МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА
им. И.М. ГУБКИНА
УТВЕРЖДАЮ:
Первый проректор по учебной работе,
___________________В.Н. Кошелев
«____»___________2013 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ
Направление подготовки
151000 «ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ»
Профиль подготовки
ТЕХНОЛОГИИ И МЕНЕДЖМЕНТ РЕНОВАЦИИ НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Квалификация выпускника
Магистр
Форма обучения
Очная
Москва 2013 г.
1.
Цели и задачи дисциплины
Целью изучения дисциплины является приобретение студентами знаний, умений и навыков в области науки о трении и изнашивании подвижных сопряжений машин, механизмов и оборудования, а также о механических, физических, химических, электрических процессах, происходящих при взаимодействии трибосопряжений. Это необходимое условие для успешной учебы в
области физико-химической механики поверхностей трения; подготовке к профессиональной деятельности в области проектирования, изготовления и эксплуатации трибосопряжений.
2.
Место дисциплины в структуре ООП ВПО
Дисциплина «Физико-химическая механика накопления повреждений» представляет собой
дисциплину вариативной части общенаучного цикла дисциплин по выбору студента и относится к
направлению 151000 «Технологические машины и оборудование», программе «Технологии и менеджмент реновации нефтегазового оборудования».
3.
Требования к результатам освоения дисциплины
В процессе освоения данной дисциплины студент формирует и демонстрирует следующие
общекультурные и общепрофессиональные компетенции при освоении ООП ВПО, реализующей
ФГОС ВПО:
 способность к обобщению, анализу, критическому осмыслению, систематизации, прогнозированию при постановке целей в сфере профессиональной деятельности с выбором путей их достижения (ОК- 2);
 способность критически оценивать освоенные теории и концепции, переосмысливать
накопленный опыт, изменять при необходимости профиль своей профессиональной деятельности (ОК- 3),
 способность собирать, обрабатывать с использованием современных информационных
технологий и интерпретировать необходимые данные для формирования суждений по соответствующим социальным, научным и этическим проблемам (ОК- 4);
 способность самостоятельно применять методы и средства познания, обучения и самоконтроля для приобретения новых знаний и умений, в том числе в новых областях, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК- 5);
 способность на научной основе организовывать свой труд, самостоятельно оценивать результаты своей деятельности, владеть навыками самостоятельной работы в сфере проведения научных исследований (ОК-7);
 умение организовывать и проводить научные исследования, связанные с разработкой проектов и программ, проводить работы по стандартизации технических средств, систем, процессов, оборудования и материалов (ПК-19);
 способность разрабатывать физические и математические модели исследуемых машин,
приводов, систем, процессов, явлений и объектов, относящихся к профессиональной сфере, разрабатывать методики и организовывать проведение экспериментов с анализом их
результатов (ПК-20).
В результате изучения дисциплины студент должен демонстрировать следующие результаты образования:
Студент должен знать:
– механические, физические, химические и электрические процессы при взаимодействии
подвижных сопряжений (ОК-2, ОК-3, ОК-4, ОК-5);
2
– изменение физико-механических и физико-химических свойств поверхностей трения
(ОК-2, ОК-3, ОК-4, ОК-5);
– роль смазочных материалов при формировании пленок вторичных структур (ОК-2, ОК-3,
ОК-4, ОК-5);
– современные методы исследования поверхностных пленок на контактирующих поверхностях (ОК-2, ОК-3, ОК-4, ОК-5).
Студент должен уметь:
– проводить экспериментальные исследования процессов трения и изнашивания подвижных сопряжений (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20);
– оценивать изменения характеристик микрогеометрии поверхностей трения (ОК-4, ОК-7,
ПК-19, ПК-20);
– проводить металлографические исследования образцов (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20);
– исследовать зоны трения подвижных сопряжений на растровом электронном микроскопе
(ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20).
Студент должен владеть:
– навыками работы на машинах трения (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20);
– методикой изготовления металлографического шлифа (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20);
– методикой подготовки образцов для послойных исследований защитных пленок на поверхностях трения (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20);
– навыками оценки изменений физико-механических и физико-химических свойств поверхностей
трения (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20);
– навыками проведения исследований и анализа полученных результатов (ОК-4, ОК-7, ПК-19,
ПК-20).
