WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

«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 ...»

-- [ 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 исследований в области трибофизики и трибологии металлов и полимеров. Дана характеристика трибологических систем и трибологических процессов.

Рассмотрены состояния и свойства поверхностного слоя, физикохимические процессы, структурно-фазовые превращения и трибофизические эффекты при трении металлов и полимеров, а также процессы самоорганизации в металлополимерных трибосистемах. Отдельно рассмотрена термодинамика процессов трения и изнашивания металлов и полимеров.

Рекомендуется научным и инженерно-техническим работникам, специализирующимся в области надежности и долговечности машин, а также аспирантам и студентам высших учебных заведений машино- и приборостроительных 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, нанотехнологий), машин и технологического оборудования на основе фундаментальных физических законов взаимодействия материальных микро- и наночастиц, определяющих 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 характеристики.

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 явлений и процессов в трибосистеме в особых условиях внешнего энергетического воздействия (деформационных, теплофизических и трибоэлектрических, трибохимических, диффузионных т.п.), вызывающих структурно-фазовые превращения, внутренние напряжения, появление и развитие микро- и макроэффектов, вплоть до разрушения (изнашивания) поверхностей трения твердых тел.

Сказанное позволяет определить трибофизику в качестве одного из направлений трибологии – науки о трении твердых и жидких тел и процессах, сопровождающих трение.

Процесс совершенствования машин и технологического оборудования характеризуется увеличением удельных нагрузок на детали узлов трения и снижением их материалоемкости. Это обстоятельство значительно усложняет задачу 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 достаточным использование предыдущего опыта организации рационального цикла исследования и испытания применяемых материалов и проектируемой трибосистемы. В то же время инженерная практика выдвигает новые задачи обеспечения работоспособности машин при более высоком уровне рабочих параметров в широком интервале температур, нагрузок и скоростей в различных газовых, жидких и агрессивных средах.

Решение названных задач вызывает необходимость грамотного использования 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 различные методы структурной модификации и поверхностного упрочнения сопряженных поверхностей деталей трибосистем.

Актуальность рассматриваемых задач трибологии, трибофизики и материаловедения определяются тем, что современные транспортные машины (автомобильный, железнодорожный, воздушный и водный транспорт), приборы систем управления, энергетические установки, технологическое оборудование различных отраслей машиностроения являются сложными техническими системами. Эти системы работают в автоматическом режиме или в составе автоматизированных 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 механизмы, чем сложнее условия работы узлов трения (трибосистем) современных технических систем (например, в космических программах, программах развития нефтегазодобывающей и других отраслей экономики и др.), чем выше стоимость конструкций, тем важнее роль материаловеда при выборе метода упрочняющей обработки и анализа физико-химических процессов, развивающихся в условиях трения.

Затраты на ремонт сложного современного оборудования и недополучение выпускаемой продукции, вызванное простоем оборудования (например, нефтеперекачивающей станции, гидроэлектростанции, металлургического прокатного стана) приводят к значительным экономическим потерям, а отказы узлов трения транспортных машин – к аварийным ситуациям и катастрофам. Избежать или свести к минимуму вероятность отказа узлов трения машин и элементов технологических систем возможно путем применения и развития методов модификации структуры и свойств конструкционных материалов при грамотном использовании основных положений трибофизики и рациональном использовании различных современных методов (технологий) поверхностного модифицирования 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 исследований и разработок автора с коллегами и других специалистов в данной области науки и техники.

ГЛАВА 1. ТРИБОФИЗИКА И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Все современные технические системы, включая приборы, машины, технологическое оборудование, имеют в своем составе, за редким исключением, подвижные сопряжения деталей, образующие узлы трения различного типа.

Контактное взаимодействие деталей при их относительном движении при работе 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 соответствующих 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 экспериментальнотеоретические исследования физических (механических, электрических, тепловых, магнитных), химических, биологических и других явлений, связанных с трением. Для оценки трения необходимо учитывать взаимосвязь и взаимоотношение между контактирующими телами, внешними энергетическими воздействиями, накоплением и рассеянием энергии, а также последствия трибологических процессов, вызывающих изменение свойств и состояний системы или ее элементов во времени. Изменения могут происходить одновременно и последовательно, они могут приводить к изменению химического состава и строения материала (химические, ядерные изменения) либо энергетического состояния и свойств (физические изменения). Трибологические процессы являются вынужденными, они могут быть обратимыми (упругая деформация, повышение температуры) и необратимыми (пластическая деформация, изнашивание).

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

Среди них: трибофизика, трибомеханика, трибоматериаловедение, триботехника, триботехнология, трибомониторинг, трибоинформатика.

Трибофизика, как направление современной физики, изучает процессы и явления, происходящие в реальных системах тел (трибосистемах), где тела контактируют друг сдругом в условиях взаимного перемещения [1]. Трибофизика рассматривает задачи термодинамики, статистической физики, электродинамики, кинетики и другие, которые выходят за пределы механики и материаловедения. Современный этап развития трибофизики характеризуется комплексным подходом к изучению и познанию явлений и процессов, протекающих на поверхностях и в поверхностных слоях взаимодействующих тел, применением высокоэффективных физических, химических и математических методов исследований и вычислительной техники. Анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований позволил достигнуть существенного прогресса в понимании природы трения и изнашивания различных материалов при разнообразных внешних условиях и различных состояниях взаимодействующих поверхностей. Этому способствовали результаты исследования адгезионного взаимодействия металлов и полимеров при трении, структурно-фазовых превращений и реологии поверхностных слоев при различных температурах и уровнях внешнего энергетического воздействия. Анализ и обобщение полученных результатов на основе термодинамического подхода, позволили сделать вывод о стремлении всей поверхностной материальной системы перейти в наиболее выгодное структурно-энергетическое состояние при минимальном производстве 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 элементов, участвующих в процессах трения и изнашивания, существующие между ними связи и свойства этих элементов. Взаимодействующие элементы образуют 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 трибологической системе (ТС) при внешнем энергетическом воздействии. Спектр внешних воздействий составляют силы и энергия (механическая, электрическая, тепловая). Для некоторых трибологических систем спектр внешних воздействий можно описать с достаточно большой точностью. Для других ТС это практически невозможно, потому что он изменяется в каждой точке системы и во времени [4]. ТС должна быть внутренне скоординирована, иметь определенную структуру и совокупность взаимно сопряженных элементов. Совокупность элементов определяет состав ТС. Эти элементы ТС находятся в некотором взаимном 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 упорядочения их описания целесообразно применение системного анализа. Системный подход к проблемам трибологии показан в работах Г. Саломона, Ч. Чихоса, Д. Мура [5,6,7]. На рис.1.1 показана структурная схема ТС согласно системному подходу.

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

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

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

Выходными характеристиками трибосистемы являются также результаты процессов 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 возмущающие факторы, например, повышенная температура, вибрация, загрязнения, нарушение кинематики движения (радиальное биение вращающихся деталей машин).

Свойства трибосистем определяются их составом и структурой и характеризуются следующими показателями: износостойкостью, антифрикционностью, теплостойкостью, совместимостью материалов ТС.

Износостойкость ТС характеризует свойство материалов системы сопротивляться изнашиванию. Критериями износостойкости являются скорость изнашивания и интенсивность изнашивания.

