Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция №1 (2ч). Введение. Цели и задачи курса. Основные понятия и определения. Основные этапы развития трибологии и триботехники. Применение трибологии в практике

1.1 Введение в трибологию

Отчего выходят из строя машины? Прежде всего, из-за поломок, вызванных малой прочностью материалов, коррозией. Но, во-вторых, конечно же, вследствие износа. Регулирование процессов трения и изнашивания в машинах составляет серьезную научно-техническую проблему.

Цель преподавания дисциплины

Триботехника (трибология) является одной из важнейших инженерно-физических дисциплин, которая изучает контактное взаимодействие тел при их относительном перемещении. Знания, полученные при ее освоений, являются основополагающими в познании механики и физики движения, в расчетах и при конструировании многих узлов машин, приборов и механизмов, создании современных материалов. Поэтому главной целью преподавания названной дисциплины является изучение современной трибологической информации и увязка её с предыдущими общенаучными знаниями и будущими дисциплинами фундаментального и прикладного характера, читаемыми в Гродненском государственном университете на факультете инновационных технологий машиностроения.

Задачи изучения дисциплины

В процессе изучения дисциплины необходимо выполнить следующие задачи:

овладеть основами теории трения и изнашивания;

получить знания в области экспериментальных оценок физико-химических, механических и фрикционных свойств трибоповерхностей;

ознакомиться с современными расчетно-конструкторскими и технологическими методами управления трением и снижением износа;

научиться анализировать, обобщать и использовать в исследованиях и приложениях современную трибоинформацию.

Место дисциплины в учебном процессе

Учитывая, что трибохимические процессы представляют собой особый вид физико-химических реакций, сочетающих химические, тепловые, электрические, механические превращения, для глубокого усвоения студентами курса необходимы фундаментальные знания по физике, в частности, по физике твердого тела; химии, в т.ч. химии высокомолекулярных соединений, органической и физической; математике; сопротивлению материалов, теории машин и механизмов; теоретической механике.

Этот курс не только тесно связан с общеобразовательными фундаментальными курсами университетской подготовки, но является логически их суммой, которая позволяет специалисту целенаправленно решать не только прикладные, но и научно-исследовательские проблемы триботехники. Таким образом, цель изучения курса "Основы трения и износа" заключается в подготовке специалистов в области триботехники в рамках специальности Т. 03.02. - "Технология и оборудование высокоэффективных процессов обработки материалов" с квалификацией "инженер-механик".

Содержание дисциплины

Курс "Триботехника" включает:

лекционные часы

практические занятия

лабораторные работы.

В ходе изучения курса будут рассмотрены следующие основные разделы:

Введение

Природа и механизмы трения и изнашивания

Использование научных знаний в прикладной трибологии

Экологические и информационные проблемы трибологии

1.2 Основные понятия

Трибология или трибоника - наука о трении, износе и смазке, взаимодействии контактирующих твердых тел при их взаимном перемещении. Этот термин предложен английским ученым Питером Джостом, который употребил его в своем докладе председателя специальной комиссии Министерству образования и науки Великобритании 9 марта 1966 года. В последующие 42 года трибология развивается как самостоятельная, имеющая фундаментальное и большое практическое значение научная дисциплина. Какие же есть основания для такого признания?

Во-первых, применение трибологических знаний при конструировании и эксплуатации машин дало большую денежную экономию уже в первые годы развития трибологии. Это связано со следующим. Изнашивание при трении обуславливает огромные капиталовложения, которые идут на ремонт и изготовление запчастей. Примерно треть всех металлорежущих станков и каждый четвертый рабочий заняты ремонтом машин. Стоимость работающих машин постоянно уменьшается за счет амортизационных отчислений. На ремонт тракторов и изготовление запчастей к ним затрачивается впятеро больше производственных мощностей, чем на выпуск новых тракторов. Есть области техники, развитие которых зависит прямо от уровня решения проблем трения и износа. Так, при бурении нефтяных и газовых скважин глубиной более 5 км 90% времени расходуется на спускоподъемные операции, обусловленные необходимостью замены изношенного бурильного инструмента.

Во-вторых, основанием для всеобщего признания трибологии в последние годы стало возрастающее значение глобальных проблем человечества. Великий русский ученый П.Л. Капица (выдающейся физик, Нобелевский лауреат, ученик Э. Резерфорда) в 50-60 годы высказал мнение, что рост материальной культуры человечества и увеличение численности населения земного шара вызовут в природе необратимые изменения, опасные для существования людей. Устранение последствий этих изменений представляет собой ряд проблем, названных глобальными, т.е. всеобщими, охватывающими весь земной шар. Это - сырьевая, энергетическая и экологическая проблемы. Истощение природных ресурсов, использование которых определяет уровень цивилизации и благосостояние человечества, составляет важнейшую глобальную проблему. До сих пор важнейшим источником сырья в энергетике остаются горючие материалы -- уголь, нефть, газ и др. Если потребление угля сохранится на нынешнем уровне, его запасов хватит примерно на тысячу лет. Если же потребление энергии будет расти с приростом на уровне 20-го столетия, запасы угля будут исчерпаны за 100-150 лет, даже если численность населения сохранится прежней. Еще более глубокий кризис можно предвидеть по другим видам сырья.

Энергетическая проблема тесно связана с сырьевой. Необходимость экономии энергии каждый из нас ощущает на бытовом уровне.

Экологическая проблема порождена ростом параметров технологических процессов, которые при современном уровне цивилизации стали соизмеримы с природными. Это привело к изменениям состава воды, воздуха, почвы, нарушившим существовавшее до сих пор в природе биологическое равновесие.