4.
Объем дисциплины и виды учебной работы
1
2
3
Разделы
дисциплины
Введение.
Механические свойства поверхностных
слоев
подвижных
сопряжений
Физика
контакта
трибосопряжений
Механика контактного взаимодействия
твердых тел при трении
2
Неделя семестра
№
п/п
Семестр
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы – 72 часа.
1-2
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов
и трудоемкость (в часах)
Л
ЛР
2
2
3-4
2
2
5-6
2
ПЗ
(С)
4
СР
2
2
3
Коды компетенций
2
ОК-2, ОК-3,
ОК-4, ОК-5,
ОК-7, ПК19, ПК-20
ОК-2, ОК-3,
ОК-4, ОК-5,
ОК-7, ПК19, ПК-20
ОК-2, ОК-3,
ОК-4, ОК-5,
ОК-7, ПК19, ПК-20
Формы текущего
контроля успеваемости
(по неделям семестра)
Форма промежуточной аттестации
(по семестрам)
Текущий контроль:
7 неделя – рубежный контроль,
11 неделя – рубежный контроль,
Форма промежуточной аттестации: зачет
3
4
5
6
7
8
9
10
Влияние трибохимических реакций на
процессы трения и
изнашивания
Взаимодействие
между поверхностями двух реальных
тел
Эффект адсорбционного
понижения
прочности твердых
тел под влиянием
смазочных материалов
Состояние поверхностных слоев на
границе
металл–
жидкая фаза
Граничный
слой
смазочного материала и смазочное действие
Роль поверхностных
пленок в процессах
трения и изнашивания трибосопряжений
Методы исследования поверхностных
слоев металла
4.1
2
7-8
2
4
8
2
910
2
2
2
2
1112
2
8
2
13
1
6
2
14
1
2
2
2
15
1617
1
2
4
ОК-2, ОК-3,
ОК-4, ОК-5,
ОК-7, ПК19, ПК-20
ОК-2, ОК-3,
ОК-4, ОК-5,
ОК-7, ПК19, ПК-20
ОК-2, ОК-3,
ОК-4, ОК-5,
ОК-7, ПК19, ПК-20
ОК-2, ОК-3,
ОК-4, ОК-5,
ОК-7, ПК19, ПК-20
ОК-2, ОК-3,
ОК-4, ОК-5,
ОК-7, ПК19, ПК-20
2
ОК-2, ОК-3,
ОК-4, ОК-5,
ОК-7, ПК19, ПК-20
2
ОК-2, ОК-3,
ОК-4, ОК-5,
ОК-7, ПК19, ПК-20
Содержание разделов дисциплин
1. Введение. Механические свойства поверхностных слоев подвижных сопряжений.
Роль изменений свойств поверхностных слоев в процессе взаимодействия триады трения и их влияние на износостойкость подвижных сопряжений. Влияние технологической обработки на свойства поверхностных слоев. Изменение микротвердости детали по глубине поверхностного слоя.
Дислокации. Изменение прочности кристалла от концентрации дислокаций.
2. Физика контакта трибосопряжений.
Состав поверхности, адгезионные связи. Механизмы адгезии. Адгезия чистых и разнородных металлов. Коэффициент адгезии. Суммарный эффект адгезии.
3. Механика контактного взаимодействия твердых тел при трении
Фактическая и контурная площади контакта. Контакт шероховатых поверхностей. Силовые взаимодействия твердых тел. Упругий, пластический контакт поверхностей.
4. Влияние трибохимических реакций на процессы трения и изнашивания
Защитные оксидные пленки. Образование пленок за счет хемосорбции и реакций с ПАВ. Защитные пленки, образуемые присадками. Защитные пленки при использовании твердых смазочных
материалов. Полимерные пленки.
5. Взаимодействие между поверхностями двух реальных тел
4
Межатомные и межмолекулярные взаимодействия. Ковалентная, ионная, металлическая связь.
