Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
2.6.6. Линейные и нелинейные системы При трении в режиме граничной смазки создаются условия, которые диктуют системе поверхностного слоя линейный режим изменений — это линейное возрастание плотности дислокаций. Подобное состояние достаточно близко к равновесному, обладает устойчивостью и в сильной степени неупорядочено. В этом режиме имеется симметрия относительно обращения времени, и в устойчивом состоянии скорость производства энтропии минимальна. Поэтому спонтанные флуктуации не могут привести к эволюции системы в сторону повышения устойчивости и упорядоченности. Иная ситуация возникает, когда отклонение от равновесия велико и не описывается линейным законом. Вынужденное отклонение от равновесия при 41 ИП осуществляется путем создания некоторой концентрации атомов (дислокаций), которая благодаря изменившемуся химическому потенциалу пленки вызывает ее избирательное растворение и понижает уровень энтропии. В результате неравновесные концентрации вакансий и дислокаций изменяются во времени по периодическому закону вокруг постоянного значения и возникает пространственно-временная структура "вакансионно- дислокационных волн". Эта нелинейная структура сохраняется все время, пока имеет место деформирование пленки и ее избирательное растворение. В основе этой структуры лежит кинетический фазовый переход от консервативного движения дислокаций к их неконсервативному переползанию к поверхности в условиях высокого насыщения вакансиями. 2.6.7. Переползание дислокаций При граничном трении в поверхностном слое деталей постепенно происходит накопление дислокаций, которые в дальнейшем объединяются, образуют трещины, и в результате происходит изнашивание поверхности. Наличие на поверхности окисных пленок, отсутствие растворения поверхностного слоя способствуют накоплению дислокаций и это увеличивает конфигурационную энтропию. Механизм переползания дислокаций в тонком поверхностном слое при деформировании в научной литературе известен как вакансионно-диффузионный механизм и исследовался рядом авторов (С.Н. Журков, И.А. Одинг, B.C. Иванова, Е.Д. Щукин и др.). Это явление преимущественного пластического течения в поверхностных слоях кристалла в начальных стадиях его деформирования. Однако в дальнейшем в результате деформационного упрочнения и наличия окисных пленок создается барьер для выхода дислокаций на поверхность и процесс течения металла затормаживается. При ИП поверхностный слой трущейся детали не имеет окисных пленок и поверхность растворяется, что снимает барьер для выхода дислокаций. Кроме того, в процессе избирательного растворения образуется поверхностно- активное вещество, пластифицирующее металл и уменьшающее объем деформируемого слоя до размеров микронной толщины. В этой пленке диффузионные процессы возрастают во много раз, что создает гомогенную структуру и увеличивает концентрацию вакансий в деформируемом слое. Все это вызывает кинетический фазовый переход от консервативного движения дислокаций к переползанию. В этом случае под действием осмотических сил дислокации движутся перпендикулярно к поверхности и легко разряжаются. Конфигурационная энтропия не накапливается. 42 2.6.8. Трибо -ПАВ Трибо-ПАВ – это поверхностно-активные вещества, образующиеся при избирательном растворении и каталитических процессах трибодеструкции смазочного материала в процессе трения. 2.6.9. Диссипативная система Диссипативная система – это динамическая система, у которой полная механическая энергия (т.е. сумма кинетической и потенциальной энергий) при движении непрерывно уменьшается (рассеивается), переходя в другие, немеханические формы энергии (например, в теплоту). При трении механическая энергия переходит в тепловую, тратится на пластическую деформацию, образование дефектов, упрочнение поверхностного слоя, его диспергирование (продукты износа) и др. Практически все системы, с которыми приходится реально сталкиваться в земных условиях, являются диссипативными системами. Диссипативные системы не следует отождествлять с неконсервативными системами, в которых возможна не только диссипация энергии, но и приток энергии извне. Поэтому, например, в неконсервативных системах могут иметь место такие явления, как автоколебания, возникающие при равенстве расхода и притока энергии, что в диссипативных системах невозможно. 