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

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

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

При полном анализе трибологических процессов в числе выходных параметров ТС обязательно учитывается такой важный параметр, как коэффициент трения. Он является результатом комплекса физико-химических процессов, сопровождающих трение двух тел, поэтому его нельзя отнести к какой-либо одной 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 интенсивность изнашивания являются нелинейными функциями физикомеханических свойств материалов пары трения, условий работы (вид смазки, свойства и температура окружающей среды) и режимов трения (скорость относительного 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 выходные параметры при реализации цели работы ТС, которой могут быть преобразования движения (подшипники, тормоза), энергии (зубчатые передачи), информации (кулачковые и следящие механизмы) и массы (трубопроводы, установки волочения проволоки). При этом ТС характеризуется как открытая, динамичная, гранично управляемая система [4]. Трибосистемы, как правило, являются многофазными, состоящими из фаз с различающимися свойствами и неоднородными, т.е. гетерогенными. Как термодинамические системы ТС могут быть открытыми или замкнутыми. Открытые ТС могут обмениваться энергией и веществом (массой) с окружающей однородной средой, замкнутые ТС – только энергией. Существуют также изолированные термодинамические системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом.

В трибологических системах реализуются различные трибологические процессы, характер и интенсивность которых определяются функциональными характеристиками ТС. В общем случае функциональные характеристики описывают преобразование входных параметров X в выходные Y при взаимодействии 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, динамические, 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 воздействия могут вызывать изменения свойств материалов деталей и термохимические изменения в смазочных материалах.

Выход в ТС можно рассматривать как реакцию системы на внешнее воздействие и как результат трибологических процессов: сопротивление (сила) трения F1, износ Z, сопутствующие процессы Р1, например, повышение температуры поверхности трения, старение материалов, трибоэлектрические, термомеханические и др. процессы.

Трибологическая система может изменять свои функциональные характеристики 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 взаимодействия в системе совершается работа и формируется фактическая поверхность контакта. Затем в результате взаимодействия происходит диссипация (рассеяние) 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 (триболюминесценция), 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 материала 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 увеличении силы трения при увеличении вязкости смазочного материала.

Состояние I – период приработки деталей ТС, нестационарное состояние.

В этот период система автоматически приспосабливается к оптимальным условиям взаимодействия деталей Е1, Е2 и его можно назвать периодом саморегулирования.

Свойства деталей и взаимодействие между ними изменяются таким образом, что при неизменном внешнем энергетическом воздействии уменьшается интенсивность изнашивания. В этот период происходят формирование оптимальной микрогеометрии сопряженных поверхностей и благоприятные изменения структуры и свойств материала деталей, называемые трибоприспосабливаемостью.

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 эксплуатации 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 изменений свойств материалов и деталей, находящихся во фрикционном взаимодействии, 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 трибосистем (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 режима, предельная нагрузка образования задира, коэффициент нагруженности и т.п. [10]. При хорошей совместимости обеспечиваются невысокие уровни трения, износа и длительная работа трибосистемы без повреждения трущихся поверхностей.

Наиболее полно физические представления о природе совместимости материалов как об оптимальном состоянии трибосистемы в заданных условиях работы вытекают из положений термодинамики необратимых процессов. Применение 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 стационарном установившемся и нестационарном переходном режимах. Наблюдаются локальные равновесные состояния внутри неравновесной системы. В этом случае соблюдается принцип взаимности Онзагера между термодинамическими силами и потоками. При трении все процессы – изнашивание, тепловыделение, трибоэлектризация, диффузионные и магнитные потоки и др. – являются необратимыми и могут оцениваться различными энтропийными потоками. По И. Пригожину, при стационарном состоянии системы скорость возникновения энтропии становится постоянной и минимальной при заданных постоянных параметрах внешнего воздействия.

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

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 достигнуто 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.

Максимально высокие прочность и жест- Снижение деформации под накость, минимальное снижение этих пара- грузкой и приращения конфиметров при повышении температуры гурационной энтропии Максимально высокая теплопроводность Увеличение диссипации тепловой энтропии Максимальная теплоемкость Увеличение удельной энтропии Способность полимерной матрицы к об- Производство конфигурационразованию более упорядоченной слоистой ной отрицательной энтропии (ориентированной) структуры типа ЖКС (него энтропии), снижение скоиз аморфной фазы рости накопления общей энтропии Наполнители должны способствовать Увеличение удельной энтровыполнению требования по п.п. 1-5 пии и межслоевого расстояния Технология изготовления полимерных и Снижение энтропии в исходметаллополимерных 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 интенсивностью, 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 поверхностной структуры, происходящего в результате самоорганизации. Для реализации процесса самоорганизации необходимы соответствующие условия.

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

Так, при разработке полимерных композиционных материалов для металлополимерных трибосистем автором предложен комплекс требований к составу, структуре и свойствам материала (табл.1.1), обеспечивающий минимизацию накопления энтропии в трибосистеме [1]. Разработка композиционных материалов на основе ПТФЭ и технологии изготовления уплотняющих элементов пневмо- и гидроаппаратуры с учетом приведенных требований позволила существенно повысить износостойкость и срок службы герметизирующих устройств названной аппаратуры благодаря формированию диссипативной трибоструктуры поверхностного слоя типа термотропных жидких кристаллов вследствие 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) определяются их строением и структурой. Под строением твердых тел понимают расположение в пространстве и взаимодействие частиц твердого тела: атомов, ионов, молекул. Электроны в атомах распределяются по энергетическим уровням (орбитам) 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 модель атома элемента.

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

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 понятие относят только к чистым металлам. К числу важнейших и лучше всего выраженных свойств металлов относятся металлический блеск, большая электропроводность в сочетании с хорошей теплопроводностью и высокая способность 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 взаимодействия 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 состоянии термодинамического равновесия. Этому способствует определенный порядок в пространственном расположении частиц, определяемый понятием «кристаллическая 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 элементарных ячеек следующих типов: объемно-центрированная кубическая (ОКЦ);

гранецентрированная кубическая (ГЦК); гексагональная, которая бывает плотно упакованной (ГПУ) и неплотно упакованной (рис.1.4). Кристаллические решетки характеризуются следующими основными параметрами: период решетки, атомный радиус, энергия решетки.

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 центрами ближайших атомов кристаллической решетки при нормальной температуре и атмосферном давлении.

Энергия кристаллической решетки определяется как энергия, выделяющаяся при образовании кристалла из ионов, атомов или других частиц, образующих кристалл, когда исходное состояние этих частиц газообразное. От величины 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 наибольшими межатомными расстояниями монокристаллы обладают наименьшими значениями механических свойств. Поэтому у многих кристаллов имеются явно выраженные слабые и сильные плоскости скольжения, по-разному реагирующие на воздействие внешних сил. Например, модули упругости Юнга у монокристалла меди в трех пространственных направлениях могут значительно различаться (6,67; 13,1 и 19.1) · 104 МПа [4]. Анизотропия кристаллов приводит к необходимости введения определенной системы в обозначениях узловых плоскостей 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 индекс (111) (рис.1.5в). Практически в процессе кристаллизации металлов и сплавов в кристаллизационным объеме одновременно зарождается множество произвольно 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 межкристаллической прослойкой, в которой нарушен порядок расположения атомов. В результате этого поликристалл в целом, в отличие от отдельных кристаллов, обладает некоторой усредненной однородностью физических свойств в различных направлениях. 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 количество тепла, равное скрытой теплоте плавления.