Молекулярные взаимодействия. Ориентационное, индукционное, дисперсное взаимодействие. Сила взаимодействия между двумя реальными телами.
6. Эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел под влиянием смазочных материалов
Прочность материалов. Свободная поверхностная энергия твердых тел. Эффект П.А. Ребиндера.
Адсорбционное пластифицирование поверхностного слоя металла под влиянием смазочного материала. Влияние вязкости смазочного материала и оксидных пленок.
7. Состояние поверхностных слоев на границе металл–жидкая фаза
Адсорбция поверхностно-активных веществ на металлической поверхности. Двойной электрический слой, работа выхода электрона. Энергетическое состояние металлической поверхности под
слоем смазочного материала.
8. Граничный слой смазочного материала и смазочное действие
Современные представления о влиянии граничных слоев на процесс трения подвижных сопряжений при граничной смазке. Взаимодействие металла с кислородом при трении. Совместное действие ПАВ и кислорода. Механические свойства окислов и вторичных структур. Саморегулирование процессов разрушения и восстановления вторичных структур. Физическая модель.
9. Роль поверхностных пленок в процессах трения и изнашивания трибосопряжений
Состав и трение защитных пленок при изнашивании трибосопряжений в минеральном масле.
Формирование защитных пленок на поверхностях трения при введении в смазочный материал серосодержащей присадки, трибополимерные пленки на поверхностях трения.
Элементный состав, строение и толщина защитных пленок в парах трения медный, алюминиевый
сплав–сталь в смазочных материалах.
10. Методы исследования поверхностных слоев металла
Металлографический, рентгеноструктурный, электронографический анализ поверхностей трения.
Рентгеноспектральный микроанализ. Исследование элементного состава, строения и толщины защитных пленок на поверхностях трения с привлечением ОЖЕ-спектроскопии, рентгенофотоэлектронной спектроскопии и метода ЭСХА для химического анализа.
4.2. Основные темы лабораторных занятий
1. Экспериментальное получение зависимости изменения диаметра пятна износа от нагрузки
на 4-х шариковой машине трения (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
2. Изготовление металлографического шлифа зоны трения шаров (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК20)
3. Оценка изменений микротвердости поверхностного слоя шара (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
4. Проведение исследований процессов трения и изнашивания пар колодка–ролик в минеральном масле с медьсодержащей присадкой (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
5. Оценка характеристик микрогеометрии поверхностных слоев трибосопряжений, изношенных в смазочных материалах (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
6. Исследование влияния смазочных материалов на контактную выносливость тел качения
(ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
7. Изменение контактной выносливости тел качения от характеристик микрогеометрии поверхностного слоя (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
8. Определение изменений величины шероховатости, волнистости, гранности поверхностных
слоев тел качения (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
9. Анализ зоны трения пары колодка–ролик, изношенных в смазочных материалах на растровом электронном микроскопе (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
10. Анализ усталостных разрушений поверхностных слоев изношенных тел качения (ОК-4,
ОК-7, ПК-19, ПК-20)
5
4.3 Темы практических занятий
1. Механические свойства поверхностных слоев подвижных сопряжений (ОК-4, ОК-7, ПК19, ПК-20)
2. Физика контакта трибосопряжений (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
3. Механика контактного взаимодействия твердых тел при трении (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК20)
4. Влияние трибохимических реакций на процессы трения и изнашивания (ОК-4, ОК-7, ПК19, ПК-20)
5. Взаимодействие между поверхностями двух реальных тел (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
6. Эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел под влиянием смазочных материалов (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
7. Состояние поверхностных слоев на границе металл–жидкая фаза(ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК20)
8. Граничный слой смазочного материала и смазочное действие (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
9. Роль поверхностных пленок в процессах трения и изнашивания трибосопряжений (ОК-4,
ОК-7, ПК-19, ПК-20)
10. Методы исследования поверхностных слоев металла (ОК-4, ОК-7, ПК-19, ПК-20)
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
При реализации программы дисциплины «Физико-химическая механика накопления повреждений» используются различные образовательные технологии: во время аудиторных занятий (34
часа) занятия проводятся в виде практических занятий и лабораторных работ.
