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

Вид материала

Документы

Содержание Трение твердых тел Особенности строения и свойства твердых тел Ионная связь 1-1` εкин = 1/2kT1 На уровне 1-1` Режим нагружения Внешняя и внутренняя твердого тела Адсорбция и хемосорбция Адсорбционный эффект понижения прочности Качество поверхности Качество поверхности Отклонение формы и расположения Шероховатость поверхности Направление неровностей и их обработки Структурные и фазовые превращения Контакт шероховатых поверхностей Фактическая контурная площадь поверхности Основные понятия и определения Неполная сила внешнего трения покоя Граничное трение Взаимодействие твердых тел. ... Полное содержание

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.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ


Внутреннее трение и внешнее трение

Происходит преобразование механической энергии в тепловую, около 30% всей вырабатываемой энергии расходуется на преодоление трения. 20% новых материалов идет на восстановление деталей. Для преодоления трения необходимы очерки. Применение смазки должно быть четко обосновано, т.к. при неграмотном использовании и негативно влияют на окружающую среду и здоровье человека.


Трибология и триботехника

Трибология – учение о трении, износе, смазочном действии в машинах и механизмах. Основная задача трибологии – изучение взаимодействия твердых тел; жидких тел, под воздействием трения и окружающей среды.

Трибология изучает природу фрикционного взаимодействия, а так же процессы, происходящие в зоне контакта тел.

Триботехника – наука о практическом прикладном использовании результатов исследований в области трибологии.

Работы в области триботехники направлены на совершенствование работы машины в условиях эксплуатации, сократить затраты энергии на работу машин, уменьшения вредных выбросов в окружающую среду, а так же использование современных материалов и технологий для разработки создания машин и оборудования.


Трение твердых тел

Понятия трение, износ и смазка являются параметрами, характеризующими трибологический процесс.

Трение – процесс сопротивления относительного движения твердых, жидких и газообразных тел. Для смещения тел, объединяющих большую группу атомов, ионов и молекул друг относительно друга необходимо прикладывать внешнюю силу равную по величине силе трения при равномерном движении этих тел. Работа трения проявляется в виде дополнительного тепла и излучения. Для сравнения уровня трения между различными телами, используют понятие коэффициент трения.


Особенности строения и свойства твердых тел

Ковалентная связь Н₂ (полярная связь), образованная электронами принадлежащим обоим атомам.

Ионная связь – образуется, когда водород соединен с сильно электроотрицательными элементом H..F.

Металлическая связь

При уменьшения расстояния между частицами, сила отталкивания возрастает

ε_кин = 1/2kT₁

ε = -|ε_пот|_min+ ε_кин





Для 1-1` ε_кин = 1/2kT₁

На уровне 1-1` частицы совершают колебательные движения под действием упругих тел притяжения и отталкивания.

2-2` колебательные движения под действием сил притяжения и отталкивания

сde – линия теплового расширения тела состоящая из частиц характерных для данного материала.

Если нагреть материал до более высокой температуры Т₃, то частицы переходят на более высокий потенциальный уровень. На этом уровне частицы будут испытывать при колебательных движениях достаточно сильное взаимодействие со стороны сил отталкивания и слабое упругое взаимодействие со стороны сил притяжения. По своим свойствам материал приближается к свойствам жидкости.

Если тело нагреть до Т_4, частицы переходят на более высокий потенциальный уровень 4-4. Между частицами возникают силы упругого отталкивания, т.е. тело в газообразном состоянии

f_от = b/r^n-1 E_кин = 1/2kТ₁

f_пр = a/r^n-1

a, b – постоянные зависящие от природы взаимодействия веществ

r – расстояние между частицами

m, n – расстояние которое колеблется n=68; m=8-12.

