WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 42 |

При трении повышение внутренней энергии на микроуровне обеспечивается термическими флуктуациями атомов в поле действующих напряжений, на более высоких уровнях – накоплением энергии упругих искажений кристаллической решетки материала поверхностного слоя, в основном за счет увеличения плотности дислокаций. При эволюции диссипативных структур новые структуры «поглощают» старые таким образом, что собственная энергия последних и избыточная энергия вновь появившихся дефектов преобразуются в собственную энергию новых квазиравновесных структур. Таким образом, самоорганизация новых структур уравновешивает избыточную энергию материала и происходит за счет этой энергии. Основным условием самоорганизации диссипативных структур на более высоких масштабных уровнях, согласно теории И.Р. Пригожина, является необратимость кинетических актов на микроуровне. За каждый механизм диссипации энергии отвечают свои диссипативные структуры, обладающие определенными формой, размерами и длительностью существования. Одни диссипативные структуры устойчивы к малым возмущениям (дислокационные клубки, ячейки и т. д.), другие – нет (фононы). Примером диссипативной системы, в пределах которой происходит самоорганизация и смена диссипативных структур, при усталостном изнашивании является debris-слой, толщина которого, как правило, составляет несколько микрометров. Множество факторов, влияющих на процесс самоорганизации, делает весьма трудным расчетными методами прогнозировать пространственную локализацию диссипативных структур в поверхностных слоях, поэтому их чаще всего определяют эмпирическими методами. Свойства самоорганизующихся диссипативных структур определяют практически все основные показатели усталостной повреждаемости, и их изучение в настоящее время является одной из приоритетных задач при исследовании кинетики усталостного разрушения материалов.

В табл. 1.1 представлен физический смысл энергетических параметров диссипативных процессов на микро-, нано- и мезоскопическом уровнях.

Таблица 1.Энергии, действующие в диссипативной системе Масштаб- Начальная Избыточная Энергия Поглощенная Работа, произный энергия энергия активации энергия водимая дисуровень системы процесса сипативной процессов системой Микро- Энергия тепло- Энергия Энергия Упругая Термофлуктууровень вых колебаний термиче- активации энергия де- ационное обатомов и упру- ских флук- образова- фектов кри- разование дегих смещений туаций ния упру- сталлической фектов криот положения гих искаже- решетки сталлической равновесия ний кри- решетки сталлической решетки Наноуро- Энергия напря- Энергия на- Энергия ак- Упругая Самоорганизавень жений, образо- копленных тивации об- энергия дис- ция и эволюванных дально- упругих ис- разования сипативных ция дислокадействующими кажений диссипа- структур ционных дисполями дефек- кристалли- тивных сипативных тов ческой ре- структур субструктур шетки Мезоуро- Потенциальная Накоплен- Энергия Упругая Циклическое вень энергия вну- ная энергия активации энергия, разрушение тренних меха- диссипа- разрушения сосредото- debris-слоя в нических тивных материала ченная в вер- виде частиц напряжений структур шинахмикро- износа трещин При трении поверхностный слой проявляет свойство адаптивности к внешним условиям путем непрерывного активного приспособления за счет внутренней перестройки к постоянно меняющимся внешним факторам. Адаптация осуществляется в соответствии с принципом наименьшего принуждения Ле-Шателье – Брауна [120], который указывает на то, что реакция системы всегда направлена на ослабление внешнего воздействия, отклоняющего ее от состояния равновесия. Согласно этому принципу самоорганизация и эволюция диссипативных структур всегда направлены на достижение наибольшей долговечности существования синергетической системы. С каждым кинетическим актом и неравновесным переходом поверхностный слой все более эффективно сопротивляется внешним воздействиям, какую бы природу они не имели. Наиболее интенсивно аккомодационные процессы протекают в ходе приработки материалов, когда формируются благоприятные, равновесные для данных условий трения микрогеометрия и свойства поверхностных слоев, зачастую сильно отличающиеся от исходных. Поэтому оценку характеристик поверхностных слоев для прогнозирования кинетики их усталостного разрушения необходимо выполнять после завершения процесса приработки.

