Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів спеціальності 132 "Матеріалознавство"

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів спеціальності 132 "Матеріалознавство"




Сторінка4/4
Дата конвертації24.05.2017
Розмір0.84 Mb.
ТипМетодичні вказівки
1   2   3   4

Лабораторна робота №7



Тема: ВПЛИВ ПЛІВОК НА МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТВЕРДИХ ТІЛ

Мета: Вивчити вплив плівок на інтенсивність зношування матеріалів та зміну механічних властивостей поверхневого шару.
Теоретичні відомості:

Те, що плівки на поверхнях твердих тіл впливають на їхній механічний стан, зазначалося ще багато років тому. Оскільки при цьому змінюються механічні властивості матеріалу поверхневих шарів, мабуть, має існувати фундаментальний взаємозв'язок між дією плівок і трибологічними характеристиками поверхні.

Років тому - шкала часу, що широко використовується в археології, геології та інших науках для датування подій в минулому. Оскільки час відрахунку змінюється, стандартна практика пропонує використання 1950 року як еталонної точки «сучасності».
Механі́чні власти́вості матеріа́лу (англ. mechanical properties of materials) - сукупність показників, що характеризують здатність матеріалу чинити опір навантаженням, які діють на нього та його здатність до деформування при цьому, а також особливості його поведінки у процесі руйнування.

Зміну механічних властивостей поверхневого шару за наявності плівок виявлено експериментально. Так, А. Ф. Іоффе у 1920-х роках спостерігав вплив води або водяної пари на деформацію галоїдних кристалів, зокрема хлористого натрію. При цьому він виявив, що вода різко знижує крихкість кристалів, дозволяючи їм пластично деформуватися, тоді як у сухому повітрі пластичності цих кристалів не спостерігається. Ефект, виявлений А. Ф. Іоффе, був пояснений ним дією плівки води на поверхневий шар кристала.

У 1930-ті роки Роско виявив, що оксидні плівки на деяких металах, на­приклад кадмії, викликають зміцнення цих металів.

Хлори́д на́трію (NaCl, у побуті - «сіль») - тверда, прозора (у чистому вигляді) хімічна сполука з іонною кристалічною ґраткою, солона на смак. При розчиненні у воді повністю дисоціює на катіони натрію та хлорид-аніони.
Окси-плівка (оксидна плівка) - плівка на металі чи іншому матеріалі, яка переважно складається з оксидів. Має специфічні оптичні властивості, завдяки яким спостерігається в аншліфах як білий світний ореол на поверхні окисненого матеріалу.

П. А. Ребіндером у 1920-ті і 1930-ті роки було показано, що наявність деяких органічних кислот на поверхнях твердих тіл викликає пластифікацію і зниження міцності цих тіл.

Органічні кислоти (англ. organic acids) - органічні речовини з кислотними властивостями. Найзвичайніші органічні кислоти - карбонові кислоти, кислотність яких викликається наявністью у них карбоксильної групи -COOH.

У 1950 р. Крамер спостерігав подібний ефект за дії кислот на поверхню кристалів. Він висунув припущення про те, що на поверхні утворюються хі­мічні сполуки. Оскільки утворення таких сполук не можна було пояснити звичайними хімічними реакціями, Крамер припустив, що ініціаторами реакцій є електрони, які випускаються поверхнею у процесі деформації (екзоелек-трони).

Хімі́чна реа́кція - це перетворення речовин, при якому молекули одних речовин руйнуються і на їхньому місці утворюються молекули інших речовин з іншим атомним складом. Усі хімічні реакції зображують хімічними рівняннями.
Ці екзоелектрони слугують джерелом енергії, необхідної для перебігу поверхневих реакцій і утворення сполук, що змінюють механічні властивості поверхневого шару.

Ефекти, зумовлені дією поверхневих плівок на поверхню твердих тіл, схематично подано на рис. 7.1.

Ефект Крамера. Ефект, названий його іменем, Крамер виявив під час дослідження зміни ступеня наклепу поверхневих шарів кристалів алюмінію і міді, випробовуваних у мінеральних оливах із домішками різної кількості стеаринової кислоти.

Стеари́нова кислота́, або октадека́нова кислота́ - одноосновна карбонова кислота аліфатичного ряду. Назва походить від грец. στέαρ, «стеар» (род. відм. στέᾱτος), що означає «сало». Відповідає такій хімічній формулі C18H36O2, або CH3(CH2)16COOH.

Крамер припускав, що такі жирні кислоти, як стеаринова, вступаючи в реакцію з поверхнею металу, утворюють металеві мила, які потім розчиняються або десорбуються в навколишнє середовище.

Жи́рні кисло́ти - органічні сполуки, що складаються з вуглецевого ланцюжка, довжиною до 24 атомів вуглецю з карбоксильною групою (-СООН) на одному кінці.
Швидкість розчинення при цьому залежить від швидкості перебігу реакції між кислотою і поверхнею металу. Однак у дослідах з алюмінієм і міддю у вазеліновому маслі, у котру одразу ж добавляли стеарат металу, вищенаведене припущення не підтвердилося. Окрім цього, ефект не спостерігався і на золоті. Відомо, що на золоті мила не утворюються через дуже високу енергію активації реакції.
Енергія активації - характерний параметр процесів, зокрема хімічних реакцій, кінетика яких описується рівнянням Арреніуса.
Однак Крамер спостерігав зміну ступеня наклепу в золота у вазеліновому маслі з додаванням стеаринової кислоти. Він припустив, що причиною прояву ефекту є електрони, які емітують з поверхні через деформацію металу, так звані екзоелектрони. Ці екзоелектрони, взаємодіючи з молекулами стеаринової кислоти, ініціюють утворення стеарату металу.