Строение аморфных твердых тел определяется тем, что межатомные связи распространяются на относительно небольшие расстояния и взаимная ориентация сохраняется только между ближайшими частицами, поэтому общий порядок 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 подвижностью атомов. Они обладают изотропией физических и других свойств в различных направлениях. Переход аморфных тел из жидкого состояния в твердое происходит монотонно в некотором интервале температур, в отличие от кристаллических тел, затвердевающих при постоянной температуре. Характерными 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 нескомпенсированных связей) и большую энтропию по сравнению с той же массой кристаллических тел.

Рис. 1.6. Схематическая картина внутренного строения тел:

Для понимания закономерностей формирования различных структур твердых тел, определяющих их физико-механические свойства, необходимо рассмотреть и разобраться в том, какие силы удерживают частицы вещества в кристаллах в определенном положении и придают им свойства твердых тел.

Силы связи между частицами имеют электрическую природу, но проявляется 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. Представителями тел с таким связей являются Н2, N2, CO2, H2O, CH4 в закристаллизованном (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 минусу другого, достигая минимума потенциальной энергии. Из конструкционных материалов полярная связь наблюдается между макромолекулами полимерных 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 Атомные кристаллы с ковалентным типом связей образуются при обобществлении электронов соседних атомов. Связь между соседними атомами осуществляется парами валентных электронов, находящихся на общей для них связывающей орбите. При образовании ковалентной связи каждый атом достраивает свою валентную оболочку до восьми электронов за счет обобществления 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 расположение 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 Вподгруппы периодической системы элементов. Преимущественно ковалентная связь образуется также между разнородными атомами в таких химических соединениях, 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 переходить от одного атома к другому наподобие атомов газа. При этом электроны обобществляются между всеми атомами кристалла. Между электронами и положительными ионами возникают силы электростатического взаимодействия, определяющие силу связи между атомами в кристалле.

Прочность металлических кристаллов достаточно высокая, особенно у переходных 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. Металлические кристаллы обладают высокой электропроводностью вследствие обобществления электронов всего кристалла и появления «электронного облака».

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

Ионная связь является типичной для неорганических соединений. Кристаллическая решетка хлористого натрия может быть представлена как совокупность двух кубических гранецентрированных решеток (ГЦК) из ионов натрия 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 отрицательными 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 материалов, 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.

Для анализа особенностей строения и изменения свойств материалов в результате внутренних превращений под воздействием внешних факторов используем понятие «фаза» и «структура», принятые в материаловедении.

Фазой называют однородную составную часть системы, имеющую определенный 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 поликристаллы металлической матрицы и частицы карбидов, то это двухфазная система.

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

Различают макроструктуру – строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом (в 10-20 раз) увеличении, и микроструктуру – строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях.

При анализе структуры полимерных материалов примененяют термин надмолекулярная структура, поскольку свойства полимеров задаются на уровне молекулярного строения, а реализуются на уровне надмолекулярной структуры. 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 существенным образом зависят от способа упаковки макромолекул в полимерном теле. Этот способ упаковки и представляет собой надмолекулярную структуру.

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

Для лучшего понимания особенностей формирования структуры полимеров рассмотрим одно из фундаментальных понятий физики полимеров – конформация макромолекулы. Конформацией макромолекулы называют взаимное расположение в пространстве её звеньев (частей). В этой формулировке сознательно употребляется слово «звеньев», а не атомов или групп атомов, так как, во-первых, именно наличие повторяющихся звеньев (например, -CF2-CF2-CF2у политетрафторэтилена) превращает совокупность химически связанных между 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 экспериментальным методом уследить невозможно, поэтому когда говорят о конформации макромолеуклы, имеют в виду всю совокупность мгновенных конформаций, 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 качественно новым свойствам полимеров – высокоэластичности и отсутствию хрупкости в твердом состоянии. Гибкость полимерной цепи приводит к тому, что если достаточно длинная макромолекула «предоставлена сама себе», то подавляющее большинство принимаемых макромолекул конформаций окажутся свернутыми, а их совокупность составит конформацию статического клубка (рис.1.9).

Благодаря этому возможны огромные обратимые и низкомодульные деформации полимеров при растяжении. Такие деформации, называемые высокоэластическими, объясняются тем, что под действием растягивающей силы клубок относительно легко разворачивается, а это может сопровождаться увеличением продольных размеров в десятки и даже сотни раз. Вторая характерная конформация – статистическая глобула (рис.1.7 б). Эта конформация отличается 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 макромолекул с массивными боковыми группами.

Возможность существования макромолекул с вытянутой конформацией приводит к появлению в полимерных кристаллах выделенного направления – кристаллографической оси, совпадающей с направлением вытянутых конформаций. Эта структурная анизотропия приводит не только к механической и статической, 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 вытянутой конформацией она несколько проигрывает в конформационной энергии, но зато может обеспечить взаимодействие между вытянутыми участками без помощи других макромолекул. Такая конформация реализуется в кристаллическом состоянии и -структурах полипептидов и белков. Целые макромолекулы способны укладываться в пачки, из пачек, в свою очередь, возможно построение 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 кристаллизации хорошо упорядоченных аморфных полимеров;

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

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

Кристаллы полимеров отличаются от обычных низкомолекулярных кристаллов (атомных, ионных), которые в механическом, кинетическом и термодинамическом смысле являются квазиизотропными, т.к. силы связи между узлами 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 направлением цепи главных валентностей. В этом направлении связи между узлами – ковалентные и равнопрочность осей решетки исчезает. Выберем в полимерном кристалле небольшой элемент объема, в котором цепи упакованы параллельно (рис.1.10), и рассмотрим поведение этого элемента при двух способах его растяжения: в направлении оси С и перпендикулярно ей. Механическая анизотропия этого элемента очевидна: разрушить его при втором способе растяжения легче, поскольку при этом не надо преодолевать энергию ковалентных 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 макромолекул к истинному объему высокомолекулярного тела, колеблется в пределах 0,62 – 0,67. В процессе кристаллизации наблюдается увеличение упорядоченности 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 (разветвления макромолекул, объемистые заместители), создающие напряжения при сближении цепей, снижают [H], а большая гибкость их благоприятствует возрастанию энтропии, приводит к повышению [S]. Если эти эффекты достаточно велики, то G может оказаться больше нуля и кристаллизация станет невозможной в данных условиях [17].

Для осуществления процесса кристаллизации кроме термодинамических факторов существенное значение имеют и кинетические. Установлено, что кристаллизация полимеров принципиально не отличается от кристаллизации низкомолекулярных соединений и включает две стадии: образование зародышей и их дальнейший рост. Скорость образования зародышей Vз зависит от температуры 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.

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:

где f – доля незакристаллизированного полимера (ее можно определить на дилатометре 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 полимеров в блоке. Большинство полимеров имеют степень кристалличности значительно меньше 100 %, поэтому между кристаллическими областями располагаются 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 межкристаллических областях, целостность и прочность, так как разрушить образец, не разорвав проходные цепи, невозможно.

