12_Gedzyuk.doc Аналіз процесів самоорганізації в умовах граничного тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 72 Гедзюк Т.В. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна АНАЛІЗ ПРОЦЕСІВ САМООРГАНІЗАЦІЇ В УМОВАХ ГРАНИЧНОГО ТЕРТЯ Вступ Однією з не до кінця вирішених проблем трибології є спроба детально пояснити молекулярний механізм взаємодії частинок трибологічно активних компонентів мастильних матеріалів (ММ) між со- бою та з твердими поверхнями. Через «пробіли», що знаходяться в сучасних теоріях будови граничних шарів, неможливо за допомогою традиційних математичних методів створити узагальнену модель гра- ничного шару. Постановка завдання Проаналізувати сучасний стан теорії молекулярної будови граничного мастильного шару та по- яснити можливості самоорганізації трибосистем, що працюють в умовах граничного тертя, на основі аналізу хімічних механізмів станів трибосистеми. Виклад основного матеріалу Відомо два основні механізми дії трибологічно активних присадок, в присутності яких може утворюватися граничний змащуючий шар при терті ковзанні та в процесі різання: адсорбційний (фізико- хімічний) процес і хімічна поверхнева реакція. Адсорбція молекул присадок відіграє суттєву роль в про- цесі тертя, так як створює необхідну підвищену концентрацію молекул присадок в зоні тертя. Граничний мастильний шар – тонка структура, яка формується зі змащуючого середовища на тонкій поверхні. Процес утворення граничного мастильного шару відбувається в два етапи: спершу – ад- сорбція; потім – молекулярна організація (полімолекулярна фізична адсорбція з елементами впорядку- вання). В теперешній час одними з найвідоміших є дослідження явища молекулярної організації в гра- ничному змащуючому шарі Березіної Є.В., Годлевського В.А., Усольцева Н.В., Волкова А.В., Кузнецова С. А. Вони вважають [1,2], що сприятливим фактором для тертя є структурна впорядкованість присадок на поверхні, тобто формування епітропних мезофаз. Термотропні системи структуруються в певних діа- пазонах температур, а ліотопні – у відповідних діапазонах концентрацій. У випадку водо- і маслорозчин- них трибоактивних присадок в основному відбувається ліотропний мезоморфізм [3]. Мастильна дія зумовлюється граничним змащуванням при малих контактних температурах і хі- мічним змащуванням – при високих температурах [4]. Ці дві взаємодоповнюючі функції мастильного ма- теріалу можуть забезпечувати відповідно два типи трибологічних присадок, що входять до їх складу. Пе- рший тип – це поверхнево активні речовини (ПАР) з добре вираженою здатністю до адсорбції. Другий тип присадок діє через деструкцію молекули з наступним формуванням пассиваційних шарів хімічної природи. Березіна Є. В., Годлевський В. А. і Усольцева Н. В. запропонували такий тип присадок, в якому були б обидві вищеперечислені якості, тобто присадки змогли б забезпечувати при різних температурних режимах обробки матеріалів той чи інший механізм мастильної дії. В якості таких присадок вони вико- ристали водорозчинні мідні комплекси фталоціаніну (CuФц) з бічними фрагментами різного складу. По- хідні фталоціаніна – це гетероціклічні органічні сполуки, в яких великі пласкі молекули зі слабкими мі- жмолекулярними зв’язками. Трибологічні характеристики водних розчинів досліджуваних присадок визначалися для двох рі- зних випадків: а) тертя-ковзання на трибометрі ТАУ-1 (схема палець-диск) і б) при свердлінні отворів ді- аметром 5 мм і глибиною 6 мм швидкоріжучим сердлом в сталі 45 на динамометричному стенді. Під час дослідження бінарних розчинів (неонол+вода) виявили, що існує певний діапазон конце- нтрацій, коли відбувається перехід системи в гелеподібний стан, коли не можливо виміряти коефіцієнт поверхневого натягу. Екстремуми на ізотермах поверхневого натягу відповідають перебудовам надмоле- кулярних