авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический

университет»

Ю. К. Машков

ТРИБОФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И ПОЛИМЕРОВ

Монография

Омск

Издательство ОмГТУ

2013

УДК 621.981

ББК 34.41

М38

Рецензенты:

Д. Н. Коротаев, д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры «Эксплуатация и ремонт автомобилей» СибАДИ;

В. А. Федорук, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Физика» СибАДИ Машков, Ю. К.

М38 Трибофизика металлов и полимеров : монография / Ю. К. Машков. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. – 240 с. : ил.

ISBN 978-5-8149-1458- В монографии отражены систематизированные результаты исследо ваний в области трибофизики и трибологии металлов и полимеров. Дана характеристика трибологических систем и трибологических процессов.

Рассмотрены состояния и свойства поверхностного слоя, физико химические процессы, структурно-фазовые превращения и трибофизиче ские эффекты при трении металлов и полимеров, а также процессы само организации в металлополимерных трибосистемах. Отдельно рассмотрена термодинамика процессов трения и изнашивания металлов и полимеров.

Рекомендуется научным и инженерно-техническим работникам, спе циализирующимся в области надежности и долговечности машин, а также аспирантам и студентам высших учебных заведений машино- и приборо строительных факультетов.

УДК 621. ББК 34. Печатается по решению научно-технического совета ОмГТУ.

Протокол № 14 от 12.12. © ОмГТУ, ISBN 978-5-8149-1458- ОГЛАВЛЕНИЕ Введение....................................................................................................................... Глава 1. Трибофизика и трибологические системы........................................... 1.1 Общая характеристика трибологических систем..................................... 1.2 Строение и структура элементов трибосистем....................................... 1.3 Дефекты структуры твердых тел............................................................. 1.4 Свойства металлических и полимерных материалов трибосистем...... Глава 2. Состояние и свойства поверхностного слоя....................................... 2.1. Характеристика поверхности трения...................................................... 2.2. Напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя........ 2.3. Влияние обработки на структуру и свойства поверхностного слоя.... 2.4. Физико-химические свойства обработанных поверхностей................. Глава 3.

Трибофизика процесса трения.............................................................. 3.1. Контактное взаимодействие, адгезия и деформация............................. 3.2. Диффузионные процессы при трении..................................................... 3.3. Тепловые и трибоэлектрические процессы............................................ 3.4. Трибохимические процессы..................................................................... Глава 4. Трибофизика процесса изнашивания.................................................. 4.1. Закономерности изнашивания трущихся поверхностей....................... 4.2. Физическая модель процесса изнашивания металлических поверхностей............................................................................................ 4.3. Физическая модель процесса изнашивания полимеров...................... 4.4. Влияние типа кристаллической решетки на процессы трения и изнашивания.......................................................................................... Глава 5. Структурно-фазовые превращения при трении металлических материалов......................................................................... 5.1. Физические методы исследования структурно-фазового состава материалов.................................................................................. 5.2. Кинетика структурных процессов в условиях трения......................... 5.3. Общие закономерности изменения структуры и свойств стали......... 5.4. Вторичная закалка и вторичный отпуск................................................ Глава 6. Структурно-фазовые превращения и самоорганизация при трении полимерных композиционных материалов....................... 6.1. Структурно-фазовые превращения при трении в ПКМ с дисперсными и волокнистыми наполнителями................................ 6.2. Влияние контактного давления и температуры на структурно-фазовые превращения в ПКМ...................................... 6.3. Структурные превращения при пластическом деформировании ПКМ............................................................................ 6.4. Процессы самоорганизации ПКМ в условиях трения......................... Глава 7. Термодинамика процессов трения и изнашивания металлов и полимеров.................................................................................................... 7.1. Термодинамический подход в описании процессов трения и изнашивания......................................................................................... 7.2. Структура и механизм формирования пленки фрикционного переноса и диссипативных трибоструктур........................................... 7.3. Физическая модель процесса трения ПКМ с металлами.................... 7.4. Термодинамическая модель процессов трения и изнашивания металлополимерной трибосистемы....................................................... Заключение............................................................................................................. Библиогафический список................................................................................... ВВЕДЕНИЕ Современная наука и техника развиваются в направлении создания новых высокоэффективных материалов и технологий (наноматериалов, нанотехноло гий), машин и технологического оборудования на основе фундаментальных фи зических законов взаимодействия материальных микро- и наночастиц, опреде ляющих структуру и свойства конструкционных материалов деталей машин в условиях эксплуатации. Физика, изучая процессы и явления, происходящие в различных реальных системах из большого количества тел и в отдельных телах, рассматривает структуру и свойства твердых тел как некие переменные харак теристики.

Процессы и явления, происходящие в системах, где тела контактируют друг с другом при взаимном перемещении и трении (трибосистемах), имеют целый ряд особенностей и являются объектом изучения нового направления физики - трибофизики. Задачи трибофизики выходят за пределы классической физики и материаловедения, поскольку она рассматривает весь комплекс явле ний и процессов в трибосистеме в особых условиях внешнего энергетического воздействия (деформационных, теплофизических и трибоэлектрических, три бохимических, диффузионных т.п.), вызывающих структурно-фазовые превра щения, внутренние напряжения, появление и развитие микро- и макроэффек тов, вплоть до разрушения (изнашивания) поверхностей трения твердых тел.

Сказанное позволяет определить трибофизику в качестве одного из направле ний трибологии – науки о трении твердых и жидких тел и процессах, сопрово ждающих трение.

Процесс совершенствования машин и технологического оборудования ха рактеризуется увеличением удельных нагрузок на детали узлов трения и сни жением их материалоемкости. Это обстоятельство значительно усложняет за дачу обеспечения безотказности работы машин, повышения их надежности и ресурса, и неразрывно связано с обеспечением работоспособности трибосистем в тяжелых и экстремальных условиях эксплуатации машин. Во многих случаях отказы являются следствием неправильного, порой неквалифицированного подхода к проектированию и изготовлению узлов трения, когда считают доста точным использование предыдущего опыта организации рационального цикла исследования и испытания применяемых материалов и проектируемой трибо системы. В то же время инженерная практика выдвигает новые задачи обеспе чения работоспособности машин при более высоком уровне рабочих парамет ров в широком интервале температур, нагрузок и скоростей в различных газо вых, жидких и агрессивных средах.

Решение названных задач вызывает необходимость грамотного использо вания достижений материаловедения в области создания новых материалов и технологий их обработки с целью обеспечения максимальной износостойкости и срока службы деталей узлов трения. В этой связи особое значение имеют раз личные методы структурной модификации и поверхностного упрочнения со пряженных поверхностей деталей трибосистем.

Актуальность рассматриваемых задач трибологии, трибофизики и мате риаловедения определяются тем, что современные транспортные машины (ав томобильный, железнодорожный, воздушный и водный транспорт), приборы систем управления, энергетические установки, технологическое оборудование различных отраслей машиностроения являются сложными техническими сис темами. Эти системы работают в автоматическом режиме или в составе автома тизированных систем производства и управления. Выход из строя даже одного из многочисленных узлов трения таких систем вызывает остановку машины и всей системы. Следовательно, чем сложнее и ответственнее машины и меха низмы, чем сложнее условия работы узлов трения (трибосистем) современных технических систем (например, в космических программах, программах разви тия нефтегазодобывающей и других отраслей экономики и др.), чем выше стоимость конструкций, тем важнее роль материаловеда при выборе метода уп рочняющей обработки и анализа физико-химических процессов, развивающих ся в условиях трения.

Затраты на ремонт сложного современного оборудования и недополучение выпускаемой продукции, вызванное простоем оборудования (например, нефте перекачивающей станции, гидроэлектростанции, металлургического прокатно го стана) приводят к значительным экономическим потерям, а отказы узлов трения транспортных машин – к аварийным ситуациям и катастрофам. Избе жать или свести к минимуму вероятность отказа узлов трения машин и элемен тов технологических систем возможно путем применения и развития методов модификации структуры и свойств конструкционных материалов при грамот ном использовании основных положений трибофизики и рациональном исполь зовании различных современных методов (технологий) поверхностного моди фицирования материалов трибосистем, рассматриваемых в настоящем издании.

При анализе физико-химических процессов, развивающихся при трении и модифицировании металлов и полимеров, использованы основные положения физики твердого тела (физика металлов, физика полимеров), термодинамики, материаловедения, трибологии, а также материалы экспериментальных иссле дований и разработок автора с коллегами и других специалистов в данной об ласти науки и техники.

ГЛАВА 1. ТРИБОФИЗИКА И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Все современные технические системы, включая приборы, машины, тех нологическое оборудование, имеют в своем составе, за редким исключением, подвижные сопряжения деталей, образующие узлы трения различного типа.

Контактное взаимодействие деталей при их относительном движении при рабо те машин сопровождается развитием сложных физико-химических процессов, приводящих к изменению структуры и свойств материалов деталей узла трения.