Толщина ламели, т.е. длина распрямленного (он может быть и спиральным) участки цепи намного меньше контурной цепи молекул L и из отношения L можно примерно оценить, сколько складок образует одна макромолекула при вхождении в кристалл. При кристаллизации из очень разбавленного раствора чаще получаются правильные складки, в которых для цепей типа полиэтилена 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 кристалл 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 медленнее 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 полном 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 таковых в системе КСЦ, где число проходных цепей не может превосходить 50%. В среднем величина d приблизительно постоянна по всему объекту кристаллоаморфного полимерного тела, ее называют большим периодом.

Температура плавления Тпл систем с КВЦ выше, чем систем с КСЦ. Из этого следует, что свободная энергия G для первых ниже, т.е. они более устойчивы. Плавление кристаллоаморфных полимеров всегда растянуто по оси температур, 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 первого рода.

Из рис.1.12 видно, что фазовые линии заменяются «коридорами», равновесная 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 может вносить механический вклад в изменение Тпл даже при равенстве d или.

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

Кристаллизация может происходить по фибриллярному механизму без образования 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 кристаллизация 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 вызвать дальнейшее укрупнение частицы, делают систему неравновесной.

Когда кристаллизация задерживается на стадии лент и ламелей или фибрилл, тенденция к уменьшению внутреннего напряжения приводит к возникновению сферолитов, образование которых сопровождается некоторым уменьшением поверхностной энергии при минимальной перестройке малоподвижной структуры кристаллического полимера. Сферолиты могут иметь довольно правильную шарообразную форму и они хорошо видны под микроскопом.

В зависимости от условий кристаллизации и природы полимера образуются кольцевые, радиальные и другие типы сферолитов. Радиальные сферолиты, у которых структурным элементом является ламель, сообщают полимеру высокую деформируемость, а кольцевые, состоящие из скрученных винтообразных лент, придают ему хрупкость. Из одного и того же полимера могут быть получены различные кристаллические формы (полиморфизм). Полиэтилен, например, в зависимости от условий кристаллизации, дает три различных типа единичных кристаллов. Такое многообразие кристаллических форм связано, вероятно, с изменением характера структурных элементов и их ориентации относительно направления роста кристалла.

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

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 свидетельствует о том, что в полимере имеются не только кристаллические участки, но также и аморфные, которые могут достигать десятков процентов.

Аморфное состояние полимеров характеризуется жидкоподобной структурой разной степени замороженности. Никакого специального порядка в аморфных 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 показывают, 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 размерному признаку и различают объемные, поверхностные, линейные и точечные.

Объемные дефекты имеют значительную протяженность по всем направлениям. Примерами таких дефектов являются усадочные и газовые раковины, трещины, образующиеся на различных этапах технологического процесса производства 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 границах) сросшихся при кристаллизации зерен. Граница между зернами металла представляет собой тонкую (5…10 атомных диаметров) по сравнению с размером зерна поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов. Нарушение порядка в пограничных зонах зерен часто усугубляется скоплением в этих участках различного рода посторонних включений.

Однако и внутри зерна редко наблюдается идеальное строение кристаллической решетки. Установлено, что каждое зерно состоит из отдельных элементов – блоков, размер которых колеблется в пределах 10-15… 10-7 м. Отдельные блоки 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 атомами или отдельные атомы могут оказаться в междоузлиях. Эти дефекты называются 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 решетке (рис. 1.14, поз.3). Особенно много таких атомов в сплавах.

Рис. 1.14. Точечные дефекты Рис. 1.15. Краевая дислокация Образование точечных дефектов происходит в результате диффузии, что связано с расходом энергии. Вакансии и дислоцированные атомы не закреплены в определенных объемах зерна. Они постоянно перемещаются, участвуя в процессе диффузии. Атом D (рис. 1.14) может испариться с поверхности кристалла, 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 дефектов – в субмикроскопические трещины и линейные дефекты. Сток вакансий к существующим трещинам и порам приводит к увеличению размеров последних. В этом случае происходит значительное разупрочнение металла. Следовательно, 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 объяснение при использовании теории дислокаций. Дислокации могут образовываться в процессе кристаллизации. Представим себе, что в процессе роста двух кристаллов M и N (рис. 1.15) навстречу друг другу в момент их сращивания у одного из них оказалась плоскость KL, которая не получила развития через весь кристалл. В результате образуется новый единый кристалл с не полностью заполненной 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 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, иллюстрирующая сдвиговой механизм образования винтовой дислокации, где сдвиг правой части кристалла в плоскости АВСD вдоль линии AD на одно межатомное расстояние.

Помимо краевых и винтовых дислокаций существуют смешанные дислокации, которые состоят из краевых и винтовых составляющих. Наличие дислокаций приводит к упругому искажению кристаллической решетки, дополнительным 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 Юнга 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 линий дислокаций на 1 см 3 объема [13]. При деформации кристалла эта величина возрастает на несколько порядков. Вместе с тем удается получить полупроводниковые кристаллы макроскопических размеров, практически свободные от дислокаций, а также монокристаллы металлов с очень малой плотностью дислокаций (~100 см-2).

1.4. СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОСИСТЕМ

Многообразие конструкций узлов трения (трибосистем) и условий их работы в машинах и приборах не позволяет рекомендовать какой-то универсальный материал, обеспечивающий высокую надежность различных технических устройств. Основными факторами, которые должны учитываться в первую очередь при выборе материалов, являются: нагрузочные характеристики (контактное давление, скорость скольжения), заданный технический ресурс (общая продолжительность работы узла трения в часах), температурные условия эксплуатации, условия смазки (наличие и вид смазочного материала), характер окружающей среды (атмосферный воздух или инертный газ и их влажность, вакуум), требования к моменту (коэффициенту) трения.

Доподлинно могут учитываться технические и экономические возможности использования материала, ограничения по массе узла трения, радиационная стойкость материала, особые требования и ограничения по условиям применения трибосистемы, например, ограничения по испаряемости материала в вакууме, которые могут приводить к загрязнению находящихся рядом оптических или других систем. Для обеспечения названных разнообразных технических требований и условий эксплуатации материалы трибосистем должны удовлетворять определенным требованиям. Одним из главных требований к материалу пары трения является достаточная износостойкость в заданных условиях работы,которая характеризуется интенсивностью изнашивания – отношением величины 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 характеристика определяет износостойкость пары трения. Твердость материала прямо влияет на величину внедрения микронеровностей сопряженной поверхности, т.е. величину деформации при контактном взаимодействии, а следовательно, и вид деформации (упругая или пластическая). В то же время величина деформации зависит от модуля упругости Е – важнейшей характеристики упругих свойств металлов. Большинство деталей машин, в том числе детали узлов трения (подшипников качения и скольжения, зубчатых зацеплений и т.д.), работают при циклически действующей нагрузке. Циклическое нагружение испытывают поверхностные слои трущихся деталей вследствие дискретности контактного взаимодействия микронеровностей поверхностей. В условиях циклического нагружения каждый материал разрушается после определенного числа циклов нагружения при действующих напряжениях ниже предела текучести. В материаловедении это явление называется усталостью, а в качестве характеристики 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 пределу выносливости во избежание усталостного разрушения до выработки заданного ресурса.