Рис. 7.1. Дія поверхневих плівок на механічний стан поверхонь: а – ефект Крамера; б – ефект Роско; в – ефект Іоффе; г – ефект Ребіндера


Протягом тривалого часу інші дослідники спостерігали емісію екзоелектронів із поверхонь металів у процесах їхньої деформації, механічної обробки, різання і шліфування. Ця емісія була дослідницьким курйозом, і вважали, що її причиною є деформація поверхневого шару металу.

Однак Ферранте, проводячи експерименти з наклепаними і відпаленими монокристалами магнію у вакуумі, виявив, що чисті металеві поверхні не емітують екзоелектрони. Ні деформація, ні очищення самі по собі не викликали екзоелектронної емісії у вакуумі і, отже, не могли бути її причиною.

Картина якісно змінювалась, якщо у вакуумній камері з'являвся кисень, навіть у малій концентрації.

Ва́куумна ка́мера (англ. vacuum chamber) - елемент вакуумної системи, в якому створюється вакуум, необхідний для забезпечення перебігу різних технологічних процесів.
За його наявності з поверхонь спостерігалася екзоелектронна емісія, причому її інтенсивність не залежала від того, чи була поверхня кристала наклепана чи відпалена. Зі збільшенням концентрації кисню інтенсивність екзоелектронної емісії збільшувалась, і, нарешті, коли поверхня покривалася шаром кисню, екзоелектронна емісія припинялась.

Ці дослідження показують, що причина екзоелектронної емісії з поверхні твердого тіла полягає не в деформації цієї поверхні, а в її взаємодії з навко­лишнім середовищем. У прикладі з магнієм таким середовищем є кисень і в разі його взаємодії з поверхнею (спочатку хемосорбції, а потім реакції окиснення) спостерігається вивільнення енергії у формі емісії екзоелектронів.

Не тільки кисень може бути активним зовнішнім середовищем, необхідним для прояву екзоелектронної емісії. Тим не менш, основним є той факт, що природа екзоелектронної емісії – це хімічні процеси, а не деформація або механічна обробка, що супроводжуються утворенням свіжої поверхні твердого тіла, як припускали Крамер і багато інших учених.

Ефект Роско. Другим ефектом, зумовленим дією плівок на механічні властивості твердих тіл, є ефект Роско, виявлений ученим під час оцінювання впливу оксидних плівок на мікротвердість монокристалів кадмію. Роско спостерігав зростання твердості поверхневого шару металу за наявності оксиду. Цей ефект дуже важливий для рухливих з'єднань, які працюють у різних умовах тертя.

Ефект Роско чітко спостерігається також у цинку. Наприклад, при ковзанні індентора по базовій площині монокристала цинку без оксиду спостерігається пластична деформація. У тих самих умовах тертя на окисненій поверхні утворюються сліди двійникування. Таким чином, механізми фрикційної взає­модії в цих двох ситуаціях різні, причому за наявності оксиду деформація незначна.

Хоча ефект Роско спочатку був виявлений для оксидних плівок (оксид кадмію на кадмії або оксид цинку на цинку), тим не менше цей ефект виявля­ється і в разі появи плівок інших речовин на твердих тілах.

Окси́д ци́нку (цинкові білила, срібні білила, китайські білила) - неорганічна сполука з формулою ZnO. Білий порошок, практично нерозчинний у воді.

Очевидно, одним із найбільш пластичних матеріалів, що використовуються в трибологічній практиці, є золото, котре дуже легко деформується. Тому на золоті дуже зручно спостерігати ефект Роско. Хоча воно не окиснюється, але утворює галоїдні сполуки, наприклад хлорид золота, який так само, як і оксиди на інших металах, зміцнює поверхню золота.

Галогені́ди (галоїди, галіди) - хімічні сполуки, до складу яких входять одновалентні аніони галогенів. Галогенідами є солі галоїдних кислот: HF (флуориди), HCl (хлориди), HBr (броміди), HI (йодиди). Серед флуоридів найбільш найхарактернішими є сіль кальцію (CaF2), серед хлоридів - солі натрію і калію (NaCl і KCl відповідно).
У процесі ковзання по поверхні золота, покритій його хлоридом, спостерігається утворення тріщин, яких немає у разі ковзання по поверхні золота, вільній від плівок.

У такій ситуації зміцнювальна дія хлориду виявляється в тому, що плас­тичність золота знижується й уможливлюється поява тріщин, яких на поверхні пластичного золота зазвичай не буває.

Ефект Іоффе. Третім із поверхневих ефектів, поданих на рис. 7.1, в, є ефект Іоффе, що спостерігається, наприклад, за наявності водяних плівок на поверхні галоїдних кристалів. Такий дуже крихкий матеріал, як хлористий натрій, стає дуже пластичним.

Хлорид натрію у великих кількостях є отрутою - летальна доза в 100 разів перевищує добову норму споживання і становить 1 грам на 1 кілограм маси тіла, тобто для людини вагою 80 кг смертельною дозою може бути 80 г солі
Брусок із солі, що згинається на повітрі, зазвичай руйнується на шматки. Однак якщо згинати цей брусок у вологому повітрі, то перед руйнуванням можна спостерігати деякий прогин і деформацію.

У водяному розчині цей же брусок можна зігнути як шматок пластиліну без слідів руйнування. Це свідчить про те, що зародження тріщин на поверхні блокується за наявності ПАР (у розглядуваному випадку води).

Вода запобігає не тільки утворенню тріщин, а й поширенню вже існуючих. Таким чином, ефект у цілому виявляється як зміна твердості матеріалу, наприклад підвищення пластичності галоїдних кристалів за наявності по­верхневих плівок. Хоча ефект спочатку спостерігався в лужно-галоїдних кри­сталах, він виявляється і в інших твердих тіл, наприклад оксидів магнію й алюмінію, чутливих до води на їхніх поверхнях.

