Триботехника

Министерство образования, науки, молодежи и спорта Украины

Донецкий национальный университет

 

 

 

 

 

 

Реферат по триботехнике

 

 

 

 

 

подготовил: ст.гр.

проверил:

 

 

 

 

 

Донецк 2011

 

Содержание

Диффузия в твердых  телах. Самодиффузия, термодиффузия

Фактическая площадь касания  и сближения между поверхностями  контактирующих тел

Изменение происходящие в поверхностном слое

Изнашивание поверхностей деталей 

Механизм фреттинг-коррозия. Методы борьбы с фреттинг-коррозией

 

 

 

 

 

Диффузия в  твердых телах

Диффузия— это обусловленный хаотическим тепловым движением перенос атомов, он может стать направленным под действием градиента концентрации или температуры. Диффундировать могут как собственные атомы решетки (самодиффузия или гомодиффузия), так и атомы других химических элементов, растворенных в полупроводнике (примесная или гетеродиффузия), а также точечные дефекты структуры кристалла — междоузельные атомы и вакансии.

Для создания в полупроводнике слоев с различным типом проводимости и p-n-переходов в настоящее время  используются три метода введения примеси: термическая диффузия, нейтронно-трансмутационное легированиеи ионная имплантация (ионное легирование). С уменьшением размеров элементов ИМС и толщин легируемых слоев второй метод стал преимущественным. Однако и диффузионный процесс не теряет своего значения, тем более, что при отжиге полупроводника после ионного легирования распределение примеси подчиняется общим законам диффузии.

Основные характеристики диффузионных слоев

• поверхностное сопротивление, или поверхностная концентрация примеси;
• глубина залегания -перехода или легированного слоя;
• распределение примеси в легированном слое.

До настоящего времени  нет достаточно полной общей теории, позволяющей сделать точный расчет этих характеристик. Существующие теории описывают реальные процессы либо для  частных случаев и определенных условий проведения процесса, либо для создания диффузионных слоев  при относительно низких концентрациях  и достаточно больших глубинах введения примеси. Причиной этого является многообразие процессов, протекающих в твердом  теле при диффузии, таких как взаимодействие атомов различных примесей друг с другом и с атомами полупроводника, механические напряжения и деформации в решетке кристалла, влияние окружающей среды и других условий проведения процесса.

 

 

 

 

Механизмы диффузии примесей

Схема возможных механизмов диффузии атомов в кристаллах

Основными механизмами перемещения  атомов по кристаллу могут быть: прямой обмен атомов местами — а; кольцевой обмен — б; перемещение по междоузлиям — в; эстафетная диффузия — г; перемещение по вакансиям — д; диссоциативное перемещение — е; миграция по протяженным дефектам (дислокациям, дефектам упаковки, границам зерен).

• Вакансионный механизм диффузии — заключается в миграции атомов по кристаллической решётке при помощи вакансий. В любом кристалле существуют вакансии — места в решетке без атомов (их иногда называют атомами пустоты). Атомы вокруг вакансии колеблются и, получив определенную энергию, один из этих атомов может перескочить на место вакансии и занять её место в решетке, в свою очередь оставив за собой вакансию. Так происходит перемещение по решетке атомов и вакансий, а значит и массоперенос. Энергия, необходимая для перемещения вакансии или атома по решетке, называется энергией активации.
• Межузельный механизм диффузии — заключается в переносе вещества межузельными атомами. Диффузия по такому механизму происходит интенсивно, если в кристалле по каким-то причинам присутствует большое количество межузельных атомов и они легко перемещаются по решетке. Такой механизм диффузии предполагается, например, для азота в алмазе.
• Прямой обмен атомов местами — заключается в том, что два соседних атома одним прыжком обмениваются местами в решетке кристалла.

В любом процессе диффузии, как правило, имеют место все  перечисленные механизмы движения атомов. При гетеродиффузии, по крайней  мере, один из атомов является примесным. Однако вероятность протекания этих процессов в кристалле различна. Прямой обмен атомов требует очень большого искажения решетки в этом месте и связанной с ним концентрации энергии в малой области. Поэтому данный процесс оказывается маловероятным, как и кольцевой обмен.