Материалы деталей узлов трения должны обладать необходимыми теплофизическими свойствами: хорошей теплопроводностью и температуропроводностью, достаточно высокой теплоемкостью и стабильным коэффициентом линейного и объемного температурного расширения. Достаточно высокие теплофизические свойства обеспечивают отвод и рассеивание тепла, генерируемого в зоне трения, предохраняя детали узлов трения от чрезмерного нагрева, способного вызвать ухудшение механических и триботехнических свойств материалов.

Металлы и сплавы до последнего времени были основным материалом, который используется для деталей узлов трения. Это объясняется тем, что они, как правило, больше других материалов удовлетворяют разнообразным условиям эксплуатации узлов трения и техническим требованиям к свойствам материалов. 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 соединения.

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 триботехническими 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 (цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование, сульфидирование, борирование), легирование хромом, никелем, марганцем, вольфрамом, молибденом, ванадием. Применение названных методов позволяет существенно изменять структуру, а, следовательно, и свойства сплавов, особенно свойства поверхностных слоев в желаемом направлении. При разработке новых металлических материалов целесообразно создавать структуры, содержащие твердые частицы, 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 изнашивания.

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 отпуска детали из этих сталей могут работать в условиях трения при высоких статических и вибрационных нагрузках (опоры валов, направляющие, кулачковые механизмы и т.д.). Положительной особенностью углеродистых сталей является достаточно высокий комплекс механических свойств, при относительно невысокой 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, свариваемость, штампуемость). Эти стали не являются дефицитными, они недороги.

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

Легированные стали в термически обработанном состоянии имеют высокий предел текучести и высокую твердость, что обеспечивает их высокую износостойкость в разнообразных условиях эксплуатации. Упрочнение от действия 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 аустените при нагреве), а затем выделяться из него в мелкодисперсном состоянии и сохраняться при температурах технологической обработки и использовании изделия.

К эффективным упрочнителям относятся VC, VN, NbC, NbN, MoC и комплексные 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 соответствующим подбором легирующих элементов и режимов термической обработки (закалка и высокий отпуск, закалка и низкий отпуск), позволяющим получить структуру с высокими механическими и триботехническими свойствами.

Структурная Характеристика структур- Влияние на износостойкость и составляющая но-фазового состояния механические свойства Феррит Твердый раствор углерода При наличии ферритной основы Аустенит Твердый раствор углерода Обладает способностью к упв -железе рочнению при пластической деформации, несмотря на невысокую твердость, обладает хорошей износостойкостью в условиях удара и пластической Карбиды Химические соединения Входя в состав структуры (пержелеза с углеродом – це- литов), карбиды повышают изментит, при легировании – носостойкость сталей и чугунов железа с углеродом и легирующими элементами Перлит Ферритно-цементная С увеличением содержания смесь; типы перлита: зер- перлита до 30% износостойнистый, пластинчатый кость возрастает; наиболее износостойки структуры с пластинчатым 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 коэффицишаровидный ент трения, повышают износостойкость.

Для изготовления шестерен, подшипников скольжения, золотниковых прецизионных пар гидроаппаратуры и других высокоответственных деталей пар трения используют цементуемые стали. С целью получения требуемых механических и триботехнических свойств деталей из малоуглеродистых и легированных 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 высокую твердость и износостойкость деталей при закалке в масле, в то время как цементованный слой при закалке в масле имеет более низкую твердость переходных 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 шарикоподшипниковых сталях достигается повышение прокаливаемости и износостойкости. К этим сталям предъявляются повышенные требования по чистоте от неметаллических включений, которые могут быть очагами зарождения усталостных дефектов при длительной работе подшипника. Стали после закалки и низкого отпуска (150 – 200о С) обладают очень высокой твердостью – 61HRC.

В условиях трения и изнашивания, сопровождаемых большими удельными динамическими нагрузками, высокой износостойкостью отличается высокомарганцовистая сталь марки Г13. Эта сталь имеет в своем составе 1,0 – 1,4 % углерода и 12,7 – 14 % марганца, обладает аустенитной структурой и относительно невысокой твердостью (200 – 250 НВ). В процессе эксплуатации, когда на деталь узла трения действуют высокие нагрузки, которые вызывают в материале деформацию и напряжения, превосходящие предел текучести, происходит интенсивное 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, козырьков землечерпалок и т.д.

Наряду с высокоуглеродистыми и легированными сталями в качестве износостойких материалов применяют чугун различных марок. Решающее влияние на триботехнические свойства чугуна оказывают включения графита и фосфоридная эвтектика чугуна, которые определяются структурой зависящей от состава сплава, условий охлаждения литья и термической обработки. Износостойкость 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 работе 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 проявляется в том, что, заполняя в результате изнашивания мелкие поры на трущихся поверхностях, он выравнивает удельные нагрузки, действующие на поверхность. Установлено, что при одном и том же содержании графита износостойкость чугуна возрастает с уменьшением размера графитовых включений.

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

Все они находят применение в производстве деталей узлов трения, передаточных механизмов и других устройств, работающих в условиях трения и изнашивания.

Антифрикционный графитизированный чугун применяют для изготовления 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 твердость (87 – 92 HRC) при достаточно высокой прочности (в 2500 МПа), которая приближается к прочности инструментальных сталей. Твердость и прочность зависят от состава твердых сплавов, прежде всего от количества связующей фазы (кобальта) и величины зерен карбидов. Твердые сплавы отличаются очень высокой износостойкостью и теплостойкостью.

Основные виды твердых сплавов: группа ВК (WC + Со), группа ТК (WC + TiC + Со), группа ТТК (WC + TiC + TaC + Со). Наиболее распространенными сплавами группы ВК являются сплавы марок ВК3, ВК6, ВК8, ВК20, где число показывает содержание кобальта в процентах (остальное WC). Сплавы с малым количеством кобальта обладают повышенной твердостью и износостойкостью.

Износостойкость твердых сплавов сохраняется высокой при нагреве до 800 – 1000о С.

Цветные сплавы, или сплавы на основе цветных металлов, широко применяются в качестве антифрикционных материалов для смазываемых подшипников скольжения. Основные из них – баббиты, бронзы, латуни, сплавы на алюминиевой основе, спеченные порошковые материалы.

Баббиты – это мягкие антифрикционные сплавы на оловянной, свинцовой, алюминиевой и цинковой основах. Баббиты отличаются низкой твердостью ( – 23 НВ), невысокой температурой плавления (340 – 600 оС), хорошо прирабатываются и имеют низкий коэффициент трения со сталью. Благодаря хорошей прирабатываемости баббитов все неточности поверхностей трения, полученные при механической обработке и установке деталей узлов трения, быстро устраняются в процессе обкатки узла трения или машины. В табл. 1.4 приведены состав и основные свойства баббитов [19].

Антифрикционные свойства баббита зависят от толщины баббитного слоя, нанесенного заливкой на подложку (основной металл подшипникового вкладыша, обычно изготавливаемого из стали). В тонкослойных подшипниках при толщине баббита менее 1 мм баббит имеет гетерогенную (неоднородную) микроструктуру с крупными твердыми кристаллами химических соединений (SnSb, CuSn, SnPb и т.д.), вследствие чего сопротивляемость усталостным повреждениям под действием циклических нагрузок снижается. Баббиты применяют для заливки подшипников скольжения при удельных нагрузках не более 10 – МПа и температуре не выше 100 – 120 оС.

