Механо-физико-химические процессы при трении в среде карбоновых кислот тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.04, кандидат наук Дроган Екатерина Геннадьевна

• Дроган Екатерина Геннадьевна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Дроган Екатерина Геннадьевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Роль смазочных композиций в работе узлов трения

1.2 Избирательный перенос при трении

1.3 Роль самоорганизация при трении

1.4 Использование органических кислот в качестве модификаторов трения

1.5 Некоторые факторы, влияющие на режимы трения

1.3 Влияние природы растворителя на триботехническое поведение

фрикционной системы

Вывод по главе

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Методики трибологических и противоизносных испытаний

2.2 Методы потенциометрического и кондуктометрического анализа

2.3 Методы спектроскопических исследований

2.4 Метод рентгенофазового анализа

2.5 Метод атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии

2.6 Определение механических свойств. Нано - и микроиндентирование. Метод Оливера-Фарра

2.7 Метод оптической профилометрии

2.8 Метод седиментационного анализа

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

3.1 Квантово-химическое моделирование адсорбции карбоновой кислоты на поверхности трения и продуктах износа

3.2 Исследования трибологических свойств пары трения двухфазная латунь-сталь

3.3 Идентификация химического состава сервовитной пленки

3.4 Морфологические особенности сервовитной пленки

3.4.1 Профилометрические исследования поверхности трения

3.4.2 Физико-механические и трибологические характеристики сервовитных пленок в наношкале

3.4.3 Результаты сканирующей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии поверхности трения

3.5 Идентификация продуктов износа в зоне трения

3.5.1 Результаты ИК спектроскопии смазочного материала после фрикционного взаимодействия пары двухфазная латунь-сталь

3.5.2 Результаты фотоколориметрического анализа продуктов износа

3.5.3 Результаты седиментационного анализа продуктов износа

3.5.4 Сканирующая электронная микроскопия твердых продуктов износа

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРЫ

ТРЕНИЯ СТАЛЬ-СТАЛЬ

Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Принятые сокращения и условные обозначения

ИП - Избирательный перенос

ППР - Поверхностный плазмонный резонанс

R - Углеводородный радикал молекулы карбоновой кислоты

DFT - Теории функционала плотности

АСМ - Атомно-силовая микроскопия

ЧШМ - Четырехшариковая машина трения

СЭМ - Сканирующая электронная микроскопия

ИК - Инфракрасная спектроскопия

Sq - Среднеквадратичное отклонение поверхности

Sds - Плотность выступов профиля

Ка - Среднее арифметическое отклонения профиля

Rz - Высота неровностей профиля по десяти точкам

Ктах - Наибольшая высота профиля

Кр - Высота наибольшего выступа профиля

Ку - Глубина наибольшей впадины профиля

д - Диаметр пятна износа

Рс - Нагрузка сваривания

Рк - Критическая нагрузка

рН - Водородный показатель

ОКР - Области когерентного рассеяния

Е - Модуль Юнга

Н - Твердость

0 - Угол дифракции

X - Длина волны рентгеновского излучения

РСМ - Модель поляризуемого континуума

f - Коэффициент трения

НЧ - Наночастица

РФА - Рентгенофазовый анализ

Ъ - Глубина пластического отпечатка при максимальной нагрузке на индентор

к - Коэффициент трения при скретч тестировании

^ - Нормальная нагрузка

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механо-физико-химические процессы при трении в среде карбоновых кислот»

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение надежности и долговечности машин, повышение ресурсов подвижных сопряжений механизмов напрямую связано с их износом, что является одной из наиболее актуальных проблем машиностроения XXI века.

Изнашивание деталей приводит к разгерметизации узлов, образованию трещин, нарушению их взаимного перемещения друг относительно друга, снижению точности работы механизмов. Возникают вибрации, высокие темпы истирания поверхности приводят к нарушению работы узла трения. Трение повышает энергетические потери, способствует перегреву механизмов, что сопровождается повышенным расходом горючего и других материалов. Во всем мире около 208 миллиардов литров топлива используется ежегодно на преодоление трения [1]. Значительная часть энергии, потребляемая для преодоления трения, приходится на транспортировку промышленных и энергетических секторов, а крупные экономические потери связаны с износом деталей машин и заменой их компонентов [2-4].

Стремительное развитие машиностроения, металлообработки и особенно производство тяжелонагруженных машин, работающих в экстремальных условиях, ставит перед конструкторами и учеными задачи поиска новых решений с использованием принципов самоорганизации методов компьютерного моделирования и нанотехнологий, повышения ресурса узлов трения и уменьшение энергетических затрат на трение.

Одним из наиболее эффективных способов снижения интенсивности изнашивания деталей механизмов и энергетических потерь на трение для увеличения срока эксплуатации машин является избирательный перенос (ИП) или эффект безызносности, открытый Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским [5]. Большов вклад в изучение данного явления и граничного трения внесли отечественные и зарубежные ученые Д.Н. Гаркунов, И.В. Крагельский, Ю.Н. Дроздов, Н.К. Мышкин, А.С. Кужаров, Ф.П. Боуден, Д. Тейбор, С.А. Ахматов,

Б.В. Дерягин, А.А. Поляков, Ю.С. Симаков, Л.М. Рыбакова, Л.И. Куксенова, В.Ф. Пичугин и другие [6-21].

Явлению ИП посвящено большое количество работ, однако единого подхода к процессам трения, протекающим как в открытой термодинамической системе, и обеспечивающим формирование на поверхностях трибоконтакта антифрикционных пленок, в настоящее время не существует, что связано с трудностью проведения многопараметрических экспериментальных исследований при трении.

В связи с этим для конструирования принципиально новых смазочных композиций, способствующих реализации явления ИП при трении, необходимо изучение процессов структурных изменений, протекающих как на атомно-молекулярном уровне поверхностных слоев контакта сопряженных поверхностей двухфазная латунь-сталь, так и в объеме смазочной композиции.

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационных триботехнических характеристик пар трения в присутствии гомологического ряда одноосновных карбоновых кислот.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Квантово-химическое моделирование адсорбции карбоновой кислоты на поверхности трения и продуктов износа;

2. Триботехнические исследования пар трения «сплав меди - сталь» и «сталь - сталь» в зависимости от условий трения;

3. Изучение с помощью прецизионного оборудования:

а) элементного состава и структуры сервовитной плени на поверхности трения и продуктов износа в составе смазочной композиции;

б) параметров шероховатости сервовитной пленки на поверхности трибосопряжения двухфазная латунь - сталь;

в) физико-механических характеристик сервовитной пленки на наноуровне;

г) размера частиц продуктов износа;

д) спектроскопических и потенциометрических характеристик смазочной среды.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

1. Выполненное впервые квантово-химическое моделирование медного кластера меди показало, что его структура и поведение существенно зависят от заряда, варьирование которого оказывает влияние на свойства трибосистемы. Установлено, что влияние углеводородных радикалов карбоновых кислот на параметры граничных взаимодействий увеличивается с ростом положительного заряда кластера и сводится на нет в случае нейтральных или электроноизбыточных кластеров. Увеличение заряда кластера и длины R карбоновой кислоты оказывают влияние на свойства системы и условия взаимодействия с поверхностью трения при образовании сервовитной пленки.

2. Впервые установлено, что в процессе фрикционного взаимодействия пары трения двухфазная латунь - сталь в водных растворах карбоновых кислот при увеличении количества атомов углерода С1-С5 в молекуле кислоты коэффициент трения f снижается до значений, характерных для режима безызносного трения. Одновременно с этим электропроводность смазочной среды увеличивается, рН водных растворов карбоновых кислот при трении приближается к нейтральному значению. Электродный потенциал стальной поверхности при трении пары двухфазная латунь - сталь в водных растворах кислот при увеличении R молекулы кислоты смещается в область положительных значений, на трибосопряженных поверхностях формируется наноструктурная сервовитная пленка толщиной до 2 мкм и параметрами шероховатости Я 69 нм.

3. Анализ элементного состава сервовитной пленки показывает, что основной ее фазой является медь, причем обнаружено увеличение содержание меди до 82% на поверхности стального образца при трении пары двухфазная

латунь - сталь в растворах кислот при переходе от масляной к капроновой кислоте.

4. Выявлены размерные эффекты в прочностных свойствах сервовитной пленки. Показано, что физико-механические свойства сервовитной пленки существенно зависят от R молекулы кислоты, используемой в качестве смазочной композиции при трении пары двухфазная латунь - сталь, нагрузки и размера зоны деформирования.

5. Обнаружена зависимость трибологических и физико-химических характеристик пары трения двухфазная латунь - сталь от состава смазочной композиции:

- снижение концентрации ионов железа ¥в3+ в смазочной среде при фрикционном взаимодействии пары трения в водных растворах кислот при переходе от муравьиной к капроновой кислоте;

- образование нанокластеров меди при трении по наличию полосы поверхностного плазмонного резонанса (ППР) в растворах карбоновых кислот;

- факт окисления карбоновой кислоты на поверхности металла трибосопряжения в момент отрыва с его поверхности иона или заряженного кластера.