Ефект Іоффе дуже помітно позначається на механічних властивостях по­верхонь контактної взаємодії твердих тіл. Така зміна механічних властивостей дає підставу припустити, що і триботехнічні характеристики твердих тіл в умовах прояву ефекту Іоффе можуть істотно змінюватися. Зазначений ефект приводить до підвищення пластичності поверхневого шару, поряд із гальмуванням зародження і розвинення тріщин, які призводять до руйнування матеріалу, оскільки швидкість поширення тріщин у матеріачі різко знижується. Середовищем, у якому реалізується ефект Іоффе, може бути не тільки вода, а й деякі інші речовини. Так, зокрема, кисень впливає на руйнування сталей, гальмуючи в них зростання тріщин.



Ефект Ребіндера. Останній із обговорюваних поверхневих ефектів, схематично поданий на рис. 7.1, г і названий іменем ученого, який його виявив. Ребіндер довів, що додавання деяких органічних кислот до вазелінового масла збільшує пластичність мащених поверхонь твердих тіл (металів і неметалів), ступінь їх деформації і, таким чином, знижує твердість поверхневих шарів цих тіл. Численні дослідження, проведені Ребіндером і його учнями, показали, що майже в усіх матеріалах більшою чи меншою мірою виявляється ефект дії ПАР (ефект адсорбційного зниження міцності).

Деякі вчені стикалися з труднощами під час відтворення результатів Ребіндера і його колег. Однак той факт, що наявність органічних сполук на по­верхні впливає на її механічний стан, безсумнівний.

Органі́чні речови́ни (рос. органические вещества, англ. organic matter; нім. organische Stoffe m pl) - речовини, що виникли прямо або непрямо з живої речовини або продуктів їх життєдіяльності; присутні в атмосфері, поверхневих і підземних водах, осадах, ґрунтах і гірських породах.
Зазначений ефект спо­стерігається не тільки для органічних кислот, а й для інших речовин, наприлад спиртів, які його викликають.

Класичним прикладом прояву ефекту адсорбційного зниження міцності є досліди Гросскройця із розтягування плівок оксиду алюмінію у вакуумі і на повітрі, які містять вологу.

Окси́д алюмі́нію (рос. алюминия оксид, англ. aluminium oxide, нім. Aluminiumoxyd) - неорганічна сполука Алюмінію з Оксигеном складу Al2O3. Являє собою білі кристали, хімічно дуже стійкі, температура плавлення 2050 °C.
У цих дослідах використовувались оксидні плівки завтовшки 0,3 мкм (3000 А), відділені від основного металу.

Гросскройц виявив істотні відмінності в характері пластичної деформації плівок для наведених двох типів навколишнього середовища. Так, плівка на повітрі легше деформувалася за однакового навантаження, ніж у вакуумі, а це свідчить про явно виражену дію адсорбату на механічні характеристики поверхневого шару матеріалу.

Ребіндер виявив, що органічні речовини знижують зсувну міцність і твердість металів і неметалів, включаючи й органічні тверді тіла. При адсорбції поверхнево-активних речовин вільна енергія твердого тіла зменшується.

Ві́льна ене́ргія Гельмго́льца - термодинамічний потенціал, який визначає рівноважні термодинамічні характеристики системи в залежності від об'єму та температури.
Поверхне́во-акти́вні речови́ни (ПАР, сурфактанти, детергенти) - хімічні речовини, які знижують поверхневий натяг рідини, полегшуючи розтікання, у тому числі знижуючи поверхневий натяг на межі двох рідин.
При цьому знижується опір поверхневого шару твердого тіла пластичному деформуванню, полегшуються пластичну те6кучість у зернах і вихід дислокації до поверхні. Верхній шар металу може мати меншу мікротвердість, чим нижчі, насичені дислокаціями шари, а також більш низькі границю текучості і коефіцієнт зміцнення. Деформований у присутності ПАР поверхневий шар металу має більш дрібнозернисту структуру. Це явище адсорбційної пластифікації твердих тіл названо зовнішнім ефектом Ребіндера. Ефект реалізується, наприклад, при протягуванні дроту через фільєру меншого діаметра в присутності ПАР. В даних умовах в деформацію втягується більш тонкий поверхневий шар і сила протягування значно нижча. Товщина пластифікованого шару близько 0,1 мкм.

Внутрішній ефект Ребіндера (адсорбційно-розклинюючий) реалізується при адсорбції молекул на поверхнях тріщин, що мають місце в поверхневому шарі тіла тертя. Коли активні центри молекул досягають області, розмір якої менше двох розмірів молекул, останні, притягаючись стінками до тріщини і втримуючи тиск сусідніх молекул, прагнуть її розклинити.
Активний центр - особлива частина молекули ферменту, що визначає його специфічність і каталітичну активність.
При цьому тиск на стінки у вершині тріщини може досягати 10 МПа і ініціювати її розвиток. Це явище сприяє руйнуванню поверхневого шару. Воно виявляється в процесі різання металів в присутності ПАР, що містяться в складі мастильно-охлоджуючої рідини. Розклинюючи дія адсорбованих молекул перешкоджає змиканню тріщини після зняття навантаження за умови, якщо сили взаємодії в її вершині недостатні для втиснення молекул адсорбційного і граничного шарів. В цьому випадку знижується опір матеріалу втомному руйнуванню.
Прилади та матеріали:

Машина тертя СМЦ-2, динамометр, зразки досліджуваних матеріалів, шліфувальний папір, рідини для промивання і знежирення поверхні, термопара.


Порядок виконання роботи:

  1. Ознайомитись зі схемою вимірювання величини зносу на машині
    СМЦ-2.