В результате приближения частиц друг к другу между ними возникают силы притяжения, по мере дальнейшего сближения, помимо сил притяжения возникают силы отталкивания, препятствующие дальнейшему сближению частиц. Под действием сил отталкивания и приближения они пытаются занять в пространстве положение с минимальной потенциальной энергией.

Под действием тепла твердые тела способны менять свои механические свойства и свое фазовое расстояние.


Режим нагружения

В природе не существует абсолютно износостойких и неизносостойких материалов, а существуют режимы нагружения при которых один и тот же материал проявляет износостойкие и неизносостойкие свойства.


P

III







I

II IV

V

Твердые тела сохраняют форму обладают определенной упругостью в зависимости от образующихся сил молекулярного взаимодействия между частицами, твердые тела могут образовывать в пространстве аморфные тела (в кристаллических телах силы между частицами распространяются на относительно большие расстояния в кристаллических телах).

Кристаллическая решетка может обладать разными свойствами по разным направлениям.

Для меди свойства по разным направлениям отличаются до 30%. Для любых тел.

Энергия поля некомпенсированных молекулярных сил атомов находится на поверхности, отнесенной к площади этой поверхности называемой свободной поверхностной энергией, характерной для данной решетки. Реальные кристаллические тела в процессе зарождения приобретают дефекты кристаллической решетки под действием внешних сил.


Внешняя и внутренняя твердого тела

Рядное тело состоит из большого количества кристаллов по-разному ориентированных в пространстве. Границы раздела монокристаллов имеют дефектную структуру, где существуют некомпенсированная молекулярная сила.

В местах наибольшего скопления свободной поверхностной энергии кристалла происходит активная адсорбция газов жидкости и твердых частиц. В этих местах могут протекать активные химические процессы, а с появлением электролитов могут проходить активные электрохимические процессы, далее химические процессы активно распространяются по границам зерен, что является причиной проникновения коррозии внутри метала, в результате этого твердое тело помимо внешней поверхности имеет разветвленную внутреннюю поверхность.

В результате взаимодействия с внешней средой поверхностный слой металла по своим механическим свойствам может существенно отличаться от основного металла.

Любая поверхность всего имеет на себе большое количество трещин. Любая реальная поверхность твердого тела, которая во многом определяет вопросы трения и изнашивания, способна сильно менять свои структурно-механические свойства, как под механическим воздействием, так и в ходе физических и химических процессов проходящих в зоне трения.

S_кажвнут

S_внут/S_каж 2/4


Адсорбция и хемосорбция

Адсорбция – явление на поверхности твердого тела тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ, либо поглощения этих веществ поверхностью тела.

Адсорбция бывает химическая и физическая.

Хемосорбция – химическая адсорбция, при ней полярные концы молекул, связываясь поверхностью тела, образуют в ней моно слой, схожий с химическим соединением. Адсорбирующий слой поверхностно-активного вещества является мономолекулярным.

Процесс десорбции происходит в случае нагрева поверхностей или придания дополнительной энергии каким-либо способом той поверхности, на которую образован молекулярный адсорбирующий слой.


Адсорбционный эффект понижения прочности

Эффект Ребиндера

Поверхностно-активная среда влияет на процессы деформации и эффекты твердых тел, значительно повышая их сопротивление деформированию и разрушению в результате физически обратимой адсорбции поверхностно-активных веществ.

Различают внешний и внутренний адсорбирующий эффект.

Внешний адсорбирующий эффект происходит в результате адсорбции ПАВ на внешней поверхности деформирующегося тела это вызывает пластифицирование поверхности, снижение предела текучести, снижение коэффициента упрочнения λ=dσ/dε

При внешнем адсорбционном эффекте благодаря адсорбции слоя поверхностно-активных веществ понижается поверхностная энергия твердого тела и это приводит к облегчению выхода дислокаций.

Молекулы органических спиртов и кислот относительно велики и не могут проникать в трещины и вызывают внешний адсорбционный эффект.

Внутренний адсорбционный эффект вызывается адсорбцией поверхностно-активных веществ на внутренних поверхностях раздела.