Значение трибологии как средства ослабления глобальных проблем очень велико. КПД большинства машин далек от 50%, прежде всего, из-за потерь на трение (“рекордсменом“ по этому показателю является паровоз с КПД около 6%). Используя достижения трибологии, можно экономить материалы, уничтожаемые изнашиванием. Связь трибологии с экологической проблемой поясняют такие примеры, Изношенный двигатель внутреннего сгорания по сравнению с исправным на 25-30% повышает степень загрязнения атмосферы выхлопными газами. Разгерметизация промышленных установок, содержащих подвижные уплотнения, чрезвычайно опасна для окружающей среды. Важное социальное значение имеет разработка искусственных органов человека, содержащих узлы трения - эндопротезы (т.е. вживляемые протезы) суставов, клапаны сердца, искусственные почки и т.д. Снижение порожденных трением шума и вибраций машин способствует сохранению здоровья миллионов работающих людей.

И еще о трении. Трение никогда не проявляет себя самостоятельно, как, например, движение электрических зарядов или сила тяжести. По фундаментальным физическим причинам это -- навязчивый, почти неизбежный спутник множества окружающих нас явлений, в первую очередь, перемещения тел в окружающей среде. Поэтому трение тайно или явно присутствует повсюду, накладывая отпечаток на все виды деятельности человека. Передвижение с помощью колес, весел, пешком возможно благодаря трению. Гололед и отказ тормозов -- это снижение силы трения. Электризация порошков, волокон, пленок порождена трением. То, что трение сопровождается выделением теплоты, позволило людям на заре цивилизации добывать огонь. Нагрев деталей при трении о воздух превратился в кошмар для создателей сверхскоростных самолетов и космических кораблей. Любой крупный практический успех трибологии всегда сопровождался революционными изменениями в технике. Примерами могут служить древнее изобретение колеса, создание специальных методов обработки поверхностей трения, использование новейших типов смазок и подшипников.

Ряд понятий, относящихся к трению, стандартизирован ГОСТ 27674-88, который включает около 100 терминов. Ниже расшифрованы те из них, которые будут упоминаться до изложения основного курса.

Внешнее трение или просто трение -- сопротивление относительному перемещению двух соприкасающихся тел, которое возникает в зонах их касания и действует в плоскости соприкосновения.

Внутреннее трение -- явление сопротивления относительному перемещению частей одного и того же тела.

Изнашивание -- процесс отделения материала с поверхности твердого тела при трении и (или) накопления его остаточной деформации, что проявляется в постепенном изменении размеров и (или) формы.

Износ -- результат процесса изнашивания.

Пара трения -- система из двух элементов, соприкасающиеся поверхности которых перемещаются друг относительно друга. Один из них называют материалом трения, другой -- контртелом.

Материал трения -- материал, используемый для работы в условиях трения.

Контртело -- элемент пары трения, работающий совместно с материалом трения.

Поверхность трения -- поверхность, участвующая в трении.

Смазочный материал -- материал, вводимый на поверхность трения для уменьшения износа, повреждений поверхности и (или) силы трения.

Сила трения -- сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы. Она направлена по касательной к общей границе между телами.

Триботехника -- прикладной раздел трибологии, который охватывает конечную стадию создания узлов трения. Принципы триботехники находят отражение в методах расчета, конструирования, изготовления, смазки и эксплуатации узлов трения.

1.3 Исторический очерк. Основные этапы развития трибологии и триботехники

Не следует думать, что наука о трении началась с П. Джоста. Более 2 тыс. лет назад Аристотель в механике подлунных (т.е. земных) тел писал о сопротивлении внешней среды движению тел. Однако никаких даже простых расчетов с помощью его механики сделать было нельзя. На рубеже XVI и XVII веков Галилео Галилей (1564-1642) открыл закон инерции и показал, что сопротивление перемещению оказывает масса тела, а в условиях равномерного движения -- только сила трения. Он впервые четко разграничил два принципиально различных вида сопротивления тел перемещению: сопротивление, связанное с инерцией тела, и сопротивление, обусловленное трением. Трение и износ в машинах впервые стал учитывать Леонардо да Винчи. Он -- автор первых конструкций подшипников качения, скольжения и зубчатых передач. Описание изобретений Леонардо от приводных механизмов до пулемета и летающих машин отражает целую эпоху в развитии техники.

В 1699г. Г. Амонтон (1663-1705) открыл закон линейной зависимости трения от нагрузки F= f N, где F - сила трения, N - нагрузка по нормали к поверхности трения, f- коэффициент трения. При видимой простоте этот закон нетривиален. Из него следует независимость силы трения от площади поверхности трения. Т.е. трение кирпича, передвигаемого по плоскому основанию, одинаково, положим ли его плашмя, повернем на бок или поставим на торец. Физический смысл этого закона остается предметом дискуссий и в наши дни. В 1750 году Леонард Эйлер (1707-1783) установил закономерности трения при равноускоренном скольжении. Он первый отметил, что сила трения при переходе пары трения от состояния покоя к движению всегда больше, чем сила трения при скольжении.

Создателем науки о трении считают французского физика Шарля Кулона (1736-1806). В 1781 году за работу в области трения он был удостоен премии Французской Академии наук. Это тот самый Кулон, который установил законы электрического и магнитного воздействия и заложил основы современной электростатики. Он изучил три основных аспекта трения: сопротивление скольжению, качению и страгиванию. При постановке опытов он исходил главным образом из практических задач, связанных с запросами флота: спуск судов по стапелям, определение сил трения в талях и других такелажных системах, сопротивление вращению стрелки компаса на острие и т.д. Переход механической энергии в тепло в те времена никого (в том числе и Кулона) не интересовал. Да и самого понятия “энергия” еще не существовало. Задачи ставились практические: при перетаскивании тяжестей нужно было определить суммарное усилие, а затем потребное количество людей и лошадей. Кулон уточнил закон Амонтона и предложил двучленный закон трения, а также установил закономерности страгивания в зависимости от продолжительности статического контакта. Двучленный закон Кулона имеет вид: F = fN+A, где, А учитывает сцепляемость поверхностей трения. Кулон обладал наблюдательностью ученого и практицизмом инженера. Он первым понял, что трение обусловлено множеством факторов, учесть которые можно лишь приближенно, опираясь на эмпирические соотношения.

