1

2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно - Уральский государственный университет

Кафедра « Автомобильный транспорт »

Реферат

Молекулярно-механическое изнашивание

Выполнил:

Группа: АТ

Проверил:

Челябинск

2009

Содержание

1. Физическая модель возникновения сил внешнего трения

2. Молекулярная составляющая силы трения

3. Механическая составляющая силы трения

4. Суммарный коэффициент трения для единичного контакта

5. Коэффициент трения шероховатых поверхностей

6. Формулы для расчета внешнего трения шероховатых тел

Литература

1. Физическая модель возникновения сил внешнего трения

На пятнах фактического контакта образуются адгезионные мостики (мостики сварки между твердыми телами), являющиеся результатом молекулярного взаимодействия между поверхностями трения. В зонах фактического контакта более жесткие выступы (инденторы) внедряются в деформируемую поверхность (контртело).

При скольжении жесткого выступа по поверхности другого тела материал оттесняется в стороны, а перед выступом образуется валик. На поверхности образуются тончайшие канавки и желобки в направлении движения. Мостики сварки на фрикционных связях непрерывно разрушаются (срезаются) как по месту образования, так и на некоторой глубине и формируются вновь. Трение значительно меняет рельеф поверхности. На ней образуется продольная и поперечная шероховатость.

Экспериментально доказано [3], что преодоление молекулярного взаимодействия и деформирование поверхностного слоя являются двумя основными стоками энергии, расходуемой на преодоление трения. Причем молекулярная составляющая энергии трения больше механической - для металлов в 100 раз, для полимеров в 20…30 раз, для резины в 2…3 раза.

2. Молекулярная составляющая силы трения

Одним из основных источников диссипации энергии при трении является работа, затрачиваемая на формирование и разрушение молекулярных связей, образующихся в точках касания скользящих поверхностей. Механизм разрушения связей зависит от подвижности поверхностного слоя («третьего тела»). Для достаточно подвижного слоя он подобен течению жидкости в капилляре. При малой подвижности слоя происходит механический срез образовавшихся связей (адгезионное или когезионное разрушение).

«Третье тело» подобно жидкости «течет» в узком зазоре между двумя телами. Состояние повышенной подвижности «третьего тела» связано с пронизыванием его потоком энергии порядка 10³ Вт/мм². Кроме того, поверхностный слой металлов насыщен вакансиями; на полимерах образуется деградированный слой с меньшей молекулярной массой, что облегчает деформирование поверхностей трения микровыступами.

Сдвиговое сопротивление «третьего тела» определяется прочностью единичной связи, оцениваемой энергией активации , необходимой для ее разрушения, и числом связей, одновременно возникающих внутри этого тела.

Элементы «третьего тела» находятся в возбужденном состоянии и подобно атомам расплавленного металла могут перемещаться. Время оседлой жизни атома в возбужденном состоянии и элемента «третьего тела» описывается уравнением Френкеля [2,3]

,

(1)

где - постоянная Больцмана, - температура, - постоянная времени.

Предположим, что сдвиговое сопротивление «третьего тела» пропорционально времени оседлой жизни частицы

,

(2)

где - коэффициент пропорциональности. Тогда сдвиговое сопротивление

. (3)

Энергия активации связи определяется природой связи и зависит от напряженного состояния тела

,

(4)

где - коэффициент, имеющий размерность объема, характеризующий величину зазора необходимую для разрыва молекулярной связи; - фактическое давление. Тогда - работа разрушения связи затраченная против внешнего поля сил. «Третье тело» находится в сжатом состоянии, следовательно,

.

(5)

Разлагая формулу (3.5) в ряд и, отбросив члены второго порядка малости, получим

.

(6)

Обозначим:

.

В результате получим биноминальный закон молекулярной составляющей трения

, (7)

где пъезокоэффициент молекулярной составляющей трения. Для металлов и полимеров =0,02…0,15. Для пары трения металл-металл без смазки , со смазкой , металл-полимер .

Значения фрикционных параметров и зависят от скорости относительного перемещения образцов, степени их очистки от всевозможных загрязнений и адсорбированных на поверхностях пленок. На приработанных поверхностях всегда имеются пленки и загрязнения, поэтому величины и необходимо определять для реальной пары трения в условиях ее работы.

3. Механическая составляющая силы трения

Механическая составляющая силы трения возникает за счет процессов деформирования тонких поверхностных слоев трущихся тел. Различают упругое, пластическое и упругопластическое деформирование. На рис. 1. показаны схемы контактирования единичной микронеровности при скольжении для трех случаев деформирования идеально гладкой деформируемой поверхности.

