WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 17 | 18 || 20 | 21 |   ...   | 42 |

Известны кинетические выражения, описывающие скорость деформации и долговечность материалов в режиме термофлуктуационного накопления повреждений. Пластические деформации поверхностных слоев в процессе трения могут быть весьма большими и составлять сотни и тысячи процентов [26, 126, 238, 270, 277, 292]. Во многих полуэмпирических моделях изнашивания этот факт используется для оценки степени усталостной деградации материала, однако точная оценка степени неупругой деформации и глубины деформируемой зоны поверхностного слоя затруднительна [185], а их предельные значения, соответствующие моменту образования частиц износа, могут изменяться в широком диапазоне. Поэтому в качестве меры интенсивности деградации материала поверхностного слоя при малоцикловой усталости целесообразно рассматривать не пластическую деформацию, а длительность цикла изнашивания пары трения в заданных условиях либо число циклов нагружения поверхности до диспергирования уставшего материала.

Сформулируем общие требования к методике исследования активационных характеристик материала поверхностного слоя на основе анализа специфики их состояния, модифицированного трением.

1. Необходимо учитывать, что реальный материал поверхностного слоя после приработки сохраняет кристаллическое строение, но в результате физико-химической модификации он насыщается всеми видами дефектов [2, 5, 6, 133, 162, 163]. Присутствующие на поверхности микротрещины и дислокации создают условия для активного взаимодействия материала поверхностного слоя с внешней средой.

Атомы, лежащие на поверхности, имеют незавершенные связи и поэтому находятся в активированном состоянии. В результате этого на поверхности всегда присутствуют сорбированные частицы среды (пыли, влаги и др.) [185], обусловливающие появление различных эффектов (Ребиндера, механохимический, хемо-механический и т. д.) [14, 90, 142, 144, 157]. Неоднородность и анизотропия материала поверхностного слоя не позволяют использовать для его описания классические теории (упругости, механики сплошной среды и др.) [89].

Поэтому заранее рассчитать такие параметры, как прочность межатомных связей в кристаллической решетке, твердость, размеры дислокационных ячеек и т. д., при помощи известных теоретических методов не представляется возможным. Единственным источником данных в таком случае остается эксперимент, проведенный в строго выдержанных условиях.

2. При оценке габаритов разрушаемого слоя материала, деформируемого трением, происходит накопление повреждений в материале поверхностного слоя. В заданных условиях трения толщина слоя, накапливающего повреждения (debris-слой), сохраняет устойчивое значение. При достижении критической плотности повреждений этот слой разрушается в виде частиц износа. Как было отмечено ранее, наиболее характерная глубина debris-слоя имеет размеры порядка 1-3 мкм. Этот размерный порядок соответствует мезоскопическому масштабу. Поэтому, чтобы полученные экспериментальные оценки были применимы к расчетам изнашивания, очень важно выбрать правильный масштабный уровень для проведения эксперимента.

3. Как отмечалось выше, активационные характеристики зависят от создаваемой при испытаниях схемы напряженно деформированного состояния [207]. При трении создается весьма сложное напряженно-деформированное состояние материала поверхностного слоя, создаваемое нормальными и касательными нагрузками, упругими и пластическими деформациями выступов контактирующих тел, которое приблизительно можно описать как двухосное сжатие с наложенным гиростатическим давлением. Поэтому эксперименты должны выполняться при создании напряженно-деформированного состояния, адекватного тому, которое создается в зоне контакта при реальном трении.

4. В результате многократной пластической деформации поверхностного слоя при трении появляется вторичная анизотропия. При этом деформационные и прочностные характеристики материала начинают изменяться в зависимости от направления действия внешних нагрузок. Текстура, создаваемая вытягиванием зерен в направлении действующей нагрузки, является одной из важнейших характеристик материала поверхностного слоя, которая обуславливает его структурную модификацию. Существующие методики оценки активационных характеристик не учитывали этого фактора, однако при трибологических исследованиях это может привести к серьезным погрешностям.

Следовательно, необходимо, кроме выбора адекватного напряженнодеформированного состояния, прилагать нагрузки к образцу в том же направлении, в котором они действовали при приработке материалов.

Для этого перед началом испытаний образцы должны быть определенным образом ориентированы.

5. Энергия активации зависит от действующего микромеханизма повреждения. В условиях высоких скоростей деформаций и относительно низких температурах доминирующим механизмом является скольжение дислокаций. Следовательно, при испытаниях необходимо создать условия для активации механизмов образования и скольжения дислокаций.

Из кинетики химических реакций известно [243, 257], что энергия активации U является потенциальным барьером, препятствующим протеканию реакции. Схематично кинетический процесс можно представить в виде последовательности «устойчивость (I) – неустойчивость (II) – устойчивость (III)», при этом численно величина U равна разности внутренней энергии системы в исходном (I) и возбужденном (II) состоянии.