1.3. ПРОБЛЕМЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ИЗНАШИВАНИЯ Несмотря на успехи, достигнутые в теоретическом осмыслении и математизации процессов трения и изнашивания, трибология все же остается преимущественно эмпирической наукой. Трудности с прогнозированием ресурса деталей пар трения связаны не только со сложностью процессов, происходящих в неоднородном, несплошном, дефектном и анизотропном материале, каковым является деформируемый трением поверхностный слой, но также с отсутствием среди трибологов единых взглядов на природу прочности поверхностных слоев и общепринятой теоретической базы (концепции), удовлетворительно объясняющей кинетику процессов, протекающих в зоне фрикционного контакта. Проведем анализ известных расчетных моделей изнашивания и в заключение рассмотрим расчетную модель усталостной деградации поверхностей, основанную на кинетической интерпретации данного процесса.

Изнашивание по определению (ГОСТ 23.002-78) есть процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и остаточной деформации тела. Износ есть результат изнашивания, определяемый в единицах длины, объема, массы.

Для количественной оценки процесса изнашивания и способности материалов сопротивляться изнашиванию ГОСТом закреплены характеристики [185, 213]: скорость изнашивания –отношение значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник; интенсивность изнашивания I – отношение износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы; износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной обратной скорости или интенсивности изнашивания. Оценка скорости изнашивания служит для расчета долговечности деталей узлов трения машин. Однако в практике трибологических расчетов большее распространение получил показатель «интенсивность изнашивания».



Классификации различных видов изнашивания был посвящен ряд работ [147, 185]. В настоящее время наибольшее распространение получила следующая классификация, затрагивающая только основные формы изнашивания, учет которых на практике имеет важное значение [185]. Механическое изнашивание: абразивное, гидроабразивное (газоабразивное); гидроэрозионное (газоэрозионное); кавитационное;

усталостное; изнашивание при фреттинге; изнашивание при заедании. Коррозионно-механическое изнашивание: окислительное; изнашивание при фреттинг-коррозии; электроэрозионное.

Подавляющее большинство проблем в промышленности возникает вследствие механического изнашивания [292] деталей машин.

Исключая наиболее грубые формы изнашивания, обусловленные микрорезанием и схватыванием поверхностных слоев, которые обычно не наблюдаются при нормальной работе узла трения, наиболее общей формой повреждаемости при трении является усталость, протекающая под действием высоких знакопеременных и циклических упругопластических нагрузок, воспринимаемых локальными участками поверхностей на фоне тепловых, химических, адгезионных и др. контактных взаимодействий поверхности с контртелом и средой. Поэтому наиболее важным и одновременно трудноконтролируемым является усталостное изнашивание. Усталостный механизм повреждаемости поверхностного слоя характеризуется наличием двух фаз: скрытого (латентного) периода, в течение которого видимое разрушение материала отсутствует при постепенном накоплении дефектов, и фазы быстрого разрушения, когда при достижении определенной концентрации микроповреждений «уставший» материал диспергируется в виде частиц износа [64, 184]. Усталостный износ наиболее характерен при трении качения в шариковых и роликовых подшипниках, опорно-поворотных устройствах, катках, вращающихся бандажах и т. д., а также при трении скольжения в механических узлах, совершающих возвратно-поступательные движения. Усталость материалов может иметь малоцикловой (при пластических деформациях) и многоцикловой (при упругих деформациях) характер.

