Происходит преобразование механической энергии в тепловую, около 30% всей вырабатываемой энергии расходуется на преодоление трения

Вид материала

Документы

Содержание Кинетика разрушения поверхностного слоя Модель усталостного разрушения поверхности при изнашивании Влияние различных факторов на износостойкость при установившемся изнашивании Особенности разрушения и факторы, влияющие на изнашивание материала Изнашивание хрупких материалов Изнашивание полимерных материалов Стеклообразное состояние Второй участок Третий период

Подобный материал:

• «Использование экологически чистых источников энергии», 172.37kb.
• Основы возобновляемой энергетики – Лекция, 456.25kb.
• Сверхъединичные теплогенераторы – блеф или реальность?, 276.71kb.
• Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую, 55.07kb.
• 1. Основные понятия и обозначения электрических величин и элементов электрических цепей., 277.03kb.
• О тарифах на тепловую энергию и услуги по передаче тепловой энергии для потребителей, 196.87kb.
• Рабочей программы дисциплины Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (наименование), 32.41kb.
• Калугина Светлана Владимировна Моделирование систем хранения с целью уменьшения потребления, 400.87kb.
• Расчет сложных цепей постоянного тока, 93.75kb.
• Острова в океане темной энергии игорь Караченцев и Артур Чернин, 154.11kb.

Кинетика разрушения поверхностного слоя

Разрыхление материала при трении может служить мерой его прочности и износостойкости. При Vкр (критический объем) материал попадает в зону действия критических напряжений, материал отделяется, происходит диспергирование. Отделение или разрушение происходит тогда когда напряжения больше сопряжению оставшихся в плоскости действия этих напряжений молекул разрыхленного материала. Величина критического объема зависит от напряжений. Вводится понятие мера повреждения при изнашивании. П = V/Vкр

dП/dt = (1/Vкр)*(dV/dt) = Ф(σ, σ/dt,V,t) – кинематическое уравнение материала при трении.

В общем случае функция Ф зависит от интенсивности напряжений ее производной по времени, накопившихся повреждений N. Накопленное напряжение обусловлено предысторией поверхностного слоя. если в процессе изнашивания распределение поверхностных сил не меняется по времени и время работы превышает нас период разрыхления материала, то скорость изнашивания часто апроксимируется выражение

Y = k*V_ск^mP_n, V – скорость скольжения; P – нагрузка; m,n – показатели степени.

Получается выражение в результате модельных и наторных экспериментов следовательно автоматически учитывает изменение коэффициента трения и влияния теплоты на процесс изнашивания. Используется для расчетов различных узлов трения


Модель усталостного разрушения поверхности при изнашивании

Y = _дельтаh/l = _дельтаV_c/A_cL = i A_r/A_c

Удельный износ – фактический объем изношенного материала деленный на площадь фактического касания и отнесенный к пути трения = диаметру пятна касания.

Объем фактического износа материала связан с объемом деформации при трении материала соотношением _дельтаV_r = V_r/n, n – число взаимодействий приводящих к разрушению объема




Построение кривой опорной поверхности к определению объема деформируемого материала

V_r - фактический объем

_

R_max – максимальная высота микронеровностей

_ - максимальное абсолютное внедрение микронеровностей твердого тела

В, η – параметры кривой опорной поверхности, начальный участок которой аппроксимирован функцией:

η = A_r/A_c = b (n/R_max)^ν = bν ^ξ = (_/(ν+1)) Ar

Интенсивность изнашивания зависит от коэффициента трения.

Для упругих материалов n = (σ_о/σ)^tg – число циклов до разрушения, зависит от свойств материала;

σ_о – прочность при однократном нагружении;

σ – действующее нагружение;

tg – коэффициент характеризующий усталостные свойства материала.

При пластичном контакте n = (ε_кр/ε)^tn,

ε_кр – относительное удлинение соответствующее разрыву образца при однократном удлинении;

ε – действующее относительное удлинение;

tn – коэффициент определяющий усталостные свойства материала в ул малой цикловой нагрузке.

Определение этих величин подстановки их в выражение для определении объема деформированного материала дает громоздкое и малопригодное для расчетов выражение, для инженерных расчетов, не позволяет качественно определить влияние качеств параметров на интенсивность изнашивания.


