WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 42 |

Упрочнение вызывает повышение механических характеристик поверхностного слоя: модуля упругости, твердости и др. Текстура является результатом вытягивания металлических зерен поверхностного слоя в направлении скольжения. При этом оси главных напряжений ориентируются вдоль направления трения, что обусловливает анизотропию механических свойств материала поверхностного слоя.

Учитывая малую толщину поверхностного слоя, можно считать такой вид анизотропии ортотропией.

Малый шаг неровностей 2,0800,0 мкм [185] на поверхностях твердых тел обусловливает малую длительность фактического контакта. В среднем она составляет 10-710-8 с [262]. Это позволяет расценивать процесс механического контактирования как удар. При этом в области фактического касания появляется температурная вспышка. В работе [147] было обнаружено, что температура этой вспышки может достигать температуры плавления контактирующих металлов. Однако малая геометрическая площадь фактического контакта приводит к быстрому отводу сгенерированного тепла. По оценкам [185], длительность вспышки составляет 10-310-6 с. Общий эффект локальных температурных вспышек проявляется на макроуровне в виде саморазогрева поверхностного слоя при трении до некоторого равновесного в данных условиях значения.

С физической точки зрения, поверхность металлов представляет собой атомную плоскость с незавершенной кристаллической решеткой, что приводит к высокой сорбционной активности поверхностного слоя.

В реальных условиях поверхность металлов всегда покрыта адсорбированным слоем механических частиц (пыли) и различных молекул (молекулы воды, кислорода, смазочных материалов и т. д.), состав которого зависит от конкретной среды (рис. 1.2). Кроме этого, возможны и прямые химические реакции материала поверхностного слоя с активными элементами среды. Самым известным видом химического взаимодействия материала поверхности со средой является образование пленок оксидов. Известно, что сорбционные процессы могут в значительной мере определять вид контактных взаимодействий и посредством различных эффектов существенно влиять на фрикционные и противоизносные свойства материала поверхностного слоя [12, 14, 41-43, 57, 130, 131, 140, 142, 144, 204]. Среди последних можно отметить эффекты Ребиндера (внешний и внутренний), заключающиеся в адсорбционном понижении прочности материалов за счет понижения свободной энергии и расклинивающем действии поверхностно-активных веществ (ПАВ) при их попадании в полость поверхностных трещин [156, 157, 204]. Известно [90, 161, 261], что покрытия и пленки, образовавшиеся на поверхности, могут проявлять экранирующий эффект для подвижных дислокаций, при котором затрудняется их выход наружу; в результате повышается предел прочности и ползучести, а также усталостная долговечность подповерхностного слоя.

2 0,2 0,3 нм 0,2 3,0 нм 5000 нм Рис. 1.2. Структура поверхностного слоя:

1 – адсорбированный слой частиц среды; 2 – окислы, нитриды металла;

3 – слой сильно деформированных зерен Интересным эффектом, отмеченным при изучении взаимодействия поверхностей материалов друг с другом и со средой, являются аномальные химические процессы. К таким процессам можно отнести избирательный перенос и динамическую диффузию. Эффект избирательного переноса (безызносности), открытый Д.Н. Гаркуновым, И.В. Крагельским и А.А. Поляковым [41, 57, 168, 238], появляется в результате анодного растворения материалов пары трения, при этом на рабочих поверхностях образуются тонкие пленки из пластичных элементов растворенного материала. Динамическая дислокационная диффузия состоит в переносе атомов по ядрам движущихся дислокаций. Согласно исследованиям [51] перемещение поверхностных атомов при этом может достигать глубины 57 мкм, что объясняется возбуждением атомов ядра при движении дислокаций.

Комбинированными эффектами контактного взаимодействия поверхностей являются механохимический и хемомеханический [90, 144].

Механохимический эффект проявляется в изменении скорости химических реакций в поле механических напряжений, что объясняется как результат механического воздействия к изменению энергетического активационного барьера химической реакции. Хемомеханический эффект состоит в стравливании моноатомного слоя материала поверхностного слоя со скоростью химической реакции коррозии, которое приводит к выходу дислокаций, скопившихся под поверхностью, наружу и, как следствие, к разупрочнению материала, что было установлено [90] прямыми микроскопическими наблюдениями.

Упомянутые и другие процессы проявляются в ходе контактного взаимодействия поверхностей твердых тел и образуют модифицированный поверхностный слой с переменными по толщине физико-химическими свойствами, структурой и фазовым составом [51,162].