Современная наука о внешнем трении – пограничная область знаний, имеющая фундаментальное и прикладное значение. Её содержание является синтезом со ответствующих разделов физики, химии, механики. В 80-х прошлого века годах утвердилось новое название науки о трении, изнашивании и смазке машин – трибология.

Трибология, как научная дисциплина, охватывает экспериментально теоретические исследования физических (механических, электрических, тепло вых, магнитных), химических, биологических и других явлений, связанных с трением. Для оценки трения необходимо учитывать взаимосвязь и взаимоот ношение между контактирующими телами, внешними энергетическими воз действиями, накоплением и рассеянием энергии, а также последствия триболо гических процессов, вызывающих изменение свойств и состояний системы или ее элементов во времени. Изменения могут происходить одновременно и по следовательно, они могут приводить к изменению химического состава и строения материала (химические, ядерные изменения) либо энергетического состояния и свойств (физические изменения). Трибологические процессы яв ляются вынужденными, они могут быть обратимыми (упругая деформация, по вышение температуры) и необратимыми (пластическая деформация, изнашива ние).

Развитие трибологии, как и всякой другой науки, сопровождается появле нием и развитием новых направлений научных исследований. Анализ научных публикаций и тематики научно-технических конференций последних десятиле тий показывает, что в современной трибологии развивается ряд направлений.

Среди них: трибофизика, трибомеханика, трибоматериаловедение, триботехни ка, триботехнология, трибомониторинг, трибоинформатика.

Трибофизика, как направление современной физики, изучает процессы и явления, происходящие в реальных системах тел (трибосистемах), где тела кон тактируют друг сдругом в условиях взаимного перемещения [1].

Трибофизика рассматривает задачи термодинамики, статистической физики, электродинами ки, кинетики и другие, которые выходят за пределы механики и материалове дения. Современный этап развития трибофизики характеризуется комплексным подходом к изучению и познанию явлений и процессов, протекающих на по верхностях и в поверхностных слоях взаимодействующих тел, применением высокоэффективных физических, химических и математических методов ис следований и вычислительной техники. Анализ результатов эксперименталь ных и теоретических исследований позволил достигнуть существенного про гресса в понимании природы трения и изнашивания различных материалов при разнообразных внешних условиях и различных состояниях взаимодействую щих поверхностей. Этому способствовали результаты исследования адгезион ного взаимодействия металлов и полимеров при трении, структурно-фазовых превращений и реологии поверхностных слоев при различных температурах и уровнях внешнего энергетического воздействия. Анализ и обобщение получен ных результатов на основе термодинамического подхода, позволили сделать вывод о стремлении всей поверхностной материальной системы перейти в наи более выгодное структурно-энергетическое состояние при минимальном произ водстве избыточной энтропии и интенсивности изнашивания [1,2,3].

Трибология изучает внешнее и внутреннее трение твердых и жидких тел, закономерности и механизмы их изнашивания, включая весь комплекс элемен тов, участвующих в процессах трения и изнашивания, существующие между ними связи и свойства этих элементов. Взаимодействующие элементы образу ют единую систему, которая при внешнем рассмотрении воспринимается как единое целое.

Реализация трибологического процесса, т.е. последовательность изменения структуры и свойств материалов в зоне контакта возможна только в трибологи ческой системе (ТС) при внешнем энергетическом воздействии. Спектр внеш них воздействий составляют силы и энергия (механическая, электрическая, те пловая). Для некоторых трибологических систем спектр внешних воздействий можно описать с достаточно большой точностью. Для других ТС это практиче ски невозможно, потому что он изменяется в каждой точке системы и во вре мени [4]. ТС должна быть внутренне скоординирована, иметь определенную структуру и совокупность взаимно сопряженных элементов. Совокупность эле ментов определяет состав ТС. Эти элементы ТС находятся в некотором взаим ном соотношении, определяющем их принадлежность к системе и её структуру.

Трибологические процессы включают комплекс физико-химических процессов и зависят от большого количества параметров, поэтому для упрощения и упо рядочения их описания целесообразно применение системного анализа. Сис темный подход к проблемам трибологии показан в работах Г. Саломона, Ч. Чи хоса, Д. Мура [5,6,7]. На рис.1.1 показана структурная схема ТС согласно сис темному подходу.

Данная структурная схема включает элементы, находящиеся в относитель ном движении, смазочную среду и взаимные связи между элементами системы.

Элементами трибосистемы могут быть как твердые тела различного вида (ме таллические, полимерные, композиционные), находящиеся в относительном движении, так и жидкости, и твердые тела, например, подверженные кавитации в контакте с жидкостью. Входной характеристикой ТС является работа, опре деляемая параметрами механического воздействия на материал в зоне контакта (нагрузка, скорость скольжения, путь и т.д.). выходной характеристикой ТС яв ляется полезная работа, которая может реализоваться в различных формах:

движение кулачкового механизма, качение колеса автомобиля, движение ис полнительного механизма гидромотора, транспортирование сыпучего груза.

Выходными характеристиками трибосистемы являются также результаты про цессов трения и изнашивания, приводящие в конечном счете к разрушению трибосистемы (отделение частиц изнашивающего материала, тепловыделение, шум, накопление дефектов структуры и т.д.). На трибосистему действуют воз мущающие факторы, например, повышенная температура, вибрация, загрязне ния, нарушение кинематики движения (радиальное биение вращающихся дета лей машин).

Рис. 1.1. Структурная схема трибосистемы Свойства трибосистем определяются их составом и структурой и характе ризуются следующими показателями: износостойкостью, антифрикционно стью, теплостойкостью, совместимостью материалов ТС.

Износостойкость ТС характеризует свойство материалов системы сопро тивляться изнашиванию. Критериями износостойкости являются скорость из нашивания и интенсивность изнашивания.

Скоростью изнашивания называется величина износа материала деталей (массовая, линейная, объемная) в единицу времени и имеет единицы измере ния: г/ч, м/ч, м3/ч. Интенсивностью изнашивания называется отношение вели чины линейного износа материала трущихся деталей к величине пути тре ния [8].

Антифрикционность характеризует свойство материалов ТС не оказывать сопротивления относительному перемещению элементов системы и оценивает ся коэффициентом трения.

Коэффициент трения есть отношение силы трения к силе нормального давления (нагрузке).

При полном анализе трибологических процессов в числе выходных пара метров ТС обязательно учитывается такой важный параметр, как коэффициент трения. Он является результатом комплекса физико-химических процессов, со провождающих трение двух тел, поэтому его нельзя отнести к какой-либо од ной детали, одному материалу. Аналогично нельзя отнести к одному элементу ТС характеристики износостойкости (скорость изнашивания, интенсивность изнашивания), так как они зависят от свойств всех элементов трибосистемы.

Согласно современным положениям трибологии коэффициент трения и интен сивность изнашивания являются нелинейными функциями физико механических свойств материалов пары трения, условий работы (вид смазки, свойства и температура окружающей среды) и режимов трения (скорость отно сительного движения, контактное давление).

Теплостойкость характеризует свойства материала деталей ТС сохранять работоспособное состояние при повышении температуры окружающей среды и температуры в зоне контакта, определяется физико-механическими свойствами материалов элементов системы.

Системный анализ позволяет определить внутренние связи, входные и вы ходные параметры при реализации цели работы ТС, которой могут быть преоб разования движения (подшипники, тормоза), энергии (зубчатые передачи), ин формации (кулачковые и следящие механизмы) и массы (трубопроводы, уста новки волочения проволоки). При этом ТС характеризуется как открытая, ди намичная, гранично управляемая система [4]. Трибосистемы, как правило, яв ляются многофазными, состоящими из фаз с различающимися свойствами и неоднородными, т.е. гетерогенными. Как термодинамические системы ТС мо гут быть открытыми или замкнутыми. Открытые ТС могут обмениваться энер гией и веществом (массой) с окружающей однородной средой, замкнутые ТС – только энергией. Существуют также изолированные термодинамические сис темы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни вещест вом.

В трибологических системах реализуются различные трибологические процессы, характер и интенсивность которых определяются функциональными характеристиками ТС. В общем случае функциональные характеристики опи сывают преобразование входных параметров X в выходные Y при взаимодей ствии элементов ТС, как показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема функционального действия ТС:

Е1, Е2 – твердые тела, S – смазочный материал, А – окружающая среда Вход в ТС равнозначен воздействию окружающей среды на систему, включая совокупность полей механических и электрических сил, химических реакций и тепловых полей. Внешние воздействия (кинетические, динамиче ские, тепловые) играют основную роль в трибологических процессах и имеют энергетический характер. Механические воздействия непосредственно влияют на детали пары трения и через них на смазочные материалы. Тепловые воздей ствия могут вызывать изменения свойств материалов деталей и термохимиче ские изменения в смазочных материалах.

Выход в ТС можно рассматривать как реакцию системы на внешнее воз действие и как результат трибологических процессов: сопротивление (сила) трения F1, износ Z, сопутствующие процессы Р1, например, повышение темпе ратуры поверхности трения, старение материалов, трибоэлектрические, термо механические и др. процессы.