6. Показано, что при равном времени фрикционного взаимодействия наблюдается уменьшение размеров частиц продуктов износа в ряду кислот пропионовая - масляная - валериановая - капроновая.

7. Доказано увеличение противоизносных свойств смазочной композиции при трении пары сталь - сталь в вазелиновом масле с добавлением валериановой и капроновой кислот с концентрацией (С) 0,1% в сравнении с чистым вазелиновым маслом на 25% и увеличение нагрузочной способности смазочной композиции с содержанием одноосновных карбоновых кислот в вазелиновом масле с концентрацией 0,05%. При трении пары сталь - сталь в вазелиновом масле с добавлением валериановой и капроновой кислот (С = 0,05 %) Рк увеличивается на 32%, Рс увеличивается на 27 % в сравнении с Рк и Рс при трении пары сталь - сталь в чистом вазелиновом масле.

Теоретическая значимость работы представлена результатами квантово-химических расчетов:

1. Установлено, что структура медного кластера и его поведение при трении существенно зависят от его заряда, изменение которого оказывает влияние на свойства трибосистемы.

2. Доказано, что влияние радикалов карбоновых кислот на параметры граничных взаимодействий увеличивается с ростом положительного заряда кластера меди и сводится на нет в случае нейтральных или электроноизбыточных.

3. Увеличение заряда кластера и длины R карбоновой кислоты, стабилизирующей медные кластеры, оказывают влияние на свойства системы и условия взаимодействия с поверхностью трения при образовании кристаллической сервовитной пленки.

4. Выявлено, что увеличение заряда на кластере меди (Си^+ при п = 3, 4, 5 ...) приводит к безбарьерному разрушению молекулы карбоновой кислоты на два фрагмента по алифатическому заместителю. В результате в объеме смазочной композиции при трении возможно образование непредельных гидроксикислот и эфиров соответствующих кислот.

Практическая значимость работы представлена следующими положениями:

1. В результате трибологичеких исследований пары трения двухфазная латунь - сталь в водных растворах одноосновных карбоновых кислот определена оптимальная концентрация (0,1 моль/л) кислоты в составе смазки для реализации избирательного переноса при трении.

2. Установлено, что состав смазочной среды оказывает влияние на механические свойства сервовитной пленки. В пределах систематического ряда карбоновых кислот при переходе от уксусной кислоты к капроновой выявлено увеличение Н и модуля Юнга Е пленки. Выявлено, что значение Н сервовитной пленки, полученной при трении пары двухфазная латунь - сталь, в 2,5 раза выше Н кристаллической меди.

3. Экспериментально доказано, что при трении пары двухфазная латунь - сталь в водных растворах карбоновых кислот при переходе в гомологическом ряду кислот от муравьиной к капроновой уменьшается износ трибопары в период приработки в 5 раз при одновременном снижении f с 0,274 до 0,007.

4. Сформулированные практические рекомендации по составу смазочных композиций с добавлением органических модификаторов трения прошли удовлетворительные промышленные испытания в шпиндельном узле токарно-винторезного станка марки 16К20 ООО «Судовые энергетические установки».

Объектами диссертационного исследования являются вопросы трения и изнашивания.

Предметом исследования являются смазочные материалы на основе карбоновых кислот.

Достоверность и обоснованность научных результатов исследования обеспечивается применением современных методов исследования на прецизионном поверенном оборудовании. Теоретические исследования по работе построены на использовании теории квантово-химических расчётов методом DFT. Достоверность полученных экспериментальных результатов подтверждается сходимостью с результатами теоретических исследований.

Личный вклад автора. Результаты, полученные при выполнении диссертации, составление плана экспериментальных исследований, обзор литературных источников, проведение триботехнических и потенциометрических испытаний, исследования с помощью АСМ, оптической профилометрии, спектрофотометрический анализ выполнены соискателем

самостоятельно. Выбор темы исследования, постановка цели и задач работы, обсуждение результатов исследований, написание докладов и статей выполнены соискателем совместно с научным руководителем.

Положения, выносимые автором на защиту, включают:

1. Результаты квантово-химических расчетов адсорбции карбоновой кислоты на поверхности трения и продуктах износа;

2. Результаты трибологических исследований пары трения двухфазная латунь - сталь в водных растворах карбоновых кислот на машине трения торцевого типа АЕ-5;

3. Результаты элементного состава, физико-механических и трибологических характеристик сервовитной пленки. Результаты исследования поверхности сервовитной пленки методами оптической профилометрии, СЭМ и АСМ;

4. Результаты ИК-спектроскопии смазочной композиции;

5. Результаты качественного и количественного элементного состава, седиментационного анализа продуктов износа;

6. Результаты противоизносных свойств, несущей и предельной нагрузочной способности вазелинового масла, модифицированного карбоновыми кислотами различной концентрации, при трении пары сталь -сталь на ЧШМ.

Основные результаты диссертации прошли апробацию на

международных, национальных и всероссийских конференциях, в частности: Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», ТПУ - Томск в 2016 г.; Международной научно-технической конференции «Динамика технических систем «ДТС», ДГТУ - Ростов-на-Дону в 2017 г.; Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения» в рамках международной агропромышленной выставки "Интерагромаш", Ростов-на-Дону в 2018, 2019 г.; Международной научно-технической конференции «Трибология -

машиностроению» ИМАШ РАН - Москва, 2018 г.; Национальной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и техники», г. Ростов-на-Дону в 2018, 2020 г.; V Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия: достижения и перспективы» г. Ростов-на-Дону в 2020 г.

Сформулированные практические рекомендации по составу смазочных композиций с добавление органических модификаторов трения прошли удовлетворительные промышленные испытания в узле вала шпинделя токарно-винторезного станка марки 16К20 ООО «Судовые энергетические установки» (Приложение А).

Соответствие паспорту научной специальности

Работа содержит исследования триботехнических свойств смазочных материалов и структуры поверхности трения, которые соответствуют требованиям, представленных в следующих пунктах паспорта научной специальности:

1 - «Механические, тепловые, химические, магнитные, электрические явления при трении»;

8 - «Триботехнические свойства смазочных материалов»;

14 - «Микро- и нанотрибология» паспорта научной специальности 05.02.04

«Трение и износ в машинах».

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Донской государственный технический университет» на кафедре «Химия».

Часть экспериментальных исследований была проведена на оборудовании:

- ресурсного центра коллективного пользования и лаборатории «Электронной и оптической микроскопии» НОЦ «Материалы», кафедре «Физическое и прикладное материаловедение» в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего образования «Донской государственный технический университет»;

- научно-образовательного центра «Нанотехнологии и наноматериалы» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина»;

- научно-исследовательского института физической и органической химии и химического факультета в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Южный федеральный университет».

Публикации результатов работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 научных работ, в том числе 7 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения, списка использованной литературы, приложений.

Основная часть работы изложена на 166 страницах, содержит 70 рисунков, 8 таблиц, 4 приложения. Список литературы включает 170 наименований.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Роль смазочных композиций в работе узлов трения

Большинство традиционных методов контроля трения и износа основаны на использовании твердых и жидких смазок [22 - 25], однако, современный прогресс в машиностроительном и станкостроительном секторе экономики предъявляет все новые требования к качеству смазочных материалов: они должны, с одной стороны, быть эффективными и повышать ресурс узлов трения, работающих при тяжелых нагрузках и на высоких скоростях, с другой - быть, в некоторых условиях биостойкими или, наоборот, биоразлагаемыми, экономически выгодными и экологически безопасными.

Для повышения триботехнических и эксплуатационных характеристик, а также несущей способности узлов трения используются смазочные композиции различного химического состава. Некоторые из них содержат мелкодисперсные присадки металлов и их оксидов с размерами частиц в микро- и нанодиапазоне [26 - 28], которые принимают участие в формировании защитных антифрикционных пленок на поверхностях трибоконтакта. Другие смазки способствуют формированию антифрикционных пленок в результате избирательного растворения медных сплавов в процессе фрикционного взаимодействия [29].

Проблемы и задачи, решаемые трибологией, связаны с рядом научных открытий и изобретений. В 1883 г. русскими учеными Н.П. Петровым, С.А. Чаплыгиным, Н.Е. Жуковским и другими была открыта гидродинамическая теория смазки в подшипниках скольжения. Научное открытие в развитии триботехники принадлежит академику П.А. Ребиндеру. Эффект, названый его именем, заключается в изменении механических свойств материала трущихся деталей под действием смазки. Исследованием фрикционного взаимодействия в условиях граничного трения занимались ученые Б.В. Дерягин, С.А. Ахматов, Ф.П. Боуден и Д. Тейбор и многие другие [13, 30-35]. В 1956 г. отечественными

учеными Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским при граничном трении экспериментально установлено научное открытие, известное как избирательный перенос при трении.

