Задачи по химмотологии и физикохимии Горюче-смазочных материалов (стр. 1 )

РОСЖЕЛДОР

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения»

(РГУПС)

Задачи по химмотологии и физикохимии

горюче-смазочных материалов

Учебное пособие

Ростов-на-Дону

2008

УДК 621.89.012 : 53 : 54 (07) + 06

Челохьян, А. В.

Задачи по химмотологии и физикохимии горюче-смазочных материалов : учеб. пособие / , , ; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2008. – 44 с. : ил. Библиогр. : 6 назв.

В учебном пособии изложен материал для изучения таких дисциплин, как «Химмотология» и «Физикохимия горюче-смазочных материалов». Приведена теория по каждому из рассмотренных вопросов, предложены задачи с индивидуальными вариантами начальных условий. 

Пособие может быть использовано для самостоятельной подготовки студентов технических специальностей, а также применяться на практических занятиях.

Рецензенты: канд. техн. наук, доц. (МГУТиУ); канд. техн. наук, доц. (РГУПС)

Учебное издание

Задачи по химмотологии и физикохимии горюче-смазочных материалов

Учебное пособие

Артамонов

Техническое редактирование и корректура

Подписано в печать  03.10.2008. Формат 60×84/16.

Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 2,53.

Уч.-изд. л. 2,42. Тираж 100 экз. Изд. № 000. Заказ № 

Ростовский государственный университет путей сообщения.

Ризография РГУПС.

Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2

@Ростовский государственный университет  путей сообщения, 2008

Содержание

Введение

1 Дефекты в кристаллах металлов

2 Изнашивание металлических поверхностей при трении

3 Термическая устойчивость твердых смазочных материалов

4 Толщина слоя твердого смазочного материала

5 Самовоспламенение топлива в двигателях внутреннего сгорания

6 Окисление нефтяных смазочных масел

7 Октановое число бензина

8 Пенообразование в гидравлических жидкостях

Библиографический список

Введение

Учебное пособие предназначено для изучения основ химмотологии и физикохимии горюче-смазочных материалов студентами старших курсов технических специальностей РГУПС.

Дисциплины «Химмотология» и «Физикохимия горюче-смазочных материалов» в соответствии с Государственным образовательным стандартом специальностей рассчитаны на проведение в течение одного семестра. Дисциплины состоят из лекций и практических занятий, что предполагает выполнение студентами индивидуальных заданий и решение поставленных задач.

Данное учебное пособие содержит теоретический материал, методику расчетов и указания к их проведению. Оно может быть использовано для организации и повышения эффективности самостоятельной работы студентов. После каждого раздела предлагаются к решению задачи по соответствующей тематике (по индивидуальным вариантам). Условия задач тесно связаны с инженерной тематикой, исходные данные являются реальными значениями (физическими, химическими, термодинамическими характеристиками топлив и смазочных материалов).

Данный материал позволит частично восполнить дефицит учебно-методической литературы по специальным разделам химии.

1 Дефекты в кристаллах металлов

Пластические деформации в металлах являются одним из наиболее распространённых видов нарушения формы металлических изделий и в конечном итоге могут приводить к их разрушению. Эти деформации происходят с участием различных структурных дефектов кристаллической структуры металлов. Главную роль здесь играют линейные структурные дефекты – краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация представляет собой отсутствие продолжения одной из кристаллических плоскостей внутри кристаллической решётки металла (обрыв плоскости вдоль некоторой линии). Винтовая дислокация является закручиванием кристаллической решётки кристалла вокруг оси винтовой линии так, что с каждым поворотом на 360є структура решётки поднимается или опускается на один параметр решётки. Реальные дислокации представляют собой комбинации краевых и винтовых дислокаций. Оба вида дислокаций могут случайно перемещаться внутри кристалла за счёт теплового движения, а под действием внешних механических нагрузок их направленное перемещение обусловливает пластическую деформацию металлов.