Трибологическая система может изменять свои функциональные характе ристики в процессе работы, при этом изменяются её состояния (рис.1.3).

Рис. 1.3. Изменение функциональных характеристик ТС При введении энергии в зону контактного трибологического взаимодейст вия в системе совершается работа и формируется фактическая поверхность контакта. Затем в результате взаимодействия происходит диссипация (рассея ние) энергии, которая включает процессы[5,6]:

накопление энергии: образование локальных дефектов и дислокаций, накопление энергии в деформированном объеме материала;

эмиссию: фононов (акустические волны, шум), фотонов (триболюми несценция), электронов (экзоэлектроны, эффект Крэмера);

превращение накоплений энергии в теплоту и увеличение энтропии.

При переходе ТС из статического состояния в динамическое возникают и развиваются трибологические процессы, которые влияют на структуру системы и описываются оператором (рис.1.2). В результате действия трибологического оператора происходят изменения свойств материалов деталей и смазочного ма териала и их взаимодействия: Y = {F1, Z, P1}.

Между выходом и входом существует обратная связь, действие которой проявляется в изменении скорости при изменении силы трения или в увеличе нии силы трения при увеличении вязкости смазочного материала.

Состояние I – период приработки деталей ТС, нестационарное состояние.

В этот период система автоматически приспосабливается к оптимальным усло виям взаимодействия деталей Е1, Е2 и его можно назвать периодом саморегули рования.

Свойства деталей и взаимодействие между ними изменяются таким обра зом, что при неизменном внешнем энергетическом воздействии уменьшается интенсивность изнашивания. В этот период происходят формирование опти мальной микрогеометрии сопряженных поверхностей и благоприятные измене ния структуры и свойств материала деталей, называемые трибоприспосабли ваемостью.

По завершении периодов приработки и приспосабливаемости наступает состояние II – период стационарного состояния с постоянной интенсивностью изнашивания. Этот период является основным для ТС и обладает наибольшей продолжительностью по сравнению с другими периодами работы системы. Чем дольше длится стационарное состояние, тем дольше период нормальной экс плуатации трибологической системы.

По мере накопления дефектов и старения элементов ТС она переходит в состояние III, характеризующееся высокой и возрастающей интенсивностью изнашивания, которое может приобретать лавинный характер и приводить к аварии. Изнашивание с высокой интенсивностью происходит вследствие изме нений свойств материалов и деталей, находящихся во фрикционном взаимодей ствии, изменений смазочных материалов (старение), возникновений вредных побочных (динамических) процессов.

Надежность и долговечность трибосистем в значительной степени зависят от свойств материалов и правильности их выбора для заданных условий работы узла трения. При выборе материалов для трибосистемы необходимо учитывать способность их к совместимости. Под совместимостью материалов трибоси стем (деталей узлов трения) понимают способность обеспечить оптимальное состояние в заданном диапазоне условий работы по выбранным критериям [9,10]. Такими критериями могут быть: критическая температура, температура перехода в смешанный режим трения, предельная нагрузка переходного режи ма, предельная нагрузка образования задира, коэффициент нагруженности и т.п. [10]. При хорошей совместимости обеспечиваются невысокие уровни тре ния, износа и длительная работа трибосистемы без повреждения трущихся по верхностей.

Наиболее полно физические представления о природе совместимости ма териалов как об оптимальном состоянии трибосистемы в заданных условиях работы вытекают из положений термодинамики необратимых процессов. При менение этих положений в трибологии описано в работах Б.И. Костецкого [9], Л.И. Бершадского [11], Ю.К. Машкова [8], А.А. Полякова, С.А. Полякова [12] и др. Трибосистема рассматривается как открытая система, обменивающаяся энергией и веществом с окружающей средой. Трибопроцессы проходят в ста ционарном установившемся и нестационарном переходном режимах. Наблю даются локальные равновесные состояния внутри неравновесной системы. В этом случае соблюдается принцип взаимности Онзагера между термодинами ческими силами и потоками. При трении все процессы – изнашивание, тепло выделение, трибоэлектризация, диффузионные и магнитные потоки и др. – яв ляются необратимыми и могут оцениваться различными энтропийными пото ками. По И. Пригожину, при стационарном состоянии системы скорость воз никновения энтропии становится постоянной и минимальной при заданных по стоянных параметрах внешнего воздействия.

Полное приращение энтропии определяется выражением, отражающим суть второго начала термодинамики:

dS de S di S, где deS – изменение энтропии в результате обмена с окружающей средой;

diS – изменение энтропии вследствие необратимых процессов внутри трибосистемы.

Следовательно, минимальное увеличение энтропии системы может быть дос тигнуто при выполнении двух условий:

при минимальной скорости возникновения энтропии в данной системе (трибосистеме);

при максимальном оттоке (диссипации) энтропии из данной системы за счет обмена с окружающей средой.

Таблица 1. № п/п Требования к материалу Достигаемый эффект Максимально высокие прочность и жест- Снижение деформации под на кость, минимальное снижение этих пара- грузкой и приращения конфи метров при повышении температуры гурационной энтропии Максимально высокая теплопроводность Увеличение диссипации тепло вой энтропии Максимальная теплоемкость Увеличение удельной энтро пии Минимальная сила (коэффициент тре- Снижение производства тепло ния) ты и энтропии Способность полимерной матрицы к об- Производство конфигурацион разованию более упорядоченной слоистой ной отрицательной энтропии (ориентированной) структуры типа ЖКС (него энтропии), снижение ско из аморфной фазы рости накопления общей энтро пии Наполнители должны способствовать Увеличение удельной энтро выполнению требования по п.п. 1-5 пии и межслоевого расстояния ЖСК, уменьшение накопления энтропии Технология изготовления полимерных и Снижение энтропии в исход металлополимерных деталей должна ном состоянии и уменьшение обеспечивать получение ориентирован- накопления конфигурационной ной структуры (вытяжка макромолекул) в энтропии поверхностном слое В процессе эволюции системы к стационарному состоянию она стремится к минимуму производства энтропии. При достижении минимума (dS/dt = min) необратимые процессы внутри системы осуществляются с меньшей интенсив ностью, и система работает в режиме наименьшего трения и изнашивания с минимальным расходом энергии на трение.

Переход трибосистемы из неравновесного термодинамически нелинейного состояния в стационарное состояние связан с образованием диссипативной по верхностной структуры, происходящего в результате самоорганизации. Для реализации процесса самоорганизации необходимы соответствующие условия.

Задача создания таких условий должна решаться при выборе и разработке ма териалов трибосистем для конкретных условий трения, выборе смазочных ма териалов, конструкций деталей узлов трения.

Так, при разработке полимерных композиционных материалов для метал лополимерных трибосистем автором предложен комплекс требований к соста ву, структуре и свойствам материала (табл.1.1), обеспечивающий минимизацию накопления энтропии в трибосистеме [1]. Разработка композиционных мате риалов на основе ПТФЭ и технологии изготовления уплотняющих элементов пневмо- и гидроаппаратуры с учетом приведенных требований позволила су щественно повысить износостойкость и срок службы герметизирующих уст ройств названной аппаратуры благодаря формированию диссипативной трибо структуры поверхностного слоя типа термотропных жидких кристаллов вслед ствие самоорганизации надмолекулярной структуры ПТФЭ при стационарном установившемся режиме трения.

1.2. СТРОЕНИЕ И СТРУКТУРА ЭЛЕМЕНТОВ ТРИБОСИСТЕМ 1.2.1. Атомно-кристаллическое строение металлических элементов Свойства металлических элементов трибосистем (твердых тел) определя ются их строением и структурой. Под строением твердых тел понимают распо ложение в пространстве и взаимодействие частиц твердого тела: атомов, ионов, молекул. Электроны в атомах распределяются по энергетическим уровням (ор битам) и подуровням (орбиталям). Максимальное количество электронов N на энергетическом уровне с номером n определяется из зависимости N = 2n2.

Энергия электронов тем выше, чем больше номер уровня n. Энергия электронов на энергетических уровнях подразделяется по подуровням (орбиталям) s, p, d, f.

Максимальное количество электронов на орбиталях следующее: s – 2;

p – 6;

d – 10;

f – 14. Зная порядковый номер элемента, можно построить электронную мо дель атома элемента.

Электронное строение атомов металлов определяет такие свойства, как электропроводность, типы связей между частицами вещества в твердом мате риале, от чего сильно зависят механические и триботехнические свойства мате риалов.

Прежде чем подробно рассмотреть свойства металлов (металлические свойства), необходимо отметить, что под металлом следует понимать вещество с металлическими свойствами независимо от того, идет ли речь о химическом элементе или о сплаве из нескольких химических элементов, хотя часто это по нятие относят только к чистым металлам. К числу важнейших и лучше всего выраженных свойств металлов относятся металлический блеск, большая элек тропроводность в сочетании с хорошей теплопроводностью и высокая способ ность к пластической деформации.