1.2 Избирательный перенос при трении

Избирательный перенос, открытый в СССР при тестировании эксплуатационных характеристик тяжелонагруженных узлов трения самолета ИЛ, сделал большой прорыв в машиностроительной промышленности [5]. С момента открытия избирательного переноса опубликовано большое количество работ по изучению его механизма действия, а также факторов, влияющих на его реализацию [29, 36, 37]. Большое значение при избирательном переносе меди на поверхность стали при трении пары сплав меди - сталь играет смазочная среда, а именно ее химический состав. Модельной смазкой при этом всегда выступали глицерин, его водные растворы или масла. Базовые масла являются углеводородами, которым свойственны реакции окисления, термического разложения и полимеризации. Хорошо известно, что углеводороды окисляются по радикальному механизму, первой стадией которого является отщепление атома водорода. В дальнейшем, реагируя с кислородом, образуются полярные соединения, такие как карбоновые кислоты. Под их действием в результате трибохимических реакций происходит растворение поверхностных слоев медных сплавов и образование хелатных комплексных соединений, которые адсорбируются на металлическую поверхность [38]. Подобные комплексы металлов растворимы в масле и способны вступать в трибохимические реакции [39], образуя упорядоченную структуру между двумя слабо связанными слоями поверхностей трения. Таким образом, на поверхностях трибосопряжения сплав меди - сталь в результате селективного переноса атомов и ионов меди формируется сервовитная пленка, которая обеспечивает трибосистеме режим безысносного трения. Формирование сервовитной пленки на трибосопряженных поверхностях пары трения сплав меди - сталь в первую

очередь базируется на самоорганизации неравновесных процессов, взаимодействии смазочной композиции с координационными соединениями меди и физике тонких пленок, а реализация эффекта избирательного переноса в значительной степени зависит от химического состава смазочной композиции и характеризуется сложными физико-химическими процессами, протекающими в зоне трения. При этом самоорганизация тонкой металлической пленки в зоне контакта деталей при изнашивании трибосопряженных поверхностей протекает непрерывно.

Открытие явления водородного изнашивания объясняет интенсивное разрушение более прочных металлов при трении и их перенос на менее прочный материал. Увеличение концентрации водорода в процессе работы узла трения приводит к хрупкому разрушению деталей в тонких поверхностных слоях. Поэтому защита металлоконструкций от негативного водородного изнашивания трибосопряженных поверхностей является актуальной при конструировании машин и механизмов. Большое количество экспериментальных исследований позволили выявить, что эффективным методом защиты поверхностей узла трения является самоорганизующаяся в результате избирательного переноса в зоне контакта сервовитная пленка.

При работе узла трения сервовитная пленка является участком фактического контакта сопряженных поверхностей, что приводит фрикционную систему к режиму с низким коэффициентом трения. Одновременно с этим предотвращается абразивное изнашивание, поскольку взаимодействие стальных поверхностей разделяется не только слоем смазочного материала, но и тонкой, толщиной 1-2 мкм сервовитной пленкой. На рисунке 1.1 представлена сервовитная пленка на начальной стадии ее формирования. Кроме этого, видна также стальная поверхность образца с продольными царапинами в различных направления, отличающихся от направления скольжения контртела, что является результатом механической обработки поверхности перед испытаниями и подтверждает отсутствие

контакта поверхностей пары трения и их изнашивания в результате действия абразивных частиц продуктов износа.

Рис. 1.1. Начальная стадия образования сервовитной пленки на трибосопряженных поверхностях [40]

Роль переноса металла между поверхностями трения обсуждалась в многочисленных работах [25-29, 36, 37] и включает в себя изменения в характеристиках скольжения, которые возникают, когда материал с одной поверхности трибопары передается на другую опорную поверхность. Помимо этой несколько упрощенной ситуации, во многих трибосистемах существуют более сложные процессы, включающие в себя повторную передачу материала обратно на поверхность, с которой он селективно растворился. В ходе этого процесса материал может механически смешиваться с материалом другой поверхности, что характерно для пар Си - 7п. При этом процесс массопереноса может влиять на процессы износа при трении, например: путем изменения площади подшипника (внезапная потеря массоперенесенного металла, приводящая к быстрому изменению давления в подшипнике); путем изменения относительной твердости, пластичности и состава материалов в поверхности трибоконтакта; покрывая твердые неровности на одной поверхности более пластичным материалом с противоположной поверхности.

1.3 Роль самоорганизации при трении

Наука, изучающая сложные, самоорганизующиеся системы все еще находится на начальном этапе развития. Тем не менее, имеющиеся знания в этой области уже дает мощную перспективу и ряд концептуальных и инструментальных средств, для понимания более сложных явлений. Открытость и нелинейность делают систему, в принципе, непредсказуемой и неконтролируемой: самые мелкие внутренние или внешние возмущения могут существенно влиять на поведение макросистемы в целом. Поэтому сейчас очень важно получить представление о качестве динамики системы, а также классифицировать и разграничить вероятность дальнейшего ее поведения. Любая сложная система стремится к состоянию, в котором она регулирует себя, при этом увеличивается полезность или пригодность компонентов системы, координируется их взаимодействие, что определяет ряд возникающих свойств, которые не могут быть сведены к свойствам отдельных компонентов системы. Понимая все основные механизмы, становится возможным в системе стимулировать процесс самоорганизации или направлять его в одном или другом нужном направлениях, в том числе и в трибологии.

Фундаментальными процессами фрикционного взаимодействия любой пары трения являются износ, рассеяние энергии и образование вторичных структур. При этом, основными процессами в результате которых рассеивается энергия, являются повышение температуры в зоне контакта, образование частиц продуктов износа и изменения энтропии [41]. Это позволяет говорить о трении, как о типичном неравновесном процессе [42], который логично рассматривать с термодинамической точки зрения [43] и рассмотреть его взаимосвязь с неравновесной термодинамикой и самоорганизацией.

Каждая система и режим трения имеют свои особенности, которые зависят от различных факторов. Чтобы выделить теорию, применимую к каждой трибосистеме, следует выделить некоторые общие черты, характерные для всех трибосистем. Известно, что износ является общей характеристикой

любой трибосистемы [42]. Трение как неравновесный процесс может быть изучено на основе понятий неравновесной термодинамики и самоорганизации. Согласно А.Н. Климонтовичу, самоорганизация представляет собой процесс формирования диссипативной структуры, что приводит к снижению скорости износа в трибосистеме [44]. Термодинамическому подходу в трибологии посвящено многочисленное количество научных статей. Считается, что применение термодинамического подхода даст новые научные исследования, возможности для проектирования и разработки перспективных материалов с улучшенными трибологическими характеристиками [45], а углубленные исследования образования диссипативных структур в защитных пленках при трении могут способствовать разработке материалов, которые обеспечат большую устойчивость к износу. Будущие разработки в области поверхностной инженерии для изобретения износостойких материалов, также будут основываться преимущественно на знаниях самоорганизации в рамках неравновесной термодинамики.

Самоорганизация пространственных и временных структур при трении происходит через дестабилизацию стационарного состояния системы. Критерием стабильности выступает минимальность производства энтропии. Поэтому, структурные изменения могут быть использованы для оптимизации работы самосмазывающихся и самовосстанавливающихся материалов [46].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дроган Екатерина Геннадьевна, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Holmberg, K. Global energy consumption due to friction in passenger cars / K. Holmberg, P. Andersson, A. Erdemir // Tribology international, 2012. - Vol. 47. - pp. 221-234.

2. Czichos, H. Tribology: a systems approach to the science and technology of friction, lubrication, and wear. - Elsevier, 2009. - Vol. 1.

3. Erdemir, A., Holmberg K. Energy Consumption Due to Friction.

4. Чичинадзе, А. В. Расчет и исследование внешнего трения при торможении // М.: Наука, 1967. - 572 с.

5. Гаркунов, Д. Н. Триботехника // М.: Машиностроение, 1985. - 424 c.

6. Боуден Ф. П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел // М.: Машиностроение, 1968. - Т. 26.

7. Симаков, Ю. С. О механизме избирательного переноса / Ю. С. Симаков, Н. М. Михин // Сб.: Избирательный перенос при трении, 1975.

8. Дроздов, Ю. Н. Структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях сталей при трении скольжения / Ю. Н. Дроздов, П. И. Маленко // Трение и износ, 2014. - Т. 35. - №. 1. - С. 87-98.

9. Дроздов, Ю. Н. Трение и износ в экстремальных условиях / Ю. Н. Дроздов, В. Г. Павлов, В. Н. Пучков // М.: Машиностроение, 1986. - С. 40.

10. Дерягин, Б. В. Молекулярная теория трения и скольжения // Журн. физ. химии, 1934. - №5.- С. - 1165-1172.