  2. Провести дослідження інтенсивності зношування запропонованих матеріалів у присутності ПАР.



Контрольні питання:

  1. Як впливають плівки на механічні властивості твердих тіл?

  2. В чому полягає ефект Крамера?

  3. В чому полягає ефект Роско?

  4. В чому полягає ефект Іоффе?

  5. В чому полягає ефект Ребіндера?


Лабораторна робота №8
Тема: ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ ЯВИЩА ВИБІРКОВОГО ПЕРЕНЕСЕННЯ У ВУЗЛАХ ТЕРТЯ

Мета: Вивчити умови та механізми виникнення явища вибіркового перенесення у вузлах тертя, процеси, які відбуваються під час вибіркового перенесення та експериментально дослідити вплив даного явища на структуру та процеси, які виникають в поверхневих шарах матеріалів при терті
Теоретичні відомості

Явище вибіркового перенесення було відкрите Д. М. Гаркуновим і І. В. Крагельським під час дослідження технічного стану вузлів тертя літака. На різних етапах його експлуатації було виявлено явище самовільного утворення тонкої плівки міді на поверхнях деталей важконавантажених вузлів.

То́нка плі́вка - фізичний термін, який означає шар матеріалу, товщиною від кількох нанометрів до кількох мікрон.
Під час роботи пари тертя сталь-бронза, змащених спиртогліцериновою сумішшю, утворилась плівка міді, яка покривала бронзу і сталь. Вона різко знижувала зношування пари тертя і зменшувала силу тертя приблизно в 10 разів.

Виникаюче під час тертя вибіркове перенесення є явищем, протилежним зношуванню. Під час тертя всі процеси в зоні контакту зводяться до руйнування поверхні, а процеси за вибіркового перенесення – необоротні і відносяться до самоорганізованих процесів неживої природи. На практиці даний ефект проявляється частково через специфічні умови роботи вузлів тертя.

Перед початком реалізації явища вибіркового перенесення в парі тертя проходять процеси, які називають підготовчими. До них відносять трибодеструкцію мастила чи присадки, вибіркове розчинення і пасивацію.

Одним із основних факторів початкової стадії вибіркового перенесення є незвично велика швидкість протікання корозійного процесу, а потім його повне припинення. Для збудження поверхневих реакцій між мастилом і металом необхідна активація процесу. Деякі гетерогенні реакції можуть протікати самовільно, не потребуючи затрат енергії, однак у випадку вибіркового перенесення такі реакції недопустимі. Навіть інтенсифікації реакцій, які спричиняє тертя, вкінці повинні приводити до пасивації процесів на поверхні до початку стабілізації процесу тертя. В іншому випадку втрати будуть невідновні. Для умови саморегулювання і забезпечення систем можливістю зниження зношування і коефіцієнта тертя необхідно, щоб вибіркове розчинення збуджувалося за низького рівня виділення енергії під час тертя і затухало за умовизниження даного рівня після утворення захисної плівки.

Процес трибодеструкції мастила проходить в умовах активації поверхні тертям, що пов’язано з різними механо-, електро- і термохімічними факторами в зоні контакту. В таких умовах високоактивні частинки виконують різні функції, зокрема:



  • утворюють хімічні сполуки з поверхневими атомами металу і, десорбуючись, залишають вакансії в металі, які під дією дифузії розповсюджуються вглиб;
    Хімі́чна сполу́ка - речовина, молекули якої складаються з атомів двох або більше різних хімічних елементів, сполучених між собою тим чи іншим типом хімічного зв'язку. Сполука має певний хімічний склад і їй можна приписати точну хімічну формулу.


  • утворюють комплексні сполуки з поверхневими атомами металу, створюючи захисний хемосорбційний шар.
    Ко́мплексні сполу́ки або координаці́йні сполу́ки - складні хімічні сполуки, в яких можна виділити центральний атом (комплексоутворювач) і безпосередньо зв'язані з ним молекули або йони - так звані ліганди або аденти.


Активація на початковому етапі компонентів майбутніх сполук в процесі їх взаємодії приводить до максимального виділення вільної енергії і утворення стійких кінцевих сполук, які призначені для тривалої роботи в зоні тертя.

Вибіркове розчинення в умовах тертя у мастилі має наступні особливості:

  • діелектричні властивості мастила змінюються в результаті трибодеструкції та окислення, а мастило стає електропровідним;

  • протікання процесу вибіркового розчинення проходить ступінчасто від мікроелементів до макроелементів в міру збільшення електропровідності середовища;

  • процес розчинення прискорюється тертям на кілька порядків, що обумовлює його рівномірність розташування на поверхні;

  • розчинення відбувається у відновному середовищі, тому продукти окислення у вигляді оксидів і гідрооксидів відсутні;

  • тертя інтенсифікує дифузійні процеси, що обумовлює вплив вибіркового розчинення на деяку глибину поверхневого шару.

Вибіркове розчинення є фізико-хімічним процесом між продуктами трибодеструкції мастила і компонентами сплаву в тонкому поверхневому шарі зони тертя, яка активізується процесом тертя і тиском під час контакту. В результаті самовільного протікання процесу утворюється металева захисна сервовитна плівка з підвищеним вмістом вакансій (їх утворення має важливе значення під час розчинення), що обумовлює дифузійно-вакансійний механізм її деформації. Плівка виникає із поверхневого шару металу після вибіркового розчинення. Утворена нова металоорганічна сполука – поверхнево-активні речовини – продукт реакції між легуючими елементами сплаву і продуктами деструкції.
Мета́лооргані́чні сполу́ки (англ. organometallic compounds) - органічні сполуки, в яких реалізується безпосередній зв'язок атома металу з вуглецем. Зважаючи на незначну поширеність металоорганічних сполук у живій природі, цей тип речовин можна розглядати як поєднувальну ланку між неорганічною та органічною галузями хімії.
Легуючі елементи - хімічні елементи, переважно метали, що вводяться до складу сплавів для додання їм певних властивостей (див. Легування (металургія)). Основні легуючі елементи у сталі і чавуні - Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Zr, Be, Nb, Co, Al, Cu, B, Mg; у алюмінієвих сплавах - Si, Cu, Mg, Zn, Mn, Ti, Zr; у мідних сплавах - Zn, Sn, Pb, Al, Mn, Fe, Ni, Be; у магнієвих сплавах - Al, Zn, Mn, Zr; у свинцевих сплавах - Sn, Zn, Sb; у нікелевих сплавах - Cr, Fe, Ti, Al. Легуючі елементи вводять в легований метал зазвичай у вигляді сплавів.
Адсорбуючись на плівці на місці свого утворення, поверхнево-активні речовини знижують її міцність, що сприяє зниженню опору зсуву.

