CC BY
47
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
УДК 621.91
ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
© 2011 М.Ш. Мигранов, Л.Ш. Шустер
У фимский государственный авиационный технический университет
Поступила в редакцию 10.11.2011
Известно [1, 2], что основные явления при трении концентрируются в тонком приповерхностном слое. Представляет научный и практический интерес термодинамические аспекты состояния этого слоя и связь изнашивания с этим состоянием. В работе [3] убедительно показано, что любую трибосистему следует рассматривать как открытую неравновесную термодинамическую систему. В работах [4, 5, 6] сформулирован принцип вторичной диссипативной гетерогенности, согласно которому в процессе трения происходят явления структурной при-спосабливаемости (адаптации) контактирующих материалов, при которых все виды взаимодействия тел локализуются в тонкопленочном объекте - вторичных структурах (ВС). В соответствии с этим принципом вторичные структуры необходимы для рассеяния энергии при ее переходе из зоны трения в трущиеся тела, причем, рассеяние энергии должно происходить с наименьшей скоростью прироста энтропии. Вторичные структуры выполняют защитные функции, ограничивая распространение взаимодействия внутри трущихся тел и снижая интенсивность этого взаимодействия, поэтому их появление соответствует принципу Ле Шателье [3, 5].
Известно [7], что изменение энтропии любой термодинамической системы равно
dS = deS + dfi, ... (1)
где deS — изменение энтропии, обусловленное обменом веществом и энергией с внешней средой;
djS - изменение энтропии, обусловленное «некомпенсированным преобразованием», т.е. эта энтропия произведена необратимыми процессами внутри системы.
В равновесном стационарном состоянии изменение энтропии по времени t равно нулю, т.е.
dS d,S dS п
--- = -2— + -2— - 0 (2)
dt dt dt
djS deS n
и при этом----> U, тогда —— < U.
dt
dt
В термодинамике необратимых процессов важ-
dtS
ную роль играет диссипативная составляющая---,
dt
описывающая производство энтропии за счет внутренних источников в системе
d^
dt
=£
Jk-Xk,
(3)
где Xk - обобщенная сила; Jk - вызванный ею обобщенный поток [7, 8].
При разработке принципов рационального выбора и применения износостойких инструментальных материалов рассмотрим трибосистему «инструмент - обрабатываемый материал». Во вторичных структурах этой трибосистемы проходят следующие основные термодинамические потоки: поток тепла, поток вещества, поток физико-химических превращений и поток дополнительных воздействий (применение СОЖ, нестационарность режимов резания и т.п.).
Представим систему, состоящую из трущегося тела и источников энергии в зоне трения. Считаем, что источники энергии не имеют массы, и поэтому не обладают энтропией.
Рассмотрим изменение производства энтропии одного из контактирующих тел - режущего инструмента - при резании металлов. Вначале предположим, что ВС трущихся поверхностей инструмента проходят только два термодинамических потока: поток тепла и поток вещества. Тогда изменение производства энтропии ВС со временем в рассматриваемой системе (без учета взаимосвязи потоков между собой) равно:
dS dSa dS,.
dt dt
dt
(4)
Здесь
dS±
dt
изменение производства энтропии
q ’
(5)
теплового потока - равно:
dS
—- = J-X dt
где Jq - поток тепла, Xq = (grad T)/T - термодинамическая сила, вызывающая поток тепла (T - температура), по закону переноса теплоты Био-Фурье Jq = -/.-grad T (X - теплопроводность). Принимаем, что лишь некоторая часть (X) механической энергии трения рассеивается потоком тепла, т.е.
Jq=fm-Pr-VX(X< 1) (6)
(fm - коэффициент трения; pr - удельная нормальная нагрузка; V - скорость резания-скольжения).
Тогда после соответствующих подстановок и преобразований выражение (5) примет вид
ds.
dt
Х-Т2
(7)
1126
Механика и машиностроение
Изменение энтропии потока вещества в ВС рав-
но:
dSm
dt
_ J V
и т ^ т ’
(8)
где Jm - поток переноса вещества; Xm - термодинамическая сила, вызывающая поток вещества; Xm = (grad С)/Т (С - концентрация вещества). По закону переноса вещества Фика
Jm = me - />grad С (D - коэффициент диффузии). Принимаем, что некоторая часть (Г) общего производства энтропии при трении расходуется на формирование потока вещества, т.е.