11. Базарон, У. Б. О сдвиговой упругости граничных слоев жидкостей / У. Б. Базарон, Б. В. Дерягин, А. В. Булгадаев // Доклады Академии наук. -Российская академия наук, 1965. - Т. 160. - №. 4. - С. 799-802.

12. Дерягин, Б. В. Исследования по внешнему трению и прилипанию //Журнал физической химии, 1935. - Т. 6. - №. 10.

13. Ахматов, А. С. Молекулярная физика граничного трения. - Физматгиз, 1963.

14. Поляков, А. А. Трение на основе самоорганизации. - Наука, 1992.

15. Гаркунов, Д. Н. Избирательный перенос в узлах трения / Д. Н. Гаркунов, И. В. Крагельский, А. А. Поляков // М.: Транспорт, 1969. - Т. 104. - С. 5.

16. Гаркунов, Д. Н. и др. Избирательный перенос в тяжелонагруженных узлах трения // М.: Машиностроение, 1982.

17. Рыбакова, Л. М. Структура и износостойкость металла // М.: Машиностроение, 1982. - С. 212.

18. Алексеев, Н. М. и др. Исследование фрикционного упрочнения поверхностных слоев меди в режиме граничного трения // Трение и износ, 1982. - Т. 3. - №. 1. - С. 33-42.

19. Крагельский, И. В. и др. Влияние степени упрочнения материалов в процессе трения на их стойкость против задира // Машиноведение, 1977. -№. 6. - С. 88.

20. Рыбакова, Л. М. Об изменении периода кристаллической решетки в приповерхностных слоях меди и латуни при трении / Л. М. Рыбакова, Л. И. Куксенова // ФММ, 1975. - Т. 39. - С. 362.

21. Рапопорт, Л. С. Влияние структурного состояния поверхностных слоев на процессы трения и изнашивания / Л. С. Рапопорт, Л. М. Рыбакова // Трение и износ, 1987. - Т. 8. - №. 6. - С. 1038-1043.

22. Spikes, H. The history and mechanisms of ZDDP / H. Spikes // Tribology Letters, 2004. - №17. - P. 469-489.

23. Liu, W. M. Tribological performance of room-temperature ionic liquids as lubricant / W. M. Liu, C. F. Ye, Q. Y. Gong, H. Wang, P. Wang // Tribology Letters, 2002. - №13. - pp. 81-85.

24. Berman, D. Reduced wear and friction enabled by graphene layers on sliding steel surfaces in dry nitrogen / D. Berman, A. Erdemir, A. V. Sumant // Carbon, 2013. - Vol. 59. - pp. 167 - 175.

25. Hsu, S. M. Nanolubrication: concept and design // Nanotribology. - Springer, Boston, MA, 2003. - pp. 327- 346.

26. Kharlamov, V. The influence of Cu-alloy fine powder on mass transfer subjected to sliding friction / V. Kharlamov, L. Zolotukhina, I. Frishberg, N. Kishkoparov // Friction and Wear, 1999. - Vol. 20. - pp. 333-338.

27. Hu, Z. S. Preparation and tribological properties of nanometer magnesium borate as lubricating oil additive / Z. S. Hu, R. Lai, F. Lou, L. Wang, et al // Wear, 2002. - Vol. 252, №. 5-6. - pp. 370-374.

28. Rastogi, R. Application of molybdenum complexes of 1-aryl-2,5-dithiohydrazodicarbonamides as extreme pressure lubricant additives / R. Rastogi, M. Yadav, A. Bhattacharya // Wear, 2002. - Vol. 252, №. 9-10. - pp. 686-692.

29. Гаркунов, Д. Н. Триботехника. Износ и безызносность. Учебник. - 4-е изд., перераб. и доп. - M.: «Издательство МСХА», 2001. 616 с.

30. Дерягин, Б. В. К теории граничного трения // Развитие теории трения и изнашивания. М.: Изд. АН СССР. - 1957. - С. 15-26.

31. Боуден, Ф., Тейбор, Д., Рабинович, Е. Трение и граничная смазка // М.: ИЛ.

- 1953. - Т. 228.

32. Боуден, Ф. П. Граничное трение смазанных металлов / Ф. П. Боуден, Д. Тейбор // Трение и граничная смазка: сб. статей под ред. И.В. Крагельского, М.: Изд. иностранной литературы, 1953. - С. 144-165.

33. 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.

34. Айнбиндер, С. Б. О механизме граничного трения // Трение и износ, 1983.

- Т. 4. - №. 1. - С. 5-11.

35. Виноградов, Г. В. Механизм противоизносного и антифрикционного действия смазочных сред при тяжелых режимах граничного трения / Г. В. Виноградов, Ю. Я. Подольский // О природе трения твердых тел.-Минск: Наука и техника, 1971. - С. 210-213.

36. Myshkin, N. K. Friction transfer film formation in boundary lubrication / N. K. Myshkin // Wear, 2000. - Vol. 245, № 1-2. - pp. 116-124.

37. Ilie, F. Thermo-mechanical aspects of the phenomenon of selective mass transfer by diffusion in friction process of steel/copper alloy couple / Ilie, F. // Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology, 2015. - Т. 2. - №. 2. - С. 70-75.

38. Hsu, S. M. A mechano-chemical descriptive model for wear under mixed lubrication conditions / S. M. Hsu, E. E. Klaus, H. S. Cheng // Wear, 1988. -Vol. 128, №. 3. - pp. 307-323.

39. Hsu, S. M. Boundary lubricating films: formation and lubrication mechanism / S. M. Hsu, R. S. Gates // Tribology International, 2005. - Vol. 38. - pp. 305312.

40. Гаркунов, Д. Н. Безызностное трение и водородное изнашивание металлов в решении основных трибологических проблем качества механизмов и машин / Д. Н. Гаркунов, Э. Л. Мельников // Известия Московского государственного технического университета МАМИ, 2014. - Т. 2. - №. 1

(19).

41. Ramalho, A. The relationship between wear and dissipated energy in sliding systems / A. Ramalho, J. C. Miranda // Wear, 2006. - Vol. 260, Iss. 4-5. - pp. 361-367.

42. Gershman, I. S. Self-Organization during Friction of Slide Bearing Antifriction Materials / I. S. Gershman, A. E. Mironov, E. I. Gershman et al. // Entropy, 2015. - Vol. - 17, Iss. 12. - pp. 7967-7978.

43. Glansdorff, P. Thermodynamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations / P. Glansdorff, I. Prigogine // American Journal of Physics, 1973. - Vol. 41, Iss.1. - pp. 147 - 148.

44. Fox-Rabinovich, G. S. Self-Organization during Friction in Complex Surface Engineered Tribosystems / G. S. Fox-Rabinovich, I. S. Gershman, K. Yamamoto et al. // Entropy, 2010. - Vol. 12, Iss. 2. - pp. 275-288.

45. Amiri, M. On the Thermodynamics of Friction and Wear—A Review / M. Amiri, M. M. Khonsari. // Entropy, 2010. - Vol. 12, Iss. 5. - pp. 1021-1049.

46. Nosonovsky, B. M. Self-organization at the frictional interface for green tribology / B. M. Nosonovsky // Philosophical Transactions Royal Society, 2010. - Vol. 368, Iss. 1929 - pp. 4755-4774.

47. Gershman, J. S. Thin films and self-organization during friction under the current collection conditions / J. S. Gershman, N. A. Bushe // Surface & Coatings Technology, 2004. - Vol. 186, Iss. 3 - pp. 405-411.

48. Lenik, K. The surface self-organization in process friction and corrosion of composite materials / K. Lenik, M. Paszeczko, Z. Durjagina et al. // Archives of Materials Science and Engineering, 2008. - Vol. 30, Iss.1. - pp. 9-12.

49. M. Rojas-Campanur, Tribological performance of rosin acid additives in water based lubricants / M. Rojas-Campanur, J. Lara-Romero, F. Chinas-Castillo et al. // Tribology Online, 2007. - Vol. 2, №1. - pp. 29-33.

50. Kajdas, C. Additives for metalworking lubricants - a review / C. Kajdas // Lubrication Science, 2006. - Vol. 1, Iss. 4 - pp. 385-409.

51. Tomala, A. Tribological properties of additives for water-based lubricants / A. Tomala, A. Karpinska, A. Olver et al. // Wear, 2010. - Vol. 269, Iss. 11-12. -pp. 804-810.

52. Anghel, V. Direct measurement of boundary lubricating films / V. Anghel, P. M. Cann, H. A. Spikes // Tribology Series. - Elsevier, 1997. - Vol. 32. - pp. 459466.

53. Bowden F. P., Tabor D. The friction and lubrication of solids. - Oxford university press, 2001. - Vol. 1, P. 328.

54. Loehle, S. Mixed lubrication with C18 fatty acids: effect of unsaturation / S. Loehle, C. Matta, C. Minfray et al. // Tribology letters, 2014. - Vol. 53. - №. 1. - pp. 319-328.