Влияние различных факторов на износостойкость при установившемся изнашивании

Фактор	Вид изнашивания
	Усталость при контакте		Микрорезание
	Упругая	Пластичная
Физико-химическое состояние поверхности, оt	через упругие прочностные характеристики и коэффициент трения	через пластичные и прочностные и коэффициент трения	твердость
Коэффициент трения	через оt, величину действующих напряжений tg = 3..4	оt, величину действующей деформации (Y=ft) tn = 1,5..3	нет влияния
Удельная нагрузка	оt трения, площадь фактического контакта, действующее напряжение и деформация Y~p1+ βt Y~p1+((tn+1)(2υ)) β = 2υ+1		Y~p Интенсивность изнашивания функция удельной нагрузки
Скорость скольжения	оt, реологические свойства материала
Модуль упругости, твердость	площадь фактического контакта и действующее напряжение Y~p1+ βt Y~p(HB)c Y~HB-1 c = -(2υ-1)/2ω
Шероховатость поверхности	Зависит от фактической площади контакта
Коэффициент усталости	Влияет на вид разрушения фрикционной связи

Особенности разрушения и факторы, влияющие на изнашивание материала

Рассмотренная выше картина установившегося разрушения поверхности изнашивания, изменения поверхностных слоев упруго-пластичного тела, мы рассматривали как упругое пластичное и однородное. Не учитывали поликристаллическое строение материалов, масштабного фактора, реологию материала, изменение структуры и свойств поверхностного слоя по времени и глубине поверхности, роли поверхности сопряженной детали, оргизионного взаимодействия сопряженных поверхностей адсорбционно-химического взаимодействия поверхности со средой, вторичного образования вторичных структур, наличия абразивных частиц и других механических примесей в экспр среде, широкий спектр различных сил воздействий: взрывы, ударные нагрузки и д.р.

Основной механизм разрушения поверхностного трения происходит за счет деформационных процессов, протекающих во фрикционном контакте.


Особенности пластичной деформации поверхностных слоев при трении

• Локализация деформаций происходит в тончайших поверхностных слоях;
  
• высокая плотность энергии, генерируемая в этих слоях;
  
• наблюдается высокая физико-химическая структура и химическая активность поверхностного слоя.
  

Две стадии протекания пластической деформации в поверхностном слое:

1. наличие большого числа несовершенств облегчает движение дислокаций;
   
2. взаимодействие дислокаций при дальнейшей деформации приводит к их самоторможению и препятствует к выходу полос скольжения на поверхность, повышая напряжение течения.
   

Вследствие нарушения кристаллической решетки, возникает внутренние напряжения, если остаточные напряжения растягивают, то износостойкость поверхностного слоя снижается. Удаление этого отпуск и нормализация в зоне контакта влияют неоднозначно. Зависит от размеров и формы частиц, механических свойств частиц, соотношений твердости частиц и сопряженных поверхностей.

Эти частицы могут:

1. Принимать участие в формировании 3-го тела ус-щего аналогично моли;
   
2. частицы могут разрушаться и дробиться на более мелкие под действием сил в контакте. Эти частицы могут шаржировать мягкие поверхности;
   
3. могут пластично деформироваться и резать поверхности, существенно изменяют характер пластичной деформации поверхностного слоя.
   

При определенной геометрии и закреплении частицы в одном из тел, частица может работать как резец и счищать с поверхности зацепления стружку. Абразивная стружка – один из видов пластичного деформирования материала и происходит путем сдвига участка материала по линии скольжения.

Материал стружки может выноситься из зоны контакта или участвует в последующей деформации. Время нахождения частиц в контакте и вынос этих частиц из зоны контакта зависит от геометрии узлов трения, кинематики относительного движения детали, наличие смазывающих материалов, нахождение полостей для … продуктов износа.

На формирование напряженных деформированных состояний контакта большое влияние оказывают факторы силового воздействия, эти факторы обусловлены динамикой работы узлов трения деталей кинематики сопряжения и …

большою роль играют вибрационные и ударные нагрузки.

Также напряженное деформированное состояние зависит от твердости и соотношения формы


Изнашивание хрупких материалов

Движение микронеровности в поверхностных слоях сопряженных деталей образуются области растягивающих напряжений. Увеличивается рост трещин, а эти трещины ориентированы в направление движения перпендикулярно. Эти трещины растут с большой скоростью у хрупких тел, растут при ударных нагрузках низких температурах и эти трещины медленно растут у пластичных материалов

Трещины всегда появляются вдоль плоскости, перпендикулярно направлению максимального растягивающего напряжения и чистое сжатие не приводит к пластической деформации, к образованию трещин, а обуславливает наличие упругих деформаций.

