Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 1. Определение, задачи и история развития нанотрибологии как науки
Нанотрибология является одним из направлений в трибологии. Соответственно основные термины, модели, законы, используемые в нанотрибологии, вытекают из трибологии.
Трибология - это наука о трении и процессах, сопро вождающих трение. Термин «трибология» введен в научный обиход Джостом (Jost) [48] в 1966 году и образовано от греческих слов tribos - трение и logos - наука.
Как научная дисцип лина трибология включает в себя теоретические и экспери ментальные исследования процессов в подвижных сопряжениях твердых тел.
В область интересов трибологии входят не только исследова ния трения, но и исследования износа и смазки с целью позна ния сути этих процессов и поиска путей рационально го управления ими.
Трибология, как наука, имеет научно-технические разделы: триботехнику, трибохимию, трибофизику, триботехническое материаловедение, трибомеханику, триботехнологию, трибомониторинг (трибометрия и трибодиагностика), трибоинформатику и др.
Трибологические процессы не сводятся только к механическим процессам, так как протекают деформационные, динамические, тепловые, электрические, акустические, адгезионные, химические и другие процессы.
Сила трения – это совокупный эффект, возникающий в результате самых различных физических явлений: упругости, адгезии, вязкости, капиллярных сил, химических особенностей, фононного и электростатического взаимодействий и проч. В зависимости от условий может преобладать то или другое явление.
В работе Леонардо да Винчи, где установлен закон о пропорциональности силы трения нагрузки, датированной 1482г., он написал: ”Каждое тело подвергается сопротивлению при движении, равному примерно четверти веса этого тела”. Таким образом, впервые было показано, что коэффициент трения твердых несмазанных тел равен примерно 0,25.
В 1699г. французский инженер Гильом Амонтон на основе опытов, связанных с измерением усилия полировки линз, сформулировал закон прямой пропорциональности между нормальной силой N и силой трения F при отсутствии смазки: F=fN, где f – коэффициент трения.
Первый закон трения: Сила трения прямо пропорциональна нагрузке. В условиях граничного трения и для ряда несмазанных трущихся материалов он выполняется достаточно точно.
Второй закон трения: Сила трения не зависит от формы и размера номинальной площади контакта.
Под номинальной площадью контакта понимают площадь, по которой соприкасались бы тела, если бы были идеально гладкими. Но твердые тела контактируют не всей номинальной поверхность, а отдельными пятнами из-за шероховатости реальных поверхностей. Истинная (фактическая) площадь контакта очень мала по отношению к номинальной площади. Фактическая площадь контакта растет линейно с ростом нагрузки. И сила трения пропорциональна фактической площади контакта. Располагая образец различными гранями, мы сохраняем фактическую площадь контакта, которая зависит от нагрузки. Отсюда вытекает независимость трения от площади номинального контакта.
Третий закон трения: сила трения не зависит от скорости скольжения. Закон может быть справедлив для некоторых диапазонов скоростей. Еще Амонтон отмечал, что сила трения находится в сложной зависимости от нормального давления, времени и скорости скольжения.
В 1785г. французский исследователь, Шарль Кулон предложил двучленную зависимость для расчета силы трения: F=fN+А, где А – составляющая силы трения, не зависящая от нагрузки N.
Русским ученым Б.В. Дерягиным в 60–х годах прошлого века была разработана молекулярно-механическая модель трения, которая в дальнейшем нашла отражение в трудах проф. И.В. Крагельского и его учеников. За рубежом примерно в это же время для объяснения природы трения Ф. Боуденом и Д. Тейбором обосновывалась теория сваривания-среза микровыступов поверхностей твердых тел. На каждом пятне контакта образуется мостики сварки (адгезионные связи) со сдвиговой прочностью. При относительном скольжении поверхностей эти связи разрушаются, а сила трения по существу и есть сила среза (адгезионная составляющая трения).
Согласно молекулярно-механической теории сила трения обусловлена двумя составляющими – адгезионной Fa (прочность связи двух соприкасающихся фаз, ее определяют как нагрузку, необходимую для разрушения этой связи) и деформационной Fд (обусловлена пропахиванием неровностями твердого материала поверхности более мягкого контртела): F = Fa + Fд.