Jm =fmPfV-Y (Y < 1). (9)
Тогда выражение (8) примет вид
dS
= L-Pr-v-Y-
ш„
(10)
dt * ' D-T
После подстановки выражений (8), (10) в формулу (4) получим:
d,S (fm-Pr-V-Xf
dt
Л-Т2
L-Pr-v-Y
m„
D-T (И)
Согласно теореме Пригожина И. [7, 8] изменение производства энтропии со временем в системе в стационарном состоянии минимально и устойчиво в определенных пределах изменения параметров.
Дифференцируя выражение (11) по скорости резания V (скорости скольжения) - как независимой переменной рассматриваемой трибологической системы - и приравнивая результат к нулю, получим условие стационарности этой системы:
2 -fl'P)
)2-V-X2
Vr
Ym.
dp
= o-
(12)
Знак перед вторым членом принят отрицательным, так как из условия аддитивности [7] он пропорционален интенсивности изнашивания материала трущегося тела, а частицы износа удаляются из трибосистемы со своим содержанием энтропии.
Из выражения (12) можно определить поток вещества:
2- f2 ■ р2-V-X2-D
dm ± г сг
m„
лср-тх
. (13)
В выражении (13) введены средние значения теплопроводности Хср и коэффициента диффузии Dcp во вторичных структурах в предположении независимости их от скорости резания.
Очевидно, что величина интенсивности изнашивания режущего инструмента связана с потоком вещества me, который обуславливается градиентом концентрации вещества. И только при износе (удалении насыщенных слоев) возможно продолжение потока вещества, так как снова появляется градиент его концентрации. Тогда линейная интенсивность изнашивания Jh и поток вещества me могут быть связаны соотношением:
л=-
k -т„
p-V
(14)
где к - коэффициент пропорциональности; р - плотность вещества изношенных частиц. Коэффициент трения на задней поверхности режущих инструментов, как показано в работе [9], в основном определяется адгезионной составляющей коэффициента трения и равен т
. (15)
Р„
где т„„ - прочность адгезионных связей на срез; prn - предельное нормальное напряжение на пластическом контакте.
Именно такой контакт имеет место на задней поверхности режущих инструментов, т.е. в выражении (13) pr = prn. Тогда выражение (15) можно представить в виде:
Jh =
2 X2-к T„-Dt
ср
Y
Лр Т-Р
(16)
Из выражения (16) видно, что интенсивность изнашивания инструментов по задней поверхности в значительной мере определяется температурными зависимостями т„„(7).
Формула (16) является аналитическим выражением интенсивности изнашивания режущих инструментов, которое получено из условия устойчивости стационарного состояния с минимальным производством энтропии на фрикционном контакте «инструмент - обрабатываемый материал».
Из выражения (16) следует, что в условиях, когда влияние физико-химических превращений в ВС фрикционного контакта является несущественным и его можно не принимать во внимание:
C = JJ4T
2 X2-к D,
ср
Y
‘ Р
nn
(17)
Согласно (17) величина С не должна изменяться с повышением температуры Т.
В таблицах 1 - 3 представлены результаты экспериментальных исследований и значения величины С, вычисленные по этим результатам, в зависимости от температуры резания, изменяющейся за счет изменения скорости резания. Из таблиц видно, что для каждого состояния трибосистемы «инструмент - обрабатываемый материал» повышение температуры Т в исследованном диапазоне до некоторой величины, названной как характерная Тхар, практически не изменяет величину С. Эта температура в работе [10] названа оптимальной температурой резания, т.к. при этой температуре интенсивность изнашивания режущего инструмента минимальна. Это свидетельствует: во-первых, о том, что до температур Тхар физикохимические превращения на фрикционном контакте не могут играть определяющей роли в формировании потока вещества и изнашивании инструмента (воз-
1127
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
можно в связи с тем, что именно до этих температур рассматриваемые превращения практически отсутствуют); во-вторых, соответствие интенсивности изнашивания режущих инструментов (по меньшей мере до температур Тхар) выражению (16) показывает, что состояние ВС на фрикционном контакте «инструмент - обрабатываемый материал» может рассматриваться как стационарное с минимальным производством энтропии, устойчивое по отношению к изменению скорости (температуры) резания; в-третьих, при температурах Тхар и выше, очевидно, устанавливаются новые связи между элементами системы (потоком вещества и температурой), которые можно объяснить появлением новой структуры, способствующей упорядочению системы.
