WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 33 | 34 || 36 | 37 |   ...   | 42 |

Рис. 5.11. Влияние температуры на энергию активации материала поверхностного слоя стали 40Х в среде различных присадок (горизонтальная черная линия соответствует энергии активации чистой поверхности) U0, [кДж/моль] 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Т, ° С - сталь 40Х - сталь ШХ-Рис. 5.12. Влияние материала поверхностного слоя на температурную зависимость энергии активации в среде масла И-40А В общем случае приработка является положительным фактором, так как способствует повышению прочности материала, что отражается в увеличении значения энергии активации. Однако, как видно из таблицы, различные материалы имеют неодинаковую способность к приработке, даже если она производится в идентичных условиях.

Наиболее интенсивная модификация наблюдалась на образцах из латуни и алюминиево-магниевого сплава. Энергия активации материала поверхностного слоя медного образца, напротив, не претерпела значительных изменений. Повышение энергии активации в результате приработки для исследованных образцов составила соответственно для меди – 5%, латуни – 40%, алюминиево-магниевого сплава – 45%.

Отмеченное повышение прочности материала поверхностного слоя можно объяснить упрочнением поверхности, образованием «благоприятной» текстуры и влиянием смазки. Это подтверждается повышением микротвердости поверхностного слоя и упрочняющим влиянием использованного смазочного материала.

5.3. КИНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Смазочные материалы в современных машинах играют настолько важную роль, что их по праву относят к основным конструктивным элементам узлов трения. От прочности межатомных и межмолекулярных связей зависит несущая способность и долговечность масляного слоя, а значит, стабильность и надежность функционирования пары трения. Поэтому естественный процесс трибодеструкции молекул смазочного материала должен рассматриваться наряду с износом основных материалов пары трения. В связи с этим ниже будут рассмотрены некоторые аспекты применения кинетической теории и склерометрических методов испытаний к оценке работоспособности смазочных материалов, а также будут предложены новые энергетические характеристики, отражающие прочность молекул смазочного слоя и влияние граничных слоев на прочностные свойства металлов и сплавов. В нижеприведенных способах показано, что с помощью склерометрических испытаний можно приблизиться к идее создания нанолабораторий [203], когда испытываемые пробы смазочных материалов имеют наноскопические размеры (порядка толщины граничных слоев).

5.3.1. ОЦЕНКА ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ ДЕСТРУКЦИИ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Тонкая граничная пленка масла ведет себя как многослойное кристаллическое образование высокой упругости, способное выдерживать без разрушения большие нормальные давления [165]. Однако в процессе трения адсорбированный граничный слой смазочного материала на поверхности может разрушаться от термических и механических воздействий. Известны условия, при которых смазка не способна защищать поверхности от непосредственного контакта вследствие десорбции или деструкции молекул смазочного вещества.

Деструкция молекул проявляется при хранении и эксплуатации смазочных материалов. Поскольку молекула является носителем свойств вещества, процесс разложения способен повлечь изменение физических и химических свойств смазочной среды. Деструкция является кинетическим процессом и, следовательно, может происходить по термофлуктуационному механизму при термическом, механическом и термомеханическом воздействии. В связи с этим наиболее благоприятные условия для деструкции смазочных материалов создаются в зоне фактических пятен контакта, где нагрузки и температуры при трении максимальны. Известно [54], что трибодеструкция смазочных материалов стимулируется каталитическим действием воды и металлов, с которыми соприкасается масло, и быстро прогрессирует с повышением температуры.

Следствием деструкции молекул смазочного материала является образование активных радикалов [262], которые могут вступать в химическое взаимодействие с металлической поверхностью и кислородом, растворенным в смазочной среде. Последнее приводит к окислению масла и образованию лаков и нагаров на трущихся поверхностях. Кроме того, в результате окисления масла повышается его вязкость, плотность, ухудшается деэмульгирующая способность, образуются растворимые в масле и летучие кислые продукты, обусловливающие коррозионную агрессивность масла, плотные продукты окисления выпадают в осадок [54]. Появление осадка в масле приводит к его потемнению, а продукты окисления служат катализаторами старения масла; при добавлении в использованное масло нового процесс старения ускоряется.