Превращение механической энергии трения в теплоту было описано Бальяни в письме к Галилею в 1614 году. Он отметил, что при трении погруженного в воду быстро вращающегося металлического диска о стенку железного сосуда вода закипала. Однако этот опыт до середины XIXв. оставался неизвестным. М.В. Ломоносов (1711-1765) изучал тепловые явления при трении, используя наждачный круг, который терся о плоское контртело, закрепленное на рычажной системе нагружения (1754 г.). Первым человеком, по настоящему понявшим, что механическая энергия при трении не исчезает, а превращается в теплоту, был Б. Томпсон (1753-1814), известный в истории науки под именем графа Румфорда. Он занимался сверлением пушечных стволов и ставил опыты, в которых обрабатываемую тупым сверлом заготовку помещал в воду. Спустя некоторое время вода закипала. В докладе королевскому обществу Лондона он писал: “Источник тепла, возникающего при трении в этих опытах, является, по-видимому, неисчерпаемым”. Это казалось по тем временам совершенно неожиданным.

Эта проблема в современном виде была решена в середине XIXв., когда в 1842 году Роберт Майер (1814-1878) и в 1843 году Джеймс Джоуль (1818-1889) выдвинули принцип эквивалентности механической энергии и теплоты, а в 1847 году Герман Гельмгольц (1821-1894) ввел фундаментальное понятие энергии и сформировал закон ее сохранения в наиболее общем виде. Позднее немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888) заложил основы механической теории теплоты и ввел понятие энтропии. Этот термин имеет важное значение для понимания природы трения и его места в физической картине мира. Физический смысл этого поначалу таинственного понятия раскрыл в конце XIXв. создатель статической термодинамики Людвиг Больцман (1844-1906). Он показал, что энтропия - степень неупорядоченности системы. В обычных условиях возможностей для перехода изолированной системы (в частности узла трения) к беспорядку всегда больше, чем вариантов, при которых система упорядочивается или хотя бы сохраняет прежнее состояние. В этом состоит важнейшее для трибологии следствие 2-го закона термодинамики -- одного из наиболее общих законов природы.

Далее важнейшие события в истории трения таковы. В 1804 году Лесли выдвинул гипотезу о рассеянии энергии при трении в результате необратимого деформирования неровностей на поверхностях трения. Ранее (1734) Дезагюлье обнаружил схватывание при трении металлических полированных образцов. Спустя полтора столетия Леон Брилюэн (1889-1969) показал возможность рассеяния энергии при трении в результате образования и разрыва адгезионных связей (адгезия - прилипание, сцепление). Так обрела физическую основу адгезионная теория трения.

Уже в наше время идея рассеяния (диссипации) энергии при обмене адгезионными связями между поверхностями трения была развита в различных теориях трения В.Д. Кузнецовым (1887-1963). Эти теории подвергались критике из-за того, что не объясняли многочисленных отклонений от закона Амонтона. Однако техника эксперимента 30-х годов не позволяла осуществить их прямую проверку. Методы исследования, развивавшиеся в 50-60-е годы, позволили тщательно изучить рельеф и микроструктуру поверхностей трения. Это были годы становления молекулярно-механической теории трения, которая создана усилиями И.В. Крагельского (1908-1989), английских трибологов Ф. Боудена и Д. Тейбора. По И.В. Крагельскому сила трения слагается из двух составляющих: сопротивления, обусловленного деформацией материала при внедрении неровностей, а также сопротивления адгезионных связей разрыву.

Режим трения определяется отсутствием или наличием смазочной прослойки между элементами пары трения. В последнем случае устанавливается жидкостная смазка, подчиняющаяся законам гидродинамики. Родоначальниками теории жидкостной смазки являются русский инженер Н.П. Петров (1836-1920) и английский ученый Оскар Рейнольдс (1842-1912). Сейчас на основе этой стройной теории можно рассчитать толщину масляного слоя и прогнозировать режимы трения. В ее создание внесли вклад Н.Е Жуковский (1817-1921), С.А. Чаплыгин (1869-1942), М.В. Коровчинский и др.

Закономерности трения при недостатке смазочного материала раскрыты в трудах Ф. Боудена, Б.В. Дерягина, нашего современника Р.М. Матвеевского и др. Ряд пар трения работает без смазки. “Сухому” трению посвящены работы М.М. Хрущева, И.В. Крагельского, С.Б. Айнбиндера и др.

В процессе трения детали изнашиваются, что приводит к постепенному отказу пар трения. Закономерности изнашивания рассмотрены в трудах М.М. Хрущева, И.В. Крагельского, Б.И. Костецкого, А.В. Чичинадзе, Н.Б. Демкина и др.

Заметный вклад в трибологию внес В.А. Белый (1922-1994) -- основатель белорусской трибологической школы, работы которого, посвященные трению полимеров, известны во всем мире.

1.4 Применение трибологии в практике

Во времена президентства Картера правительство США определило шесть базовых технологий, одной из которых была трибология. Она до сих пор считается в США дисциплиной, в которую целесообразно вкладывать деньги, т.к. работа пар трения определяет возможность контроля за надежностью и ресурсом всех энергетических систем. Финансирование проектов по трибологии заложено в бюджеты министерств энергетики, транспорта, информатики и др. В США действует шесть трибологических обществ.