Наступним процесом, який наступає автоматично, є пасивація, яка обумовлює закінчення вибіркового розчинення, початок роботи плівки і захист основного металу від деформування. В режимі вибіркового перенесення гальмування корозійного процесу досягається в основному за допомогою сервовитної плівки, тобто збільшенням омічного опору проходженню іонів і гальмуванням дифузійного характеру. В даному випадку захисні плівки виконують подвійну захисну службу.

Аналіз результатів вивчення фрикційного переносу дозволяє виділити основні елементи даного процесу, які забезпечують механізм самозмащування із наступною їх послідовністю: контакт – адгезійна взаємодія – зсув поверхневого шару – багаторазова пластична деформація відділення частинок матеріалу із меншою щільністю когезійної енергії – перенесення на контрповерхню – багаторазове деформування перенесеного шару – зношування-втома – диспергування та винесення із зони тертя. Даний процес (або його окремі елементи) мають циклічний характер.

В умовах вибіркового перенесення процес тертя розділяють на два періоди: накопичення міді на поверхнях тертя сталі і мідного сплаву і сталий режим тертя утвореної пари мідь-мідь без окислення.

Матеріал плівки істотно відрізняється від матеріалу основного металу за складом і властивостями. Фізико-хімічні дослідження структури сервовитної плівки дозволили припустити, що матеріал плівки перебуває в стані, подібному до розплавленого. Вона не здатна до наклепу, має малі зсувні зусилля і є пористою. Плівка у верхній частині не має оксидів, здатна до схоплювання, під час тертя її частинки можуть переходити з однієї поверхні тертя на іншу, тобто схоплюватися без утворення пошкоджень і збільшення сил тертя. Тертя бронзи по сталі в умовах вибіркового перенесення порівнюють із ковзанням тіла по льоду, в якому низький коефіцієнт тертя замість води забезпечує плівка розплавленого металу. Товщина плівки становить 1...2 мкм.

Досліджено, що вибіркове перенесення можуть реалізувати наступні метали: Sn, Pb, Cu, Ag, Au, Cr, Fe, Co, Ni. Вони можуть використовуватись в різних парах тертя.

Способи застосування вибіркового перенесення досить різноманітні, що дає можливість широкого використання його не тільки у вузлах тертя бронза-сталь, але і у вузлах пластмаса-сталь і сталь-сталь. Можливі наступні способи використання вибіркового перенесення у вузлах тертя:


  • застосування рідких і консистентних мастил, які викликають вибіркове перенесення у вузлах тертя бронза-сталь і бронза-хромове покриття;

  • застосування латунювання одного з елементів у вузлах тертя сталь-сталь і використання його з мастилом, яке викликає вибіркове перенесення в латунному шарі;

  • застосування металоплакуючих консистентних мастил у вузлах тертя сталь-сталь, які виділяють сервовитний шар на сталевій поверхні;

  • застосування композитних (з латунню) матеріалів у вузлах тертя композитний матеріал-сталь;

  • застосування пластмас з наповнювачем Сu2O у вузлах тертя пластмаса-сталь.

За першим способом працюють трибодеталі в мастилах ЦИАТИМ-203 та АМГ-10. Висока зносостійкість досягається і в тому випадку, якщо мідний сервовитний шар не переходить на сполучену поверхню, наприклад, під час тертя по хромистому покритті або нержавіючій сталі.

Другий спосіб використання вибіркового перенесення у вузлах тертя сталевих деталей полягає в нанесенні на одну з них, що має форму тіла обертання, тонкого шару латуні і подальшої реалізації в даному шарі вибіркового перенесення.

Тіла́ оберта́ння - об'ємні тіла, що виникають при обертанні плоскої фігури, обмеженої кривою, навколо осі, що лежить в тій же площині.

Третій спосіб доцільно використовувати для деталей, на поверхню яких важко наносити шар латуні, наприклад, через невідповідні форму та габарити.

Порошок міді або сплаву, внесений у мастило, поводить себе як і сплав, тобто піддається вибірковому розчиненню. Встановлено, що в результаті внесення в гліцерин або змащування ЦИАТИМ-201 порошків міді, бронзи або латуні трибоповерхня покривається сервовитною плівкою. Оскільки об’єм поверхні порошку більший, ніж поверхні суцільного металу, тому процес вибіркового розчинення протікає інтенсивніше. Сервовитний шар, що наноситься на сталь, збільшує вагу сталевої пари, не даючи йому інтенсивно зношуватись за період експлуатації.

Розрізняють два види застосування порошків, як добавок: адгезійний вплив (порошки утворюють сервовитну плівку в результаті протікання фізико-хімічних процесів) і механічний вплив (порошки схоплюються з поверхнею і заповнюють нерівності на ній, тим самим вигладжуючи поверхні деталей тертя). У випадку механічного впливу використовують головним чином мідні і свинцеві порошки, які вводять в звичайне мінеральне мастило.