вследствие поликристаллического строения напряжение в теле никогда не бывает однородным, флуктуация напряженного состояния вызывает рост трещин в тех местах, где они не наблюдаются при напряженном состоянии.

Остаточное напряжение, возникающее при … существенно влияют на рост трещин

неравномерность пластического течения по глубине слоя может быть причиной предельной степени упрочнения на некотором расстоянии от поверхности и концентрированию в этих слоях дефектов и трещин. В этих случаях разрушение материала происходит в виде отслаивания или срезов. Отслаивание многих хрупких материалов их структур происходит по указанному механизму по указанному количеству пленок на достаточному количеству дефектов. Изнашивание в этом случае носит... характер.

В хрупких материалах разрушение также может произойти по плоскости макс касательных напряжений путем сдвига без заметного пластичного деформирования.

Этому виду разрушения подвержены хрупкие материалы кристаллы с ённой или ковалентной связью минералов соли хрупкие интерметалиды в сплавах керамические сплавы.

В кристаллах, построенных на металлических связях, разрушение сдвига не происходит.

Площадь фактического контакта факт поверхности соизмерима с площадью кристаллита и в поликристаллических материалов, напряженное состояние будет зависеть от ориентации кристаллографических осей кристаллита относительно этой площадки.

При соответствующем расположении кристаллографических осей может произойти разрушение кристаллита срезом.


Изнашивание полимерных материалов

Специфическое строение полимерных материалов предопределяет природу изнашивания.

Между звеньями мономеров существуют химические связи, в тоже время смежные цепи взаимодействуют со значительно меньшими силами. Расположение молекулярных цепей не является совершенно случайным, полимерный материал содержит надмолекулярное образование в виде глыбы, пачек цепей отдельных кристаллитов. Полимеры чаще всего делятся от физического состояния на вязкотехнические высокоэластичные и стеклообразные. Для деталей трения применяют полимеры в высокоэластичном и стеклообразном состоянии.

Особенность высокоэластичного состояния - вязкоупругие деформации при относительно малых усилиях.

Стеклообразное состояние характеризуется большей жесткостью и значительно меньшей способностью к эластической деформации.

структура полимерного материала способствует чрезвычайно неравномерному распределению внутренних сил между отдельными молекулами. Поэтому в основе разрушения наиболее нагруженных молекул лежит термофлуктуационный механизм. при нем некоторые разрушенные связи восстанавливаются но с ростом числа нагрузок число актов разрушения превосходит число актов рекомбинации.

Сопротивление разрушению зависит от скорости деформирования и от температуры.

для стеклообразного состояния характерны механизмы разрушения хрупких тел.


Основные закономерности изнашивания


И I II III




t


Первый участок - период переработки наблюдается наиболее быстрый износ деталей продолжительность периода переработки качеством поверхностей и режимом работы механизма и составляет 1.5-2% от ресурса

Переработка – процесс изменения геометрии поверхности трения и физико-химических свойств материала в начальный период трения обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях и уменьшении силы трения температуры и интенсивности изнашивания.

Процесс переработки характеризуется интенсивным отделением с поверхности трения продуктов износа. изменением микрогеометрии поверхности повышенным тепловыделением. Повышение температуры поверхности трения вызывает изменение физико-химических свойств поверхностных слоев механических свойств поверхностных слоев, изменяется структура и свойств металла в поверх слоях металла происходит также вследствие наклепа, который называется поверхностным деформированием микрообъемах в процессах переработки. также идет интенсивное разрушение микровыступов обладающих меньшей прочностью, образование новых микронеровоностей наблюдается отличных по форме и размером от исходных и формирование новых.

В процессе переработки в различных условиях и различных пар трения устанавливается «равновесная» шероховатость, характерная для определенных материалов.


Равновесная шероховатость


2 4 6 8


А Б В










p, V материал пар трения Схема формирования равновесной шероховатости

Равновесная шероховатость воспроизводится в процессе изнашивания поверхности и остается в среднем постоянной.

Зона А – зона схватывания при малой от 0.5 до 1.5 мкн начальной шероховатости

Зона Б – зона равновесной шероховатости и она зона микрорезания при большой 3.5 мкн начальной шероховатости.

В процессе переработки высокой неровности при большой начальной шероховатости Rz 3.5 зона уменьшается механического взаимодействия поверхности при этом наблюдается микрорезание и пластическая деформация материала на рабочих поверхностях сопряженных деталей.

В процессе переработки при малой сходной шероховатости, зона А, высоты неровности преимущественно увеличиваются в следствие молекулярного взаимодействия.