Для раскрытия содержания этих составляющих вводилось понятие фактической площади контакта твердых тел Аф и площади деформационной канавки Ак: Fa ≈ τАф; Fд ≈ σАк; где τ, σ – тангенциальное и нормальное напряжения материала, соответственно.
Тогда коэффициент трения может быть выражен зависимостью:
.
Определяя нормальную нагрузку как N = σAф, получаем
.
Отношение может быть раскрыто через параметры шероховатости поверхности:
,
где h, r – средняя высота и радиус микровыступов шероховатости поверхности, соответственно.
Показательна зависимость коэффициента трения от шероховатости поверхности (рис. 1.1).
Рис.1.1
Как видно из рис.1.1, с одной стороны уменьшение шероховатости, приводя к росту площади фактического контакта, вызывает рост коэффициента трения за счет адгезионной составляющей силы трения. Пусть две шероховатые поверхности сближаются друг с другом. При малой нагрузке давление на контакте очень велико в силу малости площади контакта. Материал более мягкий с неровностями начинает пластически деформироваться и поверхность сближается, приводя в контакт все большее количество неровностей, и процесс идет до тех пор, пока площадь контакта не станет достаточной, чтобы нести нагрузки. С другой стороны, увеличение шероховатости, вызывая рост деформационной составляющей силы трения, также обусловливает увеличение коэффициента трения.
Две эти тенденции приводят к существованию в каждом случае минимума коэффициента трения fmin, которому соответствует некоторая оптимальная или равновесная шероховатость . На практике равновесная шероховатость чаще всего достигается после обкатки или приработки деталей.
И. Ньютон сформулировал закон, определяющий зависимость между сопротивлением внутреннего трения жидкости и силой, необходимой для преодоления этого сопротивления, который в последствие стал основным законом ламинарного течения.
Выражение для напряжения вязкостного сдвига предложено Ньютоном в виде:
, где μ – динамическая вязкость смазочного материала; V – скорость движения;
h – толщина слоя смазки (высота зазора между поверхностями).
В трибологии принято классифицировать трения. Когда два тела при перемещении относительно друг друга соприкасаются внешними поверхностями – внешнее трение, но когда элементы структуры тела (атомы, молекулы) перемещаются относительно друг друга – внутренне трение. Внутреннее трение в твердых, жидких и газообразных средах подробно изучено в аэро- и гидродинамике и связано с необратимым рассеянием механической энергии, т.е. ее преобразованием во внутреннюю энергию.
Сухое трение – это вид внешнего трения, когда твердые тела перемещаются друг относительно друга при соприкосновении своими поверхностями.
Трение при наличии пленки граничной смазки малой толщины (от одной молекулы до 0,1 мкм) называется граничным трением. Граничная пленка смазки – это тонкий слой смазочного материала, который образуется в результате давления на поверхности трущихся деталей и существует за счет взаимодействия жидкости и твердого тела.
При жидкостном трении поверхности трения разделены слоем жидкого смазочного материала (толщина более 0,5 мкм) и сопротивление движению определяется внутренним трением смазки и складывается из сопротивления скольжению его слоев по толщине смазочной прослойки. Сухое и граничное трение сходны по своей природе и имеют общие закономерности, что связано со строением мономолекулярных граничных слоев пленки, которые обладают твердообразными свойствами и как бы служат продолжением твердой фазы. При граничном трении, как и при сухом фактически имеет место контакт двух твердых поверхностей. Отличие этих двух видов трения проявляется в коэффициентах трения: при сухом трении он больше 0,2, а при граничном трении – от 0,05 до 0,2. В большинстве работающих узлах трения реализуется одновременно все три вида трения, т.е. наблюдается смешанный режим трения.
В современной трибологии принято выделять три раздела:
- макротрибологию (трибологию), где объектами исследования являются тела и группы тел, не рассматривается особенность строения вещества;
- микротрибологию, которая является переходным разделом и объектами исследования выступают группа молекул, кристаллы;
- нанотрибологию, где трение объясняется на уровне взаимодействия отдельных атомов.
Существует еще субмолекулярный уровень рассмотрения процессов трения как взаимодействия ядер и электронов атомов - это трение Ван-дер-Ваальса, электростатическое трение, фононное и внутреннее бесконтактное трение.
2. Причины рассмотрения процесса трения на наноуровне.