WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 16 | 17 || 19 | 20 |   ...   | 42 |

Течение времени, рассматриваемое с точки зрения кинетики протекающих процессов в металлах и сплавах, отличается от обычного «лабораторного» времени. В отличие от наблюдаемой направленности течения времени от прошлого к будущему, т. н. «стрелы времени» [180, 201], объективность которой пропагандировал И.Р. Пригожин, в классической физике оно считается обратимым, если система после отклонения от равновесия возвращается к исходному состоянию. Как следует из представлений об однородности (симметрии) времени, его течение само по себе не может вызывать изменение энергии замкнутой системы. В открытых системах этот закон не выполняется, поэтому со временем тесно связаны фундаментальные закономерности поведения синергетических систем на всех масштабных уровнях.

Для стационарных систем или систем, находящихся в состоянии текущего равновесия, изменения всех существенных для описания системы параметров во времени близки к нулю, что эквивалентно отсутствию течения системного времени. Таким образом, время, относящееся к конкретной системе, рассматривается как мера отклонения состояния системы от начального положения. Скорость течения времени в системе зависит от степени воздействия отклоняющих факторов. При таком подходе неизменно возникает вопрос о нулевом значении параметра. Можно ли оценить нулевое значение системного времени так же, как это делается для температуры, давления, энтропии или других параметров С каким физическим явлением связана точка отсчета времени при анализе долговечности материалов Анализ данной проблемы показывает, что фактор времени современной наукой еще не достаточно изучен. Традиционное восприятие долговечности системы как времени от начала ее нагружения до момента разрушения физически не вполне обосновано. С момента образования системы, даже если она не нагружена извне, ее частицы находятся в поле собственных внутренних (остаточных, гравитационных и др.) напряжений и тепловых колебаний. Известны случаи, когда одних только этих факторов достаточно, чтобы разрушить материал, – например, растрескивание металлов и сплавов под влиянием остаточных напряжений. Внешнее напряжение лишь ускоряет течение «внутреннего» системного времени, но в момент начального нагружения оно, в общем случае, не равно нулю. Любым обратимым, на первый взгляд, макропроцессам в материалах сопутствуют необратимые процессы на микроуровне, обусловливающие постепенный рост энтропии. Следовательно, энтропия может рассматриваться как своеобразная «память», хранящая информацию о длительности существования системы. Я.И. Френкель показал, что кинетические процессы обусловлены термофлуктуационными актами межатомных взаимодействий, которые циклически повторяются через равные в средtф нем промежутки времени. Это время определяет скорость протекания микромеханизмов неравновесных процессов: химических реакций, сублимации, самодиффузии, скольжения и переползания дислокаций и др. Оно зависит как от кинетической энергии атомов, так и от энергоемкости активируемого процесса. Термические флуктуации распространяются на объекты наноскопического уровня (атомные кластеры и др.), следовательно, описанные периодические элементарные акты являются своеобразными временными «квантами» для процессов данного уровня.

На микроуровне элементарным «квантом» времени 0 является период тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки, имеющий порядок 10-12…10-14 с. Во многих случаях при оценке кинетических параметров неравновесных процессов его принимают постоянным 10- с. Это минимальное время, за которое может произойти одно элементарное событие, связанное, как правило, с образованием или разрушением связей. Очевидно, что с ростом времени наблюдения за системой увеличивается и число произошедших термофлуктуационных актов, а значит, время в неравновесных условиях можно рассматривать как фактор, способный оказать деструктивное воздействие на материал наряду с другими разрушающими факторами: температурой, давлением, активной средой и др. В.В. Федоров отмечает, что необратимость процесса разрушения приводит к снижению остаточной долговечности материала, побывавшего под нагрузкой [243]. Можно несколько расширить данное утверждение: не только внешне приложенная нагрузка, но и остаточные напряжения, характерные для деформируемых материалов, приводят к необратимой повреждаемости и исчерпанию их ресурса.

Начальное значение системного времени может быть получено в рамках структурно-энергетического подхода при изучении изменения эффективного значения энергии активации с течением времени при стационарных условиях нагружения с использованием разработанной кинетической модели. Таким образом, для коррекции времени начала нагружения оценим значения энергии активации пластической деформации tисследуемого материала в два различных момента времени t0 и, т.е.

t0 t Uэ0 = 2,3RT lg э1 = 2,3RT lg и U. (2.74) 0 Вычитая первое выражение из второго, выразим время t. В общем случае оно будет не нулевым:

t1 t Uэ1 - Uэ0 = 2,3RT lg - lg, (2.75) 0 U t = lg, (2.76) 2,3RT t t t0 = U. (2.77) 102,3RT - В последнем выражении начальное время t0, являясь эффективным, не зависит от условий нагружения системы до начала наблюдения за ней и показывает начальное «внутреннее» время, которое соответствовало бы системе при условиях нагружения, принятых при наблюдении. Оно показывает, каков «возраст» материала в начальном состоянии.



3. МЕТОДИКИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОЦЕНКИ АКТИВАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ Применение кинетического подхода в трибологии сдерживается отсутствием доступных методик и технических средств для экспериментальной оценки активационных параметров деформации и разрушения поверхностных слоев. Между тем они представляют интерес хотя бы потому, что в подавляющем большинстве случаев очаги усталостного разрушения расположены в тонких поверхностных слоях, и подобные методики могли бы найти применение для ранней диагностики усталостной деградации ответственных элементов машин.

Несколько лучше дело обстоит с исследованиями объемных свойств материалов и, поскольку методология их проведения может быть полезной при изучении активационных характеристик поверхностных слоев, в данной главе будет приведен их краткий обзор.

В настоящей главе большое внимание уделяется энергетическому параметру, входящему в кинетические модели изнашивания, – энергии активации разрушения поверхностных слоев, подверженных усталости при трибовоздействиях. В связи с этим уместно вспомнить замечание, высказанное в одной из работ [245] нобелевским лауреатом Р. Фейнманом: «Им [физикам] должно быть стыдно, что для измерения энергии они пользуются такой уймой способов и названий. Если кому-нибудь нужны доказательства, что физики не лишены человеческих слабостей, то вот вам одно из них – идиотическое изобилие единиц для измерения энергии». Действительно, неоправданное изобилие единиц измерения для оценки энергии активации усложняет сопоставление результатов, полученных разными авторами. Поэтому в нашем случае используется единая характеристика – энергия активации с размерностью «килоджоуль на моль» [кДж / моль]. Для удобства в этой же размерности будут представлены все другие результаты, заимствованные автором из других источников. Однако, как будет видно по ходу изложения, неодинаковость между найденными различными способами энергетическими параметрами состоит не только в размерностях, но также в названиях и физических толкованиях. Поэтому в обзорной части будем придерживаться оригинальных терминов и их значений. Стоит лишь кратко остановиться на двух понятиях – энергии активации пластической деформации и энергии активации разрушения материалов. Оба параметра являются интегральными, их величины численно равны мгновенной совокупной работе всех сил, затрачиваемых на активацию локальной неустойчивости деформируемого материала. При их оценке можно абстрагироваться от вклада конкретных микромеханизмов и видов подводимой энергии в диссипацию энергии. Отличие между ними состоит в том, что в первом случае активация завершается релаксацией избыточной энергии в материале за счет пластического оттеснения, а во втором – разрушением охрупченного материала. По мере увеличения степени пластической деформации энергия для ее последующей активации возрастает. В тот момент, когда материал достигает состояния предразрушения вследствие усталостного охрупчивания, энергия активации пластической деформации становится эквивалентной энергии активации разрушения. Последний параметр в рамках одного механизма повреждаемости является характеристикой прочности каждого конкретного материала.

Практическая ценность активационных параметров разрушения материалов – энергии активации, структурно-чувствительного коэффициента, предэкспоненциального множителя – заключается в том, что посредством их устанавливается связь между входными воздействиями, отклоняющими систему от равновесия, и ее реакцией, выраженной временем до разрушения. Первоначально они появились как эмпирическая находка, чтобы максимально приспособить модель к наблюдаемой феноменологии процесса разрушения. Сопоставление их значений с различными физическими константами дало повод считать их параметрами, имеющими определенный физический смысл.

Так, предэкспоненциальный множитель был приравнен к периоду атомных колебаний, а энергия активации разрушения, по разным источникам, – к энергии активации диссоциации атомов, самодиффузии, сублимации, скрытой теплоте плавления и др. Подробный анализ этих параметров приведен в работе [243]. Важность данного вопроса весьма высока, поскольку правильная интерпретация активационных параметров – залог возможности их корректной оценки и точности прогнозирования долговечности материалов. Вместе с тем нужно позаботиться о том, чтобы методики определения параметров кинетической модели были достаточно просты, доступны и могли быть широко использованы в инженерной практике.