Рис. 1.Схемы контактирования единичной микронеровности при ее скольжении по идеально гладкой деформируемой поверхности: а - пластический контакт; б - упругий контакт; в - упругопластический контакт; заглубление микронеровности; упругое восстановление; нормальная сила; тангенциальная сила; радиус микронеровности

Механическая составляющая силы трения существенно зависит от коэффициента гистерезисных потерь и величины относительного внедрения . Механическая составляющая возрастает при увеличении шероховатости и росте нагрузки. При упругом контакте достаточно гладких поверхностей механическая составляющая силы трения пренебрежимо мала. Объем деформируемого материала определяется величиной взаимного внедрения поверхностей трения и значительно превосходит толщину «третьего тела».

Коэффициент трения при пластическом деформировании на единичной фрикционной связи определяется по формуле [5]

, (8)

а при упругом

, (9)

где - глубина внедрения; - радиус вершины единичной микронеровности; - коэффициент гистерезисных потерь при скольжении сферической микронеровности, он равен:

, (10)

где - коэффициент гистерезисных потерь при одноосном растяжении - сжатии материала деформируемой поверхности.

Нормальную нагрузку , действующую на единичную микронеровность в виде шарового сегмента при ее скольжении (рис. 1), можно представить для пластического деформирования в виде

, (11)

где - предел текучести основного материала; =3…6 - коэффициент, учитывающий упрочнение поверхностного слоя. Обычно принимают - твердости по Бринелю. С учетом (11) формула (8) запишется в виде:

. (12)

Нормальную нагрузку , действующую на единичную микронеровность в виде шарового сегмента при ее внедрении в упругое плоское полупространство можно определить, если воспользоваться решением Герца [4]

, (13)

где - коэффициент эластичности, - коэффициент Пуассона, - модуль упругости деформируемого полупространства.

С учетом (13) формула (9) примет следующий вид

, (14)

где фактическое давление.

5. Суммарный коэффициент трения для единичного контакта

Процессы молекулярного взаимодействия ограничиваются «третьим телом» и затрагивают глубины порядка сотых долей микрона. Процессы механического взаимодействия происходят в самом твердом теле в слоях от десятых долей микрона и выше.

Поэтому молекулярная и механическая составляющие коэффициента трения независимы друг от друга. Тогда суммарный коэффициент трения для единичного контакта будет равен сумме

Или

, (15)

где для пластического контакта и для упругого контакта.

В зависимости от вида контактирования (пластического или упругого) учитываются разные характеристики материалов.

При пластическом контакте жесткого сферического выступа с полупространством фактическое давление и с учетом (12) формулу для суммарного коэффициента трения можно записать в следующем виде

. (16)

При упругом контакте жесткого сферического выступа с полупространством фактическое давление определяется по формуле

, (17)

с учетом этого получим

(18)

или в таком виде

. (19)

Из формул (3.18) и (3.19) следует, что суммарный коэффициент трения с увеличением нагрузки или фактического давления имеет минимум

. (20)

отсюда получим

(21)

значение фактического давления, при котором достигается минимум коэффициента трения.

5. Коэффициент трения шероховатых поверхностей

Теоретически определить коэффициент трения шероховатых поверхностей двух тел можно, если просуммировать нормальные и касательные силы по всему множеству фрикционных связей, а затем найти отношение этих сумм.

Неровности шероховатой поверхности моделируются сферическими сегментами одинакового радиуса, расположенными на различной высоте так, что кривая опорной поверхности модели совпадает с опорной кривой реальной поверхности. Вторую поверхность будем считать идеально гладкой, как это показано на рис. 2.

.

Рис. 2. Модель шероховатой поверхности при ее взаимодействии с гладкой в процессе трения: - система координат, ее начало лежит на гладкой деформируемой поверхности; - координата рассматриваемого слоя ; - относительное заглубление самого высокого выступа шероховатой поверхности в гладкое в процессе трения; - сила трения и нормальная нагрузка на -ю микронеровность; - относительное заглубление -ой микронеровности в деформируемое гладкое тело; - радиус шарового сегмента - модели микронеровности; - число микронеровностей на контурной площади контакта вступивших в контакт с гладкой деформируемой поверхностью

Рассмотрим установившееся движение шероховатого тела по поверхности гладкого тела в условиях пластического контакта. Максимальные неровности шероховатого тела внедрены на глубину в деформируемое полупространство. Скорость скольжения и температура в зоне контакта постоянные. Пусть число фрикционных связей описывается непрерывной функцией . Тогда суммарная сила трения

. (22)

Молекулярная составляющая легко определяется

, (23)

где - фактическая площадь контакта шероховатого тела; - площадь единичной фрикционной связи; N - суммарная нормальная нагрузка на поверхности трения.