55. Lundgren, S. M. Effects of unsaturation on film structure and friction of fatty acids in a model base oil / S. M. Lundgren, M. Ruths, K. Danerlôv et al. // Journal of colloid and interface science, 2008. - Vol. 326. - №. 2. - pp. 530536.

56. Sahoo, R. R. Frictional response of fatty acids on steel / R. R. Sahoo, S. K. Biswas // Journal of Colloid and Interface Science, 2009. - Vol. 333. - №. 2. -pp. 707-718.

57. Fox, N. J. Boundary lubrication performance of free fatty acids in sunflower oil / N. J. Fox, B. Tyrer, G. W. Stachowiak // Tribology letters, 2004. - Vol. 16. - №. 4. - pp. 275-281.

58. Castro, W. The effect of chemical structure of basefluids on antiwear effectiveness of additives / W. Castro, D. E. Weller, K. Cheenkachorn et al. // Tribology international, 2005. - Vol. 38. - №. 3. - pp. 321-326.

59. Simic, R. Adsorption mechanisms for fatty acids on DLC and steel studied by AFM and tribological experiments / R. Simic, M. Kalin // Applied Surface Science, 2013. - Vol. 283. - pp. 460-470.

60. Tingle, E. D. The importance of surface oxide films in the friction and lubrication of metals. Part I. - The dry friction of surfaces freshly exposed to air // Transactions of the Faraday Society, 1950. - Vol. 46. - pp. 93-102.

61. Kalin, M. Influence of flash temperatures on the tribological behaviour in low-speed sliding: a review // Materials Science and Engineering: A., 2004. - Vol. 374. - №. 1-2. - pp. 390-397.

62. Kajdas, C. About an anionic-radical concept of the lubrication mechanism of alcohols // Wear, 1987. - Vol. 116. - №. 2. - pp. 167-180.

63. Kajdas, C. K. Importance of the triboemission process for tribochemical reaction // Tribology International, 2005. - Vol. 38. - №. 3. - pp. 337-353.

64. Shukla, N. The interaction of CF3CH2OH and (CF3CF2)2O with amorphous carbon films / N. Shukla, A. J. Gellman, J. Gui // Langmuir, 2000. - Vol. 16. -№. 16. - pp. 6562-6568.

65. Majzner, M. Reactions of carboxylic acids under boundary friction conditions / M. Majzner, C. Kajdas // Tribologia, 2003. - №. 1. - pp. 63-80.

66. Kamimura, H. Effects of carboxylic acids on friction and wear reducing properties for alkylmethylimidazolium derived ionic liquids / H. Kamimura, T. Chiba, N. Watanabe et al. // Tribology Online, 2006, Vol. 1. - №. 2. - pp. 40-43.

67. Jahanmir, S. Effect of additive molecular structure on friction coefficient and adsorption. / S. Jahanmir, M. Beltzer // Journal of tribology, 1986. - pp. 109116.

68. Levine, O. Physical properties of monolayers adsorbed at the solid-air interface. I. Friction and wettability of aliphatic polar compounds and effect of halogenation / O. Levine, W. A. Zisman // The journal of physical chemistry, 1957. - Vol. 61. - №. 8. - pp. 1068-1077.

69. Bigelow, W. C. Oleophobic monolayers. II. Temperature effects and energy of adsorption / W. C. Bigelow, E. Glass, W. A. Zisman // Journal of colloid science, 1947. - Vol. 2. - №. 6. - pp. 563-591.

70. Bigelow, W. C. Oleophobic monolayers: I. Films adsorbed from solution in nonpolar liquids / W. C. Bigelow, D. L. Pickett, W. A. Zisman // Journal of Colloid Science, 1946. - Vol. 1. - №. 6. - pp. 513-538.

71. Bulgarevich, S. B. Effect of pressure on chemical reactions in the zone of direct friction contact of systems with selective transfer / S. B. Bulgarevich, M. V. Boiko, V. A. Feizova et al. // Journal of Friction and Wear, 2011. - Vol. 32, № 3. - pp. 145-149.

72. Osterle, W. On the role of copper in brake friction materials / W. Osterle, C. Prietzel, H. Kloß et al. // Tribology International, 2010. - Vol. 43, Iss. 12. - pp. 2317-2326.

73. Liu, Q. Analysis of self-repair films on friction surface lubricated with nano-Cu additive / Q. Liu, Y. Xu, P. J. Shi et al. // Journal of Central South University of Technology, 2005. - Vol. 12, Iss. 2. - pp. 186-189.

74. He-long, Y. U. Tribological properties and lubricating mechanisms of Cu nanoparticles in lubricant / Y. U. He-long, S. Pei-jing, X. U. Bin-shi et al. // Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008. - Vol. 18, №3. - pp. 636-641.

75. Yu, H. L. Characterization and nano-mechanical properties of tribofilms using Cu nanoparticles as additives / H. L. Yu, Y. Xu, P. J. Shi et al. // Surface and Coatings Technology, 2008. - Vol. 203, № 1-2. - pp. 28-34.

76. Graham, J. F. Topography and nanomechanical properties of tribochemical films derived from zinc dialkyl and diaryl dithiophosphates / J. F. Graham, C. McCague, P. R. Norton // Tribology Letters, 1999. - Vol. 6, Iss. 3-4. - pp. 149-157.

77. Nicholls, M. A. Chemical and mechanical properties of ZDDP antiwear films on steel and thermal spray coatings studied by XANES spectroscopy and nanoindentation techniques / M. A. Nicholls, T. Do, P. R. Norton et al. // Tribology Letters, 2003. - Vol. 15, Iss. 3. - pp. 241-248.

78. Ye, J. Evaluation of local mechanical properties in depth in MoDTC/ZDDP and ZDDP tribochemical reacted films using nanoindentation / J. Ye, M. Kano, Y. Yasuda // Tribology Letters, 2002. - Vol. 13, Iss. 1. - pp. 41-47.

79. Staph, H. E. Effect of surface roughness and surface texture on scuffing / H. E. Staph, P. M. Ku, H. J. Carper // Mechanism and machine theory, 1973. - Vol. 8.

- №. 2. - pp. 197-208.

80. Xie, Y. Effects of particle size, polishing pad and contact pressure in free abrasive polishing / Y. Xie, B. Bhushan // Wear, 1996. - Vol. 200. - №. 1-2. -pp. 281-295.

81. Myers, N. O. Characterization of surface roughness / N. O. Myers // Wear, 1962.

- Vol. 5. - №. 3. - pp. 182-189.

82. Singh, R. Frictional response of precision finished surfaces in pure sliding / R. Singh, S. N. Melkote, F. Hashimoto // Wear, 2005. - Vol. 258. - №. 10. - pp. 1500-1509.

83. Wang, L. Y. et al. Strength measurement of thin lubricating films // Wear, 2000.

- Vol. 237. - №. 2. - pp. 155-162.

84. Liu, Z. Study of plowing and friction at the surfaces of plastic deformed metals / Z. Liu, J. Sun, W. Shen // Tribology International, 2002. - Vol. 35. - №. 8. - pp. 511-522.

85. Menezes, P. L. Effect of roughness parameter and grinding angle on coefficient of friction when sliding of Al-Mg alloy over EN8 steel / P. L. Menezes, S. V. Kailas // Journal of tribology, 2006. - Vol. 128. - №. 4. pp. - 697-704.

86. Menezes, P. L. Effect of directionality of unidirectional grinding marks on friction and transfer layer formation of Mg on steel using inclined scratch test / P. L. Menezes, S. V. Kailas, // Materials Science and Engineering: A, 2006. -Vol. 429. - №. 1-2. - pp. 149-160.

87. Косогова, Ю. П. Сравнение триботехнической эффективности смазочных композиций, содержащих наночастицы меди, свинца и палладия / Ю. П. Косогова, В. Э. Бурлакова // Инженерный вестник Дона, 2016. - Т. 41, № 2 (41). - С. 14.

88. Бурлакова, В. Э. Влияние наноразмерных кластеров меди на триботехнические свойства пары трения сталь-сталь в водных растворах спиртов / В. Э. Бурлакова, Ю. П. Косогова, Е. Г. Дроган // Вестник Донского государственного технического университета, 2015. - Т. 15, № 2(81). - С. 41 -47.

89. Беликова, М. А. Электрохимические свойства поверхности трения при самоорганизации в условиях избирательного переноса: Дис ... канд. техн. наук: 05.02.4. - Ростов н/Д, 2007. - 172 с.

90. Кужаров, А. С. Трибологические проявления самоорганизации в системе двухфазная латунь-глицерин-сталь / А. С. Кужаров, Р. Марчак, Я. Гузик и др. // Трение и износ, 1996. - Т. 17. - № 1. - C. 113-122.

91. Ilie, F. Studies and researches concerning the tribological behaviour of friction couple functioning with selective transfer / F. Ilie // Tribology international, 2006. -Vol. 39, № 8. - pp. 774-780.