Высокая электропроводность, а также косвенно и другие характерные свойства металлов обусловлены их электронным строением. Известно, что в металле не все электроны связаны со «своим» атомом: значительная их часть свободна. Эти электроны могут более или менее легко перемещаться от одного атома к другому и связаны только с металлическим кристаллом в целом [13].

В процессе конденсации или кристаллизации частицы вещества (атомы) стремятся к такому расположению в пространстве, чтобы энергия их взаимо действия была минимальной. В зависимости от характера взаимодействия и свойств твердые тела разделяют на кристаллические и аморфные. В положении минимальной энергии взаимодействия атомы находятся в устойчивом состоя нии термодинамического равновесия. Этому способствует определенный поря док в пространственном расположении частиц, определяемый понятием «кри сталлическая решетка».

Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое кристаллическое тело, получившее название монокристалла. Наименьшим элементом кристалла, достаточно полно отражающим его свойства в трех направлениях, является элементарная кристаллографическая ячейка.

Наибольшее распространение имеют кристаллические решетки из элемен тарных ячеек следующих типов: объемно-центрированная кубическая (ОКЦ);

гранецентрированная кубическая (ГЦК);

гексагональная, которая бывает плот но упакованной (ГПУ) и неплотно упакованной (рис.1.4). Кристаллические ре шетки характеризуются следующими основными параметрами: период решет ки, атомный радиус, энергия решетки.

а б в Рис. 1.4. Элементарные ячейки: а – ОЦК;

б – ГЦК;

в – ГПУ Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки: а, в, с (рис.1.4). Под атомным радиусом понимают половину межатомного расстояния между цен трами ближайших атомов кристаллической решетки при нормальной темпера туре и атмосферном давлении.

Энергия кристаллической решетки определяется как энергия, выделяю щаяся при образовании кристалла из ионов, атомов или других частиц, обра зующих кристалл, когда исходное состояние этих частиц газообразное. От ве личины энергии решетки зависят температура плавления, модуль упругости, прочность, твердость, износостойкость и др. увеличение валентности атомов приводит к увеличению энергии решетки.

Физико-механические свойства монокристаллов во многом определяются межатомными расстояниями в разных направлениях. В плоскости с наиболь шими межатомными расстояниями монокристаллы обладают наименьшими значениями механических свойств. Поэтому у многих кристаллов имеются явно выраженные слабые и сильные плоскости скольжения, по-разному реагирую щие на воздействие внешних сил. Например, модули упругости Юнга у моно кристалла меди в трех пространственных направлениях могут значительно раз личаться (6,67;

13,1 и 19.1) · 104 МПа [4]. Анизотропия кристаллов приводит к необходимости введения определенной системы в обозначениях узловых плос костей и направлений в кристаллах. Для обозначения кристаллографических плоскостей общепринятой является система индексов Миллера. Согласно этой системе, если плоскость параллельна какой-либо из осей координат, то индекс, соответствующий этой оси, будет равен нулю, а остальные – единице (рис.1.5).

Рис. 1.5. Индексы Миллера для главных плоскостей кубического кристалла Если плоскость пересекает все три оси координат, то плоскость имеет ин декс (111) (рис.1.5в). Практически в процессе кристаллизации металлов и спла вов в кристаллизационным объеме одновременно зарождается множество про извольно ориентированных монокристаллов. Образующееся при этом твердое тело – поликристалл – представляет собой конгломерат сросшихся между собой различных по размерам и форме кристаллов (кристаллитов) с размерами от 10- до 10-5 м.

В поликристалле кристаллиты отделены друг от друга межкристалличе ской прослойкой, в которой нарушен порядок расположения атомов. В резуль тате этого поликристалл в целом, в отличие от отдельных кристаллов, обладает некоторой усредненной однородностью физических свойств в различных на правлениях. Модуль упругости Юнга для поликристалла меди равен 12 · МПа и примерно одинаков в разных направлениях.

Характерная особенность кристаллических твердых тел состоит в том, что процесс плавления происходит при постоянной температуре и требует подвода дополнительной тепловой энергии, потребной для разрушения кристаллической решетки. В процессе кристаллизации твердых тел выделяется определенное ко личество тепла, равное скрытой теплоте плавления.

Строение аморфных твердых тел определяется тем, что межатомные свя зи распространяются на относительно небольшие расстояния и взаимная ориен тация сохраняется только между ближайшими частицами, поэтому общий по рядок в расположении частиц отсутствует (рис.1.6).

Аморфные тела по своему строению в определенной степени напоминают жидкость, но отличаются от нее меньшим межатомным расстоянием и подвиж ностью атомов. Они обладают изотропией физических и других свойств в раз личных направлениях. Переход аморфных тел из жидкого состояния в твердое происходит монотонно в некотором интервале температур, в отличие от кри сталлических тел, затвердевающих при постоянной температуре. Характерны ми представителями аморфных тел являются стекло, смолы, многие полимеры.

Для одних и тех же материалов, температур и давлений аморфные тела имеют больший удельный объем, большую внутреннюю энергию (за счет нескомпен сированных связей) и большую энтропию по сравнению с той же массой кри сталлических тел.

Рис. 1.6. Схематическая картина внутренного строения тел:

а – кристаллических;

б – аморфных Для понимания закономерностей формирования различных структур твер дых тел, определяющих их физико-механические свойства, необходимо рас смотреть и разобраться в том, какие силы удерживают частицы вещества в кри сталлах в определенном положении и придают им свойства твердых тел.

Силы связи между частицами имеют электрическую природу, но проявля ется она по-разному в различных кристаллах. Различают четыре основных типа связей: полярную, ковалентную, металлическую и ионную. Соответственно имеем четыре типа кристаллических решеток и кристаллов.

Молекулярные кристаллы формируются при полярном типе связей. Пред ставителями тел с таким связей являются Н2, N2, CO2, H2O, CH4 в закристалли зованном (твердом) состоянии. Молекулярные кристаллы состоят из молекул, между которыми действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса поляризационной природы. Неполярные в обособленном состоянии молекулы вышеназванных веществ обладают высокой поляризуемостью, т.е. асимметрией концентрации электронов в атоме. Благодаря этому создается возможность для удержания расположенных рядом молекул так, чтобы плюс одного диполя примыкал к ми нусу другого, достигая минимума потенциальной энергии. Из конструкцион ных материалов полярная связь наблюдается между макромолекулами поли мерных материалов. В то же время связь между частицами в макромолекулах твердых полимеров ковалентная.

Этим объясняется значительное различие свойств полимерного материала вдоль и поперек направления главной цепи макромолекул.

Рис. 1.7. Схема расположения электронов (а) и обобществления электронов в кристаллической решетке алмаза (б) Атомные кристаллы с ковалентным типом связей образуются при обоб ществлении электронов соседних атомов. Связь между соседними атомами осуществляется парами валентных электронов, находящихся на общей для них связывающей орбите. При образовании ковалентной связи каждый атом дост раивает свою валентную оболочку до восьми электронов за счет обобществле ния электронов ближайших соседних атомов. Типичным представителем тел с ковалентным типом связи является алмаз, состоящий из атомов углерода с электронным строением 1s22s22p2. На рис. 1.7. показано пространственное рас положение атомов в кристалле алмаза и схема обобществления валентных электронов атомов углерода в кристалле алмаза [14].

Атомные кристаллы с ковалентной связью имеют элементы V, VI, и VII В подгруппы периодической системы элементов. Преимущественно ковалентная связь образуется также между разнородными атомами в таких химических со единениях, как карбиды (Fe3C, SiC), нитриды (AlN), которые имеют большое значение для свойств сплавов технического назначения.

Материалы с ковалентным типом связи широко применяются в технике: на их основе создаются полупроводниковые материалы, химические соединения – карбиды, нитриды, которые являются важнейшими упрочняющими фазами в высокопрочных и износостойких металлических сплавах. Ковалентный тип связи является определяющим, как показано выше, для обеспечения высокой прочности цепных макромолекул полимерных материалов.

Металлические кристаллы. При конденсации паров металла в жидкое или твердое состоянии атомы сближаются настолько, что электронные орбиты их внешних электронов перекрываются, что позволяет валентным электронам пе реходить от одного атома к другому наподобие атомов газа. При этом электро ны обобществляются между всеми атомами кристалла. Между электронами и положительными ионами возникают силы электростатического взаимодейст вия, определяющие силу связи между атомами в кристалле.

Прочность металлических кристаллов достаточно высокая, особенно у пе реходных металлов, что объясняется участием в образовании связей не только s-электронов, но и части электронов d-подуровня. Благодаря этому повышается модуль упругости и температура плавления металлических кристаллов. Метал лические кристаллы обладают высокой электропроводностью вследствие обобществления электронов всего кристалла и появления «электронного обла ка».