Авторитет отечественной школы трибологии очень высок. Книги И.В. Крагельского, А.В. Чичинадзе, Б.В. Дерягина изданы на нескольких языках. В СНГ издается журнал “Трение и износ”, основателем и первым редактором которого был В.А. Белый. Редакция журнала находится в Гомеле. В Беларуси создано общество трибологов, и впервые в СНГ была принята государственная научно-техническая программа “Триботехника”.

В Германии Министерство научных исследований оплачивает проекты по обработке поверхностей, изнашиванию, созданию триботехнических материалов уже 15 лет. Трибологическое общество Германии имеет консультативные пункты во многих городах. Организации трибологов, издающие специализированные научные журналы, имеют государственную поддержку в Японии, Англии, Франции и в других странах. Действует Международный трибологический совет, вице-президентом которого был В.А. Белый.

Применение достижений трибологии на практике связано с развитием всех форм трибологического образования. Если принципы и практические приложения трибологии освоят только специалисты, работающие сейчас в промышленности, то когда эти люди уйдут на пенсию, знания будут утеряны. Поэтому трибология стала частью системы образования. Она изучается в технических вузах, по специальности “Трение и износ в машинах” в странах СНГ защищаются кандидатские и докторские диссертации. Аналогичные системы трибологического образования действуют во всех развитых странах мира.

К 60-м годам прошлого столетия трибология сформировалась как единая научная дисциплина, имеющая самостоятельные области исследования, такие как контактная механика трения, материаловедение, теория смазки, контактная гидродинамика, теория изнашивания.

Лекция №2 (4ч). Механика фрикционного контакта

2.1 Свойства поверхности деталей

Поверхность -- граница раздела твердого тела и жидкости или газа или двух твердых тел, отличающихся химическим составом или физической структурой. Поверхность является неотъемлемой частью твердых тел и часто определяет эксплуатационные свойства материалов и конструкций. Представления о поверхности входят во многие научные дисциплины, лежат в основе связанных с трением технологических процессов и других технических приложений трибологии.

Основные понятия

Поверхность детали -- условное название поверхностного слоя детали, который по строению и физико-химическим характеристикам отличается от материала внутренней части детали.

Трение часто является следствием действия сил адгезии. Адгезией называют поверхностное явление, связанное с возникновением сцепления между атомами и молекулами поверхностных слоев контактирующих тел,. Преодоление сил адгезии поверхностей двух контактирующих поверхностей тел происходит в момент начала их взаимного перемещения.

Адсорбцией называют изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Различают два вида адсорбции: физическую адсорбцию и активизированную или хемосорбцию.

В кристаллической решетке большинства металлов каждый атом находится в координационной связи с 12 соседними атомами, а на поверхности -- только с 6-тью. Ненасыщенные связи атомов поверхностного слоя обуславливают поверхностную энергию -- избыток потенциальной энергии вещества у поверхности какого-либо тела по сравнению с энергией в объеме вещества. Поверхностная энергия характеризует активность атомов поверхностного слоя, ее величина пропорциональна величине поверхности раздела фаз.

Избыточная поверхностная энергия предопределяет также химическую активность поверхности твердого тела. Поэтому поверхность твердых тел при нормальных условиях никогда не бывает “чистой”, а всегда покрыта продуктами коррозии, адсорбированными пленками и другими загрязнениями. Получить чистую поверхность твердого тела очень сложно. В атмосфере свежеобразованная поверхность твердого тела покрывается монослоем адсорбированного газа примерно за сотые доли секунды. В вакууме при давлении р=10^-4Па это время удлиняется до 1с. Дальнейшая откачка (р =10^-8Па) лишь увеличивает это время до нескольких часов.

Поверхность детали характеризуют геометрическими и физико-химическими параметрами. Они в основном определяются природой материала, из которого сделана деталь, и технологическим процессом ее обработки. Состояние поверхности влияет на эксплуатационные свойства детали: сопротивление усталости, износостойкость, стойкость к коррозии, прочность и др.

Геометрия поверхности

Детали машин изображают на чертежах в виде элементов, ограниченных поверхностями определенной геометрической формы. Реальные детали машин имеют отклонения от идеальной формы, изображаемой на чертежах. Эти отклонения называют погрешностями. Погрешности поверхности по критериям причин их образования и методов измерения подразделяют на макрогеометрические погрешности, волнистость и шероховатость.

Макрогеометрические погрешности -- это отклонения формы поверхности от заданной. Например, цилиндрические детали могут иметь отклонения контура цилиндра от окружности (овальность, огранка), непараллельность образующих оси цилиндра (бочкообразность, конусность), криволинейность оси и т.д. Такие погрешности возникают из-за неточностей станка, плохой установки заготовок, износа инструмента и т.д.

Волнистость -- характеристика поверхности, определяемая совокупностью регулярно чередующихся и близких по размерам возвышений и впадин, которые образуются при механической обработке материалов из-за неравномерности усилий воздействия инструмента и колебаний в системе станок - инструмент - изделие.

Рис 1.1 Схема волнистой поверхности

Различают (рис. 1.1) продольную и поперечную волнистости -- вдоль и поперек движения обрабатывающего инструмента. Параметрами волнистости являются: высота (Н _В или Н_О ) и шаг (L_В или L_О) волн.

Причинами волнистости могут быть искажения формы фрезы или шлифовального круга, погрешности движения инструмента или изделия, в частности, дисбаланс шлифовального круга.