92. Косогова Ю. П. Нанотрибоэлектрохимические технологии при реализации эффекта безызносности в водно-спиртовых средах: Автореф. дис ... канд. техн. наук: 05.02.4. - Ростов н/Д, 2009. - 23 с.

93. Косогова, Ю. П. Сравнение противоизносных свойств водно-органических растворов, содержащих наноразмерные частицы свинца и палладия / Ю. П. Косогова, В. Э. Бурлакова // Инженерный вестник Дона, 2016. Т. 41, № 2 (41). - С. 12.

94. Косогова, Ю. П. Получение наноразмерных частиц металлов и их влияние на триботехнические характеристики смазочных композиций / Ю. П. Косогова, В. Э. Бурлакова, С. А. Томилин // Инженерный вестник Дона, 2016. - Т. 40, № 1 (40). - С. 4.

95. Симаков, Ю. С. О Физико-химических процессах при избирательном переносе / Ю. С. Симаков, Н. М. Михин // Сб. Физико-химическая механика контактного взаимодействия и фретинг-коррозия: Киев, 1973 -С. 21-22.

96. Симаков, Ю. С. Роль поверхностно-активных веществ в реализации режима безызносного трения / Ю. С. Симаков, А. А. Поляков, Д. Н. Гаркунов // Тр. Международного конгресса по поверхностно-активным веществам, 1978 - С. 762-766.

97. Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия (с Изменениями № 1, 2, 3, 4, 5). ГОСТ 4543 -71. Дата введения 1973-01-01. М.: Стандартинформ, 2008. - 39 с.

98. Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением. Марки. ГОСТ 15527-70. Дата введения 2005-07-01. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 10 с.

99. Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологических характеристик на четырехшариковой машине (с Изменениями N 1-4). ГОСТ 9490-75. Дата введения 1978-01-01. М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. - 8 с.

100. Сталь подшипниковая. Технические условия (с Изменениями № 1, 2, 3, 4, 5, 6). ГОСТ 801-78. Дата введения 1980-01-01. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 15 с.

101. Г. Б. Бокий, М. А. Пора-Кошиц. Рентгеноструктурный анализ. Том I, издание 2, под ред. Н.В. Белова. Изд. Московского университета, 1964. -488 с.

102. Электроды для определения окислительно-восстановительного потенциала. ГОСТ Р 8.702-2010. Дата введения 2011-07-01. М.: Стандартинформ, 2010. - 11 с.

103. Реактивы. Методы приготовления растворов для колориметрического и нефелометрического анализа (с Изменениями N 1, 2). ГОСТ 4212-76. Дата введения 1977-01-01. М.: Стандартинформ, 2008. - 10 с.

104. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика калибровки. ГОСТ Р 8.635-2007 ГСИ. Дата введения 2008-08-01. М.: Стандартинформ, 2008. - 6 с.

105. Головин, Ю. И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009, 304 c.

106. Oliver, W. C. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W. C. Oliver, G. M. Pharr // Journal of materials research, 1992. - Vol. 7. - №. 6. -pp. 1564-1583.

107. Металлы и сплавы. измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 1. ГОСТ Р 8.748-2011. Дата введения 2013-05-01. М.: Стандартинформ, 2013. - 28 с.

108. Шероховатость поверхности параметры, характеристики и обозначения. ГОСТ 2789-73. Введ. 1975-01-01. М.: Изд-во стандартов, 2006. - 7с.

109. Gaussian 09, Revision A.02, M.J. Frisch, G.W. Trucks, H. B. Schlegel, G.E. Scuseria, 2009.

110. Бурлакова, В. Э. Трибоэлектрохимия эффекта безызносности. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2005. С. 209.

111. Burlakova, V. E. Nanotribology of Aqueous Solutions of Monobasic Carboxylic Acids in a Copper Alloy-Steel Tribological Assembly / V. E. Burlakova, A. A. Milov, E. G. Drogan et al. // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2018. - Vol. 12, № 6. - pp. 1108-1116.

112. Burlakova, V. E. Wear products and tribochemical reactions during friction of a brass-steel pair / V. E. Burlakova, E. G. Drogan, I. E. Uflyand et al. // Wear, 2020. - Vol. 462. - pp. 203517.

113. Karis, O. The bonding of simple carboxylic acids on Cu (110) / O. Karis, J. Hasselstrôm, N. Wassdahet, et al // The Journal of Chemical Physics, 2000. -Vol. 112, № 18. - pp. 8146-8155.

114. Задошенко, Е. Г. Трибологические и физико-химические особенности самоорганизации при трении в режиме безызносности: Дис. ... канд. технических наук: 05.02.04: Ростов н/Д.: ДГТУ, 1996. 145 с.

115. Kuzharov, A. S. Molecular mechanisms of self-organization at friction. Part VI. Analysis of thermodynamic features of tribochemical reactions / A. S. Kuzharov, S. B. Bulgarevich, V. E. Burlakova et al. // Journal of Friction and Wear, 2007. -Vol. 28, №. 2. - pp. 218-223.

116. Bockris John O. M., Khan Shahed U. M. Surface electrochemistry: a molecular level approach. - Springer Science & Business Media, 2013. P 977.

117. Lackinger, M. Carboxylic acids: versatile building blocks and mediators for two-dimensional supramolecular self-assembly / M. Lackinger, W. M. Heckl // Langmuir, 2009. - Vol. 25, № 19. - pp. 11307-11321.

118. Wuhn, M. Bonding and orientational ordering of long-chain carboxylic acids on Cu (111): Investigations using X-ray absorption spectroscopy / M. Wuhn, J. Weckesser, C. Wôll // Langmuir, 2001. -Vol. 17, № 24. - pp. 7605-7612.

119. Гаркунов Д. Н., Мельников Э.Л., Гаврилюк В.С. Триботехника. - КноРус, 2011. C. 480.

120. Dai, L. Effect of surface chemistry on the mechanisms and governing laws of friction and wear / L. Dai, V. Sorkin, Y. W. Zhang // ACS applied materials & interfaces, 2016. - Vol. 8, №. 13. - pp. 8765-8772.

121. Бурлакова, В. Э. Влияние концентрации органической кислоты в составе смазки на трибологические характеристики пары трения / В. Э. Бурлакова, Е. Г. Дроган // Вестник Донского государственного технического университета, 2019. - Т. 19. - №. 1. - С. 24-30.

122. Burlakova, V. E. Effect of the Composition of the Lubricating Medium on the Structure of Surface Layers Formed by the Friction of a Servovite Film / V. E. Burlakova, E. G. Drogan, A. A. Novikova et al. // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2019. - Vol. 13, № 2. - pp. 351-358.

123. Мухортов, И. В. Полимолекулярная адсорбция смазочных материалов и ее учет в теории жидкостного трения / И. В. Мухортов // Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия: Машиностроение, 2011. - №. 31 (258). - С. 62-67.

124. Буяновский, И. А. Ориентационная упорядоченность граничных слоев и смазочная способность масел / И. А. Буяновскийи, З. В. Игнатьева, В. А. Левченко и др. // Трение и износ, 2008. - Т. 29, №. 4. - С. 375-381.

125. Новоселова, М. В. Трибологические свойства тонких пленок жирных кислот / М. В. Новоселова, М. П. Вильмс // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Физика, 2011. - №. 15. - С. 86-91.

126. Панин А. В. и др. Влияние микроструктуры на механические свойства тонких пленок меди // Физическая мезомеханика, 2003. - Т. 6. - №. 2. - С. 91-98.

127. Пичугин С. Д. Взаимодействие пары медный сплав-сталь в смазочных материалах: Дис. ... канд. технических наук: 05.02.04: Ростов н/Д.: РГУПС, 2016. 199 с.

128. Wolff, C. A newly developed test method for characterization of frictional conditions in metal forming / C. Wolff, O. Pawelski, W. Rasp // in: Proceedings of the Eighth International Conference on Metal Forming, Krakow, 2000. - pp. 91-97.

129. Rasp, W. Investigation into tribology of cold strip rolling / W. Rasp, P. Hafele // Steel research, 1998. - Vol. 69, № 4-5. - pp. 154-160.

130. Pawelski, O. Influence of hydrodynamic effects and surface roughness on tribological phenomena in cold strip rolling / O. Pawelski, W. Rasp, S. Draese et al. // Advanced Technology of Plasticity, 1996. - pp. 15-18.

131. Rasp, W. Effects of surface-topography directionality and lubrication condition on frictional behaviour during plastic deformation / W. Rasp, C. M. Wichern // Journal of Materials Processing Technology, 2002. - Vol. 125. - pp. 379-386.

132. Бурлакова, В. Э. Зеленая трибология: самоорганизующиеся пленки при трении сплава меди по стали / В.Э. Бурлакова, Е. Г. Дроган, Д. А. Остапенко, Д. Ю. Геращенко // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: сб. статей 11 -й международной научно-практической конференции в рамках 21 -й международной агропромышленной выставки "Интерагромаш - 2018" / ДГТУ. - Ростов н/Д, 28 февраля-02 марта 2018. - С. 475-477.

