МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Пермский государственный технический университет а.А. Шацов, д.М. Ларинин определение интенсивностей изнашивания и коэффициентов трения материалов

Методические указания к лабораторным и практическим занятиям по дисциплине: «Методы экспериментальных исследований»

Направление: 550500 – Металлургия

Издательство

Пермского государственного технического университета

2006

Составители: А.А. Шацов, Д.М. Ларинин

УДК 621.002.3:075.8

Рецензент: к.т.н., зам. директора ООО «МАС–Композит» М.Г. Латыпов

Определение интенсивностей изнашивания и коэффициентов трения материалов: метод. указания к лаб. и практ. занятиям/ сост.: А.А.Шацов, Д.М.Ларинин – Пермь: Изд–во Перм. гос. техн. ун–та. 2006 – 24 с.

ISBN

Методические указания к лабораторным и практическим занятиям содержат краткие теоретические сведения и необходимые данные для ознакомления студентов с основными подходами к процессам трения и изнашивания материалов. В пособии описаны методики измерения момента силы трения и износа материалов, изложены способы вычисления коэффициентов трения и интенсивности изнашивания.

Методические указания предназначены для проведения лабораторных и практических работ по курсу “Методы экспериментальных исследований” для студентов специальности МТО.

УДК 621.002.3:075.8

© ГОУ ВПО “Пермский государственный

технический университет”, 2006

Лабораторная работа № 1

Определение коэффициентов трения

1. Цель работы:

Освоить методику определения коэффициентов трения материалов, овладеть навыками вычисления зависимости коэффициента трения от давления, вида контактирования поверхностей, научиться пользоваться справочными материалами и нормативными документами.

2. Теоретическая часть

Сила сопротивления относительному перемещению твердых тел, лежащая в плоскости их касания, называется силой трения. Различают силы трения покоя, неполную силу трения покоя и силу трения скольжения. Неполная сила трения покоя зависит от перемещения в тангенциальном направлении, тогда как сила трения скольжения при неизменных условиях на контакте не зависит от него. Сила трения покоя равна максимальной неполной силе трения покоя и соответствует моменту перехода от предварительного смещения к скольжению.

По современным представлениям внешнее трение имеет молекулярно–механическую природу. Сила сопротивления относительному скольжению складывается из сопротивления, обусловленного деформированием тонкого поверхностного слоя, внедрившимися микронеровностями и сопротивлением, возникающим вследствие межмолекулярных взаимодействий в достаточно сближенных участка твердых тел. Таким образом, внешнее трение сопровождается интенсивным деформированием поверхностных слоев, менее жесткого из взаимодействующих тел без нарушения сплошности материала этих слоев. Внешнее трение возможно только при реализации правила положительного градиента механических свойств по глубине, когда прочность слоев, расположенных непосредственно на поверхности, меньше, чем нижележащих слоев, деформацией которых можно пренебречь. Вследствие высокой адсорбционно–реакционной способности поверхности твердого тела положительный градиент механических свойств на воздухе возникает самопроизвольно.

Силовое взаимодействие твердых тел оценивается по значению коэффициента внешнего трения.

Коэффициентом трения скольжения называется отношение тангенциальной силы, затрачиваемой на преодоление сопротивления относительному перемещению двух тел при их скольжении, к нагрузке, сжимающей тела касания.

Коэффициент трения в равной степени зависит от трех факторов:

1. материала трущихся тел и характера смазки, пленки, имеющейся на поверхности;

2. конструкции фрикционного сочленения: размера поверхности, геометрического очертания, в основном от отношения площадей трения контактирующих деталей – коэффициента взаимного перекрытия;

3. режима работы: температуры, скорости, нагрузки, в основном температурного поля, возникающего в тонком поверхностном слое.

Таким образом, коэффициент трения f для одной и той же пары скольжения изменяется в широком диапазоне (например, для трения скольжения стали по стали f находится в пределах от 0,05 до 0,8), часто природа материалов влияет меньше, чем внешние условия.

При сухом трении, когда поверхность покрыта твердыми пленками, менее прочными, чем основной материал, в случае упруго–пластического контакта с увеличением нагрузки коэффициент трения падает. С увеличением скорости коэффициент трения переходит через максимальное значение. С ростом площади поверхности f возрастает, а с повышением шероховатости коэффициент трения уменьшается.

