Деловая слава России


Новости



МЕЖОТРАСЛЕВОЙ АЛЬМАНАХ

Свежий номер альманаха, Архив номеров, Подписка на альманах, Реклама в альманахе, Контакты


АКТУАЛЬНАЯ ТЕМА



Опрос

Нужно ли стремиться вернуть в Россию учёных, уехавших жить и работать за границу?
Да, не стоит упускать умных и талантливых людей
Скорее да, но вряд ли наше государство сможет обеспечить им заграничный уровень жизни
Скорее нет, лучше обеспечить хорошие условия тем, что ещё не уехали
Нет, лучше вложить средства в воспитание и развитие молодых учёных
Другое








Деловая слава России » Промышленность » Исследование трения и износа

Промышленность, Наука, Научные статьи: Исследование трения и износа - 17-07-2014, 12:03

Генрих Степанович ИВАСЫШИН

д. т. н., профессор, руководитель учебно-научного центра инновационной нанотрибологии ФГБОУ ВПО «Псковский государственный университет», академик Российской инженерной академии.

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕНИЯ И ИЗНОСА ПО НАНОШКАЛЕ МЕТОДОМ ПРОФИЛИРОВАННОЙ КООРДИНАТНОЙ СЕТКИ

 

 

Потери от последствий трения и износа в развитых государствах достигают 5–6% национального дохода, а преодоление сопротивления трения поглощает во всем мире 20–25% вырабатываемой в год энергии. Повышение экономически и экологически целесообразной долговечности и надежности машин, технологического оборудования и инструмента непосредственно связано с повышением  износостойкости.

 

 

Решение этой актуальной задачи возможно только на базе глубоких, научно обоснованных знаний [4,7], которые могут быть достигнуты по мере дальнейшего развития трибологии. Одним из современных направлений в области механики и машиноведения является микромеханика или нанотехно-логия. Методы и средства классической трибологии здесь не применимы в полном объеме, хотя многие современные ноу-хау базируются на фундаментальных представлениях трибологии, рассмотренных в работах [7,11]. Не случайно авторы [4] считают, что «…форсирование исследований в области микро- и нанотрибологии…» относится на сегодняшний день «…к основным и актуальным разделам и направлениям трибологии и ее инженерному приложению — триботехнике…»

 


Обобщение основных направлений развития взглядов на природу изнашивания изложено в работах Ф. Боудена и Д. Тэйбора (адгезионно-деформационная природа изнашивания), И.В. Крагельского и Г. Фляйшера (усталостная и энергетическая природа изнашивания), Б.И. Костецкого (физико-химический подход к процессам изнашивания), М.М. Хрущева и М.М. Тененбаума (абразивная  природа изнашивания) [7]. Усилиями А.В. Чичинадзе создано и развивается новое научное направление в трибологии: тепловая динамика трения и износа фрикционных пар при сухом трении и граничной смазке.

 

 

Исследованию энергетических соотношений при внешнем трении металлов посвящена работа А.Д. Дубинина [2]. А.Д. Дубинин показал, что при относительном движении тел происходит непрерывное сочетание относительного покоя и относительного движения, то есть проявляется синтез прерывности и непрерывности движения. Взаимодействие микроконтактов происходит за очень короткое время (10-7…10-8 с), в течение которого к контакту подводится очень большая энергия. При импульсном контактном нагружении происходит локальная квазиаморфизация твердого тела, сопровождающаяся поглощением значительного количества энергии [5].

 


Возникают частицы с большой энергией: возбужденные молекулы, атомы, ионы, быстрые электроны, фононы, фотоны (кванты электромагнитного излучения). Такое состояние является причиной определенных химических реакций, а также явлений трибоэлектричества, электронной эмиссии, триболюминесценции и т.п. Энергия изменяется не непрерывно, а испускается дискретными порциями – квантами, к такому выводу пришел в 1900 г. Макс Планк. Чтобы найти энергию кванта E, надо умножить частоту колебания волны v на постоянную величину, константу h, т.е.

 

E = hv,     (1)

 

Постоянная Планка h – фундаментальная физическая константа, определяющая широкий круг физических явлений, для которых существенна дискретность величин с размерностью действия. Из формулы (1) постоянную Планка можно представить в виде:

 

 

   E         
h = —   (2)    
   v         



Развивая идею Планка, Эйнштейн предположил в 1905 году, что свет не только испускается в виде порций энергии E = hv, но и поглощается такими же порциями (позднее эти порции стали называться фотонами). Механика контакта, обусловленная сближением, предварительным смещением, фрикционными связями, физико-механическими характеристиками, пространственным положением, ответственна за изменение относительной износостойкости материала. Согласно работе [8] относительная износостойкость определяется формулой:

 

 

ε = сHI, (3)     

 


где:

с – постоянная, с=13,8x10-3 мм2/Н для отожженной стали;
HI – динамическая твердость [9].