133. Дроган, Е. Г. Исследование поверхности трибоконтакта после трения в водном растворе капроновой кислоты / Е.Г. Дроган, В.Э. Бурлакова // Вестник Дон. гос. техн. ун-та, 2019. - Т. 19. - № 4. - С. 366-373.

134. Бурлакова, В. Э. Зависимость шероховатости поверхности сервовитной пленки и коэффициента трения от природы смазочной композиции / В. Э. Бурлакова, Е. Г. Дроган, А. А. Новикова // Динамика технических систем «ДТС-2017»: сб. трудов XIII международной научно-технической конференции / ДГТУ. - Ростов н/Д, 13-15 сентября 2017. - С. 12-15.

135. Gerberich, W. W. Superhard silicon nanospheres / W. W. Gerberich, W. M. Mook, C. R. Perrey et al. // Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2003. - Vol. 51, №. 6. - pp. 979- 992.

136. C-H. Choi, J. Kim and C.-J. Kim, Proc. 3rd ASME Integrated Nanosystems Conf.: Design, Synthesis, and Applications, Pasadena, CA, Sep. 2004, CD, IMECE2004-46078

137. Butt, H. J. Force measurements with the atomic force microscope: Technique, interpretation and applications / H. J. Butt, B. Cappella, M. Kappl // Surface science reports. - 2005. - Vol. 59, № 1-6. - pp. 1-152.

138. Oliver, W. C. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology / W. C.

Oliver, G. M. Pharr // Journal of materials research, 2004. - Vol. 19(1). - pp. 320.

139. Lost, A. Indentation size effect: reality or artifact / А. Lost, R. Bigot // Journal of Materials Science, 1996. - Vol. 31(387). - pp. 3573-3577.

140. Cheng, Y. H. Mechanical and tribological properties of nanocomposite TiSiN coatings / Y. H. Cheng, T. Browne, B. Heckerman et al. // Surface and Coatings Technology, 2010. - Vol. 204(14). - pp. 2123-2129.

141. Burlakova, V. E. Mechanical properties and size effects of self-organized film / V. E. Burlakova, A. I. Tyurin, E. G. Drogan et al. // Journal of Tribology, 2019. - Vol. 141, Iss. 5. - pp. 1-7.

142. Дроган, Е. Г. Механические свойства сервовитных пленок, формирующихся в водных растворах карбоновых кислот / В. Э. Бурлакова, Е. Г. Дроган, А. И. Тюрин, Т. С. Пирожкова // Вестник Дон. гос. техн. унта, 2018. - Т.18. - №3. - С. 280-288.

143. Malygin G. A. Strength and plasticity of nanocrystalline materials and nanosized crystals. Phys-Uspekhi, 2011. - Vol. 54(11). - pp. 1091 - 1116.

144. Musil, J. Toughness of hard nanostructured ceramic thin films / J. Musil, M. Jirout // Surface and Coatings Technology, 2007. - Vol. 201, № 9-11. - pp. 5148-5152.

145. Stoyanov, P. Scaling effects on materials tribology: from macro to micro scale / P. Stoyanov, R. R. Chromik // Materials, 2017. - Vol. 10 (5). - pp. 550.

146. Manini, N. Current trends in the physics of nanoscale friction / N. Manini, G. Mistura, G. Paolicelli et al. // Advances in Physics: X, 2017. - Vol. 2, № 3. - pp. 569-590.

147. Шевеля, В. В., Олександренко, В. П. Трибохимия и реология износостойкости // Хмельницкий: ХНУ, 2006. - 276 с.

148. Myshkin, N. Influence of adhesion induced contact areas on sliding friction / N. Myshkin, A. Kovalev, Y. Makhovskaya et al. // Tribology-Materials, Surfaces & Interfaces, 2010. - Vol. 4(3). pp. 130-135.

149. Goryacheva, I. Adhesion effect in sliding of a periodic surface and an individual indenter upon a viscoelastic base / I. Goryacheva, Y. Makhovskaya // The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 2016. - Vol. 51(4). - pp. 286-293.

150. Jonasson, M. Analysis of surface topography changes in steel sheet strips during bending under tension friction test / M. Jonasson, A. Wihlborg, L. Gunnarsson // International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1998. - Vol. 38, №. 56. - pp. 459-467.

151. Israelachvili, J. Effects of sub-Ângstrom (pico-scale) structure of surfaces on adhesion, friction, and bulk mechanical properties / J. Israelachvili, N. Maeda, K.J. Rosenberg et al. // Journal of materials research, 2005. - Vol. 20, № 8. - pp. 1952-1972.

152. Dhinojwala, A. Nanorheology of confined fluids / A. Dhinojwala // Materials Science and Technology, 2003. - Vol. 19, № 9. - pp. 1170-1174.

153. Santillán, J. M. J. Analysis of the structure, configuration, and sizing of Cu and Cu oxide nanoparticles generated by fs laser ablation of solid target in liquids / J. M. J. Santillán, F. A. Videla, , M. B. Fernández van Raap et al. // Journal of Applied Physics, 2013. - Vol. 113, № 13. - pp. 134305.

154. Chan, G. H. Plasmonic properties of copper nanoparticles fabricated by nanosphere lithography / G. H. Chan, J. Zhao, E. M. Hicks, G. C. Schatz, R. P. Van Duyne // Nano Letters, 2007. - Vol. 7, №. 7. - pp. 1947-1952.

155. Dement'eva, O. V. Copper nanoparticles synthesized by the polyol method and their oxidation in polar dispersion media. The influence of chloride and acetate ions / O. V. Dement'eva, V. M. Rudoy // Colloid Journal, 2012. - Vol. 74, №. 6. - pp. 668-674.

156. Dang, T. M. D. Synthesis and optical properties of copper nanoparticles prepared by a chemical reduction method / T. M. D. Dang, T. T. T. Le, E. Fribourg-Blanc, M. C. Dang //Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2011. - Vol. 2, № 1. - pp. 015009.

157. Huang, H. H. Synthesis, characterization, and nonlinear optical properties of copper nanoparticles / H. H. Huang, F. Q. Yan, Y. M. Kek, C. H. Chew, G. Q. Xu, W. Ji, S. H. Tang // Langmuir, 1997. - Vol. 13, №. 2. - pp. 172-175.

158. Vorobyev, S. A. Synthesis of gelatin-stabilized concentrated hydrosols of copper nanoparticles / S. A. Vorobyev, S. V. Saikova, E. E. Karimov // Russian Journal of General Chemistry, 2016. - Vol. 86, № 11. - pp. 2541- 2547.

159. Tyurnina, A. E. Synthesis and investigation of stable copper nanoparticle colloids / A. E. Tyurnina, V. Y. Shur, R.V. Kozin, D. K. Kuznetsov, V. I. Pryakhina, G. V. Burban // Physics of the Solid State, 2014. Vol. 56, № 7. - pp. 1431-1437.

160. Lanje, A. S. Synthesis and optical characterization of copper oxide nanoparticles / A. S. Lanje, S. J. Sharma, R. B. Pode, R. S. Ningthoujam // Advances in Applied Science Research, 2010. - Vol. 1, №. 2. - pp. 36-40.

161. Дроган, Е. Г. Исследование продуктов износа при трении пары латунь-сталь в кислой среде / Е. Г. Дроган, В. Э. Бурлакова // Актуальные проблемы науки и техники. 2020: сб. статей по материалам национальной научно-практической конференции / ДГТУ. - Ростов н/Д, 25-27 марта 2020. - С. 1864-1866.

162. Goncharova, D. A. Structure and properties of nanoparticles fabricated by laser ablation of bulk metal copper targets in water and ethanol / D. A. Goncharova, I. N. Lapin, E. S. Savelyev, V. A. Svetlichnyi // Russian Physics Journal, 2017. -Vol. 60, № 7. - pp. 1197-1205.

163. Ryu, J. Reactive sintering of copper nanoparticles using intense pulsed light for printed electronics / J. Ryu, H. S. Kim, H. T. Hahn // Journal of Electronic Materials, 2011. - Vol. 40, №1. - pp. 42-50.

164. Nath, A. Size induced structural modifications in copper oxide nanoparticles synthesized via laser ablation in liquids / A. Nath, A. Khare // Journal of Applied Physics, 2011. - Vol. 110, №. 4. - pp. 043111.

165. Roylance, B.J. Wear debris and associated wear phenomena—fundamental research and practice / B. J. Roylance, J. A. Williams, R. Dwyer-Joyce //

Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2000. - Vol. 214, № 1. - pp. 79-105.

166. Организация и планирование эксперимента [Текст]: учеб. пособие / В.А. Кохановский, М.Х. Сергеева. - Ростов н/Д: ИЦ ДГТУ, 2003. - 167 с.: ил. -205 экз. - ISBN 5-7890-0250-1: Б. ц. В надзаг.: Дон. гос. техн. ун-т. Библиогр.: с. 165.