Теоретически число возможных способов экспериментальной оценки энергии активации разрушения материалов ничем не ограничено. Все они, по сути, сводятся к активации материала до достижения им точки бифуркации и оценке затраченной на это энергии. На практике выбор конкретного способа требует учета ряда замечаний: 1) выбранный метод оценки активации материала должен создавать условия для самоорганизации в материале диссипативных механизмов, соответствующих исследуемому процессу; 2) активация материала поверхностного слоя должна быть локализована в пределах исследуемой диссипативной системы; 3) методика и технические средства для перевода материала в возбужденное состояние должны быть максимально простыми, доступными, наукоемкими и отвечающими современным требованиям к средствам и методикам технической диагностики. Структурно-энергетическая теория, рассмотренная выше, позволяет подойти к оценке активационных характеристик деформации и разрушения материалов поверхностных слоев с позиций, кардинально отличающихся от традиционных и имеющих прорывное значение в методике исследования закономерностей их усталостной деградации. Наряду с известными решениями в данной главе приводится описание разработки новых экспрессных, неразрушающих способов оценки активационных параметров разрушения материала поверхностного слоя при механической активации и представлено описание программно-аппаратурных комплексов, реализующих созданные методики.





3.1. МЕХАНИЗМЫ ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ ТРЕНИЯ Из механики деформируемого твердого тела известно, что неупругая деформация и разрушение металлических материалов могут быть вызваны различными механизмами, действующими на микроуровне [120, 132, 139, 243, 257], такими как скольжение дислокаций, переползание дислокаций, диффузия атомов по границам зерен и диффузия атомов в объеме зерен. Последние три механизма суть разные формы ползучести. Активация того или иного механизма зависит от совокупности действующих на материал внешних факторов – температуры, напряжения и влияния среды. Каждый механизм характеризуется собственными значениями активационных параметров и видом лидера-дефекта [120, 132]. Поэтому при эксплуатации машин скорость объемной или поверхностной деформации и разрушения деталей контролируется теми величинами U и, которые соответствуют доминирующему в данных условиях механизму повреждаемости.

Большинство металлических конструкций работают при статических напряжениях ниже предела упругости. При этом, в зависимости от температуры, активируется та или иная форма ползучести, которая вызывает деформацию и разрушение материалов. Скорости деформации при ползучести, как правило, невелики. Но в связи с важной практической значимостью оценки долговечности изделий, работающих в условиях ползучести, множество исследований было направлено на изучение кинетики данного процесса [65, 132, 207, 221, 257].

В узлах трения машин средние номинальные нагрузки не являются опасными с точки зрения несущей способности и усталостной прочности элементов. Определенный запас прочности закладывается в трущиеся детали на этапе проектирования трибоузлов за счет выбора оптимальных конструкторских и технологических решений. Однако в любом случае (за исключением видов трения, в которых обеспечивается полное разделение поверхностей трения третьим телом) поверхностные слои практически всегда подвержены критическим воздействиям в области фактического и контурного контакта вследствие локальности данной зоны. В настоящее время установлено, что нагрузки в зоне фактического контакта выступов неровностей превышают предел текучести [36, 131, 133, 270, 272, 292] и вызывают упругопластическую деформацию поверхностей при трении, а разрушение материала поверхностного слоя при трении происходит в результате малоцикловой усталости. Это объясняет интерес к изучению кинетики деформации и разрушения материалов в условиях, при которых доминирующая роль принадлежит механизмам генерирования и скольжения дислокаций.

Деформация материалов при напряжениях выше предела текучести преимущественно обусловлена действием механизма скольжения дислокаций [132, 257]. В отличие от механизма ползучести, скольжение дислокаций может происходить с высокими скоростями, соизмеримыми со скоростью звука в металле [257, 178]. Релаксация материала при этом наступает фактически за время существования деформирующих напряжений. Поэтому такая пластическая деформация получила название мгновенной. Принято считать [9, 89], что при пластическом формоизменении материалов (прессовании, штамповке, прокатке, волочении и т. д.) скорость деформации металлов и сплавов определяется скоростью приложения внешних воздействий и не зависит от кинетики действующего механизма деформации. Поэтому долгое время отсутствовала потребность в оценке активационных характеристик механизма дислокационного скольжения. Принято считать, что при пластической деформации материалов накопление повреждений носит атермический характер, а число повреждений пропорционально степени деформации [123, 139]. Однако эти положения можно принять лишь тогда, когда напряжение текучести близко к истинной прочности материала на разрыв и деформирование происходит при постоянной температуре (изотермически). Рассматривая общий случай, необходимо отметить следующее.

- Процессы пластической деформации и разрушения материалов (за исключением взрывных воздействий и откольных механизмов повреждаемости) происходят со скоростями меньшими, чем скорость звука, как того требует атермический механизм [178, 251, 257]. В этом смысле определение пластической деформации как мгновенной является условным.

- Поврежденность при пластической деформации зависит от температуры материала. Степень упрочнения материалов при их деформировании в условиях низких температур оказывается выше, чем при высоких температурах [207]. Поэтому по величине пластической деформации нельзя судить о степени поврежденности без ссылки на условия, при которых производилась деформация.

Pages:     | 1 |   ...   | 16 | 17 || 19 | 20 |   ...   | 42 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.