Такие результаты получены для существенно различных условий резания металлов: точение и фрезерование; твердосплавные и быстрорежущие инструментальные материалы; жаропрочные сплавы и конструкционные стали как обрабатываемые материалы.
В работе [11] показано, что если механическая энергия трения является единственным источником изменения производства энтропии, термодинамическая система не теряет устойчивости. Для возможности прохождения самоорганизации необходимо более одного независимых источника диссипации энергии. Ими могут быть несамопроизвольные химические реакции, инициируемые трением [12, 13]. Следовательно, при температурах резания Тхар и выше на фрикционном контакте появляются новые источники диссипации энергии - несамопроизвольные химические реакции, инициируемые трением, с избыточным производством энтропии, часть которого может стать отрицательной величиной (в зависимости от вида происходящих химических реакций).
Таблица 1.Точение сплава ХН70ВМТЮБ резцом ВК6М;скорость резания V = 15 - 65 м/мин;глубина t = 0,5 мм; подача S = 0,08 мм/об
Температура резания T, К ^•ППч МПа Л-Ю7 С-Ю10, К / (МПа)2
873 620 1,1 2,5
923 540 0,9 2,8
973 500 0,8 2,9
1073 380 2 15
1173 220 4 96
Тогда изменение производства энтропии ВС со временем в трибосистеме с учетом физикохимических превращений равно:
dS
dt
ds„+dS!!L+dS4,
dt dt
dt
(18)
Здесь изменение со временем энтропии потока физико-химических превращений в ВС согласно [8] равно:
dSj,
dt
= Jr-Xr
(19)
где Jx - скорость химических реакций; Xx - термодинамическая сила, вызывающая химические реакции; Xx = А/T (А - химическое сродство). Согласно исследованиям [14] вблизи термодинамического равновесия скорость химической реакции и химическое сродство связаны соотношением:
Vx
Таблица 2. Фрезерование стали 30ХГСА (НЯСэ 35.. .38) однозубой торцовой фрезой Т15К6;скорость резания V = 40 - 120 м/мин;глубина t = 0,5 мм; подача на зуб Sz = 0,1 мм/об
= L„. R-T-
( A >
exp----1
l RT
Температура резания T, К т„„, МПа Л-ю5 С-108, К/(МПа)2
923 600 1,3 3,5
993 350 0,53 4,2
1023 300 0,45 4,8
1053 280 1,0 13
1093 210 1,32 33
Таблица З.Точение сплава ХН70ВМТЮБ резцом Р18Ф2К8М;скорость резания V = 3 - 10 м/мин;глубина t = 0,5 мм; подача S = 0,12 мм/об
Температура резания T, К ^ППч МПа Л-Ю7 С-Ю10, К/(МПа)2
593 780 1,1 1,1
693 740 0,9 1,1
763 640 0,7 1,3
783 620 1,8 3,7
813 600 4,8 10,8
(20)
где L11 - коэффициент сопряженных взаимодействий,
R - газовая постоянная.
г А ^
Разложив
exp
V
R-T
в ряд и отбросив члены
второй и далее степеней малости, получим:
Vx ~ Lu • А . (21)
Примем, что некоторая часть (Z) механической энергии трения расходуется на физико-химические превращения в ВС, т.е.