Шероховатость -- совокупность микронеровностей поверхности. Шероховатости имеются на самых гладких поверхностях твердых тел: на поверхности, образующейся при расщеплении слюды -- высотой до 2нм, на кристалле кварца -- 10нм, на чисто обработанных стальных деталях машин -- 0,05-0,1мкм, а на грубо обработанных до 100-200мкм. Микронеровности, характеризующие шероховатость, и имеют размеры меньшие, чем волнистость, и располагаются на волнистой поверхности.

Если рассечь деталь плоскостью, перпендикулярной идеальной геометрической поверхности детали, образуется профиль, характеризующий микрогеометрию поверхности детали. Профилограмма поверхности -- графическое изображение профиля по результатам измерения шероховатости. Поверхность в каждой точке можно рассечь множеством нормальных плоскостей. Поэтому шероховатость связывают с тем или иным направлением сечения. Например, шероховатость поверхности детали, обработанной резанием, называют продольной в направлении главного движения инструмента и поперечной -- в направлении подачи.

Параметры шероховатости

ГОСТ 2789-73 предусматривает оценку шести параметров шероховатости: трех высотных (R_z, R_a, R_max), двух шаговых (S и S_m) и относительную опорную длину профиля t_р.

Изобразим профилограмму (рис. 1.2.) и введем такие обозначения.

Базовая линия -- линия, относительно которой определяются параметры профилограммы. Базовая длина l -- длина базовой линии, используемой для выделения неровностей. Средняя линия профиля расположена на профилограмме так, чтобы площади, ограниченные контуром профиля, по обе стороны от нее были равны, т.е.:

или (1.1)

Линии выступов и впадин параллельны средней линии и проходят через самую высокую и самую низкую точки профиля.

R_a -- среднее арифметическое абсолютных значений отклонения профиля от средней линии в пределах базовой длины l:

или (1.2)

где y_i -- расстояние от некоторой точки профиля до средней линии.

R_z -- среднее арифметическое суммы абсолютных значений высоты пяти наибольших впадин в пределах l:

(1.3)

где Н_imax и H_imin -- высота и глубина наибольших i-тых выступов и впадин.

R_max - наибольшая высота неровностей профиля, т.е. расстояние между линиями выступов и впадин в пределах базовой длины.

S -- средний шаг выступов профиля, т.е. среднее значение шага Si выступов профиля в пределах L:

(1.4)

S_m -- средний шаг неровностей профиля, т.е. среднее значение шага S_mi неровностей профиля по средней линии в пределах l :

, (1.5)

Рис 1.2 Параметры шероховатости поверхности

Обозначения шероховатости на чертежах регламентированы ГОСТ 2.309-73. Знак имеет вид математического корня, острием он касается линии, изображающей на чертеже поверхность детали (рис. 1.3).

Рис 1.3 Обозначение шероховатости. 1 - зона, где указывают R_a и R_z, 2 - вид обработки поверхности, 3 - базовая длина, 4 - условное обозначение направления неровностей

При расчетах на трение и износ, помимо ранее указанных шести стандартных параметров, характеризующих шероховатость поверхности, используют ряд дополнительных (нестандартных) параметров. Это объясняется тем, что перечисленные параметры недостаточно полно оценивают микрогеометрию поверхности. Как омечалось, при одной и той же величине Rq распределение неровностей по высоте, их формы могут быть различными, что обуславливает и различные эксплуатационные характеристика сопрягаемых поверхностей.

Контроль микроотклонений поверхности, как правило, производят тремя различными методами: визуальным -- сравнением шероховатости поверхности обрабатываемых образцов с образцами шероховатости поверхности или деталями с аттестованной шероховатостью (органолептический контроль); контактным -- с применением специальных ощупывающих приборов и бесконтактным с использованием различных оптических приборов. Визуальным методом оценивают состояние микрогеометрии качественно, а с помощью двух других методов -- количественно. Классификация наиболее распространенных методов контроля шероховатости представлена на рис. 1.4.

Рис 1.4 Классификация методов контроля шероховатости

Шероховатость поверхности качественным методом определяют путем сравнения с образцами шероховатости. Образцы шероховатости представляют собой бруски толщиной 10 мм и размером 20х30 мм. Набор образцов для сравнения, укомплектованных по видам обработки (точение, строгание, фрезерование, шлифование) и материалам, из которых они изготовлены, устанавливают в специальных оправках и осуществляют визуальное сравнение. Метод позволяет оценить шероховатость в пределах от Ra=40...20мкм до Ra=1,25...0,63 мкм.

Для повышения точности метода используют щупы и микроскопы сравнения, например, типа МС-48.

Широкое применение для определения параметров шероховатости получили приборы щупового типа. Их подразделяют на три группы: профилометры, профилографы и профилометры-профилографы.

Профилометры регистрируют значения R_a и R_q в виде показаний стрелочного прибора или показаний светового табло

Профилографы представляют информацию о микрорельефе поверхности в виде профилограмм -- графического изображения профиля реальной поверхности. Расшифровка профилограммы в реальном масштабе величин позволяет определить значения характеристик микрогеометрии поверхности.

Для определения шероховатости в машиностроении применяют профилографы-профилометры моделей 201 и 202, 250, 252; профилометр портативный модели 253, 283; профилометр цехового типа модели 240, 296, изготавливаемые заводом ”Калибр”. Для измерения шероховатости колец подшипников качения завод “Калибр” выпускает специальные приборы моделей 994,995.

В практике широко применяют щуповые приборы зарубежных фирм, таких как Hommeltester, Penth-O-Meter, Tелесерф, Филлипс, Тейлор-Гобсон, Браш и др.

В основе конструкции бесконтактных приборов контроля микрогеометрии поверхности лежат методы светового сечения, теневой проекции, интерференционный и др.