сполук. На границі поділу знаходиться розчин – повітря адсорбується не на окремі молекули, а на їх асоціати. Висока поверхнева активність в деякому діапазоні концентрацій пояснюється тим, що по- верхня розчину заповнюється асоціатами молекул Фц-сполук. Трибологічні характеристики сполук, що досліджувалися, визначаються концентрацією і приро- дою Фц-сполук. Фц 3 є більш ефективним при терті ковзанні, що пояснюється формуванням змішаних надмолекулярних агрегатів. В розчинах ПАР працює як агент, що створює граничний мастильний шар при малих концентраціях і впливає на об’ємну структуру розчину. Добавка Фц-сполук впливає як на мі- жмолекулярні взаємодії в об’ємі, так і на поверхневі процеси. Додавання Фц-сполук значно нівелює стрибок в’язкості в зоні гелеутворення ПАР, що позитив- но впливає на змащуючий ефект при різанні. Пік збільшення в’язкості гелеподібного неонола пов’язаний PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Аналіз процесів самоорганізації в умовах граничного тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 73 з виникненням мезофази. В об’ємі виникають неоднорідності, причинами яких можуть бути молекули Фц-сполук. Добавка даних молекул згладжує пік збільшення в’язкості, змінюється текстура мезофази ра- зом з реологічними властивостями; при різанні покращується мастильна дія в цьому діапазоні концент- рацій. Співставлення кривих течії розчинів неонолів свідчить про структурні відмінності. Вчені виді- лили область, в якій реалізуться текучість, близька до ньютонівської, і область різкого зниження в’язкості за рахунок руйнування структури (неньютонівська текучість). Можна відмітити критичну пове- дінку, пов’язану з лавиноподібним зростанням в’язкопружних властивостей. Зона гелеутворення, вияв- лена для розчинів ПАР, знижує коефіцієнт тертя ковзання в гідродинамічному режимі за рахунок збіль- шення в’язкості. Можна припустити, що при різанні, гелеутворення – це негативний фактор, оскільки пі- двищення в’язкості відіграє гальмуючу роль для кінетики формування граничного мастильного шару. Березіна Є. В., Годлевський В. А. і Усольцева Н. В. констатували, що на поверхневі властивості досліджуваних присадок впливають як процеси асоціації дискотичних амфіфілів, так і фазові переходи у цих ліотопних системах. З найбільшою ймовірністю утворення згаданих молекулярних агрегатів буде ві- дбуватися на поверхні металу, що і буде зумовлювати мастильну активність присадки [1]. В останні роки внаслідок швидкого прогресу обчислювальної техніки інтенсивно розвивається комп’ютерне моделювання молекулярної структури речовини [5]. Складність задачі суттєво збільшуєть- ся зі збільшенням числа атомів в молекулі. Незважаючи на це з’явилися пакети програм, які дозволяють розраховувати конфігурацію досить складних органічних молекул і молекулярних агрегатів. В зв’язку з їх появою, з’явилась можливість використовувати ці програмні продукти для модельного розрахунку процесу адсорбції в трибосистемі. Мастильна трибосистема в узагальненому, спрощеному модельному вигляді являє собою схему, що включає в себе як мінімум п’ять шарів: “об’ємний” шар мастильного матеріалу (ММ), дві твердих по- верхні та два адсорбційних шари. Під час тертя елементи цієї конструкції піддаються зсуву, що сприяє безперервній перебудові та самоорганізації молекул в шарах мастильного матеріалу. Модель мастильно- го шару слід розробляти по принцпу “від простого до складного”. 1. Модель одиничної молекули ММ. 2. Модель ділянки твердої поверхні. 3. Модель “молекула ММ + тверда поверхня”. 4. Модель неадсорбованої ділянки однотипних молекул ММ. 5. Модель адсорбованого моношару групи молекул ММ на твердій поверхні. 