Немаловажную роль в прочностных свойствах металлов играют точечные дефекты их кристаллических структур. Среди таких дефектов наиболее существенны вакансии, представляющие собой отсутствие атома в узле кристаллической решётке и лишний атом в пространстве междоузлий решётки (дефекты по Шоттки). При повышенных температурах вакансии начинают играть важную роль в процессах диффузии внутри металлов и способствуют пластическим деформациям. Формально появление краевых дислокаций можно рассматривать как результат конденсации вакансий внутри кристалла вдоль некоторой линии, проходящей через узлы кристаллической решётки, с последующим раздвижением (переползанием) двух разделённых кристаллических полуплоскостей друг от друга. Так могут появиться две краевые дислокации. Точечные дефекты могут находиться в термодинамическом равновесии с остальной упорядоченной частью кристалла металла. 

Рассмотрим равновесие дефектов по Френкелю. Пусть кристаллическая  решетка состоит из атомов А. Обозначим атом в узле кристаллической решетки  АА, а в  междуузлии – Аi. Равновесие дефекта по Френкелю можно представить схемой:

AA↔Ai+VA         (1)

где VA – вакансия в кристаллической решетке на месте удаленного атома А.

Такое превращение является следствием теплового движения атомов и требует затраты энергии, поэтому образующиеся точечные дефекты имеют избыточную энергию.

Опытные данные показывают, что для большинства металлов энергия образования вакансий  EV коррелирует с их температурой плавления:

EV  = 9 · k · Tпл, (2)

где k – постоянная Больцмана (1,38·10Дж/К);

Тпл –  температура плавления  металла, К.

Известно, что изменение энергии Гиббса ДG характеризует глубину протекания процессов в термодинамической системе. В рассматриваемом случае термодинамическая функция ДG кристалла металла зависит от концентрации вакансий CV:

ДG = EV  · CV, (3)

где ЕV – энергия образования вакансий.

Концентрацию вакансий при механической обработке металлов можно упрощенно оценить, измеряя изменение энергии Гиббса, величина которой зависит от электродвижущей силы гальванической пары, соединяющей необработанный и обработанный участки металла, имеющих различное значение электродных потенциалов:

ДG = е · n · F,

где е – электродвижущая сила, В;

n – число электронов, участвующих в процессе;

F –  число Фарадея (96500 Кл/моль).

Следовательно, изменение энергии Гиббса в процессе пластической деформации с учетом формул (2, 3) можно выразить уравнением:

ДG = CV · 9KT. (4)

В парах трения образуются сдвиговые напряжения на выступах шероховатостей трибоповерхностей. В этом случае большую роль играет твердость контактирующих тел: выступы более твердой поверхности внедряются в более мягкую. Следствием является разрушение выступов шероховатостей, то есть необратимые пластические деформации поверхностей трения. Процесс скольжения одних частей твердых тел относительно других начинается в местах нарушения структуры кристалла – дислокациях – и распространяется по плоскости сдвига.

В местах дислокаций скапливается почти вся энергия, поглощенная металлом при деформировании. Накопление энергии в поверхностных слоях металла со временем вызывает его разрыв.

Стремление дефектных структур к минимуму энергии при внешних механических воздействиях вызывает разветвление, расщепление и слияние вакансий. Эти явления могут привести к образованию полого ядра, являющегося зародышем микротрещин. В процессе трения механическое воздействие на металл осуществляется периодически, при этом трещины разрастаются и происходит усталостное изнашивание металла.

Задание

1 Вычислите концентрацию вакансий при различных видах механической обработки металла по приведенным экспериментальным данным (табл. 1).

2 Определите концентрацию вакансий (CV) в процессе механической обработки металла (изгиб, прокат), используя данные таблицы 1. Объясните причины усталостного изнашивания металла.

3 На основании расчетов сделать вывод, какой вид обработки металлов вызывает наибольшие искажения кристаллической решетки? При решении задачи следует использовать формулы (3), (4).

Таблица 1

Номер задачи	Металл	t  пл, Сє	е, В
Вид обработки
Изгиб	Прокат
1	Никель	1455	12·10-4	6·10-8
2	Медь	1356	28·10-3	24·10-9
3	Железо	1539	10·10-10	12·10-11
4	Свинец	237	18·10-9	9·10-13
5	Олово	232	6·10-5	7·10-12
6	Хром	1890	7·10-14	11·10-13
7	Кобальт	1497	6·10-10	10·10-14
8	Серебро	962	4·10-4	1·10-8
9	Алюминий	660	10·10-6	8·10-7
10	Марганец	1245	15·10-8	2·10-10

2 Изнашивание металлических