В результате схватки рабочих поверхностей деталей возникающего под действием сил молекулярного притяжения, происходит разрушение материала появляются новые неровности и таким образом формируется шероховатость отличная от исходной.

Второй участок на кривой Лоренца называется периодом нормального или установившегося изнашивания он характеризуется небольшой интенсивностью изнашивания и данный период продолжается или до наступления предельной усталости материала

Третий период на кривой Лоренца период катастрофического или интенсивного изнашивания


ЛЕКЦИЯ


Изменение вида разрушения поверхности при трении в зависимости от режимов эксплуатации

В процессе приработки происходит стабилизация режимов трения, меняется макрогеометрия которая приближается к оптимальной для данного режима, более равномерно распределенные нагрузки по контурным площадям, идет образование новой квазиационарной от-рн поверхностных слоев.

Период приработки зависит от свойств материала и режима приработки.

Внешне приработка характеризуется выглаживанием поверхности в направлении движения, стабилизации температурного режима работы узла трения и интенсивности изнашивания.

Структурирование поверхностных слоев при трении, релаксационные процессы в тонких поверхностных слоях, сам процесс изнашивания представляют собой приспособляемость узла трения к новым режимам и условиям эксплуатации.

Задача повышения износостойкости – материаловедческие задачи.

Процессы приспособляемости к режимам изнашивания развиваются во времени. Установление времени приработки, регламентация и соблюдение режимов приработки является необходимым условием обеспечения износостойкости машин.

При установившемся режиме изнашивания вид разрушения и интенсивность изнашивания зависят от свойств фрикционного контакта и режимов работы. Меняется толщина поверхностного и подповерхностных слоев, меняется реология материала, изменяется структура, состав и свойства поверхностного слоя.

Смена масштабов и характеристика фрикционного разрушения и заменение структурного состояния вещества поверхностных слоев (форсированный режим) происходит скачкообразно.

Форсированный режим изл. происходит при определенной комбинации режимных параметров (нагрузка, скорость, температура)







Ткр Ркр

Vкр P







V


Параметрическая поверхность и критические точки смены видов изнашивания


При увеличении нагрузки происходит смена видов разрушения соответствующая масштабам разрушения. Квазистационарное разрушение поверхностного слоя с частицами износа до 1мкм сменяется квазипериодическим (усталостным) разрушением подповехностного слоя с частицами износа более 30 мкм.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к адгезионному воздействию кристаллических структур сопряженных материалов, расширению зоны пластического течения под поверхностью и схватыванию. Пределом такой деформации может быть прекращенное движение деталей, так называемое заедание.

При ударных нагрузка изнашивание хрупких тел происходит путем среза. Температура влияет на изменение структур и свойств поверхностных слоев, на изменение градиента механических свойств материалов по нормали к поверхности трения.

В зависимости от соотношения механической и молекулярной составляющей силы Т, различают 5 видов фрикционного взаимодействия.

Вид фрикционного взаимодействия поверхностей определяет характер и интенсивность разрушения, а следовательно и долговечность сопряжения.

Для обеспечения наиболее благоприятных условий взаимодействия поверхностей необходимо соответствующим образом подбирать пары трения и зависимость механических свойств материалов от условий взаимодействия поверхностей обуславливая правило градиента.

По правилу градиента предусматривают определение механических свойств, характеризующих изменение механических свойств материала деталей нормами к поверхности трения.


N

V

r




t

dr/dz > 0, r – сопротивление сдвигу, z – величина отчитанная от фактического контакта.

Прочностные свойства увеличиваются в глубину следовательно правило положительного градиента


N

V







z

Правило отрицательного градиента

Прочностные свойства вглубь уменьшаются, идет разрушение в глубине слоев материала.


Когда отрицательный градиент, наблюдается усталостные процессы, вырывание глубинных частиц.

При подборе материала пары Т и обоснование методов обработки деталей необходимо руководствоваться правилом положительного градиента. Это позволяет обеспечить долговечность и наиболее благоприятные условия взаимодействия.

При большом типы градиента происходит ослабление сопротивлению течению поверхностного слоя, наблюдается уменьшение толщины разрыхленного поверхностного слоя; увеличение скорости залечивания дефектов и следовательно уменьшение скорости изнашивания.

Скорость влияет главным образом на фрикционный нагрев, вибрации. При больших скоростях роль вибрации в процессе изнашивания существенна. Скорость влияет на процесс изнашивания материалов со сложной реологией (полировке материала и т.д.)