1.2. СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ В настоящее время на смену представлению о трении как об исключительно деградационном процессе приходит понимание его эволюционной роли, направленной на оптимизацию состояния трибосистемы в целом и поверхностного слоя в частности. В этом смысле трение является сложным, необратимым, разветвленным, многоэтапным и многомасштабным процессом, в результате которого на смену исходной структуре, химическому составу, микрогеометрии, физико-механическим свойствам приходят новые структуры, приспособленные к наиболее эффективному функционированию в существующих условиях.

Таким образом, первичные деструкционные кинетические процессы при трении следует рассматривать как переходную стадию в общем эволюционном процессе, а разрушение материала – как заключительную фазу, соответствующую полному исчерпанию его ресурса. Схема разрушения поверхностного слоя может быть описана следующей последовательностью: «механическое воздействие деструкционные процессы эволюционные (аккомодационные) процессы достижение предельного состояния образование частиц износа». В общем случае диссипация механической энергии при трении происходит по нескольким направлениям, упрощенная схема которых представлена на рис. 1.3 (слева ориентировочно указаны характерные масштабные уровни и временные параметры указанных процессов) [69].

Избирательный ТРЕНИЕ перенос МеханохимичесУпругое смещение атомов Тепловые кий эффект от положения равновесия колебания атомов и молекул Хемомеханичес Синергетические кий эффект процессы Появление критической Эффекты термической Ребиндера флуктуации Эмиссионные Контактный процессы резонанс Акустический Элементарные кинетические акты Тепловой эффект термофлуктуационных атомно-молекулярных эффект ф Инфракрасная перегруппировок эмиссия АннигиляАкустическая ция Миграция межатомных и Разрывы межатомных и эмиссия дефектов межмолекулярных связей межмолекулярных связей Эмиссия электронов Образование дефектов Деструкция молекул Сдвиги меж- Диффузия Разрушение Выход Сублимация кристаллической смазочного ду молеку- атомов, адгезионных и дефектов на решетки атомов материала лами сма- окисных пленок поверхность молекул и зочного дефектов Электромагнитна Хаотическое материала я эмиссия Микросдвиги Образование накопление дефектов Образование кристаллов по свободных ювенильной Самодифплоскостям радикалов поверхности фузия скольжения Самоорганизация Сдвиги межtэ неразориентированных ду слоями Релаксация Образование связей Образование дислокационных смазочного напряжений с элементами среды связей с элеменсубструктур материала тами среды и Образование контрповерх- текстуры ностью поверхностного Самоорганизация Диффузия Образование Диффузия разориентированных слоя частиц вторичных частиц среды дислокационноматериала в соединений в материал дисклинационных Окисление граничный субструктур поверхностного слой слоя Пластическая в деформация Коагуляция Формирование поверхноствторичных Обеднение Насыщение debris-слоя Образование ного слоя соединений поверхност- материала граничного слоя выступами ного слоя поверхностного смазочного контртела компонентами слоя Достижение материала среды критической плотности Образование Образование избыточной энергии продуктов распада адгезионных и в debris-слое смазочных материалов Достижение Течение в когезионных критической граничном связей с контрстепени слое Химическая поверхностью Циклическое Образование деформации смазочного модификация tр диспергирование отложений на материала поверхностного слоя debris-слоя в виде поверхностях трения Появление частиц износа задиров ИЗМЕНЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЕ УСТАЛОСТНОЕ ОКИСЛЕНИЕ АДГЕЗИОННОЕ АБРАЗИВНОЕ Тс МИКРО- СВОЙСТВ ИЗНАШИВАНИЕ СМАЗОЧНЫХ ИЗНАШИВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТНОГО МАТЕРИАЛОВ ПОВЕРХНОСТИ СЛОЯ Рис. 1.3. Схема развития некоторых диссипативных процессов при трении В зависимости от конкретных условий трения происходит перераспределение энергии и, согласно принципам неравновесной термоМикроуровень Наноуровень Мезоуровень Макроуровень динамики [128], одни диссипативные механизмы становятся преобладающими, другие, напротив, кинетически затормаживаются. Анализ масштабных уровней процессов, активируемых трением, показывает, что деструктивные процессы протекают в основном на атомарном уровне, эволюционные развиваются на наноскопическом, а циклическое диспергирование поверхностного слоя в виде частиц износа происходит преимущественно на мезоскопическом уровне. На макроуровне циклические разрушения поверхностного слоя сглаживаются и изнашивание в целом выглядит как постепенный, монотонный во времени процесс.