оловянная основа вязкая и пластичная, она менее других склонна к усталостному разрушению. На втором месте стоят свинцовые баббиты (Б16, Б6), в которых мягкой основой является свинец. Эти баббиты значительно дешевле оловянных, а по качеству уступают им ненамного.

Цинковые баббиты ЦАМ10-5 и ЦАМ5-10 уступают баббитам на оловянной основе по пластичности, коэффициенту трения и примерно равноценны баббитам на свинцовой основе.

Сплавы на медной основе также широко применяются в качестве антифрикционных материалов. Различают две группы медных сплавов: латуни – сплавы на основе меди с цинком, бронзы – сплавы на основе меди с другими (кроме цинка) элементами.

Практическое применение имеют латуни с содержанием цинка до 45 %. В качестве антифрикционных материалов применяются латуни кремнистые (ЛКС80-3-3 – содержание кремния 2,5 – 4 %), марганцовистые (ЛМцС58-2-2 содержание марганца до 2,5 %), алюминиево-железистые латуни (ЛАЖ60-1-1Л - содержание алюминия до 1,5 %, железа до 1,5 %). Из антифрикционных латуней изготавливают втулки, подшипники, арматуру.

Бронзы, применяемые для изготовления подшипников скольжения, делятся на оловянные, алюминиевые и свинцовые.

Оловянные бронзы подразделяют на деформируемые (БрОФ 6,5-0,15;

БрОЦС 4-4-2.5) и литейные (БрОЦС 4-4-17, БрОЦСН 3-7-5-1). В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антифрикционными и упругими свойствами, что очень важно для деталей узлов трения. литейные бронзы применяются главным образом при изготовлении отливок (заготовок) для деталей триботехнического назначения (втулки и вкладыши подшипников, венцы червячных колес) и пароводяной арматуры.

Алюминиевые бронзы с оптимальными свойствами содержит 3 – 8 % алюминия. Увеличение содержания алюминия до 10 – 11 % ведет к значительному повышению прочности и понижению пластичности вследствие появления в структуре гамма-фазы. Детали из алюминиевых бронз изготавливают литьем, обработкой давлением и резанием. Это, как правило, относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев.

Свинцовые бронзы (БрСЗО) используют как высококачественный антифрикционный материал, имеющий высокую прочность и температуростойкость (Тпл = 1050 – 1100 оС). Антифрикционные свойства свинцовой бронзы несколько хуже, чем, например, баббитов, но она обладает повышенными прочностными характеристиками и более тугоплавка.

Алюминиевые подшипниковые сплавы в последние годы получили широкое распространение. В качестве антифрикционных материалов они имеют ряд положительных особенностей: высокую теплопроводность, низкий модуль упругости и плотность, и высокую коррозийную стойкость, относительно высокую прочность. В настоящее время созданы весьма разнообразные по химическому составу алюминиевые подшипниковые сплавы. В своей структуре они имеют мягкую пластичную основу металла (алюминия) с включениями твердых структурных составляющих (кристаллы FeAl, AlNi, CuAl, MgSi, AlSb и др.). Введение в сплавы элементов с низкой температурой плавления (Pb, Cd) или добавка графита обеспечивают повышение сопротивления к схватыванию алюминиевых сплавов при сухом или граничном трении. Цинк и магний, имеющие повышенную растворимость в алюминии, вводятся для повышения прочности и нагрузочной способности материала. Подшипники из алюминиевых сплавов применяются в тракторной промышленности, тепловозостроении и других отраслях. Их алюминиевых сплавов изготавливают как монометаллические детали (втулки, шарниры и др.), так и биметаллические подшипники на стальной подложке.

Пористые антифрикционные материалы используют для изготовления деталей узлов трения методом прессования с последующим спеканием из порошков на железной и медной основах. В качестве обязательных добавок к ним применяют порошки самосмазывающихся материалов: графита, дисульфида молибдена и др.

Обычно пористые антифрикционные материалы перед использованием в узлах трения пропитывают жидким смазочным материалом. Детали из таких материалов применяют в парах трения при недостаточной смазке или при недопустимости применения системы смазывания. В процессе работы такой трибосистемы с повышением температуры масло автоматически выделяется (объем пор 15 – 30 % объема детали) и поступает в зону фактического контакта. Эти пары трения устойчиво работают и в условиях обильной смазки. Спеченные из порошков пористые детали узлов трения обладают хорошими прочностными и антифрикционными свойствами и находят широкое применение. Железографитовые спеченные материалы (ЖГр-1; ЖГр-3 и др.) используют при удельных нагрузках до 600 МПа, скорости скольжения 6 м/с и температуре до 150 оС. Коэффициент трения в этих условиях составляет 0,04 – 0,06. При меньших нагрузках скорости скольжения могут достигать 20 – 30 м/с.

Применение железографитовых подшипников позволяет экономить большое количество сплавов цветных металлов – бронзы, баббита. В ряде случаев железографитовые подшипники скольжения могут успешно заменить шариковые и роликовые подшипники качения. Наличие графита и запас жидкой смазки в порах придает металлокерамическим подшипникам свойства самосмазывающихся, что уменьшает опасность выхода из строя узлов трения из-за недостаточной смазки. Использование подшипников из порошков взамен литых повышает срок службы подшипников от 1,5 до 10 раз. В последнее время расширяется применение пористых спеченных подшипников, пропитанных фторопластом. Такие подшипники весьма перспективны для несмазываемых опор скольжения благодаря высоким антифрикционным свойствам фторопласта. Коэффициент трения подшипников, пропитанных фторопластом, без смазки составляет примерно 0.05. Они надежно работают при температурах до 280 оС в кислых и щелочных средах.

1.4.2 Полимерные и полимерные композиционные материалы Твердые полимерные материалы (пластмассы) широко применяются в узлах трения скольжения и качения современных машин и механизмов. Технически обоснованное применение пластмасс позволяет увеличить надежность и ресурс машин, улучшить их эксплуатационные, технико-экономические характеристики и технологичность, отказаться от дефицитных сплавов цветных металлов и снизить стоимость машин.

Пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные по реакции на теплоту. К термопластичным относятся пластмассы с линейной или разветвленной структурой полимеров, свойства которых обратимо изменяются при многократном нагревании и охлаждении. К термореактивным пластмассам относятся полимеры, в которых при термическом воздействии возникают реакции химического связывания цепных молекул друг с другом с образованием сетчатого строения. Такие пластмассы не могут переходить в пластичное состояние при повышении температуры без нарушения пространственных связей в структуре полимера.

Полимеры (термопластичные и термореактивные) могут использоваться в качестве антифрикционных материалов как в чистом виде, так и в виде композиционных материалов с различными наполнителями. Из полимерных материалов изготавливают зубчатые колеса, шкивы, трущиеся элементы (детали) подшипников, кулачковых механизмов, направляющих, уплотнений, сепараторы шарикоподшипников, шарниры и т.д. Антифрикционные материалы на основе термопластов отличает высокая технологичность, низкая себестоимость. Хорошие демпфирующие свойства. Детали из термопластов изготавливают высокопроизводительными методами – литьем под давлением и экструзией, крупногабаритные детали – центробежным литьем, ротационным формованием, анионной полимеризацией мономера непосредственно в форме, нанесением антифрикционных покрытий из расплавов порошков. Термореактивные полимеры перерабатываются преимущественно методами компрессионного и литьевого прессования. Они более прочны и термостойки. Порошкообразные термореактивные композиции наносят на трущиеся поверхности деталей в виде тонкослойных покрытий.