167. Дроган, Е.Г. Противоизносные свойства пары сталь-сталь в масляно-кислотной среде / Е. Г. Дроган, Д. А. Остапенко, В. Э. Бурлакова // Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса: сб. научных трудов XII Международной научно-практической конференции в рамках XXII Агропромышленного форума юга России и выставки «Интерагромаш» / ДГТУ. - Ростов н/Д, 27 февраля-01 марта 2019. - С. 341343.

168. Beltzer, M. Role of dispersion interactions between hydrocarbon chains in boundary lubrication / M. Beltzer, S. Jahanmir // ASLE transactions, 1987. -Vol. 30. - №. 1. - pp. 47-54.

169. Campen, S. In situ study of model organic friction modifiers using liquid cell AFM; saturated and mono-unsaturated carboxylic acids / S. Campen, J. H. Green, G. D. Lamb et al. // Tribology Letters. - 2015. - Vol. 57. - №. 2. - pp. 18 (1-20).

170. Соколов, А. В. Изучение кинетики термоокислительной деструкции вазелинового масла методом ИК-спектроскопии / А. В. Соколов, Р. В. Королев, К. С. Мурихин, и др. // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Химия, 2019. - №. 1. - С. 99-105.

ч

<и

¿50

н

о

/ /

3\ V 5 / у 2Л \ 1

/ \ \

/

1 ' / \/ \ V &..............\. \

/ \ \\/ \ \

0,02 0,03 0,05 0,07 0,1 0,2 0,3 0,4

11 [мкм]

Рисунок Б.1. Зависимость диаметра частиц продуктов износа ($), в смазочной

композиции трении пары двухфазная латунь - сталь в течение 3600 сек. от природы кислоты: 1 - муравьиная, 2 - уксусная, 3 - пропионовая, 4 - масляная,

5 - валериановая, 6 - капроновая

100

ч

"50 л н о

/ \ \

~...... /

/ / /_______

/ /

3 / / г X

V 4 1/ / / \

/ / ' /С \

/ / ... /....... 5 /■ 1-6 д \ N.

N.

0,03 0,05 0,07 0,1 0,2 0,3 0,5

с/ [мкм]

Рисунок Б.2. Зависимость диаметра частиц продуктов износа ), в смазочной композиции трении пары двухфазная латунь - сталь в течение 14400 сек. от природы кислоты: 1 - муравьиная, 2 - уксусная, 3 - пропионовая, 4 - масляная,

5 - валериановая, 6 - капроновая

0,02 0,03 0,05 0,07 0,1 0,2 0,3 0,4

с/ [мкм]

Рисунок Б.3. Зависимость диаметра частиц продуктов износа (<Я), в смазочной композиции трении пары двухфазная латунь - сталь в течение 25200 сек. от природы кислоты: 1 - муравьиная, 2 - уксусная, 3 - пропионовая, 4 - масляная,

5 - валериановая, 6 - капроновая

0,02 0,03 0,05 0,07 0,1 0,2 0,3 0,5

с/ [мкм]

Рисунок Б.4. Зависимость диаметра частиц продуктов износа в смазочной композиции трении пары двухфазная латунь - сталь в течение 36000 сек. от природы кислоты: 1 - муравьиная, 2 - уксусная, 3 - пропионовая, 4 - масляная,

5 - валериановая, 6 - капроновая

Методика классического однофакторного эксперимента Вычисления по определению параметров модели методом наименьших квадратов:

Выбор модели. Квадратичная модель у=ах2+Ьх+с требует следующей системы уравнений:

a^x2+b^x + cN = ^y а ^ х3 + Ь ^ х2 + сх = ^ ху ^х4 + Ь^х3 + сх2 = ^х2

Определение дисперсии воспроизводимости

N п / ч

Е Е (у. - У )2

2 _ 1=1 и=1

82 =

N-(п -1) '

где и - количество параллельных опытов (1...п); 1 - количество уровней переменного фактора (точек на кривой отклика) (1...К); у - среднее значение выхода из серии параллельных опытов.

Определение дисперсии коэффициентов модели

с -

2

Данная дисперсия позволяет оценить значимость коэффициентов модели. Запись модели в натуральных переменных.

Таблица В 1. Вычисление параметров модели

№ п/п X X2 У ху X3 X4 2 ху

1 0,025 0,000625 0,611 0,015275 15,610-6 0,391 10-6 0,000381875

2 0,05 0,0025 0,586 0,0293 0,000125 6,25 10-6 0,001465

3 0,1 0,01 0,492 0,0492 0,001 0,0001 0,00492

4 0,2 0,04 0,631 0,1262 0,008 0,0016 0,02524

5 0,5 0,25 0,738 0,369 0,125 0,0625 0,1845

X 0,875 0,303125 3,058 0,588975 0,134141 0,064207 0,216506875

Таблица В 2. Определение дисперсии воспроизводимости

1 1 1

№ п/п У1 У2 У3 У 1

1 0,607 0,614 0,614 0,612 2,1810-5 0,54 10-5 0,54 10-5 3,27-10-5

2 0,564 0,585 0,607 0,585 45,51 10-5 0,0110-5 46,94 10-5 92,47 10-5

3 0,543 0,464 0,471 0,493 253,34 10-5 82,2 10-5 46,94 10-5 382,5 10-5

4 0,671 0,621 0,56 0,617 288,01 ■ 10-5 1,34 10-5 328,7 10-5 618,110-5

5 0,721 0,733 0,757 0,737 0,000256 0,000016 0,0004 0,000672

0,0116347

0 0,0116347 ^ = 5 ■ (3 - 1) = 0,001163466

3. Определение дисперсии коэффициентов модели

9 0,001163466

= -у =---= 0,0011634667

2 2

4. Расчет коэффициентов уравнения регрессии

0,303125 • а + 0,875 • Ь + 5 • с = 3,058 0,134140625 • а + 0,303125 • Ь + 0,875 • с = 0,588975 10,064206641 • а + 0,134140625 • Ь + 0,303125 • с = 0,216506

а = 1,014, Ь = -0,189, с = 0,583

5. Запись уравнения регрессии

у = 1,014 • х2 - 0,189 • х + 0,583 Таблица В 3. Расчет адекватности и погрешности модели

№ п/п У Урасч (У Урасч) Д = |У Урасч •100% Урасч

1 0,611667 0,578909 0,001073081 0,001853627

2 0,585333 0,576085 8,55317-10-5 0,000148471

3 0,492667 0,57424 0,006654209 0,011587853

4 0,617333 0,58576 0,000996875 0,00170185

5 0,737 0,742 0,000025 3,36927 10-5

^0,008834697

5а2д = п • ^(у - урасч)2 = 3 • 0,008834697 = 0,026504091 5а2д >5-2, т. к. 0,026504091 > 0,0011634667 => модель адекватна

6. Построение модели 0,6

0,59

2 0,58 м

° 0,57

0,56

0,55

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

С, %

Рисунок В.1. Модель процесса противоизносных исследований на ЧШМ ВМ с

Были проведены аналогичные расчеты и построены модели процесса противоизносных исследований на ЧШМ в вазелиновом масле с добавлением муравьиной, уксусной, пропионовой, масляной и валериановой кислот

7. Выводы:

- по результатам всех вычислений была получена адекватная модель процесса трибологических исследований раствора капроновой кислоты;

- при помощи данной модели были подобраны параметры, гарантирующие получение диаметра пятна износа определенного размера. Для данного трибологического метода отмечена низкая погрешность модели.

добавлением капроновой кислоты

Рисунок Г.1. Несущая и предельная нагрузочные способности вазелинового масла, модифицированного муравьиной кислотой разной концентрации (С)

Рисунок Г.2. Несущая и предельная нагрузочные способности вазелинового масла, модифицированного уксусной кислотой разной концентрации (С)

410 519 Р[ Н]

Рисунок Г.3. Несущая и предельная нагрузочные способности вазелинового масла, модифицированного пропионовой кислотой разной концентрации (С)

3.5 3.0

2.5

I 2.0

^1.5 1.0 0.5

а а а л а

У / 1 * у / / /% 7 / x / •/ у / / / / V И ' /

/• /

• < ^ 1 —•—"*••

1111111

-Вазелиновое

масло

С [моль/л]

- 0.025

- 0.05

- 0.1

0.2

- 0.5

0 196 294 410 519 657 803 941 1062

Р[ Н]

Рисунок Г.4. Несущая и предельная нагрузочные способности вазелинового масла, модифицированного масляной кислотой разной концентрации (С)

О 196 294 410 519 657 803 941 1062

Р[ Н]

Рисунок Г.5. Несущая и предельная нагрузочные способности вазелинового масла модифицированного валериановой кислотой разной концентрации (С)

Рисунок Г.6. Несущая и предельная нагрузочные способности вазелинового масла модифицированного капроновой кислотой разной концентрации (С)