Кристаллы с ионной связью формируются из разноименно заряженных ио нов, например, Na+ и Cl-, которые образуются в результате перехода электронов из атомов одного типа (Na) к атомам другого типа (Cl). Расстояние между цен трами ионов в кристалле определяется уравновешиванием сил притяжения ме жду ионами и катионами и сил отталкивания их электронных оболочек.

Ионная связь является типичной для неорганических соединений. Кри сталлическая решетка хлористого натрия может быть представлена как сово купность двух кубических гранецентрированных решеток (ГЦК) из ионов на трия и хлора, смещенных друг относительно друга на половину ребра куба.

Ионные кристаллы обладают малой электропроводностью при низких температурах и хорошей ионной проводимостью при высоких температурах. В ионных кристаллах силы взаимодействия между положительными и отрица тельными ионами тем больше, чем больше их валентность и чем меньше сумма их радиусов. При увеличении силы взаимодействия между ионами повышается твердость и температура плавления кристалла.

Понимание атомно-кристаллического строения твердых тел позволяет осознать и объяснить особенности свойств конструкционных и других мате риалов, в том числе материалов трибосистем. Однако следует иметь в виду, что на строение материала и его свойства большое влияние оказывают внешние энергетические факторы, прежде всего условия его производства и обработки, в процессе которых формируется его структура и изменяются свойства.

1.2.2. Структура металлов и полимеров Для анализа особенностей строения и изменения свойств материалов в ре зультате внутренних превращений под воздействием внешних факторов ис пользуем понятие «фаза» и «структура», принятые в материаловедении.

Фазой называют однородную составную часть системы, имеющую опре деленный состав, строение и свойства и отделенную от остальных составных частей системы поверхностного раздела. Однородный чистый металл или сплав являются однофазной системой. Если в твердом сплаве содержатся поликри сталлы металлической матрицы и частицы карбидов, то это двухфазная систе ма.

Под структурой понимают совокупность формы, размеров и характера взаимного расположения соответствующих фаз в металлах, сплавах, полимер ных материалах. Структурными составляющими металлического сплава или полимера называют обособленные составляющие их части, имеющие одинако вое строение с присущими им особенностями и свойствами. Например, перлит в структуре стали или ледебурит в структуре чугуна.

Различают макроструктуру – строение металла или сплава, видимое не вооруженным глазом или при небольшом (в 10-20 раз) увеличении, и микро структуру – строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроско па при больших увеличениях.

При анализе структуры полимерных материалов примененяют термин надмолекулярная структура, поскольку свойства полимеров задаются на уров не молекулярного строения, а реализуются на уровне надмолекулярной струк туры. Действительно макромолекулы являются миниатюрными физическими телами, способными не только к изменению формы и размеров, но и к фазовым переходам [15]. Некоторые макроскопические свойства, например такие, как эластичность, задаются уже на молекулярном уровне. Другие свойства сущест венным образом зависят от способа упаковки макромолекул в полимерном те ле. Этот способ упаковки и представляет собой надмолекулярную структуру.

При упаковке в «сплошное» тело макромолекулы сохраняют часть своей инди видуальности, в первую очередь, это относится к гибкоцепным макромолеку лам. Способ их упаковки зависит от того, в какой степени изменяется их кон формация во время кристаллизации, так как достаточно протяженные участки цепей должны распрямляться и укладываться параллельно.

Для лучшего понимания особенностей формирования структуры полиме ров рассмотрим одно из фундаментальных понятий физики полимеров – кон формация макромолекулы. Конформацией макромолекулы называют взаимное расположение в пространстве её звеньев (частей). В этой формулировке созна тельно употребляется слово «звеньев», а не атомов или групп атомов, так как, во-первых, именно наличие повторяющихся звеньев (например, -CF2-CF2-CF2 у политетрафторэтилена) превращает совокупность химически связанных меж ду собой атомов в макромолекулу. Во-вторых. взаимное расположение звеньев характеризуется не только расстоянием между ними (как у атомов), но и их взаимной ориентацией. В каждый момент времени все атомы и, следовательно, звенья макромолекулы занимают определенные положения в пространстве (с точностью до принципа неопределенности), однако в результате теплового движения эти положения все время изменяются, т.е. мгновенные конформации переходят одна в другую. За мгновенными конформациями никаким экспери ментальным методом уследить невозможно, поэтому когда говорят о конфор мации макромолеуклы, имеют в виду всю совокупность мгновенных конфор маций, принимаемых макромолекулой в определенных условиях.

Любая мгновенная конформация макромолекулы полностью описывается значениями длин химических связей между атомами, валентных углов между химическими связями, примыкающими к общему атому, и углов внутреннего вращения между химическими связями, разделенными одной связью (рис.1.8).

Отсюда следует, что полимерная цепь обладает гибкостью.

Гибкость – основное свойство полимерных цепей, приводящее к качест венно новым свойствам полимеров – высокоэластичности и отсутствию хруп кости в твердом состоянии. Гибкость полимерной цепи приводит к тому, что если достаточно длинная макромолекула «предоставлена сама себе», то подав ляющее большинство принимаемых макромолекул конформаций окажутся свернутыми, а их совокупность составит конформацию статического клубка (рис.1.9).

Благодаря этому возможны огромные обратимые и низкомодульные де формации полимеров при растяжении. Такие деформации, называемые высоко эластическими, объясняются тем, что под действием растягивающей силы клу бок относительно легко разворачивается, а это может сопровождаться увеличе нием продольных размеров в десятки и даже сотни раз. Вторая характерная конформация – статистическая глобула (рис.1.7 б). Эта конформация отлича ется большей и постоянной плотностью. Третьим типом является вытянутая конформация: транс-зигзаг (рис. 1.9 в) у карбоцепных полимеров с простыми С-С связями и без массивных боковых групп и спираль (рис. 1.9 г) у макромо лекул с массивными боковыми группами.

Возможность существования макромолекул с вытянутой конформацией приводит к появлению в полимерных кристаллах выделенного направления – кристаллографической оси, совпадающей с направлением вытянутых конфор маций. Эта структурная анизотропия приводит не только к механической и ста тической, но и к термодинамической анизотропии.

Рис. 1.8. Схема отрезка цепи натурального каучука, состоящего из трех групп (атомы водорода не показаны) Рис. 1.9. Типичные конформации линейной макромолекулы Четвертый тип конформации макромолекул – складчатые (рис.1.9 д, е). Её можно представить как вытянутую цепь с изломами. По сравнению с вытяну той конформацией она несколько проигрывает в конформационной энергии, но зато может обеспечить взаимодействие между вытянутыми участками без по мощи других макромолекул. Такая конформация реализуется в кристалличе ском состоянии и -структурах полипептидов и белков. Целые макромолекулы способны укладываться в пачки, из пачек, в свою очередь, возможно построе ние других более сложных надмолекулярных структур. Несмотря на большое многообразие структур, их можно отнести к одной из следующих четырех групп [16]:

глобулярные структуры;

фибриллярные структуры, характерные для начальных стадий кристал лизации хорошо упорядоченных аморфных полимеров;

крупнокристаллические структуры (сферолиты, монокристаллы), на блюдающиеся на более поздних стадиях кристаллизации;

полосатые структуры, характерные для полимеров, находящихся в вы сокоэластичном состоянии (каучук и другие эластомеры).

Кристаллы полимеров отличаются от обычных низкомолекулярных кри сталлов (атомных, ионных), которые в механическом, кинетическом и термо динамическом смысле являются квазиизотропными, т.к. силы связи между уз лами в направлениях различных кристаллографических осей (и вообще между смежными узлами в любых направлениях) практически не различаются.

При кристаллизации линейных полимеров ситуация резко изменяется, так как появляется некоторая преимущественная ось – ось С, совпадающая с на правлением цепи главных валентностей. В этом направлении связи между уз лами – ковалентные и равнопрочность осей решетки исчезает. Выберем в по лимерном кристалле небольшой элемент объема, в котором цепи упакованы параллельно (рис.1.10), и рассмотрим поведение этого элемента при двух спо собах его растяжения: в направлении оси С и перпендикулярно ей. Механиче ская анизотропия этого элемента очевидна: разрушить его при втором способе растяжения легче, поскольку при этом не надо преодолевать энергию ковалент ных связей.


Кристаллизация требует максимально возможного сближения молекул, достижения наиболее плотной упаковки их с одновременным выделением скрытой теплоты кристаллизации. Для большинства закристаллизированных полимеров коэффициент упаковки, т.е. отношение собственного объема макро молекул к истинному объему высокомолекулярного тела, колеблется в преде лах 0,62 – 0,67. В процессе кристаллизации наблюдается увеличение упорядо ченности системы (уменьшение ее энтропии, S 0) и выделение тепла (уменьшение энтальпии, Н 0), поэтому термодинамически кристаллизация возможна только в том случае, если [H] [TS], т.е. когда G = H – TS и свободная энергия уменьшается. Пространственные препятствия (разветвле ния макромолекул, объемистые заместители), создающие напряжения при сближении цепей, снижают [H], а большая гибкость их благоприятствует воз растанию энтропии, приводит к повышению [S]. Если эти эффекты достаточ но велики, то G может оказаться больше нуля и кристаллизация станет невоз можной в данных условиях [17].