2.6.10. Диссипативная структура Диссипативная структура – это пространственная или пространственно- временная структура, сохраняющаяся и циркулирующая неопределенно долго во времени, для чего, кроме известных условий, требуется постоянная подача энергии и вещества. Диссипативная структура является открытой, стационарной, обратимой, неравновесной, бесфинальной структурой, образующейся в гомогенной среде. Характеризуя открытую систему диссипативной структуры, итальянский физик Дж. Карери пишет: "Открытой системой мы будем называть систему, способную к обмену энергией и веществом с окружающей средой так, что потоки, входящие в систему и выходящие из нее, могут сместить ее состояние термодинамического равновесия и удержать вдали от него". Например, в систему поступает химическое вещество с большим запасом свободной энергии, а покидают ее продукты с более бедной энергией. Диссипативная структура поэтому должна состоять из встречных диффузионных потоков, реагирующих между собой в неравновесном состоянии, например атомов и вакансий. 2.6.11. Условия возникновения диссипативной структуры Из работ И. Пригожина, В. Эбелинга следует, что когерентное, согласованное поведение материала, приводящее к возникновению 43 диссипативных структур, возможно лишь при наличии особых условий и взаимодействий: 1. Большое отклонение от равновесия; 2. Реализация принципа эволюции Пригожина–Гленсдорфа; 3. Нелинейность основных процессов; 4. Кооперативное поведение подсистем; 5. Отбор и спонтанная самоорганизация в макромолекулярных системах; 6. Постоянный поток отрицательной энтропии; 7. Открытость системы для обмена веществом и энергией. Ни одно из этих условий не соблюдается при трении с граничной смазкой. Явления, которые происходят в поверхностном слое металла, здесь идут линейно вблизи равновесия – имеется в виду накопление дислокаций. Однако создавать эти условия не пришлось – ИП обнаружили в готовом виде. Когда это произошло, развитие теории трения и износа поднялось на следующую более высокую ступень. 2.6.12. Неравновесность системы Примером типичной неравновесности системы является состояние обычного потока газа, когда его плотность, гидродинамическая скорость и температура меняются от точки к точке. Существование градиентов этих параметров приводит к переносу массы, импульса и энергии. Возникающие процессы переноса стремятся выровнять неоднородности в распределении плотности, скорости и температуры системы, приближая ее к равновесию. Процессы переноса характеризуются соответствующими потоками. Например, градиент температуры выравнивает поток теплоты, градиент плотности – поток массы. В общем случае говорят, что потоки вызываются обобщенными термодинамическими силами (градиенты температуры или концентрации – простейшие примеры термодинамических сил). Следует иметь в виду, что обобщенные термодинамические силы не имеют ничего общего с силами в ньютоновском понимании этого термина. При трении в режиме ИП в качестве термодинамических потоков рассматриваются диффузионные потоки атомов, дефектов структуры, возникающие в защитной пленке при ее упрочнении и разупрочнении. Неравновесность этих потоков поддерживается градиентами их плотности, концентрации и температуры и регулируется обратной связью, возникающей в результате изменения химического потенциала пленки. 44 2.6.13. Кооперативные явления в системе Из неравновесной термодинамики следует, что, удаляясь от равновесного состояния, движение идет в сторону специфического и уникального. Вблизи состояния равновесия материя имеет много общих свойств. Вдали от него встречаются разнообразные структуры. При наличии цепочки неустойчивостей число путей к различным состояниям резко возрастает. При слабом отклонении от равновесия эволюция рано или поздно приводит к конечному результату (разрушению). Для открытых систем при значительном отклонении от равновесия ситуация иная. Если повышать степень неравновесности внешних условий, то будем иметь цепочку упорядоченных структур с постоянным уменьшением энтропии – кооперативные явления. При ИП создается взаимодействие как макроскопических элементов – факторы снижения трения и износа, внешняя самоорганизация, так и кооперативное взаимодействие микроскопических элементов – атомов, вакансий, дислокаций. Когда частицы устанавливают связь друг с другом на микроскопических расстояниях через макроскопические интервалы времени, имеет место внутренняя самоорганизация. 