Из вышеизложенного следует, что даже при оптимальном выборе смазочного материала и соответствии всех его показателей допустимым нормам в процессе трения происходит необратимое изменение его смазочных свойств. Поэтому практически важной характеристикой смазочных материалов является эксплуатационная прочность их молекул, которая может быть выражена в величине энергии активации деструкции смазочных материалов. Такая оценка особенно необходима для тяжелонагруженных, ответственных узлов трения, для которых стабильность рабочих характеристик смазочных материалов имеет первостепенное значение. В работе [287] также было отмечено, что долговечность узлов трения во многом определяется способностью смазочных материалов сохранять эксплуатационные характеристики.

Для оценки долговечности смазочных материалов, используемых в шариковых подшипниках, существуют расчетные методы [287], в которых определяется время их полураспада:



- LogL = - 0,0295 T - 2.02 10 V - 9,14P / Cr + 8.51+ K, (5.1) где L – 50% долговечности смазки; Т – температура, [°С]; V – скорость вращения, [об/мин]; P/Cr – несущая нагрузка, [Н]; К – корректирующая поправка для различных видов смазки. Недостатком приведенного метода является необходимость проведения многочисленных экспериментальных исследований при различных размерах подшипников и условиях эксперимента. Кроме того, в данном выражении не отражены характеристики процесса деструкции смазочных материалов, которые непосредственно влияют на интенсивность его протекания. Поэтому подобный эмпирический подход нельзя признать перспективным.

Существуют экспериментальные методы оценки параметров разрушения смазочных материалов. К таковым относится стандартный способ [40, 63] оценки условной энергии активации химической модификации при термическом разрушении смазочных материалов. При это способе производят их испытания на четырехшариковой машине трения с непрерывным повышением температуры испытательной чашки до наступления температуры химической модификации, по которой затем оценивают энергию активации химической модификации испытуемого смазочного материала по формуле Т Т хм1 хм Е = (lnC - lnC )R, (5.2) 1 Т - Т хм 2 хмгде C, C – концентрации исследуемой присадки в вазелиновом мас1 ле; T, T – температуры химической модификации при концентрахм1 хмциях C и C ; R – универсальная газовая постоянная.

1 Недостатком данного способа является невозможность оценки влияния смазочного материала на характеристики поверхностных слоев металлических образцов. Кроме того, при испытаниях оценивают среднюю по объему температуру, которая вследствие саморазогрева поверхности трения отличается от средней температуры в зоне контакта, контролирующей процесс химической модификации, что снижает достоверность получаемой оценки энергии активации.

Учитывая термофлуктуационный характер процесса деструкции, в качестве характеристики, отражающей реальную прочность молекул смазочного материала, целесообразно принять энергию активации этого процесса.

Существует различие между напряженным и структурным состояниями смазочного материала в объеме и в граничном слое, контактирующем с металлической поверхностью. На поверхности смазочный материал определенным образом организуется – приобретает кристаллическую структуру, происходит ориентация полярных молекул.

Поэтому для реальной оценки прочности пленки смазочного материала процесс деструкции необходимо исследовать на поверхности металлического образца.

При этом для оценки энергии активации деструкции смазочных материалов можно использовать принцип Ле Шателье-Брауна, или принцип наименьшего принуждения [120], определяющий условия стабильности термодинамической системы. Он формулируется следующим образом: «В любой системе, находящейся в равновесном состоянии, всякое изменение параметра, выводящее систему из равновесия, сопровождается такими изменениями, которые стремятся свести на нет возмущающее изменение параметра».