6. Полішарова модель “полімолекулярного” адсорбційного шару з виходом за межі граничного шару (адсорбційного об’єму) в зону гідродинамічної частини шару. На початкових етапах моделювання слід приймати певні обмеження та припущення: а) розглядати шар, що складається з молекул лише одного виду; б) нехтувати хемосорбцією; в) припустити що температура постійна і нехтувати температурним градієнтом; г) обмежитися відносно невеликою кількістю молекул адсорбату. Модельні об’єкти спершу потрібно будувати “в статиці” і лише потім ці віртуальні системи мо- жна буде приводити в рух (вводити поля швидкостей, напружень). Лише на цій стадії можливе отриман- ня змістовної трибологічної інформації (напр. коеф. тертя). Групою російських вчених [2] були здійснені спроби побудови моделей граничного змащуючого шару на площині, яка складається з атомів заліза, де поверхнево-активний адсорбат являв собою попере- дньо оптимізований кластер з 30 молекул метанолу. В якості ПАР обрали спирт з найменшим розміром молекули. Розрахунки виконувались за допомогою програми Hyper Chem [6]. Оптимізація проводилась до тих пір, поки не задовільнилася умова: градієнт RMS менше величини, встановленої користувачем. Програма Hyper Chem використовується для геометричної оптимізації і розрахунку однієї координатної точки. Нуль градієнта RMS структури – це локальний мінімум або точка стійкості в потенціальній енергії поверхні (це не обов’язково найменша енергія). За допомогою цієї програми обчислюють окремо повну енергію кластеру і мастильного шару. Різниця суми енергій мастильного шару і кластера окремо з енергією кластера після його злиття з шаром, дає енергію, поглинуту або виділену в результаті об’єднання. Ця розрахункова енергія може бути прийн- ята в якості розрахункової оцінки енергії адсорбції мастильного компоненту по відношенню до поверхні тертя [2]. А. С. Кужаров, С. Б. Булгаревич і К. Кравчик проводили трибологічні випробування на трибоме- трі TR-2 [7], з парою тертя сталь 45 – сталь 45, площа контакту 2 × 1 мм2, швидкість відносного ковзання – 1,0 м/с, температура – 20 ± 0,1 оС. В якості ММ використовували високоякісні мастила Hipol-15, ZC-90 і Spirax 80. Вивчення реальних ММ дозволило встановити, що при збільшенні наватаження залежність сили тертя від навантаження має складний характер з рядом максимумів і мінімумів, кількість яких залежить PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Аналіз процесів самоорганізації в умовах граничного тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 74 від степені легування ММ, чим більше присадок в мастилі, тим більше біфуркаційних точок спостеріга- ється на експериментальних кривих. Таку поведінку можна пов’язати з переходом трибологічної системи з одного стаціонарного стану в інший, що характеризується різними послідовними трибохімічними реак- ціями, що забезпечують модифікацію поверхні тертя. Зміна електричного опору фрикційного контакту однозначно корелює зі зміною сили тертя в проведених дослідах. Отримані результати свідчать про те, що по мірі зростання навантаження в зоні те- ртя і в залежності від умов функціювання трибосистеми утворюються або різні по своїй хімічній природі граничні шари, або суттєво змінюється товщина граничного шару. Оскільки електричний опір контакту нелінійно зв’язаний з товщиною плівки що розділяє контактуючі поверхні, то результати експерименту свідчать лише про зміни в граничному шарі, але не про конкретний характер цих змін [8]. На основі результатів трибологічних досліджень можна судити про процеси самоорганізації в умовах граничного тертя. Структура і властивості граничного шару в процесі тертя не залишаються не- змінними. В місцях фактичного контакту вони інші, ніж на решті поверхні тертя. Тому трибологічна сис- тема є гетерогенною і, як мінімум, двохкомпонентною, якщо під компонентами розуміти збуджений і не- зюуджений стан речовини в зоні контакту.