2.6.14. Лиганды , комплексные соединения, координационная теория Лиганды – молекулы или ионы, связанные с центральным ионом в комплексном соединении. Комплексные соединения – соединения или ионы, которые образуются в результате присоединения к данному атому (или иону) нейтральных молекул или других ионов. Комплексные соединения многообразны и многочисленны. Координационная теория – теория комплексных соединений, согласно которой в молекуле любого комплексного соединения один из атомов (ионов), обычно положительно заряженный, занимает центральное место и называется комплексообразователем. Вокруг него в непосредственной близости расположено (координировано) некоторое число противоположно заряженных ионов или электронейтральных молекул, называемых лигандами, которые образуют внутреннюю координационную сферу соединения. Остальные ионы, находящиеся на более далеком расстоянии от центрального иона, образуют внешнюю координационную сферу. 2.6.15. Открытая система избирательного переноса При ИП в процессе деформирования сервовитной пленки образующиеся дислокации не накапливаются в ней, а под действием осмотических сил переползают к поверхности. В местах выхода дислокаций на поверхности возникает зона возбужденных атомов (атомы со свободными химическими связями) из-за образования "ступеньки" в месте выхода "ядра" дислокации. 45 Продукты трибодеструкции смазки или специально добавленные в смазочный материал активные частицы – лиганды вступают в химическое взаимодействие с возбужденными атомами и последние теряют связь с металлом пленки. Энергиядеформирования через возбужденные атомы переходит в химическую связь и не накапливается в пленке. Это явление А.А. Поляковым было названо скин-эффектом. Скин (англ. skin) – «сдирать кожу». Таким образом, конфигурационная энтропия поддерживается на низком уровне. Возникающее комплексное соединение образует ассоциаты – отдельные молекулы, которые создают смазочные пленки, адсорбированные на металлической (сервовитной) пленке. Благодаря нестабильности комплексного соединения часть его молекул снова распадается на лиганд и ион металла. Электрофоретические силы могут увлечь ион в зону контакта, и там он коагулирует с пленкой. Таким образом, может осуществляться обмен веществом с внешней средой. 2.6.16. Сервовитная пленка Защитная металлическая пленка самопроизвольно образуется в зоне контакта трущихся деталей в режиме ИП. Пленка имеет особую структуру (в ней много вакансий и мало дислокаций), находится под воздействием трибо- ПАВ и подвергается вакансионно-дислокационному механизму. 2.6.17. Серфинг -пленка Это защитная адсорбированная пленка на основе ассоциации комплексных соединений, образующихся в результате перехода "свободных" атомов в местах выхода дислокаций в химическое соединение с лигандами смазочного материала, обеспечивает легкое скольжение при трении. 2.6.18. Металлоплакирующий смазочный материал Термин появился в 1962 г. в связи с изобретением смазочного материала, реализующего эффект ИП (А.с. № 179609 от 14 мая 1962 г. авторы Д.Н. Гаркунов, В.Г. Шимановский, В.Н. Лозовский). Это класс смазочных материалов, содержащих (от 0,1 до 3% мас. и более) присадки: порошки металлов, сплавов и их окислов, соли и комплексные соединения металлов, металлорганические соединения. При использовании металлоплакирующей смазки реализуется эффект ИП, который проявляется в том, что на трущихся поверхностях деталей в процессе трения формируется пленка, трудно поддающаяся окислению. Пленка состоит из металлов, введенных в смазочный материал. Толщина пленки составляет от нескольких атомных слоев до 1…2 мкм и более. Пленку называют сервовитной. Металлоплакирующие смазки применяют в тяжелонагруженных узлах трения качения и скольжения самолетов, автомобилей, текстильном и швейном оборудовании, металлургическом оборудовании, морском флоте и др. Использование металлоплакирующих смазочных материалов позволяет 46 повысить долговечность узлов трения (в 2–3 раза), снизить потери на трение (в 2 раза) и тем самым повысить КПД машин и оборудования, уменьшить расход смазочных материалов (в 2–3 раза), увеличить период между смазочными работами (до 3 раз). Наибольшее распространение получили металлоплакирующие смазочные материалы, образующие медную, оловянную или свинцовую сервовитные пленки. 2.6.19. Понятие о финишной антифрикционной безабразивной обработки ФАБО – процесс нанесения защитной металлической пленки на стальную или чугунную поверхность. Покрытие находится в напряженном состоянии, способном при воздействии активного смазочного материала подвергаться избирательному растворению и создавать сервовитную пленку. Сущность процесса состоит в том, что стальные или чугунные детали после традиционной окончательной обработки их поверхности (резанием, шлифованием, хонингованием) покрывают тонким слоем (1... 