Известно [243], что существует два подхода к физической интерпретации энергии активации. Первый, предложенный Р. Беккером, рассматривает ее как обратимую изотермическую работу, которую необходимо затратить для активации исследуемого процесса. Второй подход, использованный Н.Ф. Моттом, А.С. Новиком, Дж. Дорном, В. Кауцманом, Г. Эйрингом и др., основан на теории абсолютных скоростей реакций, согласно которой энергия активации равна необратимому изменению изобарно-изотермического потенциала системы.



В.В. Федоров [243, 242] рассматривает наличие этих двух подходов как дилемму и решает ее в пользу первого. Однако современный уровень знаний об иерархии и эволюции диссипативных процессов в деформируемом материале позволяет утверждать обоснованность обоих подходов, но применительно к соответствующим масштабным уровням.

Единичный акт разрушения межатомной связи, согласно термофлуктуационной теории, происходит за счет суммарной энергии механического отклонения частиц от положения равновесия и энергии термической флуктуации. Если энергии термической флуктуации окажется недостаточно для преодоления потенциального барьера U, частица вернется в исходное положение. Следовательно, в этом случае работа по растяжению межатомной связи (в области I) совершается упруго, т. е. обратимо. Согласно теории точечных дефектов [90], данная работа совершается изотермически. Таким образом, при рассмотрении появления единичных актов повреждения на микроуровне правомерен подход Р. Беккера.

Переходя к мезо- и макроуровням, необходимо отметить, что процесс пластической деформации сопровождается необратимым накоплением повреждений в материале (увеличение плотности дислокаций). При этом совершаемая механическая работа деформации единицы объема будет равна увеличению изобарно-изотермического (термодинамического) потенциала системы при появлении единичной дислокации в единице объема [90]. Поскольку дислокации при пластической деформации накапливаются в объеме, то повышение внутренней энергии системы, обусловленное упругими искажениями кристаллической решетки, будет нелинейно расти с увеличением их плотности. Следовательно, на мезо- и макроуровнях применим подход В. Кауцмана и Г. Эйринга. Данный подход, объясняющий возможность потери устойчивости системы на макроуровне за счет постепенного накопления повреждений, является физически обоснованным, поскольку возбужденное состояние не может быть обеспечено однократным появлением термической флуктуации в материале, находящемся в исходном состоянии. С другой стороны, при этом может проявляться термоактивационный механизм разрушения, так как в состоянии предразрушения (вблизи точки бифуркации системы) появление за счет термических флуктуаций единичного повреждения способно вызвать неустойчивость всей макросистемы. При этом необходимо отметить, что состояние предразрушения в макросистеме можно вызвать также приложением внешних напряжений.

Структурно-энергетическая теория объединяет оба подхода. В ней энергия активации определяется как повышение внутренней энергии мезо- (или макро-) системы за счет суммарной работы, затрачиваемой на упругое смещение частиц материала от положения равновесия, что понижает энергию образования единичных повреждений, а также на необратимый рост числа дислокаций в плоскостях скольжения до величины, при которой наступает сдвиг решетки по данной плоскости, т. е. пластическая деформация материала.

Рассматривая трибологические процессы, можно отметить следующие три стадии. Исходное состояние (I) соответствует приработанному в заданных условиях материалу поверхностного слоя. Возбужденное состояние (II) соответствует точке бифуркации, в которой материал теряет устойчивость. Чтобы вызвать это состояние, необходимо передать материалу часть энергии для активации механизмов, приводящих к его разрушению. На заключительной стадии (III) материал приобретает новое устойчивое состояние, соответствующее завершению кинетического процесса. Процессы деформации и разрушения завершаются оттеснением (либо удалением) активированного вещества из зоны действия напряжений.

На стадии сосредоточенных деформаций (предразрушения) основная роль в диссипации энергии трения отводится дислокационным субструктурам (блокам, фрагментам), которые являются объектами мезоскопического уровня [51, 55, 56]. Поскольку по определению термодинамическая система должна включать в себя множество структурных составляющих, для оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя целесообразно использовать последний подход, при котором в качестве термодинамической системы следует рассматривать весь активируемый трением поверхностный слой.

3.2. МЕТОДЫ АКТИВАЦИИ МАТЕРИАЛА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ Прочность металлов является латентным свойством кристаллической решетки, обнаруживаемым только при ее возмущении (отклонении от состояния равновесия) внешними силами, в этом случае она пропорциональна по величине и противоположна по знаку работе, затраченной на ее разрушение различными (электрическим, химическим, механическим, термическим, радиационным и др.) способами.

Поэтому для оценки прочности твердых тел их необходимо тем или иным образом активировать.