Этот эффект заключается в адсорбции атомов поверхностно-активных веществ на поверхностях микротрещин при деформированном разрушении и облегчении их развития в результате снижения их работы образования новой поверхности.

Отличительной особенностью эффекта Ребиндера является то, что он проявляется при совместном действии среды и определенной направленностью состояния. Среда принимает обратимое участие в данном эффекте, следовательно, это принцип отличный эффекта Ребиндера от химических и электрохимических процессов коррозии растворения твердого тела в окружающей среде.

Эффект Ребиндера может быть вызван не только адсорбцией, но и воздействием жидкости.

Наиболее сильно он проявляется при образовании новой поверхности и когда в твердом теле много дефектов
















Q Q

F

Схема адсорбционного расклинивающего действия полярных молекул смазывающего материала.


F – давление адсорбционного слоя

Q – расклинивающая сила

Когда активные молекулы достают мест, где толщина = 1-2 молекулы, адсорбционный слой своим давлением стремится расклинить трещину для дальнейшего их продвижения.

Давление на стенки трещины на ее вершины могут доходить до 60 ГПа.

Растягивающее статическое напряжение или напряжение внешней нагрузки раскрывают ультрамикро трещины и способствуют проявлению эффекта Ребиндера.

При сжимающих напряжениях трещины замыкаются, может происходить «самозалеживание» и эффект может не проявляться.

При упругой и пластической деформации в отдельных местах поверхности возникают трещины с незагрязненными стенками. Активные молекулы адсорбируясь по этим стенкам производят расклиниванивающий эффект и усиливают деформацию. Данная деформация создает предпосылки для расклинивающего действия, и оно усиливает деформацию.


Качество поверхности

Под поверхностью понимается наружный слой, который по строению и другим физическим свойствам отличается от внутренней части.

Качество поверхности – комплекс свойств, приобретаемых поверхностью детали в результате ее обработки.

Качество поверхности определяется геометрией поверхности как границей тела, так и физико-химическими свойствами обусловленных процессов ее образования при обработке деталей.

Качество поверхностей деталей машин влияет на ряд служебных свойств; сопротивление усталости, коррозионной стойкости и иррозионной стойкости и связано с тонкими свойствами сопряжения как прочность посадок с натягом и плотность подвижных и неподвижных соединений.

Макрометрическим называется отклонение, при котором форма поверхности относится от заданной.


Отклонение формы и расположения

Волнистость в макрогеометрической погрешности поверхности происходит в основном из-за неточности станка, погрешности заготовок, силовых и температурных деформаций системы (система: станок, заготовка, инструмент) и износа инструмента в процессе обработки. Под волнистостью поверхности понимают совокупность более и менее регулярных впадин и выступов с шагом значительно превышающих высоту.

Шероховатость поверхности - размерная характеристика поверхности.

6 параметров шероховатости:

Высотные 3 параметра;

Ra – среднее арифметическое отношение профиля по базовой длине;

Re – высота неровностей профиля по 10 точкам в пределах базовой длины;

Rmax – наибольшая высота неровностей профиля в пределах базовой длины





R_max = H_max + H_min,

n – число неровностей в пределах базовой длины;

_ – средний шаг неровностей профиля по вершинам



S_m – средний шаг неровностей профиля по средней линии



Параметр формы

t_p – относительная опорная длина профиля



Шаговые и высотные параметры позволяют определить уклоны, это важно для антифрикционных характеристик трущихся поверхностей.


Направление неровностей и их обработки

6 типов направления неровностей (||; ;X;C;R;M)

Стандарт не предусматривает связи между Ra, Rz, и базовой длиной. Имеются попытки представить профиль неровности поверхностей аналитически в виде суммы двух компонент, 1-ая из которых является систематической и определяется управляемыми факторами процесса обработки; 2-ая – случайная, вызывается нерегулярными воздействиями на процесс образования поверхности.