При граничном трении, когда поверхность покрыта жидкими пленками, в зоне малых нагрузок с увеличением нагрузки коэффициент трения падает, а затем остается неизменным; при дальнейшем увеличении нагрузки коэффициент трения может возрастать вследствие перехода граничного трения в сухое в отдельных точках контакта. При повышении скорости скольжения в зоне малых скоростей наблюдают как увеличение, так и падение значений коэффициента трения. В зоне больших скоростей всегда наблюдается незначительное повышение коэффициента трения. С увеличением шероховатости при трении скольжения коэффициент трения переходит через минимальное значение.

При жидкостном трении, когда жидкие пленки имеют толщину 0,1 мкм и более (так как в пленках такой и большей толщины проявляются объемные свойства жидкости), с увеличением нагрузки и скорости скольжения коэффициент трения возрастает.

3. Практическая часть

N

а б

Рисунок 1 – Схемы экспериментов для определения коэффициента трения:

а – скольжение по плоскости: F_тр = f∙N = f∙m∙g; б – вращение: М = f∙N∙R

Задачи работы:

• освоить методику определения коэффициента трения;

• определить твердость исследуемых деталей;

• определить тип силового взаимодействия тел (вид контакта);

• изучить влияние нагрузки на коэффициент трения;

• сопоставить полученные результаты со справочными данными и нормативными документами.

Материалы и оборудование:

• полировальный станок "Нерис" и наждачный круг;

• приборы для определения твердости по Бринеллю и Роквеллу;

• окуляр с линейкой;

• испытательная машина марки СМЦ–2 или МИ1–М;

• образцы для проведения испытаний на трение.

Порядок выполнения работы и обработки результатов.

1. Приготовить образец для испытаний на трение.

2. Определить твердость образца и контртела.

3. Провести испытания и определить коэффициент трения

f = M/(N∙R), (1)

где М [кгс см] – момент силы трения; R [см] – радиус контртела (для МИ1–М – 2 см); N [кг] – нагрузка на образец.

Момент силы трения М вычисляют по формуле:

М = ц∙n [кгс·см], (2)

где n – количество делений (для установки МИ1–М – количество мм), на которое отклонилась "стрелка" прибора в результате испытаний; ц – цена деления прибора, для машины МИ1–М определяется по табл.1.

Таблица 1

Зависимость цены деления установки МИ1–М от нагрузки на устройство определения момента трения

Количество стандартных грузиков на противовесе механической системы определения момента трения	Цена деления, кгс·см/мм
без дополнительной нагрузки	0,13
1	0,615
2	1,25
3	1,825

Нагрузку N при работе с машиной МИ1–М определить по табл. 2.

Таблица 2

Нагрузка на образец при испытаниях на МИ1–М

Противовес, кг	Показания на шкале динамометра, кг	Нагрузка на образец, кг (Н)
7	–	0,008 (0,078)
6	–	2,4 (23,5)
5	–	4,8 (47,0)
4	–	7,2 (68,7)
3	–	9,5 (93,2)
2	–	11,9 (116,7)
1	–	14,3 (140,3)
Нагрузка каретки на образец		16,7 (164)
Нагрузка каретки с пружиной на образец		24 (235)
–	50	51 (500)
–	75	77 (755)
–	100	101,5 (995)
–	125	132,5 (1300)
–	150	149 (1460)
–	200	194 (1900)

Результаты представить в форме таблицы:

Нагрузка, кг

Твердость, НВ

Коэффициент трения

4. Определить вид контактирования поверхностей испытуемого образца и контртела.

5. Сопоставить полученные результаты с литературными данными и нормативными документами.

Контрольные вопросы.

1. Как принято характеризовать силовое взаимодействие твердых тел в случае упругих и пластических деформаций?

2. Какие факторы определяют коэффициент трения при упругом ненасыщенном и упругом насыщенном контактах?

3. Какие факторы определяют коэффициент трения при пластическом ненасыщенном и пластическом насыщенном контактах?

4. Как определить вид контактирования поверхностей?

5. От чего зависит коэффициент трения и как он связан с контурным давлением?