Саме це дає змогу стверджувати, що механізми хімічної дис- сипації механічної енергії, яка безперервно підводиться, відіграють значну роль в процесі самоорганізації. Додатково до хімічного каналу енеретичного скидання в досліджуваних трибосистемах, вчені припустили, що збуджений тертям граничний шар під орієнтуючою дією поверхні і відносного руху яв- ляє собою квазірідину, яка містить в своєму складі фрагменти незбудженого шару. Впорядкування цих фрагментів (полімолекулярних агрегатів) за рахунок орієнтації в градієнтному потоці [9] при відносному русі тіл що труться приводить до орієнтаційно-впорядкованої структури граничного шару, що в триболо- гічному експерименті проявляється як зменшення опору руху (зниження сили тертя), а самий перехід в новий стаціонарний стан з локальною мінімізацією сили тертя є ні що інше, як фіксація в реальному ма- сштабі часу процесу самоорганізації в умовах граничного тертя. В момент переходу з одного стаціонарного стану в інший і товщина плівки і її енергонапруже- ність змінюються стрибком. Після такого переходу суттєву роль починають відігравати трибохімічні ре- акції модифікації поверхні тертя, так як трибосистема намагається максимально зменшити безперервно ростуще в даному експерименті її енергетичне збурення. Різні канали такого енергетичного скидання за- безпечуються багатокомпонентним складом досліджуваних мастил, що дає змогу для протікання різних хімічних реакцій і, відповідно, призводить до різних складів і властивостей граничних шарів в різних стаціонарних станах. Кожен з цих станів в умовах граничного тертя можна розглядати як окреме елемен- тарне трибологічне явище [7], пов’язане з певною сукупністю трибохімічних реакцій, а точки переходу між ними як біфуркаційні точки в ході еволюції самоорганізації трибосистеми. Дослідження механізму граничного змащування проводили Ахматов А.С., Райко М.В., Крагель- ський И.В., Аксьонов О.Ф., Матвієвський Р.М., Єлін Л.В., Костецький Б.І. та інші. Механізм граничного тертя і змащування є досить складною сукупністю процесів і залежить від великої кількості факторів, а при нормальному терті саморегулюється. Костецький Б.І. [10] склав функ- ціональну схему протікання процесів при нормальному граничному терті (рис. 1). Динамічна рівновага руйнування і відтворення вторинних структур і існування надійної змащу- ючої плівки забезпечуються при виконанні всіх умов, наведених у функціональній схемі. 1 2 3 4 6 5 8 9 7 Рис. 1 – Схема протікання процесів при нормальному терті: 1 – стійкий граничний шар; 2 – деконцентрація напружень; 3 – поверхнева локалізація пластичних деформацій; 4 – активізація поверхневого шару; 5 – відновлення вторинних структур; 6 – насичення шару мастила компонентами з газового середовища; 7 – фізико-хімічно-механічне розділення; 8 – динамічна рівновага руйнування і відновлення вторинних структур; 9 – газогідродинамічний шар У Крагельського І.В., Добичіна М.М., Комбалова В.С., Алєксєєва Н.В., Буше М.А., Карасіка І.І., Гаркунова Д.І., Ахматова А.С., Розенберга Ю.А., Гітіса Н.В., Шахновського М.І., Фукса Г.І., Матвієвсь- кого Р.М., Буяновського І.А., Комбалова В.С. досить різні уявлення про механізм граничного змащуван- ня, хоча більшість з них вважають, що при граничному терті велику роль відіграють процеси руйнування і відновлення мастильної плівки в точках контакту, а швидкість їх відновлення повинна бути не нижче за швидкість руйнування [11 - 21]. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Аналіз процесів самоорганізації в умовах граничного тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 75 Швидкість відновлення граничної мастильної плівки залежить від механізму подачі мастила. Тому досить важливим є вивчення просторочасових факторів на утворення-руйнування контактних мас- тильних граничних шарів. Висновок В статті проаналізовано сучасний стан теорії молекулярної будови граничного мастильного ша- ру, пояснюється можливість самоорганізації трибосистем, що працють в умовах граничного тертя. Література 1. Берёзина Е.