Для осуществления процесса кристаллизации кроме термодинамических факторов существенное значение имеют и кинетические. Установлено, что кри сталлизация полимеров принципиально не отличается от кристаллизации низ комолекулярных соединений и включает две стадии: образование зародышей и их дальнейший рост. Скорость образования зародышей Vз зависит от темпера туры и имеет максимальное значение между температурами стеклования Тст и плавления Тпл, при которых она равна нулю. При заданной температуре число зародышей в единице объема n = Vз, где – время.

Рис. 1.10. Полимерный кристалл Доля закристаллизовавшегося полимера в любой момент пропорциональна произведению скоростей возникновения и роста зародышей, каждая из которых достигает максимума при различных температурах, а кинетика кристаллизации может быть описана уравнением изотермы Колмогорова-Аврами:

n f e kt, где f – доля незакристаллизированного полимера (ее можно определить на ди латометре по измерению объема образца), k – суммарная константа скорости кристаллизации, n – параметр, зависящий от механизма этого процесса.

Согласно современным представлениям о строении полимеров складчатая ламель является основным структурным элементом кристаллических полиме ров в блоке. Большинство полимеров имеют степень кристалличности значи тельно меньше 100 %, поэтому между кристаллическими областями распола гаются аморфные, где складчатость нерегулярна и имеются выступающие из кристаллита петли переменной длины этой цепи, переходящие из одной ламели к другой (проходные цепи) и обеспечивающие зацепление молекул в межкри сталлических областях, целостность и прочность, так как разрушить образец, не разорвав проходные цепи, невозможно.

Толщина ламели, т.е. длина распрямленного (он может быть и спираль ным) участки цепи намного меньше контурной цепи молекул L и из отноше ния L можно примерно оценить, сколько складок образует одна макромоле кула при вхождении в кристалл. При кристаллизации из очень разбавленного раствора чаще получаются правильные складки, в которых для цепей типа по лиэтилена входят 4 звена (чтобы совершить поворот на 180о), а поверхность монокристаллов, выращенных из расплава, содержит, наряду с правильными складками, петли различных размеров (причем цепи могут возвращаться в кри сталл далеко от места выхода) или свободные концы. В результате получаются кристаллы или кристаллиты со сложенными цепями – КСЦ. Толщина ламели определяется термодинамической и кинетической историей ее роста: чем мед леннее и ближе к равновесной температуре плавления происходит рост, тем больше будет [14].

Рис. 1.11. Схема больших периодов в системах с КЦС(а) и КВЦ(б) В то же время при высоких давлениях Вундерлих получал пластинки, где L, т.е. цепи были полностью вытянуты. В этом случае имеем кристаллиты с вытянутыми цепями – КВЦ. Следовательно, полимерные кристаллиты могут существовать в двух топологически различных формах: КСЦ и КВЦ при пол ном совпадении обычных кристаллографических параметров. Общим для обеих форм является чередованием кристаллитов длиной и аморфных участков длиной (рис.1.11) В случае КВЦ число проходных цепей намного превосходит число тако вых в системе КСЦ, где число проходных цепей не может превосходить 50%. В среднем величина d приблизительно постоянна по всему объекту кри сталлоаморфного полимерного тела, ее называют большим периодом.

Температура плавления Тпл систем с КВЦ выше, чем систем с КСЦ. Из это го следует, что свободная энергия G для первых ниже, т.е. они более устойчи вы. Плавление кристаллоаморфных полимеров всегда растянуто по оси темпе ратур, но это настоящий переход первого рода, так как на него затрачивается теплота плавления Н, он проявляет выраженный гистерезис (кристаллизация происходит существенно ниже Тпл) и отвечает другим признакам перехода пер вого рода.

Из рис.1.12 видно, что фазовые линии заменяются «коридорами», равно весная температура плавления заменяется интервалом температур в пределах четырехугольньика (1-4-2-3). Так как в системе имеется распределение по d или, то сначала плавятся кристаллиты с малыми, потом с большими и т.д. – вплоть до плавления каркаса КВЦ. Кроме того, из-за существования цепей с различной степенью натянутости возникают внутренние напряжения, что мо жет вносить механический вклад в изменение Тпл даже при равенстве d или.

Рис.1.12. Фазовая диаграмма Гиббса для реальных кристаллоаморфных полимеров Каждому типу полимеров соответствует своя поверхностная энергия G, и фазовая диаграмма приобретает вид, изображенный на рис.1.12. Линия кри сталлической фазы превращается в «коридор», нижнюю границу которого об разуют КВЦ, а верхнюю – наиболее нестабильные КСЦ. Точка плавления при этом превращается в область в виде четырехугольника.

Кристаллизация может происходить по фибриллярному механизму без об разования складок, при этом закристаллизованные пачки размещаются вдоль фибрилл. По мере возрастания размеров кристаллических образований все меньше становятся подвижность, поверхность и поверхностная энергия, все труднее происходят перестройки и укладка их составных частей. Поэтому кри сталлизация обычно останавливается на стадии лент и ламелей. Так как при этом не используется до конца поверхностная энергия, в полимере сохраняются внутренние напряжения, которые будучи недостаточно сильными, чтобы вы звать дальнейшее укрупнение частицы, делают систему неравновесной.

Когда кристаллизация задерживается на стадии лент и ламелей или фиб рилл, тенденция к уменьшению внутреннего напряжения приводит к возникно вению сферолитов, образование которых сопровождается некоторым уменьше нием поверхностной энергии при минимальной перестройке малоподвижной структуры кристаллического полимера. Сферолиты могут иметь довольно пра вильную шарообразную форму и они хорошо видны под микроскопом.

В зависимости от условий кристаллизации и природы полимера образуют ся кольцевые, радиальные и другие типы сферолитов. Радиальные сферолиты, у которых структурным элементом является ламель, сообщают полимеру высо кую деформируемость, а кольцевые, состоящие из скрученных винтообразных лент, придают ему хрупкость. Из одного и того же полимера могут быть полу чены различные кристаллические формы (полиморфизм). Полиэтилен, напри мер, в зависимости от условий кристаллизации, дает три различных типа еди ничных кристаллов. Такое многообразие кристаллических форм связано, веро ятно, с изменением характера структурных элементов и их ориентации относи тельно направления роста кристалла.

Методом рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии к на стоящему времени определены элементарные ячейки многих полимеров. В простейшем случае полиэтилена линейного строения она имеет орторомбиче скую структуру с цепями, расположенными вдоль четырех ребер и в середине ячейки параллельно друг другу в форме плоского зигзага с периодом идентич ности 2,54 10-10 м (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Схема цепи полиэтилена Некоторые полимеры дают четкие дифракционные картины, типичные для кристаллических систем. В то же время на рентгенограммах обнаруживаются размытые области, характерные для жидкостей, – аморфное гало. Это свиде тельствует о том, что в полимере имеются не только кристаллические участки, но также и аморфные, которые могут достигать десятков процентов.

Аморфное состояние полимеров характеризуется жидкоподобной структу рой разной степени замороженности. Никакого специального порядка в аморф ных полимерах нет. Но отсутствие порядка вовсе не означает однородность.

Аморфные полимеры – это структурно-неоднородные системы. Однако можно совершенно определенно говорить о влиянии гибкости цепей на состояние аморфных полимеров. Чем жестче цепи, тем более проявляется тенденция к спонтанному образованию мезофазы [14].

1.3. ДЕФЕКТЫ СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Правильное представление о физической основе свойств кристаллических твердых тел (металлов и сплавов) возможно только с учетом влияния дефектов кристаллической структуры на физико-механические свойства металлов и сплавов. Эти дефекты связаны с искажением кристаллической решетки, а также нарушениями микроскопического и макроскопического порядка. Расчеты пока зывают, что теоретическая прочность кристаллических тел, полученная из прочности связей в кристаллах, в сотни раз отличается от прочности реальных тел вследствие дефектов их структуры. Дефекты классифицируют по размер ному признаку и различают объемные, поверхностные, линейные и точечные.

Объемные дефекты имеют значительную протяженность по всем направ лениям. Примерами таких дефектов являются усадочные и газовые раковины, трещины, образующиеся на различных этапах технологического процесса про изводства и обработки металлов. Этот вид дефектов для деталей трибосистем нехарактерен и недопустим, поскольку их разупрочняющее влияние очевидно.


Поверхностные дефекты чаще всего наблюдаются в местах стыка (на гра ницах) сросшихся при кристаллизации зерен. Граница между зернами металла представляет собой тонкую (5…10 атомных диаметров) по сравнению с разме ром зерна поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в распо ложении атомов. Нарушение порядка в пограничных зонах зерен часто усугуб ляется скоплением в этих участках различного рода посторонних включений.