В машиностроении разработан целый ряд конструкций подшипников, передач, направляющих и уплотнений, в которых смазывание обеспечивается благодаря специальным элементам конструкции (деталям), изготовленным из так называемых полимерных самосмазывающихся материалов (ПСМ).

По составу все ПСМ можно разделить на следующие группы: композиции, содержащие главным образом антифрикционные наполнители, полимерные связующие и пластификаторы (дополнительные смазочные материалы); композиции комплексными наполнителями, улучшающими физико-механические и триботехнические свойства материалов; комбинированные самосмазывающиеся материалы типа металлополимерной ленты, в которой совмещаются преимущества составных частей металла как несущей и теплопроводной основы и полимера как антифрикционного самосмазывающегося слоя, обеспечивающего надежную защиту поверхности трения от схватывания.

Материалы на основе фторопласта. Фторопласт занимает особое место среди других полимеров, его нельзя отнести ни к термопластам, ни к реактопластам, так как ему присущи свойства обеих групп. Он отличается самым низким и стабильным коэффициентом трения – 0,04 при трении по стали и лучшими смазывающими свойствами среди полимеров. Однако твердость чистого фторопласта невелика, что приводит к значительному деформированию поверхностных слоев при контактном взаимодействии и интенсивному изнашиванию при трении. Поэтому для изготовления деталей узлов трения чистый фторопласт не применяют, а используют композиционные материалы на основе фторопласта. В табл.1.5 приведены физико-механические и триботехнические свойства ПСМ на основе фторопласта-4 [8].

Материалы на основе полиамидов. Широкое применение в различных узлах трения находят антифрикционные композиционные материалы на основе полиамидов. Полиамиды благодаря наличию в основной полимерной цепи амидных групп –NH-CO- и, как следствие этого, сильных межмолекулярных связей отличаются от большинства промышленных полимеров высокими механическими свойствами, жесткостью, твердостью и стойкостью к ударным нагрузкам, повышенной усталостной прочностью и радиационной стойкостью.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 


Похожие работы:

«Н. Х. Вафина Транснационализация производства в свете теории самоорганизации экономических систем Казань - Москва, 2002 УДК: 339.9.01 ББК У011.31 В 21 Рецензенты: доктор экономических наук, профессор Андреев С. И., доктор экономических наук, профессор Мазитова Р. К. Вафина Н. Х. В 21. Транснационализация производства в свете теории самоорганизации экономических систем. – М.: Издательство КГФИ, 2002. – с. 316 ISBN 5-7464-0687-2 Монография подготовлена на кафедре экономической теории Финансовой...»

«Российская Академия Наук Институт философии В.М.Богуславский ФРАНЦИСКО САНЧЕЗ — ФРАНЦУЗСКИЙ ПРЕДШЕСТВЕННИК ФРЕНСИСА БЭКОНА Москва 2001 УДК 14 ББК 87.3 Б 74 В авторской редакции Научно вспомогательная работа И.А.Лаврентьева Рецензенты: доктор филос. наук М.А.Абрамов, доктор филос. наук В.В.Соколов Богуславский В.М. Франциско Санчез — Б 74 французский предшественник Френсиса Бэкона. – М., 2001. – 134 с. Монография В.М.Богуславского посвящена фи лософу периода позднего Возрождения — Франциско...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК МУЗЕЙ АНТРОПОЛОГИИ И ЭТНОГРАФИИ ИМ. ПЕТРА ВЕЛИКОГО (КУНСТКАМЕРА) РАН И. Ю. Котин ТЮРБАН И ЮНИОН ДЖЕК Выходцы из Южной Азии в Великобритании Санкт-Петербург Наука 2009 Электронная библиотека Музея антропологии и этнографии им. Петра Великого (Кунсткамера) РАН http://www.kunstkamera.ru/lib/rubrikator/03/03_03/978-5-02-025564-7/ © МАЭ РАН УДК 314.74+316.73(410) ББК 63.5 К73 Утверждено к печати Ученым советом МАЭ РАН Рецензенты: д-р истор. наук М.А. Родионов, канд. истор....»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ухтинский государственный технический университет ТИМАНСКИЙ КРЯЖ ТОМ 1 История, география, жизнь Монография УХТА-2008 Издана Ухтинским государственным техническим университетом при участии Российской академии естественных наук Коми регионального отделения и Министерства природных ресурсов Республики Коми. УДК [55+57+911.2](234.83) Т 41 Тиманский кряж [Текст]. В 2 т. Т. 1....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Казанский государственный энергетический университет _ Институт механики и машиностроения КНЦ РАН Р. Ш. ГИМАДИЕВ ДИНАМИКА МЯГКИХ ОБОЛОЧЕК ПАРАШЮТНОГО ТИПА Казань 2006 УДК 539.3; 533.666.2 ББК 22.253.3 Г48 Печатается по решению ученых советов Казанского государственного энергетического университета, Института механики и машиностроении Казанского научного центра РАН Гимадиев Р.Ш. Динамика мягких оболочек парашютного типа. – Казань: Казан. гос....»

«Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО Белгородский государственный унивесрситет В.А. Черкасов ДЕРЖАВИН И ЕГО СОВРЕМЕННИКИ ГЛАЗАМИ ХОДАСЕВИЧА Монография Белгород 2009 УДК 82.091.161.1 ББК 83.3(2=Рус) Ч-48 Печатается по решению редакционно-издательского совета Белгородского университета Рецензенты: доктор филологических наук И.С. Приходько; кандидат филологических наук Н.В. Бардыкова Черкасов В.А. Ч-48 Державин и его современники глазами Ходасевича / В.А. Черкасов: моногр. – Белгород:...»

«М.Ж. Журинов, А.М. Газалиев, С.Д. Фазылов, М.К. Ибраев ТИОПРОИЗВОДНЫЕ АЛКАЛОИДОВ: МЕТОДЫ СИНТЕЗА, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА М И Н И С Т Е РС Т В О О БРА ЗО ВА Н И Я И Н А У КИ РЕС П У БЛ И К И КА ЗА Х СТА Н ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОГО КАТАЛИЗА И ЭЛЕКТРОХИМИИ им. Д. В. СОКОЛЬСКОГО МОН РК ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА И УГЛЕХИМИИ РК М. Ж. ЖУРИНОВ, А. М. ГАЗАЛИЕВ, С. Д. ФАЗЫЛОВ, М. К. ИБРАЕВ ТИОПРОИЗВОДНЫЕ АЛКАЛОИДОВ: МЕТОДЫ СИНТЕЗА, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АЛМАТЫ ылым УДК 547.94:547.298. Ответственный...»

«ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В.М. ФОКИН ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 2006 Т Т В Н В.М. ФОКИН ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 УДК 621. ББК 31. Ф Рецензент Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Теплоэнергетика Астраханского государственного технического университета, А.К. Ильин Фокин В.М. Ф75 Теплогенерирующие...»

