в результате трения температура поверхностных слоев выше температуры рекристаллизации металла, то поверхностный слой не наклепывается, а пребывает в состоянии повышенной пластичности (размягчения) — происходит выглаживание поверхности за счет растекания всего металла или только одной составляющей сплава.
2. Высокая температура и пластическая деформация способствуют диффузионным процессам; в итоге возможно обогащение поверхности некоторыми элементами (например, поверхности стали углеродом), коагуляция отдельных структурных составляющих, взаимное диффузионное растворение материалов деталей пар трения.
3. При интенсивном локальном повышении температуры (температурной вспышке) и последующем резком охлаждении поверхности окружающей холодной массой металла на поверхности могут образоваться закалочные структуры. Этому способствует высокое давление (от нагрузки), снижающее температуру, при которой происходят структурные превращения.
4. Пластическая деформация, возможные высокие температурные градиенты и структурные превращения, каждое в отдельности и совместно вызывают напряжения в материале, которые могут влиять на его разрыхление.
Химическое действие среды заключается в следующем.
1. В среде воздуха на обнаженных при изнашивании чистых металлических поверхностях образуются окисные пленки в результате действия кислорода газовой фазы или содержащегося в масле и его перекисях.
2. Металлические поверхности, взаимодействуя с химически активными присадками в масле химических соединений, роль которых аналогична роли окисных пленок. Пленки эффективно защищают поверхность от изнашивания, если скорость их образования превышает скорость изнашивания.
3. Возможно насыщение поверхности углеродом в результате разложения смазочного материала при высокой температуре.
4. Агрессивные жидкости и газовые среды активизируют изнашивание. Очень интенсивно разрушает поверхности водород.
Разрушение поверхностей трения, обнаруживаемое визуально или под микроскопом, происходит в виде отдельных элементарных процессов, сочетание которых зависит от материалов и условий трения. Элементарные виды разрушения поверхностей трения следующие.
Микрорезание. При внедрении на достаточную глубину твердая частица абразива или продукта износа может произвести микрорезание материала с образованием микростружки. Микрорезание при трении и изнашивании проявляется редко, так как глубина внедрения недостаточна для резания при назначаемых нагрузках.
Царапание (пластическое оттеснение). Вдавившийся участок поверхности или частица при скольжении оттесняет перед собой и в стороны и подминает под себя материал, оставляя царапину. Последняя обрывается при выходе внедрившегося элемента из зоны фактического контакта, при раздроблении частицы, ее впрессовывании или уносе за пределы области трения. Повторное царапание по одной трассе с одной и той же интенсивностью в парах трения бывает редко, чаще происходит царапание, при котором зона пластического оттеснения перекрывает ранее образовавшуюся царапину. Поверхность трения покрывается царапинами, расположенными почти параллельно пути скольжения, а между царапинами располагается материал, претерпевший многократную пластическую деформацию, наклепанный и перенаклепанный, т. е. исчерпавший способность пластически деформироваться. При нагружении в таком участке легко образуются трещины, с развитием которых материал отделяется от основы.
Отслаивание. Материал при пластическом течении может оттесняться в сторону от поверхности трения и после исчерпания способности к дальнейшему течению отслаиваться. В процессе течения материал наплывает на окисные пленки и теряет связь с основой. Если при линейном и точечном контакте тел напряжения по глубине слоя больше сопротивления усталости материала, то при работе образуются трещины, приводящие к чешуйчатому отделению материала. Такое явление встречается на закаленных или цементированных деталях. Дефекты металла в виде шлаковых включений, свободного цементита и т. п. и значительные растягивающие остаточные напряжения способствуют отслаиванию.
Выкрашивание — это распространенный вид повреждения рабочих поверхностей деталей в условиях качения. Для выкрашивания характерна произвольная форма язвинок с рваными краями. Могут выкрашиваться: твердые структурные составляющие сплава после того, как износится его мягкая основа; частицы белого слоя; островки основной массы серого чугуна, окаймленные графитовыми включениями; частицы антифрикционного металлического слоя при усталостных повреждениях; твердые окисные пленки (на железоуглеродистых и алюминиевых сплавах); частицы металлизационного покрытия и др.
Непосредственно выкрашиванию предшествует образование и развитие трещин, ограничивающих малые единичные объемы от остального материала. Таким образом, трещинообразование является составной частью процесса выкрашивания, а также отслаивания. Трещинообразование из-за термических напряжений может охватить значительную площадь и на определенной стадии развития трещин может даже служить браковочным признаком, поэтому оно должно рассматриваться как особый вид повреждения поверхностей трения.
Глубинное вырывание возникает при относительном движении сцепившихся тел, когда образовавшийся вследствие молекулярного взаимодействия спай прочнее одного или обоих материалов. Разрушение происходит в глубине одного из тел. Поверхности разрушения у пластичных материалов представляют собой выступающие вытянутые по направлению движения гребни и суживающиеся в глубь материала конусы. Прилегающие к местам вырывов участки пластически деформируются в большей или меньшей степени. Вырванный материал остается на сопряженной поверхности. Это одна из причин переноса материала при трении. Может наблюдаться процесс схватывания отдельных составляющих сплава, остальные составляющие уносятся в смазочный материал или уходят из зоны трения.
Описанный механизм отражает процессы изнашивания независимо от вида трения и режима смазки. Даже в режиме трения при жидкостной смазке, нарушаемом в отдельных участках поверхности, изнашивание протекает как при трении без смазочного материала и трении при граничной смазке. В рабочих органах машин процесс изнашивания может быть расчленен так же, как в парах трения, на те же элементарные акты разрушения. В отличие от пар трения инструмент, рабочие органы машин в каждый момент времени взаимодействуют с новыми поверхностями обрабатываемого материала.
Можно было бы полагать, что износ увеличивает силу трения. Однако это происходит не всегда. Если с повышением интенсивности изнашивания наблюдается увеличение коэффициента трения, то это, как уже отмечалось, является следствием изменения в контактном взаимодействии поверхностей в результате износа. Так, увеличение шероховатости поверхностей в результате износа приводит к их взаимному внедрению.
Аналогично можно сказать и о влиянии переноса материала на силу трения. Не всякий перенос может увеличить силу трения. Перенос стали на хром, стали на сталь, бронзы на сталь увеличивает силу трения; при ИП сила трения не увеличивается, при переносе олова, выделяющегося из антифрикционного материала, на сталь или полимерного материала на сталь коэффициент трения не возрастает.
Вопросы для самостоятельного изучения:
1. Усталость при изнашивании металлических поверхностей.
2. Влияние реверсивного трения на изнашивание.
3. Механизм изнашивания полимеров и резины.
4. Стадии изнашивания пар трения.
5. Распределение износа между деталями.
6. Влияние электрического тока на износ.
7. Влияние вибрации на изнашивание деталей.
Литература:
1. Д. Н. Гаркунов. ТРИБОТЕХНИКА. ИЗНОС И БЕЗЫЗНОСНОСТЬ
Основные порталы (построено редакторами)