Согласно работе [9], динамическая твердость определяют по формуле:

 

 

N
HI = —— ,  (4)
ΔY

 

где:

N – нагрузка, ΔY – упругое последействие.

 

 

Сравнивая структуру зависимости (2) для определения постоянной Планка h и структуру формулы (4) для определения динамической твердости HI, можно сделать выводы: 1) величины, стоящие в числителях формул (2) и (4), имеют с физической точки зрения одинаковую энергетическую природу; 2) частота v в формуле (2) и упругое последействие ΔY в формуле (4) являются характеристиками волновых процессов (материальные частицы ведут себя как волны).

 


Количественной мерой внешнего трения является сила трения FT. С учетом выражения (4), закон линейной зависимости силы трения FT от нагрузки N (FT = f N, где f – коэффициент трения) можно представить в виде:

 

 

FT = f HI ΔY     (5)     

 

В структуре динамической теории Л.И. Бершадского [1] фундаментальным является не силовое, а диссипативное (структурно-энергетическое) представление. Сила трения проявляется как одна из реакций трибосистемы на возникновение диссипативного потока, причем принципиально она является запаздывающей. Зависимость (5) подтверждает то, что сила трения FT проявляется как одна из реакций трибосистемы на возникновение диссипативного потока. Эволюцию развития трибологии хорошо иллюстрирует схема Ю.М. Плескачевского [6], представленная на рисунке. Однако схема эволюционного развития трибологии не учитывает влияния макропоследействия, микропоследействия, субмикропоследействия на деформационно-молекулярный механизм трения.

 


Последействие деформационно-молекулярного механизма трения включает:
• макропоследействия, охватывающие области, соизмеримые с размерами детали;
• микропоследействия, распространяющиеся на отдельные зерна металла или группу зерен;
• субмикропоследействия, относящиеся к искажениям атомной решетки.

 

 

Упругое последействие может рассматриваться как аддитивность субмикропоследействий (взаимодействие искаженных кристаллических решеток), аддитивность микропоследействий (взаимодействие микрозерен поликристаллического металла), аддитивность макропоследействий (взаимодействие областей, соизмеримых с размерами деталей) [3].  Макропоследействия, микропоследействия, субмикропоследействия, обладающие аддитивными свойствами, оказывают влияние на прочность, жесткость, износостойкость и другие характеристики и, в частности, разрушение, которое может быть инициировано исчезновением упругих последействий в поверхностном слое, а также в объемных частях, в результате функционирования остаточных напряжений в твердом теле.

 


Структура металлов деталей, находящихся в относительном движении, под воздействием субмикропоследействий, микропоследействий и макропоследействий, функционирующих в поверхностных слоях и объёмных частях деталей, превращается в динамично изменяющуюся систему, переходящую при определенных условиях в состояние хаоса (катастрофическиинтенсивного изнашивания и разрушения). «Естественные процессы развиваются необратимо в направлении увеличения беспорядка», – так Больцман на основе молекулярного движения сформулировал второе начало термодинамики. Эта формулировка аналогична варианту второго начала, предложенному Клаузиусом; функцию состояния, энтропию, Больцман отождествил с мерой беспорядка.

 


Связь между энтропией системы S и термодинамической вероятностью состояния W даёт знаменитая формула Больцмана.

 

S = k ln W,

 

где k – постоянная Больцмана.

 

 

Научные открытия, подтверждённые соответствующими дипломами, дают возможность аргументировать то, что упругое последействие и физическая энтропия имеют одинаковую природу, а также обосновать существование функциональной зависимости между упругим последействием ΔY и термодинамической вероятностью данного состояния триботехнической системы. Аддитивности упругих последействий соответствует умножение термодинамических вероятностей состояния отдельных частей триботехнической системы. 

 

 

Из всех математических функций такими свойствами обладают только логарифмы. Таким образом, упругое последействие ΔY должно быть пропорционально логарифму термодинамической вероятности W:

 


ΔY = i ln W, (7)


где i – постоянная.

 

Учитывая аддитивные свойства упругого последействия (макропоследействия, микропоследействия и субмикропоследействия) на основе квантовой теории трения, возможно целенаправленно управлять изнашиванием, адгезией и когезией. Из изучения динамики движущейся дислокации вытекает, что дислокация ведет себя как линия, единица длины которой обладает определенной массой (дислокации повышают энтропию кристалла за счет вводимых ими искажений решетки).

 

 




Известно, что энтропия любого вещества пропорциональна массе. Это значит, что энтропия всей триботехнической системы равна сумме энтропии ее отдельных частей. Если энтропия (по определению) – мера беспорядка в системе, то «…упругое последействие является не свойством твердого тела как такового, а только результатом царящего в нем беспорядка» (А.Ф. Иоффе). Увеличение гетерогенности структуры усиливает эффект упругого последействия. Известно также, что чем выше твердость вещества, тем меньше его энтропия. Карбиды, бориды и другие очень твердые вещества характеризуются небольшой энтропией.