Однако и внутри зерна редко наблюдается идеальное строение кристалличе ской решетки. Установлено, что каждое зерно состоит из отдельных элементов – блоков, размер которых колеблется в пределах 10-15… 10-7 м. Отдельные бло ки повернуты друг относительно друга на углы порядка нескольких минут.

Точечные дефекты. В процессе кристаллизации или позднее в результате воздействия внешних сил отдельные узлы решетки могут быть не заняты ато мами или отдельные атомы могут оказаться в междоузлиях. Эти дефекты назы ваются соответственно вакансиями и дислоцированными атомами (рис. 1.14, поз.1,2). Решетка около таких дефектов на расстоянии одного-двух периодов оказывается в упругодеформированном состоянии. Точечными дефектами третьего вида являются инородные атомы, замещающие узловые атомы в ре шетке (рис. 1.14, поз.3). Особенно много таких атомов в сплавах.

Рис. 1.14. Точечные дефекты Рис. 1.15. Краевая дислокация кристаллической решетки и экстраплоскость Образование точечных дефектов происходит в результате диффузии, что связано с расходом энергии. Вакансии и дислоцированные атомы не закрепле ны в определенных объемах зерна. Они постоянно перемещаются, участвуя в процессе диффузии. Атом D (рис. 1.14) может испариться с поверхности кри сталла, оставляя вакансию. Через некоторое время на место атома D переходит атом 4, затем атом 5 и т.д. из более глубокого слоя, если их энергия не меньше энергии активации диффузии. Таким образом, вакансия диффундирует внутри кристалла. Также могут перемещаться инородные атомы. При встрече вакансий может происходить их скопление, а также перерождение их в другие виды де фектов – в субмикроскопические трещины и линейные дефекты. Сток вакансий к существующим трещинам и порам приводит к увеличению размеров послед них. В этом случае происходит значительное разупрочнение металла. Следова тельно, точечные дефекты, несмотря на их малость, оказывают существенное влияние на механические свойства металлов.

Линейные дефекты – дислокации. Проблемы прочности и пластичности металлов и многие другие проблемы материаловедения находят свое объясне ние при использовании теории дислокаций. Дислокации могут образовываться в процессе кристаллизации. Представим себе, что в процессе роста двух кри сталлов M и N (рис. 1.15) навстречу друг другу в момент их сращивания у од ного из них оказалась плоскость KL, которая не получила развития через весь кристалл. В результате образуется новый единый кристалл с не полностью за полненной атомной плоскостью, которую называют экстраплоскостью.

Наибольшие искажения в расположениях атомов наблюдаются вблизи нижнего края экстраплоскости, они простираются через весь кристалл и могут достигать тысяч периодов решетки. Край экстраплоскости создает линейный дефект кристаллической решетки, который называется краевой дислокацией.

Рис.1.16. Дислокации в кристаллах: образование краевой дислокации при сдвиге (а);

винтовая дислокация (б) Многие дислокации образуются путем сдвигового механизма. Краевая дислокация образуется, если осуществить пластической деформацией сдвиг верхней части кристалла относительно нижней на один период решетки (рис.1. 16а).

На рис. 1.16б представлена схема кристаллической решетки, иллюстри рующая сдвиговой механизм образования винтовой дислокации, где сдвиг пра вой части кристалла в плоскости АВСD вдоль линии AD на одно межатомное расстояние.

Помимо краевых и винтовых дислокаций существуют смешанные дисло кации, которые состоят из краевых и винтовых составляющих. Наличие дисло каций приводит к упругому искажению кристаллической решетки, дополни тельным концентрациям сжимающих и растягивающих напряжений и, как следствие, ведет к существенному изменению прочности. На рис.1.17 показано, что с увеличением плотности дислокаций в материале модуль упругости Юн га Е резко уменьшается и после перехода через некоторый минимум несколько повышается за счет выхода дислокаций на границы зерен или поверхность.

Рис.1.17. Изменение модуля упругости от плотности дислокаций:

1 – теоретическая плотность;

2 – монокристаллы;

3 – чистые не упрочненные металлы;

4 – упрочненные сплавы Чтобы дать представление о плотности дислокаций, можно отметить, что в обычном недеформированном монокристалле имеется протяженность 10 5 м ли ний дислокаций на 1 см 3 объема [13]. При деформации кристалла эта величина возрастает на несколько порядков. Вместе с тем удается получить полупровод никовые кристаллы макроскопических размеров, практически свободные от дислокаций, а также монокристаллы металлов с очень малой плотностью дис локаций (~100 см-2).

1.4. СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОСИСТЕМ Многообразие конструкций узлов трения (трибосистем) и условий их ра боты в машинах и приборах не позволяет рекомендовать какой-то универсаль ный материал, обеспечивающий высокую надежность различных технических устройств. Основными факторами, которые должны учитываться в первую оче редь при выборе материалов, являются: нагрузочные характеристики (контакт ное давление, скорость скольжения), заданный технический ресурс (общая про должительность работы узла трения в часах), температурные условия эксплуа тации, условия смазки (наличие и вид смазочного материала), характер окру жающей среды (атмосферный воздух или инертный газ и их влажность, ваку ум), требования к моменту (коэффициенту) трения.

Доподлинно могут учитываться технические и экономические возможно сти использования материала, ограничения по массе узла трения, радиационная стойкость материала, особые требования и ограничения по условиям примене ния трибосистемы, например, ограничения по испаряемости материала в ва кууме, которые могут приводить к загрязнению находящихся рядом оптических или других систем. Для обеспечения названных разнообразных технических требований и условий эксплуатации материалы трибосистем должны удовле творять определенным требованиям. Одним из главных требований к материа лу пары трения является достаточная износостойкость в заданных условиях ра боты,которая характеризуется интенсивностью изнашивания – отношением ве личины линейного износа к пути трения.

Следующим важным требованием к материалам деталей узлов являются высокие характеристики механических свойств: предел прочности в, предел упругости у, предел текучести т, относительное удлинение и сужение,.

Предел прочности определяет несущую способность узла, а предел упругости и предел текучести характеризуют предельное значение контактных напряжений для упругих деформаций при фрикционном взаимодействии. Относительное удлинение и сужение – это, как известно, показатели пластичности, играющие большую роль в механизме фрикционного взаимодействия.

Важными требованиями к свойствам материалов пары трения являются твердость и микротвердость материала. При абразивном изнашивании эта ха рактеристика определяет износостойкость пары трения. Твердость материала прямо влияет на величину внедрения микронеровностей сопряженной поверх ности, т.е. величину деформации при контактном взаимодействии, а следова тельно, и вид деформации (упругая или пластическая). В то же время величина деформации зависит от модуля упругости Е – важнейшей характеристики упру гих свойств металлов. Большинство деталей машин, в том числе детали узлов трения (подшипников качения и скольжения, зубчатых зацеплений и т.д.), ра ботают при циклически действующей нагрузке. Циклическое нагружение ис пытывают поверхностные слои трущихся деталей вследствие дискретности контактного взаимодействия микронеровностей поверхностей. В условиях цик лического нагружения каждый материал разрушается после определенного числа циклов нагружения при действующих напряжениях ниже предела теку чести. В материаловедении это явление называется усталостью, а в качестве ха рактеристики материала, работающего в условиях циклического напряжения, используется предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после произвольно большого числа циклов нагружения. К материалам деталей узлов трения, рассчитываемых на большой ресурс работы, предъявляются определенные требования по преде лу выносливости во избежание усталостного разрушения до выработки задан ного ресурса.

Материалы деталей узлов трения должны обладать необходимыми тепло физическими свойствами: хорошей теплопроводностью и температуропровод ностью, достаточно высокой теплоемкостью и стабильным коэффициентом ли нейного и объемного температурного расширения. Достаточно высокие тепло физические свойства обеспечивают отвод и рассеивание тепла, генерируемого в зоне трения, предохраняя детали узлов трения от чрезмерного нагрева, способ ного вызвать ухудшение механических и триботехнических свойств материа лов.

1.4.1 Металлы и сплавы Металлы и сплавы до последнего времени были основным материалом, ко торый используется для деталей узлов трения. Это объясняется тем, что они, как правило, больше других материалов удовлетворяют разнообразным услови ям эксплуатации узлов трения и техническим требованиям к свойствам мате риалов. Металлы обладают такими качествами, как прочность и пластичность, высокая твердость и теплопроводность, способность образовывать различные виды соединений с одним или несколькими элементами, приобретая новые важные свойства. В зависимости от химической природы элементов и условий, в которых находится система, металлы могут образовывать между собой, а также с неметаллами твердые растворы, эвтектические смеси и химические со единения.

Износостойкость сталей и чугунов зависит от их структуры. Каждая из структурных составляющих обладает различными свойствами, которые следует учитывать при выборе технологии обработки стали и чугуна, предназначенных для различных узлов трения (табл.1.2).