Мінера́льна оли́ва (рос. минеральные масла; англ. petroleum oils, coal oils, нім. Mineralöle n pl) - суміш рідких вуглеводнів, яку видобувають із мінеральних речовин, являють собою продукт перегонки нафти, вугілля і смолистих сланців; рідкі суміші висококиплячих вуглеводнів (tкип = 300-600°С), головним чином алкілнафтенових і алкілароматичних.
До адгезійного впливу порошків у мастилі відноситься метод, розроблений на основі використання вибіркового перенесення. Даний метод полягає в тому, що у мастило вводять порошки міді, бронзи або латуні. Може бути застосована бронзова пудра, що використовується для фарб.

Вибіркове перенесення використовують у літаках (вузли тертя шасі і планера), автомобілях (вузли передньої підвіски, карданні шарніри), металообробних верстатах (направляючі, пара гвинт-гайка), парових машинах (циліндр-поршневе кільце), редукторах (черв’як-колесо), металопресовому і хімічному обладнанні, механізмах морських суден (підшипники ковзання і кочення, ущільнення), водневих насосах (вузли розвантаження, ущільнюючі пристрої), обладнання магістральних нафтопроводів, електробурах (ущільнюючі пристрої), холодильниках (трибодеталі компресора), гідронасосах (вузли тертя), нафтопромисловому обладнанні (вузли тертя насосів).

Парова́ маши́на - тепловий поршневий двигун зовнішнього згоряння, в якому потенціальна енергія водяної пари, котра надходить під тиском з парового котла, перетворюється в механічну роботу при зворотно-поступальному русі поршня, який через механічні ланки надає обертального руху вихідному валу.
Вибіркове перенесення використовують у приладах (електричні контакти низького струму з благородних металів).
Благоро́дні мета́ли (шляхе́тні мета́ли) - метали, що належить до групи кольорових металів, які мають високу хімічну стійкість і умовно поділяються на дві підгрупи: дорогоцінні метали (золото, срібло) і платинові метали (платина, паладій, родій, іридій, рутеній, осмій).
Під час різання вибіркове перенесення підвищує стійкість ріжучого інструменту.

Залежно від виду мастильного матеріалу, матеріалів трибопари і умов тертя механізм формування сервовитної плівки на поверхнях тертя різний.

Експериментально встановлено, що мідна плівка в парі бронза-сталь утворюється в результаті анодного розчинення бронзи. Легувальні елементи – цинк, олово, алюміній, залізо переходять в мастильний матеріал, і поверхня збагачується міддю. Після покриття поверхонь бронзи і сталі міддю, розчинення припиняється і встановлюється режим вибіркового перенесення. Наприклад, у вузлах тертя компресора домашнього холодильника мідна плівка в парі сталь-сталь виникала в результаті розчинення мідних трубок охолоджувача компресора. Іони міді, надходячи в мастильнофреонову суміш, рухалися в зону контакту, де формувалася захисна мідна плівка, тому компресори холодильників можуть працювати без ремонту десятки років.

Сервовитна плівка може утворюватись у вузлі тертя сталь-сталь у процесі роботи з металоплакуючими мастильними матеріалами, які містять дрібні частинки бронзи, міді, свинцю, срібла тощо. У разі використання мастила ЦИАТИМ-201 з домішками порошку міді, бронзи чи латуні, а також свинцю в парі сталь-сталь поверхні деталей покриваються тонкою плівкою, яка складається з металу використаних порошків. В процесі роботи порошки частково розчиняються в мастильному матеріалі і міцно схоплюються із поверхнею сталі за рахунок відновлення оксидних плівок, утворюючи сервоподібну плівку. Такі плівки пластичних металів пористі і містять у порах мастильний матеріал. Коефіцієнт тертя за високих навантажень знижується, а сталеві поверхні майже не зношуються.

У промисловості розроблений ряд порошкових твердоспечених матеріалів, які працюють у режимі вибіркового перенесення. Шихта для таких матеріалів готується з дрібнодисперсних сумішей порошків ВКЗ, ВК6, ВК8 або із зазначених сумішей із додаванням литого карбіду вольфраму (WC W2C) – реліту зернистістю 0,1...0,25 мм у відношенні 1:3. Як в’яжучий матеріал застосовують сплави, що містять мідь, зокрема мідно-нікелеві сплави, із високою рідкотекучістю, що забезпечує високу міцність зчеплення порошкового матеріалу. Порошкові матеріали можуть працювати в режимі вибіркового перенесення у випадку мащення нафтою, нафтопродуктами і стічними водами.

Порошко́ві матеріа́ли або спечені матеріали - композиційні матеріали, що їх виготовляють з порошків металів, їхніх сплавів і тугоплавких сполук (карбідів, нітридів, боридів та ін.) методами порошкової металургії.
Сервоподібна плівка утворюється на поверхні твердих складових сплаву в результаті механічного витиснення м’якої складової і її наступним розчиненням. Дані сплави здатні працювати в однойменній парі (композитний матеріал по композитному матеріалу). Дане поєднання матеріалів працездатне лише за рахунок утворення сервовитної плівки, яка забезпечує мащення твердих складових порошкової композиції, оскільки без мідної плівки останні не можуть витримувати велике навантаження – відбувається дряпання поверхонь.

Сервоподібна плівка може утворитися внаслідок тертя політетрафторетилену (ПТФЕ), наповненого оксидом міді, по сталі у середовищі гліцерину. В даному випадку плівка утвориться в результаті відновлення оксиду до чистої міді. Сталева поверхня покривається шаром міді.