Самостоятельная работа студентов предусматривает подготовку к лабораторным работам.
Для закрепления изученного материала могут задаваться домашние задания.
В течение преподавания курса «Физико-химическая механика накопления повреждений» в
качестве форм текущей аттестации студентов используются такие формы, как собеседование при
приеме домашних работ с оценкой.
Вид промежуточной отчетности – дифференцированный зачет.
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Оценочными средствами являются:
– для текущей аттестации – являются два рубежных контроля, которые проводятся перед контрольными неделями, рейтинговая система своевременности и полноты выполнения домашних
заданий и оценка активности работы студента при выполнении лабораторных работ.
- для промежуточной аттестации – собеседование по теоретической части с рейтинговой
оценкой знаний.
6.1. Основные темы домашних заданий
1. Влияние шероховатости поверхностных слоев подвижных сопряжений на процессы трения и изнашивания (ОК-7, ОК-8; ПК-3, ПК-16, ПК-19, ПК-21).
2. Изменение контактной выносливости тел качения от свойств смазочных материалов
(ОК-7, ОК-8; ПК-3, ПК-16, ПК-19, ПК-21).
3. Смазочные материалы, формирующие трибополимерные защитные пленки на поверхностях трения (ОК-7, ОК-8; ПК-19, ПК-21).
4. Финишная антифрикционная безабразивная обработка поверхностей трения деталей
машин (ОК-7, ОК-8; ПК-19, ПК-21).
6
6.2. Перечень примерных вопросов к самостоятельной работе студентов:
1.
Введение. Механические свойства поверхностных слоев подвижных сопряжений
(ОК-2, ОК-3, ОК-4, ОК-5):
–процессы происходят в поверхностных слоях металла при технологической обработке;
–влияние СОТС на свойства поверхностных слоев металла;
–изменение микротвердости поверхностного слоя по глубине после технологической обработки;
– способы удаления с поверхностного слоя сформировавшиеся пленки;
–отличие линейных дислокаций от винтовых;
–изменение прочности кристалла от концентрации дислокации;
2.
Физика контакта трибосопряжений (ОК-2, ОК-3, ОК-4, ОК-5):
– что представляет собой поверхность кристаллических тел с точки зрения физики твердого тела;
– особенности технических поверхностей;
– наружные поверхностные слои;
– внутренние поверхностные слои;
– исследования влияния смазочных материалов на процессы трения и изнашивания подвижных сопряжений;
– типы механизмов адгезионных связей;
– влияние суммарного эффекта адгезии.
3.
Механика контактного взаимодействия твердых тел при трении (ОК-2, ОК-3, ОК-4,
ОК-5):
– какие пары микронеровностей первыми вступают в контакт под влиянием нормальной
нагрузки;
– что происходит при контактировании поверхностей с разной твердостью?;
– фактическая и контурная площади контакта;
– что характеризует фактическое давление?;
– чем сопровождается внешнее трение?;
–упругий и пластический контакт твердых тел.
4.
Влияние трибохимических реакций на процессы трения и изнашивания (ОК-2, ОК3, ОК-4, ОК-5):
– влияет окружающей среды на процессы трения и изнашивания подвижных сопряжений;
– эффективные органические соединения способствующие образованию защитных слоев;
– роль соединений, содержащих хлор, серу, фосфор в формировании защитных пленок;
– влияние сульфид молибдена на триботехнические характеристики трибосопряжений;
– органические соединения, образующие полимерные пленки;
– высокотемпературные защитные пленки;
5.
Взаимодействие между поверхностями двух реальных тел (ОК-2, ОК-3, ОК-4, ОК5):
– к какой связи относится ковалентная связь?;
– твердые тела, характерные для ионной связи;
– межмолекулярные взаимодействия;
– строение поверхностного слоя твердого тела;
– сила притяжения между взаимодействующими телами в зависимости от расстояния «Н»
между ними;
– силы, используемые в смазочных системах для подачи смазочного материала;
– обеспечение ротапринтной смазки подвижных сопряжений.
6.
Эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел под влиянием смазочных материалов (ОК-2, ОК-3, ОК-4, ОК-5):
7
– отличие теоретической прочности твердых тел от реальной;
– процесс разрушения твердого тела при механическом нагружении;
– избыточная свободная энергия;
– сущность эффекта П.А. Ребиндера;
– области технического применения эффекта П.А. Ребиндера;
– локализация деформация сдвига при использовании активного смазочного материала.
7.
Состояние поверхностных слоев на границе металл-жидкая фаза (ОК-2, ОК-3, ОК4, ОК-5):
– процессы, происходящие на поверхности твердого тела, которые свидетельствуют о работе выхода электрона;
– от чего зависит работа выхода электрона?;
– влияние шероховатости поверхностного слоя на работу выхода электрона;
– реализация двойной электрический слой при адсорбции ПАВ;
– условия уменьшение работы выхода электрона при адсорбции ПАВ;
– толщина граничного смазочного слоя у высокомолекулярных жирных кислот.
8.
Граничный слой смазочного материала и смазочное действие (ОК-2, ОК-3, ОК-4,
ОК-5):
– молекулярный механизм трения при граничной смазке;
– кинетика хемосорбции кислорода металлом;
– влияние ПАВы на роль кислорода при трении;
– разрушение вторичных структур при механическом нагружении;
– физическая модель процессов, происходящих в тончайших поверхностных слоях при
трении;
– параметры трения при динамическом равновесии процессов разрушения и восстановления вторичных структур.
9.
Роль поверхностных пленок в процессах трения и изнашивания трибосопряжений
(ОК-2, ОК-3, ОК-4, ОК-5):
– факторы, влияющие на толщину граничного смазочного слоя;
– роль промежуточной прослойки во внешнем трении;
– состав защитной пленки на поверхностях трения при изнашивании в минеральном масле;
– влияет присадки, содержащей серу на толщину защитной пленки;
– состав поверхностного слоя стальных деталей при изнашивании в синтетическом масле
ДОС;
– факторы, необходимые для трибополимеризации органических соединений при трении;
– свойство меди, обеспечивающие низкие триботехнические характеристики по сравнению
с другими элементами.
10.
Методы исследования поверхностных слоев металла (ОК-2, ОК-3, ОК-4, ОК-5):
– методы определения фазового состава поверхностных пленок;
–оценка наличия водорода в поверхностном слое современными методами;
– способы удаления поверхностного слоя защитной пленки при послойном анализе;
– оценка содержания элементов при исследовании поверхностных слоев методом ОЖЕспектрометрии;
– методы оценки наличия органических группировок в смазочных материалах.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
а) основная литература
8
1. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для технических вузов. 2-е изд. перераб. и доп./ А.В. Чичинадзе, Э.Д. Браун, Н.А. Буше и др.; под общ. ред. А.В. Чичинадзе. –
М.: Машиностроение, 2001. – 664 с.
б) дополнительная литература
1. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. – М.: Наука, 1979, 384 с.
2. Чихос С. Системный анализ в трибонике. – М.: Мир, 1982. – 351 с.
3. Баркли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. – М.:
Машиностроение, 1986. – 360 с.
4. Хайнике Г. Трибохимия. – М.: Мир, 1987. – 584 с.
в) программное обеспечение
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Триботехнический центр, оснащенный машинами трения: 4-х шариковая «Seta-Shell», 4-х
шариковая «Plint», машины трения МИ-1М, СМЦ-2, УМТ-1; металлографическая лаборатория.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций
ПрООП ВПО по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» и программе
подготовки «Технологии и менеджмент реновации нефтегазового оборудования».
Автор(ы):
Профессор кафедры трибологии
и технологий ремонта НГО, д.т.н.
В.Ф. Пичугин
Заведующий кафедрой трибологии
и технологий ремонта НГО, д.т.н.
О.Ю. Елагина
Программа одобрена на заседании УМК факультета инженерной механики РГУ нефти и газа
имени И.М.Губкина от «___»____________ 20__ года, протокол № ____.
Председатель учебно-методической комиссии
факультета инженерной механики
Б.М. Гантимиров
Начальник УМУ
А.Д. Макаров
9