Поделим обе части (23) на N и получим формулу для молекулярной составляющей коэффициента трения

, (24)

где фактическое давление на фрикционных связях, зависит от вида деформаций.

Для определения деформационной составляющей силы трения необходимо вычислить значение второго интеграла в (22), при этом учитывается распределение микронеровностей по высоте, относительное сближение поверхностей трения . Рассмотрим слой , расположенный на расстоянии от вершины самой высокой микронеровности (рис.2). Число микронеровностей в этом слое, вновь вступивших в контакт, определится по формуле [4]

. (25)

Сила трения на единичной микронеровности, вершина которой расположена в слое на расстоянии от вершины самой высокой микронеровности [3], в условиях пластического контакта определяется по формуле

. (26)

Тогда второй интеграл в (3.22) будет иметь вид

. (27)

В интеграле (27) сделаем замену и получим

. (28)

Интеграл (28) в элементарных функциях не берется и выражается через гамма-функцию.

Нормальная нагрузка на поверхности трения определяется по формуле

. (29)

С учетом этого получим

, (30)

Где

. (31)

Здесь обозначено Г гамма-функция.

Аналогично получается формула для случая упругого контакта шероховатых тел

, (32)

где

. (33)

7. Формулы для расчета внешнего трения шероховатых тел

Для множественного контакта величина сближения определяется видом деформаций при контакте. Различают четыре вида контактов.

1. Упругий ненасыщенный контакт имеет место, когда самый низкий в пределах контурной площади касания микровыступ не будет контактировать с контртелом. Это соответствует сближениям , при котором не все выступы вступили в контакт. Условие реализации имеет вид (при

(34)

и проявляется для пар трения с невысоким модулем упругости (резина, полимеры).

Суммарный коэффициент трения (при

(35)

имеет минимум

, (36)

которому соответствует равновесная шероховатость приработанной поверхности

. (37)

2. Упругий насыщенный контакт имеет место при относительном внедрении . В этом случае фактическая площадь контакта увеличивается за счет увеличения площадей единичных пятен касания. Условие реализации имеет вид

(38)

и реализуется для материалов с малым модулем упругости (например, стальной шероховатый вал - резиновая манжета) гладкого полупространства.

Суммарный коэффициент трения

, (39)

который имеет минимум при контурных давлениях

(40)

или при шероховатости более твердой поверхности

. (41)

3. Пластический ненасыщенный контакт реализуется при контурных давлениях

, (3.42)

где для пластических деформаций в статике, - при скольжении.

Коэффициент внешнего трения

, (43)

где молекулярная составляющая коэффициента трения,

(44)

не зависит от давления. Минимум коэффициента трения лежит в упругопластической области деформирования микронеровностей и может быть оценен по формуле

. (45)

При этом контурное давление и шероховатость соответственно равны

, (46)

. (47)

Этот вид контакта реализуется для большинства пар трения выполненных из металлов и сплавов. Наиболее долговечные пары трения работают в период приработки при пластическом ненасыщенном контакте, который постепенно переходит в упругопластический и далее в упругий контакт. Следует также отметить, что для большинства металлов и сплавов , поэтому суммарный коэффициент трения практически равен молекулярному.

4. Пластический насыщенный контакт имеет место при контурных давлениях

. (48)

Верхний предел диапазона (3.48) соответствует контурным давлениям, приводящим к взаимному влиянию отдельных микровыступов на их несущую способность.

Коэффициент трения определяется по формуле

. (49)

Следует отметить, что пластический насыщенный контакт достигается при использовании металлов только в тяжело нагруженных узлах трения, подшипниках качения, в соединениях с гарантированным натягом деталей, имеющих контакт в ограниченной области [4].

Литература

Замятин Ю.П., Телегин Г.Н., Замятин А.Ю. Введение в трибологию: Учебн. пособие. - Рыбинск: МФСЕЗАМУ - РАТИ, 1992.- 124 с.

Справочник по триботехнике. - В 3т. - Т.1. Теоретические основы / Под общ. ред. М. Хебды, А.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1989. - 400 с.

Крагельский И.В., Добрынин М.Н., Камбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: Справочник. - М.: Машиностроение, 1983. - 320 с.

Польцер Г., Майсснер Ф. Основы трения и изнашивания. - М.: Машиностроение, 1984. - 264 с.

Трение, изнашивание и смазка: Справочник. - В 2-х кн./ Под ред. И.В. Крагельского, И.В. Алисина. - М.: Машиностроение, 1978. - Кн.1. - 400 с.

Камбалов В.С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ. - М.: Наука, 1974. - 111 с.