Самодиффузия, частный случай диффузии в чистом веществе или растворе постоянного состава, при котором диффундируют собственные частицы вещества. При Самодиффузия атомы, участвующие в диффузионном движении, обладают одинаковымихимическими свойствами, но могут различаться по своим физическим характеристикам (составом атомного ядра, см. Изотопы). При различии изотопного состава вещества за процессом Самодиффузия можно наблюдать, применяя радиоактивные изотопы (см.Изотопные индикаторы) или анализируя изотопный состав при помощи масс-спектрометров. Изменение концентрации данного изотопа в рассматриваемом объёме вещества в зависимости от времени описывается обычными уравнениями диффузии, а скорость процесса характеризуется соответствующим коэффициентом Самодиффузия (см. Диффузия). Диффузионные перемещения частиц твёрдого тела могут приводить к изменению его формы и к другим явлениям, если на образец длительно действуют такие силы, как поверхностное натяжение, сила тяжести, упругие силы, электрические силы и т. д. При этом может наблюдаться сращивание двух пришлифованных образцов одного и того же вещества, спекание порошков, растягивание тел под действием подвешенного к ним груза (диффузионная ползучесть материалов) и т. д. Изучение кинетики этих процессов позволяет определить коэффициент Самодиффузия вещества.

Термическая диффузия

Сущность явления термодиффузии, открытого К. Людвигом в 1856 г., состоит  в том, что при наличии температурного градиента в смеси, состоящей  из нескольких компонентов, возникает  градиент концентраций. Заполнив U-образную трубку раствором сульфата натрия и  поддерживая в одном ее колене температуру 0, а в другом 100°С, Людвиг обнаружил через некоторое время в холодном колене выпавшие в осадок кристаллы соли. 
После изобретения термодиффузионной колонки (1938 г.) термическую диффузию стали использовать для разделения смесей, трудноразделимых другими методами, в том числе нефтяных фракций. Термодиффузионные колонки состоят из двух коаксиальных цилиндров с зазором между ними 0,25—0,5 мм. Разделяемую смесь помещают в пространство между цилиндрами, один из которых нагревают, а другой охлаждают. При этом молекулы одного вещества перемещаются к холодной стенке или цилиндру и в результате конвекции опускаются вниз, а молекулы другого компонента направляются к горячему цилиндру и концентрируются в верхней части колонки. Основные закономерности процесса: 1) к холодной стенке движется углеводород с наибольшим числом углеродных атомов и с наибольшей температурой кипения; 2) при одинаковой температуре кипения к холодной стенке направляется компонент с наименьшим молярным объемом; 3) при одинаковых молярных объемах и температурах кипения к холодной стенке движется компонент с наименьшей поверхностью молекул. 
Как правило, термодиффузионному разделению подвергают сравнительно узкокипящие (25—50-градусные) фракции, предварительно разделенные на алкан-циклоалкановую и ареновую части. При термической диффузии насыщенных углеводородов в верхней части колонки концентрируются алканы, в средних фракциях — моно- и бициклоалканы и в последних термодиффузионных фракциях (в нижней части колонки) — полициклоалканы. Таким образом, метод термодиффузии позволяет более или менее успешно решать следующие сложные задачи: 
разделять смеси близкокипящих циклоалканов и алканов изостроения (например, можно разделять циклогексан и 2,4-ди-метилпентан, температуры кипения которых различаются всего на 0,24°С); 
разделять смеси циклоалканов по числу циклов с получением концентратов моно-, би- и полициклоалканов; 
разделять цис-, транс-изомеры, например цис- и транс-декалин, цис- и транс- 1,2-диметилциклогексан. 
Степень разделения компонентов повышается, если навить проволоку по винтовой линии на внутреннюю трубку колонки — при этом уменьшается влияние паразитной конвекции. К тому же эффекту приводит использование роторных диффузионных колонн, в которых внутренний цилиндр медленно вращается. Недостаток как роторных колонн, так и колонн со спиральной навивкой состоит в увеличении продолжительности достижения стационарного состояния, которое составляет, как правило, десятки часов. 
Невысокая производительность термодиффузиоиных колонн ограничивает возможности использования метода в промышленности. Тем не менее, предлагалось использовать термодиффузию для получения фракций масел с высоким индексом вязкости и низкой температурой застывания. Имеются зарубежные установки производительностью до 9 т/сут смазочного масла с повышенным индексом вязкости. 
Разработаны автоматизированные аппараты непрерывного термодиффузионного разделения (АТР-3 и АТР-ЗМ), которые успешно используют для препаративного разделения нефтяных фракций и нефтехимических продуктов.

 

Фактическая площадь  контакта

В современной механике под  трением понимают широкий круг явлений, вызываемых взаимодействием соприкасающихся  поверхностей твердых тел при  относительном перемещении, а также  внутренним движением в твердых, жидких и газообразных средах при  их деформации.

Первоначальное развитие получило изучение внешнего трения как  силы сопротивления относительному движению соприкасающихся тел при  трогании с места, скольжении, качении, верчении, при смазке в гидродинамическом  режиме, образовании на поверхностях тонких слоев в несколько молекул (граничная смазка) либо в отсутствие смазки (сухое трение).

