Фазові переходи в ультратонких твердоподібних плівках мастила при межовому терті

Abstract

Дисертацію присвячено дослідженню процесів межового тертя в рамках термодинамічної моделі плавлення ультратонкого мастила, затиснутого між двома атомарно-гладкими твердими поверхнями. Описано поведінку двох простих механічних аналогів трибологічних систем – при зсуві верхньої поверхні тертя в одному напрямку та при зовнішньому знакозмінному впливі. Установлено, що залежно від керуючих параметрів мастила можуть реалізуватись режими сухого, переривчастого та рідинного тертя. Проведена модифікація термодинамічного потенціалу, яка дала змогу описати фазові переходи першого роду в системі. Показано, що наявність пружньої взаємодії між блоком та зовнішнім приводом суттєво змінює гістерезис на залежності сили тертя від температури та швидкості зсуву. Проведено врахування універсальної залежності в’язкості неньютонівського мастила від температури та градієнта швидкості. При цьому досліджено властивості мастила при низьких температурах і швидкостях зсуву. За допомогою врахування залежності в’язкості від температури та градієнта швидкості вдалося описати квазістатичну компоненту сили тертя. Змодельовано ефекти пам’яті межового мастила. Проведено подальшу модифікацію термодинамічного потенціалу, а саме враховано лінійний доданок в розвиненні вільної енергії. Розраховано критичні значення плавлення і тверднення мастила в цьому випадку для фазових переходів першого та другого родів. Знайдено співвідношення між параметрами розкладення при яких в системі реалізується фазовий перехід першого роду, і при яких – другого. Отримані результати розрахунку якісно співпадають з експериментальними даними інших авторів.

Диссертация посвящена исследованию процессов граничного трения в рамках термодинамической модели плавления ультратонкой пленки смазки, зажатой между двумя атомарно-гладкими твердыми поверхностями. Плавление и затвердевание смазки описываются как фазовые переходы первого и второго рода. Описано поведение двух механических аналогов трибологических систем – при сдвиге верхней поверхности в одну сторону и при внешнем знакопеременном воздействии. Показано, что в зависимости от параметров системы возможна реализация режимов сухого, прерывистого и жидкостного трения. Выяснено, что увеличение температуры смазки и/или скорости сдвига приводит к уменьшению максимальных значений силы трения. Изучено влияние коэффициента пропорциональности между вязкостью и скоростью сдвига, коэффициента жесткости пружины, циклической частоты, различных типов смазок (псевдопластических, дилатантных и ньютоновских) на поведение трибологических систем. Анализ термодинамического потенциала позволил выделить критические значения температур плавления и затвердевания смазки, которые совпадают при реализации в системе фазового перехода второго рода, и различны при протекании фазового перехода первого рода. Установлено, что ширина гистерезиса по температуре значительно увеличивается при наличии пружины между блоком и внешним приводом. Гистерезис по скорости сдвига в таком случае отсутствует. Проведен учет универсальной зависимости вязкости полимерных смазок от температуры и градиента скорости. Эта зависимость показывает, что логарифм эффективной вязкости пропорционален логарифму скорости сдвига. Коэффициент пропорциональности изменяет свое значение от 1 в твердоподобном состоянии до 0 в жидкоподобном (ньютоновская жидкость). При этом исследованы свойства смазки при низких температурах и скоростях сдвига. Построена трехмерная зависимость силы трения от температуры и скорости сдвига. С помощью учета зависимости вязкости от температуры и градиента скорости удалось описать квазистатическую компоненту силы трения. Построена зависимость силы трения от времени при продолжительной остановке внешнего привода. Смоделированы эффекты памяти граничной смазки, которые проявляются в том, что поведение системы в последующий момент времени зависит от предыдущего состояния. Изучено поведение при различных значениях внешней нагрузки. Построены зависимости для параметров смазок, состоящих из алканов различной длины, продемонстрированы и объяснены отличия для различных типов смазок. Проведена дальнейшая модификация термодинамического потенциала путем учета линейного слагаемого в разложении свободной энергии по степеням параметра порядка. Рассчитаны критические значения температуры и скоростей плавления и затвердевания смазки в этом случае для фазовых переходов первого и второго рода. Найдено соотношение между параметрами разложения при которых в системе реализуется фазовый переход первого либо второго рода. Показано, что расплавленному состоянию смазки может отвечать ненулевое значение параметра порядка. Такой вид потенциала дал возможность описать квазистатическую силу трения базируясь на новом подходе. На его основе изучено поведение трибологической системы при различных временах остановки внешнего привода для различных времен релаксации параметра порядка. Полученные результаты расчета качественно совпадают с экспериментальными данными других авторов.

The thesis is devoted to the boundary friction processes investigation using thermodynamic model of ultrathin lubricant melting, which is grabbed between two atomically-smooth solid surfaces. The behavior of two simple mechanical analogues of tribological systems have been described: during the shearing of upper block in one direction and during the external periodical influence. It has been found out that depending on lubricant control parameters, regimes of dry, interrupted and sliding friction can be realized. Further thermodynamical potential modification allows us to describe first-order phase transition in the system. The presence of the elastic connection between block and external drive significantly changes temperature and shear velocity hysteresis’s. The universal dependence of viscosity of lubricant on temperature and velocity gradient has been took into consideration. Herewith, the lubricant characteristics have been investigated at the low temperatures and low shear velocities. The guasi-static friction force was described using the viscosity dependence. The further thermodynamic potential modification has been performed. For this purpose, the linear term was added in the free energy expansion into series. The critical values of lubricant melting and solidification were calculated for the phase transitions of the first- and second-order. The relation was found between expansion parameters for which first- or second-order phase transition are realized in the system. Obtained results qualitatively coincide with experimental data.