В. Явления надмолекулярной организации в граничном смазочном слое / Е.В. Бе- рёзина, В.А. Годлевский, Н.В. Усольцева // Трение и смазка в машинах и механизмах. – 2007. – № 4. – С. 30-36. 2. Молекулярное моделирование граничного смазочного слоя / Е.В. Берёзина, А.В. Волков, В.А. Годлевский, С.А. Кузнецов // Трение и смазка в машинах и механизмах. – 2009. – № 2. – С. 3-8. 3. Усольцева Н.В. Лиотропные жидкие кристаллы: химическая и надмолекулярная структура / Усольцева Н.В. – Иваново: Ивановский гос. университет, 1994. – 220 с. 4. Смазочные материалы. Антифрикционные и противоизносные свойства. Методы испытаний: Справочник / [Р.М. Матвеевский, В.Л. Лашхи, И.А. Буяновский и др.]. – М. : Машиностроение, 1989. – 224 с. 5. Haile J.M. Molecular Dynamics Simulation: Elementary methods / Haile J.M. – J. Wiley&Sons, 1997. – 489 p. 6. HyperChem Release 7.0 for Windows. Reference Manual. 7. Кравчик К. Трибологическая идентификация самоорганизации при трении со смазкой: дис. … доктора техн. наук : 05.02.04 / Кшиштоф Кравчик. – Ростов-на-Дону, 2000. – 280 с. 8. Молекулярные механизмы самоорганизации при трении. Часть V. Самоорганизация в услови- ях граничного трения / А.С. Кужаров, С.Б. Булгаревич, А.А. Кужаров, К. Кравчик // Трение и износ. – 2002. – Т. 23, № 6. – С. 645-652. 9. Молекулярные механизмы самоорганизации при трении. Часть ІІ. Ориентационная упорядо- ченость поддерживающего слоя при самоорганизации в гидродинамическом режиме трения / А.С. Кужа- ров, С.Б. Булгаревич, А.А. Кужаров, К. Кравчик // Трение и износ. – 2001. – Т. 22, № 2. – С. 173-179. 10. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах / Костецкий Б.И. – К.: Техніка, 1970. – 396 с. 11. Крагельский И.В. Основы расчетов на трение и износ / Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. – М. : Машиностроение, 1977. – 526 с. 12. Алексеев Н.В. Экспериментальное исследование «пленочного голодания» при трении твер- дых тел / Н.В. Алексеев, Н.А. Буше, И.И. Карасик // Проблемы трения и изнашивания. – 1982. – Вып. 21. – С. 64-73. 13. Гаркунов Д.И. Триботехника / Гаркунов Д.И. – М. : Машиностроение, 1985. – 424 с. 14. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения / Ахматов А.С. – М.: Гос. изд-во физ. - мат. л-ры, 1963. – 472 с. 15. Розенберг Ю.А. Влияние смазочных масел на долговечность и надежность деталей машин / Розенберг Ю.А. – М.: Машиностроение, 1970. – 315 с. 16. Крагельский И.В. О природе заедания при сухом и граничном трении / И.В. Крагельский, Н.М. Алексеев, Л.Е. Фисун // Трение и износ. – 1980. – Т. 1, № 2, – С. 197-208. 17. Келле В.В. Расчетная оценка условий «пленочного голодания» в узлах трения при адсорбци- онном и хемосорбционном механизме восстановления пленок / В.В. Келле, И.В. Крагельский, Н.В. Гитис // Проблемы трения и изнашивания. – Киев, 1982. – Вып. 21. – С. 3-10. 18. Возможность применения метода акустической эмиссии для оптимизации микрорельефа по- верхностей трения / И.В. Крагельский, В.М. Щавелин, Н.В. Гитис, Г.А. Сарычев, М.И. Шахновский // Трение и износ. – 1984. – Т. 5, № 5. – С. 773-778. 19. Фукс Г.И. Адсорбция и смазочная способность масел / Фукс Г.И. // Трение и износ. – 1983. – Т. 4, № 3. – С. 398-414. 20. Матвеевский P.M. Противозадирная стойкость смазочных сред при трении в режиме гранич- ной смазки / Матвеевский P.M., Буяновский И.А., Лазовская О.В. – М. : Наука, 1978. – 192 с. 21. Комбалов В.С. К вопросу нормирования протяженности фактического контакта и шага мик- роканавок поверхностей с частично-регулярным микрорельефом (ЧРМР) / В.С. Комбалов, М.В. Зайцев // Трение и износ. – 1992. – Т. 13, №1. – С. 110-115. Надійшла 01.11.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com