В останні роки виявлено специфічний механізм утворення сервовитної плівки в парі тертя сталь-волокна ПТФЕ, наповненого тонким мідним дротом. Закордоном широко застосовують підшипники ковзання з ПТФЕ, наповненого бронзою. За поєднання таких підшипників в парі зі сталевим валом, їх поверхні збагачуються міддю, формуючи сервоподібну мідну плівку і металополімерний шар. Однак, механізм роботи таких підшипників з’ясований недостатньо.

Несподіваним було виявлення сервовитної плівки міді на опорних підшипниках ковзання, які застосовуються в турбінах і турбокомпресорах. Підшипник складається з упорного сталевого гребеня, нерухомо закріпленого на обертовому валу, і корпуса, в середині якого розміщені по колу подушки, які плавають – сегменти. До останнього часу сегменти виготовляли з бронзи БрОФ 8,0-0,30, на яку наплавляли бабітовий шар завтовшки кілька міліметрів. Дана конструкція, відома під назвою підшипників Мітчеля, застосовується давно в упорних підшипниках ковзання. Б. П. Кузовкін разом зі співробітниками Інституту проблем матеріалознавства HAH України запропонували наносити на поверхню бронзового сегмента бронзофторопласт через напікання шару порошку оловʼянистої бронзи БрОФ 8,0-0,30 з частинками сферичної форми і просочення шару суспензією фторопласту 4Д з наступним калібруванням фторопластового шару. На шарі фторопласту і сталевої поверхні утворюється сервоподібна плівка. Завдяки тривалим промисловим випробовуванням були встановлені велика зносостійкість і надійність роботи таких підшипників.

В вищому технічному училищі міста Магдебурга (Німеччина) проведено експериментальне дослідження, результати якого показали, що підшипники ковзання, які працюють в режимі вибіркового перенесення, мають кращі антифрикційні характеристики, ніж підшипники, змащені моторним маслом і поліетиленгліколем.

М. Б. Рубіном і В. М. Зінов’євим проведено дослідження по створенню важконавантажувальних підшипників ковзання, придатних для роботи в морській воді. Для введення необхідних речовин в зону контакту металів ефективним виявилось використання методу ротапринту. Самозмащувальні елементи можуть бути виготовлені з матеріалу на полімерній основі із відповідними наповнювачами. Сервовитний шар, який утворюється під час вибіркового перенесення і забезпечує велику навантажувальну здатність та високу зносостійкість пари тертя, в даному випадку, крім пластичної міді, містить полімер, продукти його деструкції і наповнювачі.

Б. Д. Воронковим і В. Г. Шадріним розроблена композиція Ф40Б70 на основі фторопласту-40 з добавкою 70% бронзового шроту. Її використовували для виготовлення сепараторів підшипників кочення електроприводів апаратів з механічним перемішуючим пристроєм. Дослідження в різних мастильних середовищах (кислі електроліти) виявили високу зносостійкість таких кулькових підшипників. Смуги в напрямку тертя підшипників під час роботи покривались тонким шаром міді, що сприяло компенсації зношування, стабілізації зазорів, зниженню рівня шуму і вібрації електродвигуна. Також були проведені роботи по підвищенню довговічності металопластмасових опор ковзання валів хімічних апаратів з використанням вибіркового перенесення. Б. Д. Воронков і В. Г. Шадрін запропонували конструкцію опори, корпус якої виконаний із бронзи БрАЖ9-4, а вставки-протектори – із фторопластової композиції Ф4-К 20; кришки підшипника – із мідних сплавів (бронзи, латуні). Дані підшипники мають довговічність в 3…4 рази вищу, ніж пластмасові. Особливо ефективним є застосування подібних підшипників ковзання в опорах апаратів, робоче середовище яких містить абразивні суспензії.

Стільни́ця (англ. desktop metaphor) - це метафора інтерфейсу, яка є таким собі набором уніфікованих понять, що використовуються в графічному інтерфейсі користувача, аби спростити взаємодію користувачів із комп'ютером.

Вузли тертя бурового і нафтопромислового обладнання (турбобури, насоси внутрішньопромислового перекачування нафти, насоси підтримання пластового тиску) працюють в дуже важких умовах, коли мастилом для пар тертя є робочі середовища, які містять механічні добавки або є хімічно активними. Забезпечення даних умов тертя з герметичною мастильною ванною є неможливим або складним і дорогим процесом, тому необхідно було розробити матеріали з високою зносостійкістю і здатністю працювати в робочих середовищах з добавками абразиву і води. В даному випадку більш доцільно використовувати композитні матеріали, що пов’язано з можливістю широкого регулювання їх структури та властивостей шляхом поєднання в широкому діапазоні різноманітних компонентів. Однак виготовлення деталей із зносостійких композитних матеріалів, а також інших твердих матеріалів ускладнене, тому що вони складно піддаються механічній обробці. Тому кращим варіантом є отримання комбінованої деталі, в якій зношувана частина виконується з композитного матеріалу, а основна із сталі. Виходячи з даних вимог, М. В. Голуб розробив зносостійкий матеріал ТМ-1, який працює в режимі вибіркового перенесення. Даний матеріал отримують спіканням суміші порошків карбідів вольфраму і кобальту різної зернистості з одночасним просоченням їх мідно-нікелевими сплавами у водневому середовищі. Кобальт і нікель забезпечують міцне зчеплення зерен карбідів вольфраму внаслідок доброї розчинності вольфраму в цих металах. Наявна в мікропорах сплаву мідь створює умови для виникнення вибіркового перенесення під час роботи трибопар у нафті і воді. Сплав ТМ-1 першочергово застосували для підвищення строку служби потужних насосів трубопровідного транспорту і насосів закачування води в нафтовий пласт. Він може працювати в забрудненому абразивом середовищі. Висока твердість і антифрикційність пари тертя забезпечує роботу ущільнення без зупинки насосу більше 10000 год, що в 4…5 разів перевищує довговічність ущільнень з парами тертя сталь по вуглеграфіту. Науковий та практичний інтерес представляє пара тертя сплаву ТМ-1 по бронзі БрОЦС5-5-5 за умов роботи на дизельному паливі, яка працює в режимі вибіркового перенесення.