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ И ЭКОНОМИКИ Э. К. Муруева РАЗВИТИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УЧЕТА (НА ПРИМЕРЕ ЛЕСНОГО СЕКТОРА ЭКОНОМИКИ) МОНОГРАФИЯ Издательство Санкт-Петербургской академии управления и экономики Санкт-Петербург 2009 УДК 657 ББК 65.052 М 91 Рецензенты: директор программы Бухгалтерский учет, анализ и аудит Высшей экономической школы Санкт-Петербургского университета экономики и финансов, доктор экономических наук, профессор В. А. Ерофеева профессор кафедры менеджмента...»

«камско-вятского региона региона н.и. шутова, в.и. капитонов, л.е. кириллова, т.и. останина историко-культурны ландшафткамско-вятского йландшафт историко-культурны историко-культурный й ландшафт ландшафт камско-вятского камско-вятского региона региона РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ УДМУРТСКИЙ ИНСТИТУТ ИСТОРИИ, ЯЗЫКА И ЛИТЕРАТУРЫ Н.И. Шутова, В.И. Капитонов, Л.Е. Кириллова, Т.И. Останина ИсторИко-культурн ый ландшафт камско-Вятского регИона Ижевск УДК 94(470.51)+39(470.51) ББК...»

«Иванов А.В., Фотиева И.В., Шишин М.Ю. Скрижали метаистории Творцы и ступени духовно-экологической цивилизации Барнаул 2006 ББК 87.63 И 20 А.В. Иванов, И.В. Фотиева, М.Ю. Шишин. Скрижали метаистории: творцы и ступени духовно-экологической цивилизации. — Барнаул: Издво АлтГТУ им. И.И. Ползунова; Изд-во Фонда Алтай 21 век, 2006. 640 с. Данная книга развивает идеи предыдущей монографии авторов Духовно-экологическая цивилизация: устои и перспективы, которая вышла в Барнауле в 2001 году. Она была...»

«169. Юдин В.В. Тектоника Южного Донбасса и рудогенез. Монография. Киев, УкрГГРИ. 2006. 108 с., (с геологической картой ). 1 УДК 551.24+662.83(477.62) ББК 26.3 (4 Укр - 4-Дон) Юдин В.В. Тектоника Южного Донбасса и рудогенез. Монография.- К.: УкрГГРИ, 2006._10-8 с. - Рис. 58 Проведено детальное изучение тектоники в зоне сочленения Донецкой складчато-надвиговой области с Приазовским массивом Украинского щита. Отмечена значительная противоречивость предшествующих построений и представлений. На...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет Научно-исследовательский институт прикладной этики В. И. Бакштановский Ю. В. Согомонов ПРИКЛАДНАЯ ЭТИКА: ЛАБОРАТОРИЯ НОУ-ХАУ Том 1 ИСПЫТАНИЕ ВЫБОРОМ: игровое моделирование как ноу-хау инновационной парадигмы прикладной этики Тюмень ТюмГНГУ 2009 УДК 174.03 ББК 87.75 Б 19 Рецензенты: профессор, доктор философских наук Р. Г....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского Харьковский авиационный институт Профессор Валерий Константинович Волосюк Биобиблиографический указатель К 70-летию со дня рождения Харьков ХАИ 2013 УДК 016 : 378.4 + 621.39 + 621.396.96 В 68 Составители: И. В. Олейник, В. С. Гресь, К. М. Нестеренко Под редакцией Н. М. Ткаченко Профессор Валерий Константинович Волосюк : биобиблиогр. В 68 указ. : к 70-летию со дня рождения / сост.: И. В....»

«RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES INSTITUTE FOR THE HISTORY OF MATERIAL CULTURE PROCEEDINGS. VOL. XVII M. V. Malevskaya-Malevich SOUTHWEST RUSSIAN TOWNS CERAMIK of 10th — 13thcenturies St.-Petersburg Institute of History RAS Nestor-lstoriya Publishers St.-Petersburg 2005 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ИСТОРИИ МАТЕРИАЛЬНОЙ КУЛЬТУРЫ ТРУДЫ. Т. XVII М. В. Малевская-Малевич КЕРАМИКА ЗАПАДНОРУССКИХ ГОРОДОВ Х-ХІІІ вв. Издательство СПбИИ РАН Нестор-История Санкт-Петербург УДК 930.26:738(Р47)09/12 ББК...»

«Федеральное агентство по образованию ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ С. Э. Желаева В.Е. Сактоев Е.Д. Цыренова ИНСТИТУЦИОНАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ СОЦИОЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ Издательство ВСГТУ Улан-Удэ 2005 УДК 330.8:332.1(571.54) ББК 65.01(2Р-:Бу) Ж 50 Ответственный редактор д.э.н., профессор Цыренова Е.Д. Желаева С.Э., Сактоев В.Е., Цыренова Е.Д. Ж 50 Институциональные аспекты устойчивого развития социо-эколого-экономических...»

«ОГЛАВЛЕНИЕ 4 Введение УДК 617.5:618 Глава 1. Кесарево сечение. От древности до наших дней 5 ББК 54.54+57.1 История возникновения операции кесарева сечения 6 С85 Становление и развитие хирургической техник и кесарева сечения... 8 Современный этап кесарева сечения Рецензенты: История операции кесарева сечения в России Глава 2. Топографическая анатомия передней В. Н. Серов, академик РАМН, д-р мед. наук, б р ю ш н о й стенки и т а з а ж е н щ и н ы проф., зам. директора по научной работе...»

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ В. Г. Родионов РЕГУЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ СОЦИАЛЬНО– ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ РОСТА НЕСТАБИЛЬНОСТИ ВНЕШНЕЙ И ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ Санкт- Петербург Издательство Нестор–История 2012 УДК 338(100) ББК 65.5 Р60 Рекомендовано к изданию Методической комиссией экономического факультета Санкт-Петербургского государственного университета Рецензенты: д. э. н., проф. Ю. А. Маленков д. э. н., проф. С. В. Соколова д. э. н., проф. Н. И. Усик Родионов В. Г. Р...»

«Институт проблем управления Университетский Центр им. В.А.Трапезникова РАН Самарии (Москва, Россия) (Ариэль, Израиль) Д.И. Голенко-Гинзбург СТОХАСТИЧЕСКИЕ СЕТЕВЫЕ МОДЕЛИ ПЛАНИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАЗРАБОТКАМИ Воронеж Научная книга 2010 УДК 621.39:519.2 ББК 65.291.217 Г 60 Рецензенты: д.т.н., профессор А.К.Погодаев (Липецкий государственный технический университет); д.т.н., профессор В.А.Ириков (Московский физико-технический институт (университет)) Научный редактор: д.т.н., профессор В.Н. Бурков...»

«Последствия гонки ядерных вооружений для реки Томи: без ширмы секретности и спекуляций Consequences of the Nuclear Arms Race for the River Tom: Without a Mask of Secrecy or Speculation Green Cross Russia Tomsk Green Cross NGO Siberian Ecological Agency A. V. Toropov CONSEQUENCES OF THE NUCLEAR ARMS RACE FOR THE RIVER TOM: WITHOUT A MASK OF SECRECY OR SPECULATION SCIENTIFIC BOOK Tomsk – 2010 Зеленый Крест Томский Зеленый Крест ТРБОО Сибирское Экологическое Агентство А. В. Торопов ПОСЛЕДСТВИЯ...»














 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

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.