4 мкм) латуни, меди или бронзы. Покрытие производят путем трения латунного, медного или бронзового прутка (инструмента) о поверхность детали, смазывая при этом поверхность трения технологической жидкостью. При трении материал инструмента переносится на стальную (или чугунную) поверхность детали. Процесс переноса металла при трении ранее считался вредным явлением, поскольку он сопровождался интенсивным изнашиванием и повреждением трущихся поверхностей, особенно при сухом трении. При смазывании маслом этот процесс происходил в меньшей степени, лишь в отдельных местах контакта. Здесь большую роль играют окисные пленки, возникающие в зоне контакта и препятствующие непосредственному соприкосновению материала детали с инструментом. Для того чтобы наносимый слой латуни был сплошным и ровным, необходимо, чтобы поверхность детали не имела окисных и масляных пленок, а материал латуни пластифицировался ПАВ в процессе нанесения покрытия. Давление прутка должно обеспечить полное прилегание инструмента к поверхности детали. При таких условиях перенос материала с инструмента на деталь происходит сплошным слоем, состоящим из очень мелких частиц, хорошо сцепленных с поверхностью обрабатываемой детали и между собой. 2.6.20. Континуальное трение Это трение двух твердых тел при наличии на поверхностях трения сервовитной или другой пластичной металлической пленки, покрывающей выступы шероховатости поверхностей. При таком трении площадки контакта плоские, и трение происходит без ударов шероховатостей – оно непрерывно. 2.6.21. Бифуркация Бифуркация (от лат. возникновение новой устойчивой за критическое значение термодинамических фазовых переходах скачкообразно свойствами. Рассмотрим процесс равновесия, например увеличение сил на границах фазовых происходит в соответствии с Рис . 2.12. Ветвление λ – изменение некоторого изменение концентрации Согласно теореме о равновесию стационарные силу непрерывности эта ветвь конечной окрестности равновесного критического значения а термодинамическая ветвь ничтожно малое возмущение Новый устойчивый режим соответствовать упорядоченному произошла бифуркация, при 2.7. Структура сервовитной Свойства медной пленки обычной меди, полученной условиям образования пленки пленка меди образуется из ионов медных трубок охладителя смазочного материала и формирования еще недостаточно современными методами. 47 лат. bifureus – раздвоенный) в термодинамике устойчивой ветви решения. Это происходит значение термодинамических потоков и сил скачкообразно возникают новые структуры процесс, вызывающий систематическое увеличение концентрации термодинамических фазовых переходов. Пусть изменение соответствии с рис. 2.12. Ветвление решения по мере удаления от равновесия некоторого характеризующего состояния; ρ теореме о минимальном производстве энтропии стационарные состояния асимптотически устойчивы эта ветвь, называемая термодинамической окрестности равновесного состояния. Однако после а при λс, не исключена возможность ветвь станет неустойчивой (ветвь б). возмущение уводит систему с термодинамической режим, устанавливающийся в системе упорядоченному состоянию (ветвь в). Тогда можно бифуркация, при которой возникла новая ветвь решений сервовитной пленки медной пленки, "рожденной" в процессе трения полученной восстановлением медных руд. Это различие образования пленки. Так, в узлах трения домашнего образуется из ионов меди, поступающих в смазочный охладителя. Образуется она только в зоне трения материала и при невысокой температуре. недостаточно выяснен, хотя свойства исследованы термодинамике означает происходит при переходе сил. Например, при структуры с другими ическое отклонение от термодинамических потоков и изменение концентрации равновесия : ρ – качественное энтропии, близкие к устойчивы (ветвь а). В термодинамической, простирается в Однако после некоторого возможность того, что ). В этом случае термодинамической ветви. в системе, может Тогда можно сказать, что ветвь решений. трения, иные, чем у Это различие обязано домашнего холодильника смазочный материал из зоне трения при наличии температуре. Механизм ее исследованы многими 48 При трении пары бронза–сталь в среде глицерина пленка на поверхностях трения образуется в результате распада медного сплава (твердого раствора) при низких температурах, смазочный материал и сдвиговые деформации облегчают диффузионные процессы, чего нет при выплавке меди из руды. На первый взгляд, казалось бы, трение может только препятствовать процессу кристаллизации пленки (большие удельные нагрузки, сдвиговые деформации, вспышки температур). Однако электрохимические силы здесь превалируют над механическими силами – пленка образуется и в этих стесненных условиях. Структуру пленки исследовали различными методами. |