Следовательно, если на металлической поверхности вызвать разрушение смазочного материала, находившегося до этого в состоянии динамического равновесия с материалом поверхностного слоя, то, стремясь сохранить равновесный баланс, материал поверхностного слоя должен отреагировать повышением внутренней энергии на ту же величину, которая высвобождается при деструкции молекул смазочного материала, за счет взаимодействия поверхности с активными радикалами. Результатом такого взаимодействия является химическая модификация материала поверхностного слоя, обусловленная необратимыми изменениями, происходящими за счет реакции атомов металла с активными центрами (ион-радикалами) – продуктами распада молекул смазочных материалов. Однако степень этого взаимодействия будет в основном определяться энергией, высвобождаемой при деструкции испытуемого смазочного материала.

Таким образом, энергию активации деструкции смазочных материасм лов U можно оценить как абсолютную разность между значениями энергии активации разрушения немодифицированного u и модифицимод рованного u материала поверхностного слоя металлического образца см мод u = u - u. (5.3) 0 0 Энергия активации разрушения материала поверхностного слоя мод u до химической модификации и u после его модификации опре0 деляется по методике, описанной в гл. 3. При этом долговечность смазочных материалов оценивается по величине энергии активации деструкции – чем выше энергия, тем труднее активируется процесс деструкции молекул, и, следовательно, долговечнее вещество.

Так как деструкция молекул происходит в точке бифуркации, то данный процесс инвариантен к виду подводимой энергии. Поэтому для активации деструкции можно использовать как механическое, так и термическое воздействие. В первом случае модификацию поверхностного слоя можно производить в процессе трения поверхностей при введении в зазор испытуемого смазочного материала. При этом деструкция будет протекать вследствие высоких давлений на участках фактического контакта. Во втором случае модификацию поверхности можно выполнять путем нагрева металлического образца с нанесенным на его поверхность слоем испытываемого смазочного материала до температуры химической модификации.

Проведенные исследования значений энергии активации деструкции различных смазочных материалов при термическом воздействии показали, что их значения составляют десятки килоджоулей на моль (табл. 5.5). Данный порядок соответствует слабейшим ковалентным связям в молекуле смазочного материала [285], которые в первую очередь подвергаются разрушению. Исследования были проведены на шлифованных образцах из сталей 45Х и ШХ-15, энергия активации немодифицированной поверхности которых составляла соответственно 100 кДж/моль и 192 кДж/моль.





Таблица 5.Энергия активации деструкции смазочных материалов Масло Энергия активации [кДж/моль] Сталь 45Х Сталь ШХ-T-30 10.8 10.TП-22С 15.81 14.Geaftex EP-C 15.81 16.М8В1 18.39 19.М10Г К 29.89 28.М63/12Г 33.6 34.Супер-Т 22.2 21.Neste MP 35.16 34.Shevron-RPN 32.1 29.ТАД-17И 45.33 45.И-12А 58.34 55.И-40 48.67 48.5.3.2. КИНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Как известно, одним из наиболее важных динамических параметров смазочных материалов является вязкость (динамическая, кинематическая, объемная), которая оказывает значительное влияние на гидродинамику контакта и силы трения [43]. Однако с позиций изучения изнашивания большую важность приобретают вопросы демпфирующей способности смазочного слоя и работоспособности смазочных материалов при вибронагружении, которое в зависимости от скорости относительного перемещения тел может привести к изменению состояния смазки от жидкого до квазитвердого [27 и др.].

Демпфирующая способность смазочного слоя характеризуется величиной коэффициента поглощения [64]. Подробное описание методики для его оценки приведено в авторском свидетельстве [87];

например, для масла И-12А его величина составляет 1,2.