Метод светового сечения заключается в том, что на исследуемую поверхность проецируют узкий световой поток. Угол проецирования пучка составляет 45⁰. Проекция пучка с достаточной точностью воспроизводит форму исследуемого профиля. Оценку рельефа исследуемой поверхности осуществляют специальной измерительной системой, которая носит название двойного микроскопа. Измерительная система микроскопа позволяет регистрировать параметры шероховатости от R_z=80...40 мкм до R_a=0,32...0,16 мкм.

Данный метод имеет сравнительно небольшую разрешающую способность, т.к. не в состоянии охватить требуемую базовую длину. Погрешность измерения составляет не менее 25 %. В практике нашли применение приборы серии ПСС, в частности моделей ПСС-2, МИС-11.

Метод теневой проекции основан на том, что к исследуемой поверхности под углом 60⁰ прижимают острое лезвие. Прижатое лезвие подсвечивают с одной стороны таким образом, чтобы на поверхность падала его тень, которая воспроизводит неровности профиля. Параметры профиля оценивают с помощью микроскопа, имеющего отсчетное устройство. Данный метод применяют для измерения шероховатости сравнительно грубо обработанных поверхностей.

Интерференционный метод определения параметров шероховатости основан на разделении потока монохроматического света на две части полупрозрачным зеркалом. Одна часть света попадает на зеркало, вторая часть падает на изучаемую поверхность. Отраженные от зеркал и поверхности пучки света складываются и дают картину интерференции, которая наблюдается на экране в виде чередующихся светлых и темных полос. Отраженный от вершин неровностей поток света проходит меньший путь, чем поток, отраженный от впадин. Поэтому неровности поверхности изменяют картину интерференции, вызывая искажение (изгиб) полос. Определяя отношение искажения к ширине интервала полос, производят расчет высот неровностей. Метод пригоден для определения параметров шероховатости поверхности с высоким качеством обработки

В машиностроении для измерения параметров шероховатости поверхности 10-14-го классов используют микроинтерферометры марок МИИ-4, МИИ-5,МИИ-9, МИИ-11, МИИ-12.

Для измерения шероховатости внутренних и труднодоступных поверхностей деталей применяют иммерсионно-репликовый интерферометр марки МИИ-10. При этом анализируют не истинную поверхность детали, а ее отпечаток (реплику).

Для получения характеристик микрогеометрии используют также и растровые микроскопы типа ОРИМ-1.

Основной недостаток оптических приборов оценки параметров шероховатости состоит в относительно большой трудоемкости измерения. Этого недостатка лишены методы измерения параметров шероховатости при помощи лазера. Наиболее точным и удобным из лазерных методов измерения является метод сдвига частоты измерения.

Структура поверхностного слоя

При механической обработке в поверхностном слое детали возникают напряжения, остающиеся и после окончания процесса обработки. Причинами их возникновения являются градиент температуры в поверхностном слое детали, образование новых структур, пластическое деформирование материала и т.д. Напряжения в поверхностном слое, возникающие после механической обработки, могут достигать значительных величин и превышать предел прочности материала. Например, трещины в стальных деталях после шлифования возникают под действием именно таких напряжений.

В процессе обработки детали материал поверхностного слоя претерпевает структурные и фазовые изменения. Например, произвольно расположенные в исходной структуре кристаллические зерна металла после пластической деформации принимают определенную ориентацию - текстуру. Стальные детали после термообработки часто имеют градиент твердости по глубине. При холодном пластическом деформировании металлических деталей наблюдается наклеп - упрочнение поверхностного слоя, сопровождающееся необратимым изменением структуры металла.

Поверхностный слой металлической детали имеет специфическое строение (рис. 1.5.).

Наружный слой 1 состоит из адсорбированной пленки газов, влаги, компонентов смазочно-охлаждающей жидкости и др. Эту пленку можно удалить лишь нагревом детали в вакууме. Под ним - слой 2, состоящий из кристаллов с искаженной в результате деформацирования решеткой, обезуглероженный под действием высоких температур, возникающих при шлифовании. В нем концентрируются оксиды, а также пустоты и трещины, поэтому его структура приближается к аморфной. Слой 2 толщиной 2-8 нм называют слоем Бейльби. Слой 3 состоит из сильно деформированных зерен, содержащих цементит 4, который образовался под действием высоких температур. Далее расположен металл 5 c исходной структурой.

Анизотропия - неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях. Поверхностный слой, структура которого показана на рис. 1.5., анизотропен, т.к. прочность его неодинакова по глубине. Распределение прочности в поверхностном слое металлической детали оценивают по изменению микротвердости. Микротвердость - твердость микрообъемов металла, измеряемая сопротивлением внедрению в них алмазной пирамиды под действием небольших (0,1Н) нагрузок. Она резко снижается по мере удаления от поверхности детали, особенно в пределах слоя 2 с разрушенными кристаллами. Толщина поверхностного слоя стальных деталей: после точения - 0,25-2 мм, шлифования обычного - 12-75 мкм, тонкого - 2-25 мкм, после полирования - 0,2 мкм.

Рис 1.5. Структура поверхностного слоя шлифованной детали из углеродистой стали.

В поверхностном слое концентрируются дефекты в виде микроскопических трещин и пустот. Естественно, что разрушение поверхностей трения начинается в местах дефектов.

2.2 Контактирование деталей

Контактирование - механическое соприкосновение физических тел. Неоднородная структура поверхности деталей обусловливает сложность механических взаимодействий в зоне контакта.

Площадь контакта

При сближении двух деталей сначала соприкасаются самые высокие выступы. Они деформируются упруго или пластически. Упругая деформация характеризуется полным восстановлением формы выступа после снятия нагрузки. С ростом напряжения деформация становится пластической, т.е. сохраняется после снятия нагрузки. Деформирование контактирующих выступов сопровождается дальнейшим сближением деталей, вследствие чего в контакт вступают менее высокие выступы. Под действием нагрузки они сплющиваются и внедряются друг в друга. Затем происходит деформация волн, на которых расположены выступы.