С увеличением содержания углерода, как правило, повышаются твердость и износостойкость сплавов. Важной характеристикой, связанной с триботехни ческими свойствами материала, являются тип кристаллической решетки, число и характер распределения ее дефектов, анизотропия свойств кристаллов.

Эффективные методы повышения износостойкости и механических свойств сталей и чугунов – термическая и химико-термическая обработка (це ментация, азотирование, нитроцементация, цианирование, сульфидирование, борирование), легирование хромом, никелем, марганцем, вольфрамом, молиб деном, ванадием. Применение названных методов позволяет существенно из менять структуру, а, следовательно, и свойства сплавов, особенно свойства по верхностных слоев в желаемом направлении. При разработке новых металличе ских материалов целесообразно создавать структуры, содержащие твердые час тицы, распределенные в сравнительно мягкой основе. Такими частицами могут быть карбиды железа, карбиды легирующих элементов и сложные карбиды.

Наличие в структуре твердых частиц позволяет локализовать схватывание на малых участках поверхности, избежать заедания и снизить интенсивность из нашивания.

Рассмотрим основные типы сталей, наиболее широко применяемые в узлах трения.

Углеродистые конструкционные стали высокой прочности и с высокими упругими свойствами содержат углерода от 0,60 до 0,80 %. После закалки и от пуска детали из этих сталей могут работать в условиях трения при высоких ста тических и вибрационных нагрузках (опоры валов, направляющие, кулачковые механизмы и т.д.). Положительной особенностью углеродистых сталей являет ся достаточно высокий комплекс механических свойств, при относительно не высокой ударной вязкости. Например, сталь 70 имеет предел прочности в = 730 МПа, предел текучести т = 430 МПа. Углеродистые стали обладают также хорошими технологическими свойствами (обрабатываемость резанием, свари ваемость, штампуемость). Эти стали не являются дефицитными, они недороги.

Основной недостаток углеродистых сталей – малая прокаливаемость, по этому высокие механические свойства после упрочняющей термической обра ботки получаются только в деталях малых сечений в относительно неглубоком поверхностном слое крупных деталей.

Легированные стали в термически обработанном состоянии имеют высо кий предел текучести и высокую твердость, что обеспечивает их высокую из носостойкость в разнообразных условиях эксплуатации. Упрочнение от дейст вия дисперсных частиц упрочняющей фазы достигается за счет подбора состава стали и оптимальной термической или химико-термической обработки.

Упрочняющими фазами в сталях могут быть карбиды разного состава;

нитриды;

карбонитриды;

интерметаллиды;

чистые металлы, малорастворимые в железе, например, чистая медь. Наиболее эффективное упрочнение достигается такими фазами, которые способны растворяться в твердом растворе (в аустени те при нагреве), а затем выделяться из него в мелкодисперсном состоянии и со храняться при температурах технологической обработки и использовании изде лия.

К эффективным упрочнителям относятся VC, VN, NbC, NbN, MoC и ком плексные фазы на их основе. Оптимальное упрочнение от твердых дисперсных частиц достигается при условии, когда эти частицы достаточно малы и когда расстояние между ними в твердом растворе мало. Обеспечивается это соответ ствующим подбором легирующих элементов и режимов термической обработ ки (закалка и высокий отпуск, закалка и низкий отпуск), позволяющим полу чить структуру с высокими механическими и триботехническими свойствами.

Таблица 1. Структурная Характеристика структур- Влияние на износостойкость и составляющая но-фазового состояния механические свойства 1 2 Феррит Твердый раствор углерода При наличии ферритной основы в -железе стали и чугуны имеют малую твердость и износостойкость Аустенит Твердый раствор углерода Обладает способностью к уп в -железе рочнению при пластической деформации, несмотря на невы сокую твердость, обладает хо рошей износостойкостью в ус ловиях удара и пластической деформации Карбиды Химические соединения Входя в состав структуры (пер железа с углеродом – це- литов), карбиды повышают из ментит, при легировании – носостойкость сталей и чугунов химическое соединение железа с углеродом и ле гирующими элементами Перлит Ферритно-цементная С увеличением содержания смесь;

типы перлита: зер- перлита до 30% износостой нистый, пластинчатый кость возрастает;

наиболее из носостойки структуры с пла стинчатым перлитом Мартенсит Перенасыщенный твердый Имеет высокую прочность и раствор углерода в - твердость, обладает высокой железе (структура закалки) износостойкостью Графит Кристаллическая модифи- Включения графита (особенно кация углерода;

типы: пла- шаровидного) действуют как стинчатый, хлопьевидный, смазка, уменьшают коэффици шаровидный ент трения, повышают износо стойкость.

Для изготовления шестерен, подшипников скольжения, золотниковых пре цизионных пар гидроаппаратуры и других высокоответственных деталей пар трения используют цементуемые стали. С целью получения требуемых механи ческих и триботехнических свойств деталей из малоуглеродистых и легирован ных сталей их можно подвергать также цианированию или нитроцементации. В условиях массового производства нитроцементация малоуглеродистых сталей и карбонитрирование легированных сталей имеют преимущество перед простой цементацией. Применение нитроцементации углеродистых сталей обеспечивает лучшую прокаливаемость поверхностного слоя, что позволяет получить высо кую твердость и износостойкость деталей при закалке в масле, в то время как цементованный слой при закалке в масле имеет более низкую твердость пере ходных структур (троостит, сорбит).

Особую группу износостойких сталей составляют шарикоподшипниковые стали, содержащие около 1 % углерода и от 0,6 до 1,5 % хрома: сталь ШХ (0,6 % С), ШХ9 (0,9 % С), ШХ15 (1,5 % С) и др. При легировании хромом в ша рикоподшипниковых сталях достигается повышение прокаливаемости и изно состойкости. К этим сталям предъявляются повышенные требования по чистоте от неметаллических включений, которые могут быть очагами зарождения уста лостных дефектов при длительной работе подшипника. Стали после закалки и низкого отпуска (150 – 200о С) обладают очень высокой твердостью – 61 66 HRC.

В условиях трения и изнашивания, сопровождаемых большими удельными динамическими нагрузками, высокой износостойкостью отличается высокомар ганцовистая сталь марки Г13. Эта сталь имеет в своем составе 1,0 – 1,4 % угле рода и 12,7 – 14 % марганца, обладает аустенитной структурой и относительно невысокой твердостью (200 – 250 НВ). В процессе эксплуатации, когда на де таль узла трения действуют высокие нагрузки, которые вызывают в материале деформацию и напряжения, превосходящие предел текучести, происходит ин тенсивное наклепывание стали Г13 и увеличение твердости и износостойкости.

После наклепа сталь сохраняет высокую ударную вязкость. Благодаря этим свойствам сталь Г13 широко используется для изготовления корпусов шаровых мельниц, щек камне-дробилок, крестовин рельсов, гусеничных траков, козырь ков землечерпалок и т.д.

Наряду с высокоуглеродистыми и легированными сталями в качестве из носостойких материалов применяют чугун различных марок. Решающее влия ние на триботехнические свойства чугуна оказывают включения графита и фосфоридная эвтектика чугуна, которые определяются структурой зависящей от состава сплава, условий охлаждения литья и термической обработки. Изно состойкость чугуна зависит также от содержания перлита: увеличение перлита в структуре до 30 % повышает износостойкость чугуна.

На механические и антифрикционные свойства чугуна влияют количество, форма и распределение графитовых включений в основной структуре. При ра боте чугуна в паре трения графит выполняет двоякую роль: являясь непрочной составляющей структуры чугуна, он уменьшает сопротивление силам трения, а как продукт износа играет роль смазки. Положительное влияние графита про является в том, что, заполняя в результате изнашивания мелкие поры на тру щихся поверхностях, он выравнивает удельные нагрузки, действующие на по верхность. Установлено, что при одном и том же содержании графита износо стойкость чугуна возрастает с уменьшением размера графитовых включений.

В зависимости от структуры графита, металлической основы и механиче ских свойств чугуны разделяются на три вида: серые, ковкие и высокопрочные.

Все они находят применение в производстве деталей узлов трения, передаточ ных механизмов и других устройств, работающих в условиях трения и изнаши вания.

Антифрикционный графитизированный чугун применяют для изготовле ния нагруженных деталей узлов трения (подшипников, шарнирных соединений, втулок). Марки антифрикционного чугуна, структура и допустимые режимы работы приведены в табл.1.3 [18].

Твердые сплавы используют в качестве трущихся элементов узлов трения и режущего инструмента. Они состоят из твердых карбидов и связующей фазы, изготовляются методами порошковой металлургии.

Отличительной особенностью твердых сплавов является их высокая твер дость (87 – 92 HRC) при достаточно высокой прочности (в 2500 МПа), кото рая приближается к прочности инструментальных сталей. Твердость и проч ность зависят от состава твердых сплавов, прежде всего от количества связую щей фазы (кобальта) и величины зерен карбидов. Твердые сплавы отличаются очень высокой износостойкостью и теплостойкостью.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.