 

 

Один из создателей современной квантовой механики В. Гейзенберг пишет, что «…неделимой элементарной частице современной физики присуще свойство занимать пространство не в большей мере, чем, скажем, свойство цвета и твердости…» Решая совместно (4) и (7), получим:

N

 HI = ———— , (8)

i ln W


Связь между термодинамической вероятностью состояния W и относительной износостойкостью ε определяется формулой:

 


N
ε = c ———— , (9)
i ln W

 

Имея в виду то, что обратные упругие последействия проявляются в результате остаточных напряжений, предлагается для исследования трения и износа использовать функциональные возможности метода профилированной координатной сетки, основанного на оригинальной технологии определения релаксации остаточных напряжений [3, 10]. «…ак подчёркивали Коэн и Дю Монд [Cohen, Du Mond (1965)], измерения фундаментальных физических констант со все большей точностью чрезвычайно важны не только потому, что они прибавляют ещё один знак после запятой и обеспечивают нас более надёжными численными данными, но и потому, что они способствуют открытию ранее неизвестных или устранению существующих противоречий в нашем физическом описании природы...» [11].

 

Выводы


1. Упругое последействие ΔY является не только характеристикой волновых процессов, но и имеет квантовую природу.
2. В общем случае энергия кванта Е изменяется не только не непрерывно и испускается дискретными порциями, но и испускается нанодискретными порциями – наноквантами.
3. Чтобы найти импульс (квант) силы N, надо умножить упругое последействие ΔY, задержанную во времени упругую деформацию атомов (атомы в кристаллах ведут себя как соприкасающие сферы; радиус сферы и есть радиус атома), на постоянную величину, константу HI. Квант силы должен быть пропорционален логарифму термодинамической вероятности W.
4. Известную формулу Планка E = hv, лежащую в основе квантовой теории, а также известное уравнение Больцмана S = k ln W (k – постоянная Больцмана, W – термодинамическая вероятность состояния), устанавливающего связь между вероятностью данного состояния и ее энтропией, представляется возможным аппроксимировать зависимостью N = i HI ln W (i – постоянная), имеющей мультипликационный эффект в плане дальнейшего развития квантовой теории, например, квантовой теории трения и ее приложений квантовой механики (от компьютеров до мобильных телефонов, радиоприемников, CD-плееров и телевизоров), а также интерпретации энтропии.

5. Предложена оригинальная трибофизическая модель относительной износостойкости ε = сHI, – квантовый аналог в трибологии теории относительности Эйнштейна и H-теоремы Больцмана, и тем самым заложены основы квантовой теории трения.

6. Квант действия Планка h сопровождается квантом последействия HI.

 

 

Литература:


1. Бершадский Л.И. Структурная термодинамика трибосистем. Киев: Знание, 1990. 31 с.
2. Дубинин А.Д. Энергетика трения и износа деталей машин. М.: Машгиз, 1963. 140 с.
3. Ивасышин Г.С. Исследование трения и износа по наношкале методом профилированной координатной сетки // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2013. № 2. С. 8–10.
4. Колесников В.И., Лужнов Ю.М., Чичинидзе А.В. Цели и задачи журнала «Трение и смазка в машинах и механизмах» // Приложение к журналу «Сборка в машиностроении, приборостроении». № 1(7). 2005. С. 3–7.
5. Костецкий Б.И., Натансон М.Э., Бершадский Л.И. Механохимические процессы при граничном трении. М.: Наука, 1972. 171 с.
6. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трибология. Принципы и приложения. Гомель: ИММС НАНБ, 2002. 310 с.
7. Основы трибологии (трение, износ, смазка): учебник для технических вузов. 2-е изд. переработ. и доп. / А.В. Чичинидзе, Э.Д. Браун, Н.А. Буше и др.; под общ. ред. А.В. Чичинидзе. М.: Машиностроение, 2001. 664 с.
8. Способ оценки относительной износостойкости металлов / Г.С. Ивасышин: N SU 1619134 A1 МКИ G01 N3/56 // Бюлл. изобретений. 1991. № 1.
9. Способ определения динамической твердости / Г.С. Ивасышин: N SU 1381367 A1 МКИ G01 N3/48 // Бюлл. изобретений. 1988. № 10.
10. Способ определения релаксации остаточных напряжений в деталях / Г.С. Ивасышин: N SU 328324 A1 МКИ G01 В 5/30 // Бюлл. изобретений. 1972. № 6.
11. Тейлор Б., Паркер В., Лангенберг Д. Фундаментальные константы и квантовая электродинамика. Перев. с англ. Под ред. Б.А. Мамырина. М.: Атомиздат, 1972. 324 с.
12. Трибология: исследования и приложения: опыт США и стран СНГ/ под ред. В.А. Белого, К. Лудемы, Н.К. Мышкина. М.: Машиностроение; Нью-Йорк: Аллертон-пресс, 1993. 452 с.



Ключевые теги: Трибология
 

Другие новости по теме:


Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.


АКТУАЛЬНО:

Календарь событий:

«    Апрель 2019    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30