Поверхностные слои при трении подвержены многочисленным механическим, тепловым, химическим, электромагнитным и др. воздействиям, совокупность которых, т. н. трибовоздействие, активирует термофлуктуационные акты повреждаемости материала на микроуровне, а кинетика этого процесса определяет долговечность поверхностного слоя и, соответственно, износостойкость материала. С точки зрения термодинамической интерпретации структурно-энергетической теории прочности, безразлично, какой энергетический вклад вносит тот или иной разрушающий фактор в потерю устойчивости материала, но с точки зрения методологии проведения испытаний по оценке активационных параметров разрушения приработанных поверхностных слоев имеется существенная разница в доступности и точности определения их энергетических параметров. Весьма малые толщины модифицированных трением поверхностных слоев, относительно высокая шероховатость, наличие на поверхности вторичных структур и адсорбированных слоев не позволяют применить к их анализу большинство известных методов физико-механических исследований. Поэтому проанализируем возможные методы активации материала поверхностного слоя, чтобы выбрать наиболее подходящий метод испытаний.





Э нергетическое условие разрушения кинетического типа (2.30), выведенное из фундаментального уравнения Гиббса, показывает аддитивный вклад различных факторов в потерю устойчивости активируемого материала. Первое слагаемое в правой части уравнения (2.30) – термическое, содержащее часть внутренней энергии системы, составляемую термическими флуктуациями атомов в материале поверхностного слоя. Второе слагаемое – механическое, является частью внутренней энергии, поставляемой в систему за счет механических напряжений и пластических деформаций. Третье слагаемое имеет комплексную (химическую, электромагнитную, радиационную и др.) природу. Обычно оно не учитывается при изучении кинетики деформации материалов в объеме. Однако поверхностный слой обладает свойствами мембраны, т. е. на его состояние оказывают существенное влияние сорбционные, диффузионные, эмиссионные и др. процессы. Данные процессы могут изменить внутреннюю энергию поверхностного слоя и этим повлиять на его прочность [5, 6, 37, 53, 266]. Поэтому любое физико-химическое влияние среды на величину энергии активации учитывается обобщенным параметром G, который отражает суммарный эффект от различного вида взаимодействий (кроме механического и термического) поверхности со средой. В принципе, число таких взаимодействий ограничено только нашими знаниями о них. Но практический интерес представляют только те, что способны наиболее сильно повлиять на энергию активации разрушения материала поверхностного слоя. К таким взаимодействиям, в первую очередь, можно отнести взаимодействие свободной металлической поверхности с граничным слоем, адсорбированным из элементов среды, в частном случае это взаимодействие модифицированного трением поверхностного слоя с граничным слоем смазочного материала. В первом приближении будем учитывать только это взаимодействие, предполагая, что в условиях инертной (слабоактивной) среды g = 0.

Переменные, содержащиеся в правой части уравнения (2.30), – Т,, t, g и, за счет которых условие разрушения может быть выполнено, дают возможность проанализировать возможные методы активации материала. Каждый из факторов, выраженных данными переменными, способен вызвать неустойчивость материала поверхностного слоя как самостоятельно, так и в совокупности с другими факторами. Термическая активация разрушения состоит в повышении температуры материала до точки плавления. Механическая активация достигается путем приложения механических напряжений, достигающих значения предела прочности материала. Химическая активация разрушения поверхностного слоя происходит в случае, если среда вызывает травление металла или если в результате взаимодействия поверхности со средой металлические связи заменяются более слабыми, как это происходит при водородном охрупчивании [43, 130, 153].

В преобладающем большинстве случаев потерю устойчивости и, как следствие, деформацию или разрушение поверхностных слоев при трении могут вызвать три основных фактора: термический, механический и химический. Все они, в общем случае, воздействуют на материал одновременно, но не в равной степени. Однако даже если активация материала осуществляется за счет преобладающего действия одного из разрушающих факторов, вклад остальных факторов не равен нулю, – об этом необходимо помнить при оценке активационных параметров разрушения. В частном случае допустимо ими пренебречь. Тогда их учет возможен в виде определения вносимой ими погрешности в оценку энергии активации разрушения. При этом независимо от вида преобладающего фактора единым механизмом повреждения материалов на микроуровне остаются термические флуктуации атомов в поле механических напряжений, а на макроуровне – самоорганизующийся кинетический фазовый переход диссипативных механизмов, активируемый критической плотностью микроповреждений [139].

3.3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АКТИВАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ Ранние попытки аналитической оценки активационных параметров связывались с представлением Беккера об энергии активации как изотермической и обратимой работе, которую необходимо затратить в объеме V, чтобы довести его до состояния локального сдвига [242].

Записывая формулу расчета потенциальной энергии, накопленной в локальном объеме к моменту сдвига с учетом наличия внешних напряжений, В.В. Федоров получил следующее выражение для оценки эффективной энергии активации:

2 - U( ) = V, (3.1) 2 G где – теоретическая прочность на сдвиг; G – модуль сдвига.

В другом подходе, основанном на анализе ангармонизма тепловых колебаний межатомных связей, активационные параметры u и были выражены через коэффициент теплового расширения, атомную теплоемкость С и модуль Юнга Е [102, 238]:

u = (C / ) = C /( E) и, (3.2) где – разрывная деформация атомной связи, – коэффициент меха* нической перегрузки.

Pages:     | 1 |   ...   | 17 | 18 || 20 | 21 |   ...   | 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.