Ди́зельне (солярне) па́ливо (скорочено дизель, соляр, соляра, солярка) - рідка речовина, що є головним видом палива для дизельних двигунів.
Плівка міді в процесі тертя утворюється на контактних поверхнях на бронзовому і твердосплавному кільцях, забезпечуючи низький коефіцієнт тертя (0,05…0,07) і високу навантажувальну здатність трибовузла.
Прилади та матеріали

Машина тертя СМЦ-2, динамометр, зразки досліджуваних матеріалів, шліфувальний папір, рідини для промивання і знежирення поверхні, термопара.


Порядок виконання роботи

  1. Ознайомитись з конструкцією та схемою вимірювання сили тертя на машині СМЦ-2.

  2. Провести вимірювання інтенсивності зношування запропонованих матеріалів, які реалізують ефект вибіркового перенесення..

  3. Дослідити за допомогою мікроскопа МИМ-10 мікроструктуру трибоповерхні.


Контрольні запитання

  1. Що розуміють під явищем вибіркового перенесення?

  2. Властивості сервовитної плівки.

  3. Які матеріали придатні до реалізації вибіркового перенесення?

  4. Які процеси відбуваються під вибіркового перенесення

  5. Які способи застосування вибіркового перенесення?

  6. Які Ви знаєте розроблені матеріали, що працюють у режимі вибіркового перенесення?




Літаратура

  1. Богданович П.Н., Прушак В.Я. Трение и износ в машинах: Учебник для вузов.– Мн.: Выш. шк., 1999.– 374с.

  2. Гаркунов Д.Н. Триботехника: Учебник для втузов. – М.: Машиностр., 1989. – 328с.

  3. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2–х кн. Кн.2. / Под.ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина. – М.: Машиностр., 2002. – 358с.

  4. Кутьков А.А. Износостойкие и антифрикционные покрытия.– М.: Машиностр., 2001. – 152с.

  5. Сысоев П.В., Богданович П.Н., Лизарев А.Д. Деформация и износ полимеров при трении. – Мн.: Наука и техника, 1995.– 239с.

  6. Боуден Ф. П. Трение и смазка твердых тел / Ф. П. Боуден, Д. Тейбор. – М.: Машиностроение, 1968. – 544 с.

  7. Виноградов И. Э. Противоизносные присадки к маслам /
    И. Э. Виноградов. – М.: Химия, 1972. – 272 с.

  8. Основи трибоматеріалознавства. Конспект лекцій для студентів спеціальності 7.090101, 8.
    Конспе́кт - стислий писаний виклад змісту чого-небудь. Різновид навчального видання. Конспе́кт лекцій - стислий виклад курсу лекцій чи окремих розділів навчальної дисципліни.
    090101 – “Прикладне матеріалознавство” усіх форм навчання / Кашицький В.П., Савчук П.П., Дмитріюк М.В. – Луцьк: ЛДТУ, 2008. – 88 с.

  9. Основи трибоматеріалознавства. Методичні вказівки до лабораторних занять для студентів спеціальностей 6.090100 – “Прикладне матеріалознавство” усіх форм навчання. / П.П. Савчук, М.В. Дмитріюк – Луцьк: ЛДТУ, 2002. – 34 с.

  10. Основи трибоматеріалознавства. Методичні вказівки до виконання самостійної роботи для студентів спеціальностей 7.090101, 8.090101– “Прикладне матеріалознавство ” усіх форм навчання форми навчання. / В.П. Кашицький, П.П. Савчук – Луцьк: ЛНТУ, 2008. – 18 с.

З М І С Т


Вступ ………………………………………..……………………................3

  1. Матеріальне забезпечення.............……………………………………....3

  2. Техніка безпеки і охорона НС……………………………………….......3

  3. Зміст робіт.....................................…………………………………….…4

Лабораторна робота №1.

Типові машини тертя та схеми трибоконтакту ..………………………….…4

Лабораторна робота №2.

Методи виміру сили тертя………………...…………………………………...13

Лабораторна робота №3.

Методи вимірювання температури в зоні тертя……………………………..20

Лабораторна робота №4.

Методи вимірювання зношування ……….…………………………………..25

Лабораторна робота №5.

Види абразивного зношування……..…….………………………………….33

Лабораторна робота №6.

Дослідження триботехнічних характеристик полімерних матеріалів ……41

Лабораторна робота №7.

Вплив плівок на механічні властивості твердих тіл….…………………….47

Лабораторна робота №8.

Практичне застосування явища вибіркового перенесення у вузлах тертя………………………………………………………………………….……52

Рекомендована література…………………………………………………62



Т-67

Триботехнічні матеріали

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів спеціальності 132 “Матеріалознавство” денної та заочної форм навчання / уклад.


В.П. Кашицький, О.Л. Садова. – Луцьк: Луцький НТУ, 2016. – 62 с.

Комп’ютерний набір О.Л. Садова

Редактор В.П. Кашицький

Підп. до друку 2016 р.

Формат 60х84/16. Папір офс. Гарнітура Таймс.

Ум. друк. арк. 6,75. Обл.-вид. арк. 6,2.

Тираж ___ прим. Зам. 1.

Редакційно-видавничий відділ

Луцького національного технічного університету

43018 м. Луцьк, вул. Львівська, 75



Друк – РВВ Луцького НТУ






1   2   3   4



  • Теоретичні відомості
  • Внутрішній ефект Ребіндера
  • Порядок виконання роботи
  • Лабораторна робота №8 Тема