Для оценки прочности смазочных материалов в режиме вибронагружения при стекловании смазочного слоя была разработана новая методика, основанная на термофлуктуационной теории прочности. При термофлуктуационном подходе к оценке прочности пленок смазочных материалов их следует рассматривать как диссипативную структуру, а переход при определенных условиях в квазитвердое состояние – как неравновесный фазовый переход системы, сопровождаемый сменой механизма диссипации энергии. Из теории синергетики [120] известно, что диссипативные структуры возникают в неравновесных условиях и характеризуются активационными параметрами, характерными для твердого тела, – энергией активации u и структурно-чувствительным коэффициентом. Поскольку в жидких смазочных материалах механизм диссипации энергии не способен при высоком статическом и динамическом давлении рассеивать поступающую энергию с минимальным производством энтропии, в «застеклованном» состоянии формируется механизм, характерный для твердых тел, а именно диссоциация (разрыв) межатомных связей. На этом основании в качестве параметра u была принята энергия активации деструкции смазочных материалов. Ее оценка производится методом склерометрии [24, 228].

Давление и температура в смазочном слое определяются расчетным путем [134], а за критерий работоспособности смазочной пленки при высоких динамических нагрузках, когда проявляется эффект «стеклования», можно принять систему неравенств Рс < < Ркр,, (5.4) > tк, р где Р – давление «стеклования», определяемое расчетным путем; Р с кр – предел прочности смазочного материала; – долговечность «зар стеклованного» слоя; t – средняя длительность контакта поверхнок стей при трении. Первое неравенство определяет работоспособность смазочной пленки при атермическом разрушении, второе – при термофлуктуационном.

Для оценки Р будем исходить из следующих допущений. Атеркр мическое разрушение смазочной пленки наступает при условии u - = 0, (5.5) где – механическое напряжение. Поскольку область контакта трущихся поверхностей характеризуется высокими давлениями, предел прочности Р можно приравнять к и оценивать его из выражения кр Р = u /. (5.6) кр Структурно-чувствительный коэффициент с физической точки зрения является активационным объемом, который можно выразить через средний диаметр атомов в цепочке d и разрывную деформацию x. Учитывая размерность величин, можно записать р x d2N 10-6 [кДжмм2/мольН], (5.7) р а где N – число Авогадро.

а Величина для масел имеет порядок 0,01310-[кДжмм2/мольН] [71, 285].

При докритических нагрузках ведущим является термофлуктуационный механизм разрушения молекулярных связей. При этом долговечность диссипативной системы может оцениваться по формуле С.Н. Журкова с учетом коэффициента поглощения U - = exp, [с], (5.8) р R T где – постоянная времени, [c]; R – универсальная газовая постоянная, 8,31410-3 [кДж/мольК]; Т – абсолютная температура, [К]; – коэффициент поглощения, учитывающий вибрационную составляющую нагрузки в контакте.

Известно, что параметр имеет физический смысл времени релаксации атомов, а его значение определяется точкой, в которой сходятся зависимости долговечности от нагрузки на оси времени, полученные по результатам испытаний смазочных материалов. Согласно экспериментальным данным [71] можно принять 10-4 [с].

Длительность t, в течение которого происходит «стеклование», к определяется длиной герцевской площадки контакта L и скоростью скольжения V, т. е.

t = L V, [с]. (5.9) к Учитывая полученные значения, с удовлетворительным приближением можно записать условия работоспособности смазочных материалов в режиме вибронагружения:

P < < u 10,[МПа];

c u - P (5.10) 10- 0 K exp > L / V,[c];

R T этим условиям удовлетворяют большинство смазочных материалов.

Например, для масла И-12А с характеристиками U =58[кДж/моль], 10-2 кДжмм2/мольН, 10-4с, =1,2, Р = 1000МПа и режимами тре0 с ния L=10-4 м, V=0,15м/с, Т=300К неравенства примут вид т = 1000 < < т = 5800,[Мп€];

– ђ р - = 113 > t = 2 10,[–].

р ђ По полученным оценкам, для выбранного масла И-12А оба условия выполняются, что позволяет сделать вывод о его работоспособности при вибронагружении в режиме «стеклования».

Pages:     | 1 |   ...   | 33 | 34 || 36 | 37 |   ...   | 42 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.