В целом точное представление о поверхностном слое, деформируемом трением, можно получить, рассматривая его как синергетическую систему. К таким системам относятся открытые термодинамические системы, находящиеся вдали от равновесного состояния, фундаментальным свойством которых является способность к саморегулированию, самоорганизации, гомеостазу и адаптации к внешним условиям. Саморегулирование основано на принципе минимума производства энтропии Гленсдорфа-Пригожина и направлено на оптимизацию состояния системы в энергетическом фазовом пространстве за счет приоритетной активации малоэнергоемких диссипативных механизмов. Это позволяет системе максимально сохранять устойчивость при поступлении в нее больших потоков энергии. Этот принцип ранжирует диссипативные механизмы и создает последовательно возрастающую в пространственных и временных масштабах иерархию диссипативных систем, определяющую их эволюцию в поверхностных слоях при трении (рис. 1.4) [29,109].

Lgl, м -Предельный износ -Усталостное изнашивание ---7 Эволюция и разрушение диссипативных структур -Термофлуктуационные акты атомно-9 Тепловые молекулярных перегруппировок колебания -10 атомов -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Lgt, c Тс 0 ф э р Рис. 1.4. Схема развития усталостного процесса в поверхностных слоях при трении Несмотря на многообразие возможных механизмов диссипации энергии при трении, на атомарном уровне они имеют единую природу. Фундаментальными для всех процессов являются элементарные кинетические термофлуктуационные акты атомно-молекулярных перегруппировок, вызванные неравномерным распределением кинетической энергии атомов на микроуровне. Эти представления легли в основу молекулярно-кинетической теории Я.И. Френкеля и термофлуктуационной концепции прочности твердых тел С.Н. Журкова, суть которых сводится к тому, что в результате хаотического колебательного движения и взаимного обмена импульсами отдельные атомы периодически получают случайный избыток энергии – термическую флуктуацию, превышающую потенциальный барьер, удерживающий атомы в равновесном положении. В результате появления критической флуктуации в поле механических напряжений происходит разрушение существующих связей с последующим образованием новых (рекомбинация связей) либо с образованием дефектов кристаллической решетки. В первом случае происходит незначительное отклонение атомов от положения равновесия и работа затрачивается, как правило, на перемещение только одной связи. Такая перегруппировка сопровождается тепловым эффектом. Во втором случае внутри материала энергия термических флуктуаций преобразуется в упругую энергию искажений кристаллической решетки. При этом, как правило, разрушается несколько связей (до трех при сублимации атомов), что требует существенных затрат энергии. Вследствие этих причин рекомбинация связей является преобладающим процессом над накоплением дефектов. Это проявляется в известном факте, что основная доля диссипации энергии приходится на нагрев (75% и более), а не на поглощение энергии материалом (до 25%) [243].

Механические напряжения за счет модификации энергетического барьера позволяют активировать кинетические процессы с относительно высокими энергиями активации. Так, энергии термических флуктуаций не достаточно для образования дислокаций, но сочетание термических флуктуаций с упругим отклонением атомов (за счет частичной активации атомов механическим воздействием) позволяет снизить соответствующий энергетический барьер до уровня, при котором кинетика процесса образования дислокаций может контролироваться тепловыми флуктуациями. Таким образом, внешние приложенные силы утратили роль причины разрушения и стали лишь его условием, необходимым для запуска внутренних диссипативных механизмов. Работу по разрушению поверхностного слоя совершают внутренние силы, сформировавшиеся в результате обмена энергией диссипативной системы с окружающей средой.

Гомеостаз системы обеспечивается корреляцией диссипативных процессов на всех масштабных уровнях в соответствии с принципом подчинения [120], который указывает на существование в системе «параметров порядка», контролирующих действие всех подсистем. К таким параметрам можно отнести энергии активации кинетических процессов. Стабильность значений активационных параметров различных процессов в конструкционных материалах позволяет рассматривать их как физические характеристики, присущие этим материалам. При достижении внутренней энергией системы энергии активации следующего по иерархии диссипативного механизма согласно принципу границы качества во всей диссипативной системе происходит коррелированная смена действующего механизма на новый. Таким образом, минуя точку бифуркации, обеспечивается переход от одного параметра порядка к другому. Образование частиц износа также контролируется некоторым критическим для каждого материала значением энергии активации разрушения поверхностного слоя.

Диссипативные структуры, самоорганизующиеся в системе под действием притока энергии извне, являются элементарными «частицами» диссипативных систем и материальными носителями «квантов» рассеиваемой энергии. Фундаментальным свойством диссипативных структур является их четкая пространственно-временная локализация. Область материала, охваченная близкими условиями нагружения, заполняется диссипативными структурами одного типа, в результате чего образуется диссипативная система. Диссипативные системы, так же как и диссипативные структуры, имеют выраженные пространственные границы и стабильную, при одинаковых условиях, длительность существования.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 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.