Вследствие того, что реальные тела имеют волнистую, шероховатую поверхность, их контакт является дискретным. Это привело к необходимости введения понятий номинальной, контурной и фактической площадей контакта.

Под номинальной площадью контакта А_а понимают такую площадь, которой соприкасались бы тела, если бы их поверхности имели идеально гладкую геометрическую форму.

При контакте плоских тел А_а определяется их геометрическими размерами.

Контурная площадь А_c контакта - площадь смятия выступов, образующих волнистость, на которых расположены участки истинного касания. Площадки А_c обнаруживаются при проверке качества сопряжения деталей окрашиванием - это пятна касания.

Фактическая площадь контакта (касания )ФПК А_r - определяется суммой площадок соприкосновения единичных выступов микронеровностей, образующих шероховатость поверхностей сопрягаемых тел. Площадки фактического контакта сгруппированы в зонах на вершинах деформированных волн.

Схематически фактическая А_r, контурная А_c, номинальная (т.е. геометрическая) А_a площади контакта изображены на рис. 2.1.



Рис 2.1 Схема расположения участков касания в зоне контактирования твердых тел. Соотношение площадей контакта составляет А_r /А_a 0,01-0,1% и А_c /А_a 1-10%

Экспериментальные методы определение параметров контакта

ФПК составляет около 0,01-0,1% номинальной площади. Даже при высоких нагрузках, обеспечивающих преимущественно пластический контакт, она не превышает 40%. ФПК монотонно возрастает при уменьшении R_a и повышении радиуса закругления вершин неровностей, а также при увеличении нормальной нагрузки и длительности t ее воздействия. Влияние t на ФПК особенно характерно для контакта «металл - полимер» и «полимер - полимер». С ростом упругих характеристик и предела текучести материалов сопрягаемых тел А_r убывает. При контактировании тел из разнородных материалов А_r определяется физико-механическими свойствами более мягкого материала и геометрией поверхности более твердого.

Экспериментальное определение ФПК А_r представляет значительные трудности. В технике используют чаще всего два метода.

Метод нарушения полного внутреннего отражения или метод Мехау состоит в следующем (рис. 2.2.)

Рис 2.2 Схема определения фактической площади контакта методом Мехау

Шероховатая поверхность детали 1 находится в контакте со стеклянной призмой 2. На призму падает пучок 3 света (световой поток I₀), испытывающий полное внутреннее отражение на грани ab. В местах контакта выступов и призмы отражение нарушается, и световой поток ослабляется до I₁. Наблюдатель видит на зеркальном фоне черные пятна фактического касания. Их фотографируют или определяют А_r по изменению светового потока с помощью фотоэлемента.

Метод угольных пленок позволяет изучать контакт непрозрачных тел. Тонкую (до 0,5 мкм) угольную пленку напыляют в вакууме на одну из приводимых в контакт поверхностей. При контактировании деталей пленка разрушается на участках касания. Для определения А_r поверхность пленки изучают с помощью микроскопа или фотографируют.

Сближение - изменение расстояния между контактирующими деталями, происходящее при смятии или внедрении микровыступов на контактных поверхностях. Сближение измеряют с помощью специальных механических приборов, снабженных измерительными преобразователями перемещения.

Измерительный преобразователь - средство измерения, преобразующее измеряемую физическую величину (перемещение, давление, температуру и т.д.) в сигнал (обычно электрический) для передачи, обработки или регистрации. В оптическом способе измерения сближения используется явление интерференции, возникающее в оптической системе прибора при нагружении контактирующих образцов.

Лекция №3 (4ч). Физические и химические явления при трении

3.1 Пластическое деформирование кристаллических тел

Под деформированием понимают изменение размеров и формы тела под воздействием приложенных сил. Данные изменения происходят при воздействии внешних сил, приложенных к телу, или различных физико-механических процессов, протекающих в самом теле (например, усадки, фазовых превращений и т.п.). Различают упругую и пластическую (остающуюся после снятия нагрузки) деформации материалов.

Если после прекращения действия внешних сил деформация устраняется (исчезает), то ее называют упругой. Она не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах материала.

В основе пластической деформации лежит сдвиг -- необратимое перемещение одной части материала по отношению к другой. Пластическое деформирование материалов связано с перемещением дислокаций при любых скоростях и температурах деформирования. Различают две разновидности сдвига: скольжение и двойникование дислокаций (рис.1). Деформирование скольжением осуществляется по плоскостям и направлениям, на которых плотность атомов максимальна и сопротивление сдвигу минимально. Направление, принадлежащее плоскости скольжения, и сама плоскость скольжения образуют систему скольжения.

Рис 1 Схемы деформирования: а - недеформированное состояние кристалла, б -- деформирование скольжением (1-1 -- плоскость скольжения), в -- деформирование двойникованием (АВ -- плоскость двойникования)

Скольжение дислокаций начинается при воздействии касательного напряжения, превышающего некоторое критическое значение.

При деформировании двойникованием происходит переориентирование части кристалла в новое положение. Данное положение зеркально симметрично по отношению к недеформированной части. Двойникование по сравнению со скольжением играет существенное значение в деформировании материалов.

Монокристаллы, не имеющие границ зерен, но содержащие дислокации, легко деформируются. Пластическое деформирование в поликристалле происходит деформированием монокристаллов путем сдвига (скольжения) или двойникованием. Материалы с поликристаллической структурой состоят из кристаллов, расположенных хаотично, следовательно, и плоскости скольжения отдельных кристаллов расположены также беспорядочно, что является препятствием движению дислокаций. При деформировании металла увеличиваются его прочностные характеристики, снижаются вязкость и пластичность. Пластическое деформирование металла приводит также к изменению его физических свойств -- плотности, магнитных свойств, электросопротивления.