При механической обработке в поверхностях детали происходит изменение механических свойств и структуры металла под давлением режущим инструментом и под влиянием выделяющейся теплоты. Как при резании и при термической / термохимической обработке металла и нанесении новых слоев в деталях развиваются остаточные напряжения.


Остаточные напряжения

a, t


t_n

t_н

1 2 3

r

σ

1 2 3

r

b



r r

r


Остаточными называются напряжения, существующие в теле при отсутствии внешних воздействий на тело. Наличие эти напряжения обусловлено неравномерностью t по объему тела, образованием во время нагрева или охлаждения поверхности структур, наличие включений, остаточные напряжения образуют равновесную структуру.

В зависимости от объема, который охватывается данной равновесной системой различное напряжение 3-х родов:

• Напряжение 1-го рода – уравновешивание в крупных объемах соизмеримых с размерами детали;
  
• Напряжение 2-го рода (микронапряжения) уравновешивание в пределах одного или несколько кристаллических зон;
  
• Напряжение 3-го рода – субмикроскопические напряжения кристаллической решетки.
  

Напряжение 2-го и 3-го рода не имеют ориентировки относительно осей детали. Пластическая деформация вызывает уменьшение плотности металла, увеличение удельного объема. Пластический деформированный слой металла при резании не может изменяться в объеме. Следовательно в наружном слое появляются напряжение сжатия в остальной части напряжения растяжения. Это предполагает что деформированный слой не находится даже частично в состоянии ползучести. В зависимости от t металла может быть в упругом и пластичном состоянии.

В состоянии ползучести металла силы упругости не проявляются, и деформация протекает без стремления материала восстановления формы.

За ^оt t_р перехода из упругого состояния в пластичности можно принять 450^оС для углеродной стали и 550^оС для легированных.

Средней ^оt поверхностного слоя стали при шлифовании составляет 300-400^оС у поверхности 800-850^оС ^оt такого же порядка возникают при скорости точении.

Нагрев поверхностного слоя металла при обработке обусловен образованием в нем температуры напряжений.


Схема образования остаточных напряжений в поверхностных слоях

1. ^оt изделия при обработке;
   
2. Распределение напряжений в теле изделия при обработке;
   
3. напряжения после остывания наружного слоя до ^оt t_p
   
4. остаточное температурное напряжение
   

r – расстояние от поверхности

t – температура

σ – напряжение

Допустим, что в процессе обработки цилиндрической детали, слой 1 находится в состоянии ползучести. В этом слое внутренние напряжения отсутствуют, если были остаточные напряжении, то они снимаются. В слое 2 с температурой ниже чем t_p но выше t_н возникают напряжения сжатия, а в слое 3 напряжения эти временные. Как только наружный слой охлаждается до t_p, он становится упругим. Этот слой встречает сопротивление сокращению, 1-й слой оказывается растянутым в окр. напряжении в слое 2 сжимается напряжение возрастает. При дальнейшем охлаждении до полного выравнивания температуры у глубины металла растягивающее напряжение в там слое увеличивается, а в слоях 2 и 3 устанавливается система уравновешивания сжим напряжений.

По характеру остаточной температуры напряжение и напряжение обусловленных пластической деформацией является остаточным напряжением 1 рода. Но из-за неодинакового тепловыделения на смежных участках образуются поверхности и различной степеней пластичной деформации возникают остаточные напряжения 2-го рода.

При обработке металла в его наружном слое в результате пластичной деформации при отсутствия ползучести развивается остаточное напряжения сжатия, тепловой эффект приводит к растягивающим напряжениям. Поскольку эти факторы действуют одновременно знак остаточные напряжения в наружном слое зависят от того какой из них приволирует. Если ^ot на образованной поверхности ниже, чем температура, то температура напряжений является временными и после выравнивания температуры они исчезают.