Л =fm-Pr-V-Z (Z = 1 -X- Y). (22)
Тогда выражение (19) примет вид
dS,
ф
dt
= fm -Pr-V-Z
Lu-T
(23)
После подстановки выражений (11) и (23) в (18) получим
1128
Механика и машиностроение
d,S <Jn-Pr-V-Xf
dt
Л-Т2
L-Pr-v-Y
L-Pr-v-z
D-T
V,
(24)
Ln-T
Если во вторичных структурах трибосистемы «инструмент - обрабатываемый материал» проходят в общем случае термодинамические потоки тепла, вещества, физико-химических превращений и дополнительных воздействий, то изменение производства ВС со временем будет равно
d,S _(f-p-V-Xf
dt
Л-Т2
f -р -V-Y
J m гг
+
L-Pr-v-z
D-T
V
(25)
Ln-T
где JB - поток дополнительных воздействий; Хв -термодинамическая сила, вызывающая поток дополнительных воздействий. Конкретизация величин JB и Хв зависит от вида применяемых дополнительных воздействий. Это составляющая производства энтропии в общем случае не зависит от характеристик трениия на фрикционном контакте.
Поэтому для прогнозируемой адаптации поверхностей трения и снижения интенсивности изнашивания необходимо применять инструментальные материалы и износостойкие покрытия, содержащие химические элементы и соединения, способные в определенных условиях вступать в химическое взаимодействие с обрабатываемым материалом и с окружающей средой, создавать неравновесные вторичные структуры с отрицательным производством энтропии. Дополнительные воздействия на зону резания (применение СОЖ, нестационарность элементов режима резания и т.п.) должны способствовать этому.
Таким образом, представленные экспериментальные результаты подтвердили прохождение самоорганизации при температурах резания Тхар и выше и образование на фрикционном контакте «инструмент - обрабатываемый материал» неравновесных диссипативных структур.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крагельский И.В. Основы расчетов на трение и износ / И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 525 с.
2. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах / Б.И. Костецкий. - Киев: Техника, 1970. - 395 с.
3. Бершадский Л.И. Структурная термодинамика трибосистем / Л.И. Бершадский. - Киев: Знание, 1990. - 253 с.
4. Костецкий Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении / Б.И. Костецкий, М.Г. Носовский, Л.И. Бершадский. - Киев: Техника, 1976. - 26 с.
5. Гершман И.С. Реализация диссипативной самоорганизации поверхностей трения в трибосистемах / И.С. Гершман, Н.А. Буше // Трение и износ. - 1995. - Т. 16, № 1. - С. 61 -70.
6. Иванова В.С. Структурная приспосабливаемость при трении как процесс самоорганизации / В.С. Иванова, Н.А. Буше, И.С. Гершман // Трение и износ. - 1997. - Т. 18, № 1. - С. 74 - 79.
7. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов / И. Пригожин. - М.: Иностр. литер., 1960. - 127 с.
8. Пригожин И. Современная термодинамика /
И. Пригожин, Д. Кондипуди. - М.: Мир, 2002. - 461 с.
9. Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие режущего
инструмента с обрабатываемым материалом /
Л.Ш. Шустер. - М.: Машиностроение, 1988. - 96 с.
10. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания металлов / А.Д. Макаров. - М.: Машиностроение, 1976. - 278 с.
11. Гершман И.С. Разработка износостойких материалов с помощью методов неравновесной термодинамики на примере скользящих контактов / Докт. дисс. - М: ВНИИЖТ.
12. Хайнике Г. Трибохимия / Г. Хайнике. - М.: Мир, 1987. -582 с.
13. Булгаревич С.Б. Термодинамические характеристики несамопроизвольных химических реакций, инициируемых трением /Сб. трудов 3 Междунар. Семинара «Контактное взаимодействие и сухое трение» / С.Б. Булгаревич - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - С. 60 - 67.
14. Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии / Э.М. Гутман. - М.: Металлургия, 1974. - 230 с.
THERMO-DYNAMIC PROCESSES ON CONTACT SURFACES OF CUTTING TOOLS
© 2011 M.Sch. Migranov, L.Sch. Schuster Ufa state aviation technical university
1129