С ростом степени холодного деформирования происходит повышение сопротивления деформированию. Данное явление носит название наклепа. Наклепанный металл аккумулирует часть энергии, затраченной на его деформирование. Данная энергия расходуется на образование дефектов и на упругие искажения решетки. Наклепанный слой металла изменяет свои свойства тем сильнее, чем выше степень деформирования.

Многократное деформирование микрообъемов материала способствует появлению микротрещин и отделению частиц материала. Циклически изменяющиеся контактные напряжения являются причиной появления поверхностных разрушений в виде ямок выкрашивания (питинг), трещин, отслаивания, осповидного изнашивания. Процесс возникновения микротрещин под действием напряжений интенсифицируется наличием концентраторов напряжений. К поверхностным концентраторам напряжений относят дефекты в виде царапин, вмятин, рисок, прижогов, а к подповерхностным -- микропоры, раковины, микрофазы, фазовые составляющие сплава, неметаллические включения и т.д.

3.2 Адгезия твердых тел

Трение часто является следствием действия сил адгезии. Адгезией называют поверхностное явление, связанное с возникновением сцепления между атомами и молекулами поверхностных слоев контактирующих тел,. Преодоление сил адгезии поверхностей двух контактирующих поверхностей тел происходит в момент начала их взаимного перемещения.

Перемещение элементов структуры какого-либо тела, определяющее внутреннее трение, связано с преодолением сил сцепления между атомами и молекулами внутри структуры. Если силы сцепления действуют внутри тела, то они обуславливают когезию, если на поверхности -- адгезию.

Взаимное перемещение поверхностей твердых тел при их взаимодействии связано с преодолением сил адгезии. Чем больше площадь контакта реальных тел, тем прочнее адгезионное сцепление. Частицы поверхностных слоев взаимодействующих тел создают поле сил. Воздействие этого поля сил убывает с увеличением расстояния от поверхности. Этим объясняется тот факт, что для проявления сил адгезии требуется достаточное сближение поверхностей.

При взаимном перемещении двух твердых тел сопротивление трения складывается из адгезионной F_а и когезионной (деформационной) F_к составляющих. В зависимости от условий трения значения составляющих F_а и F_к могут увеличиваться, уменьшаться или быть равными нулю. Энергия взаимодействия совершенно чистых (ювенильных) поверхностей максимально (предельно) сближенных тел коррелирует с их свойствами: типом кристаллической решетки, ее параметрами и т.д.

Адгезия зависит от силы межмолекулярного взаимодействия между твердыми телами. Атомы и молекулы поверхностных слоев твердых тел находятся в неравновесном состоянии. Оно характеризуется значительной величиной поверхностной энергии, достигающей для металлов значений порядка 2000-4000 эрг/см². Это способствует активному взаимодействию поверхности твердых тел с атомами и молекулами окружающей среды (жидкости, газа или твердого тела), что оказывает существенное влияние на процессы трения и изнашивания.

Для образования прочной адгезионной связи между поверхностями твердых тел необходимо привести их в соприкосновение в достаточном количестве точек. При этом контактирующие поверхности не должны иметь каких-либо пленок, загрязнений, т.к. взаимодействие в этом случае будет происходить не между телами, а между пленками.

Определяющим фактором в процессе образования адгезионной связи является геометрический фактор, характеризуемый величиной площади истинного контакта.

Адгезионные связи между касающимися поверхностями возникают вследствие действия межповерхностных сил и сил молекулярного сцепления на поверхности раздела. Данные связи зависят от особенностей электронного строения контактирующих тел, концентрации валентных электронов, плотности свободных электронов на поверхности раздела.

Уровень адгезионного взаимодействия определяется энергией атомных связей, структурой поверхности, распределением атомов в поверхностных слоях, наличием дефектов кристаллической решетки. Оно является причиной появления заедания, “холодной сварки”, подповерхностного разрушения трущихся материалов, часто способствует росту интенсивности изнашивания и сил трения.

Сила адгезионного взаимодействия связана, прежде всего, с величиной суммарной площади фактического контакта, на которой проявляется действие поверхностных сил. На площадках фактического контакта трущихся тел при определенной величине нагрузок происходит разрушение всех экранирующих слоев (загрязнений, смазки, оксидов, адсорбированных веществ). Сила адгезионного взаимодействия зависит также и от влияния упругопластических контактных деформаций. Деформирование и относительное перемещение тел также вызывает разрушение промежуточных слоев. Если адгезионное взаимодействие в месте контакта больше прочности менее прочного материала, то осуществляется его когезионное разрушение.

Для приближенного определения величины объемного адгезионного износа V контактирующих тел при трении используют зависимость Арчарда.

, (1)

где k -- коэффициент адгезионного износа; N -- величина нормальной нагрузки; L -- путь трения; H -- твердость более мягкого материала контактирующих тел.

Сближение атомов контактирующих поверхностей на расстояние межатомного взаимодействия, и электронный обмен приводят к образованию узлов схватывания и возникновению прочных химических связей. Механические свойства образовавшихся узлов схватывания (мостиков сварки) зависят от процессов рекристаллизации, диффузии, релаксации напряжений.

Адгезионное взаимодействие наблюдается практически во всех узлах трения - в зубчатых передачах, опорах скольжения и качения, муфтах, при механической обработке металлов и др.

3.3 Адсорбция

Поглощение поверхностью какого-либо вещества других веществ называется сорбцией.

Адсорбцией называют изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Различают два вида адсорбции: физическую адсорбцию и активизированную или хемосорбцию.

...