Внутреннее трение в твердых, жидких и газообразных средах подробно изучено в аэро- и гидродинамике  и связано с необратимым рассеянием механической энергии, т.е. ее преобразованием  во внутреннюю энергию.

В технике трение является инициатором деформационных, динамических, тепловых, акустических, электрических, адгезионных и других процессов, определяющих ресурс работоспособности  узлов трения машин, их энергетику и  эффективность.

Первичной проблемой при  изучении трения является контактирование  соприкасающихся поверхностей. В  понятие контактирования входит взаимодействие поверхностей, принадлежащих  твердым телам, под действием  относительного смещения и сжимающих  сил с учетом их отклонения от идеальной  формы и влияния среды (газы и  смазочные материалы), присутствующей в зоне контакта.

Отклонениями от идеальной  формы, которые считаются макроскопическими, являются неплоскостность, извернутость, волнистость и т.п. Они обычно имеют масштаб, измеряемый в диапазоне 10^-3÷10^-4м. Макроскопические неровности несут на себе микронеровности, измеряемые на уровне 10^-5 ÷ 10^-6 м. В свою очередь микронеровности имеют субшероховатость порядка молекулярных размеров.

В основе представлений о  фрикционном взаимодействии шероховатых  поверхностей лежит понятие о  площади соприкосновения трущихся тел.

Анализ контактирования и оценка площади соприкосновения

При случайном расположении шероховатостей на поверхностях контактирующих тел контактное сближение этих тел  под действием внешней нагрузки лимитирует фактическая площадь соприкосновения, определяемая геометрией контактирующих поверхностей.

На рис. 1.1 показаны основные характеристики геометрии шероховатых поверхностей: шероховатость с максимальной высотой профиля Rmax, волнистость с максимальной высотой волны Rwmax и макроотклонения от горизонтальной базовой плоскости с размером δ.

Р и с. 1.1. Основные характеристики

геометрии шероховатых поверхностей

Для оценки шероховатости  используются: оптические, щуповые, электронно-микроскопические и другие методы. Промышленное применение приобрел щуповой метод. Суть его  заключается в том, что по поверхности  скользит игла с радиусом закругления 2-10 мкм, значительно меньшим, чем  радиус закругления вершин микронеровностей. Колебания иглы в вертикальном направлении  преобразуются в электрические  сигналы, поступающие в микропроцессор, который выдает в цифровом виде основные характеристики профиля.

На рис. 1.4 показана структурная  схема площади контакта. Площадки фактического контакта DA_ri сгруппированы на площадях касания волн, совокупность которых составляет контурную площадь контакта DA_сi (КПК). Общая   площадь   соприкасания тел (кажущаяся), в пределах которой заключены ФПК и КПК, называется номинальной площадью контакта А_а (НПК).

 

Р и с. 1.4. Структурные компоненты

 реального контакта  шероховатых

поверхностей:

A_а - номинальная площадь контакта;

A_сi -контурная площадка;

DA_ri - фактическая площадь единичного

       пятна контакта.

Суммарная площадь фактического контакта 

А_r= DA_ri.

Наиболее полно методика расчета ФПК разработана профессором  Н.Б. Демкиным. В целях расчета  ФПК шероховатость поверхности  обычно моделируют набором сферических сегментов, вершины которых разбросаны по высоте таким образом, чтобы сохранить закон распределения материала в шероховатом слое, который задается с помощью полученной из опыта опорной кривой.

Рассмотрим по рис.1.5 контакт  шероховатой поверхности с гладкой, что упрощает задачу, а результаты можно перенести на контакт двух шероховатых поверхностей. Поскольку в узлах трения деформация выступов невелика по сравнению с их размером, то можно пренебречь искажением формы и считать, что площадка контакта А_ri равна площади сечения выступа на расстоянии от вершины равном деформации а_i, которую называют

 

                           а                                                                     б

Р и с. 1.5. К анализу оценки фактической площади контакта

Идея расчета ФПК при упругом контактировании заключается в следующем. Шероховатый слой сжимается плоским гладким штампом от исходного положения ВВ до конечного В₁В (см. рис. 1.5).

Отметим, что для приработанных  поверхностей узлов трения характерен упругий контакт. Пластический контакт  может частично проявиться при первых нагружениях, когда сжимаются наиболее высокие выступы. Последующие нагружения происходят уже в условиях, приближенных к упругому контакту. Пластический контакт имеет место также при обработке материалов резанием, ковкой, штамповкой, прессованием, накаткой и др.