Первые объяснения усталости связывали с наличием при трении высокочастотных упругих знакопеременных нагрузок, возникающих в материале поверхностного слоя вследствие периодического зацепления и расцепления выступов шероховатостей контактирующих поверхностей. По оценкам [262], частота контактирования выступов находится в пределах 105107 Гц. При этом считалось, что пластический контакт имеет место только при приработке поверхностей, затем, после многократных циклов деформации, взаимодействие поверхностей становится преимущественно упругим (И.В. Крагельский). В отличие от этой точки зрения, Д.М. Чаллен [272] показал, что пластические деформации играют основную роль в процессе образования частиц износа даже после приработки поверхностей. При этом разрушение поверхностного слоя есть результат малоцикловой усталости и число циклов деформирования поверхности может определяться из уравнения Мэнсона-Коффина. Недавние исследования Лэси и А. Торренса с использованием волновой модели контакта привели к аналогичному выводу [270, 272, 273, 274]. Однако вопрос о механизме усталостного разрушения до настоящего времени находится на стадии развития, что подтверждается поисками критерия усталостного разрушения и предложением новых гипотез. В частности, на последнем конгрессе по трибологии А. Элеод [275] определил, что отделение частиц износа может быть вызвано тремя факторами: понижением работы разрушения материала поверхностного слоя до нулевого значения под влиянием различных факторов в поле упругих напряжений; накоплением повреждений в условиях упругих напряжений; исчерпанием ресурса пластичности в области пластического контакта. Все три процесса имеют общий характер, согласно которому разрушение наступает при исчерпании локального ресурса пластичности.

При разработке аналитических методов прогнозирования изнашивания особое внимание уделяется двум этапам: разработке физической модели и ее расчетной аналогии. На первом этапе выбираются исходные положения, концепция или теория, объясняющие физические аспекты процесса изнашивания, на втором – устанавливаются расчетные зависимости скорости (интенсивности) изнашивания от различных факторов. На протяжении развития трибологии было предложено множество подходов к анализу явления разрушения материала поверхностного слоя при трении. Самыми большими вехами в этом направлении, составившими классику современной трибологии, можно считать труды отечественных ученых М.М. Хрущева, М.А. Бабичева, В.Д. Кузнецова, И.В. Крагельского, Н.Б. Демкина, Ф.Р. Геккера, М.Н. Добычина, Г.М. Харача, А.К. Зайцева и др. [147-151, 256], а также зарубежных ученых Ф.П. Боудена, Д. Тейбора, Д. Арчарда, Т.Ф. Куинна, Г. Польцера и др. [36, 210, 267, 268, 271, 289].





В последние десятилетия интенсивно развивались представления о контактном физико-химическом взаимодействии поверхностей твердых тел, появлялись новые расчетные интерпретации, которые часто представляли собой вариации классических выражений. Основной прогресс при изучении изнашивания во многом можно связать с появлением новых технических средств (ЭВМ), которые позволили использовать для анализа разрушения трудоемкие математические методы. В качестве примера можно привести использование программного пакета ANSYS или ABAQUS для выполнения расчетов изнашивания соответственно методами конечных и граничных элементов [273].

В настоящее время большое место в литературе отводится обзорным трудам, созданию различных классификаций и критериев оценки триботехнических характеристик материалов. Впервые появилась учебная литература по трибологии [196, 238, 168]. Разработка моделей изнашивания на данном этапе в основном связана с появлением новых триботехнических материалов (керамик, композиционных материалов и т. д.) и условий работы узлов трения (ядерная энергетика), для которых необходимо учитывать дополнительный комплекс факторов.

Существующие расчетные модели изнашивания можно условно разделить на четыре типа [8, 120]: эмпирические, полуэмпирические, энергетические и кинетические. Эмпирические модели представляют собой простейшую математическую аппроксимацию экспериментальных результатов. В них механические характеристики связываются с характеристиками процесса изнашивания (износостойкостью, скоростью изнашивания) через безразмерные эмпирические коэффициенты, не имеющие четкого физического смысла. Зависимость имеет, как правило, вид линейной или степенной функции.

Полуэмпирические модели включают параметры, для каждого из которых установлена связь с физико-механическими свойствами материалов, характеристиками процессов и т. д. Экспериментальная оценка этих параметров позволяет производить анализ реальных физических явлений. Расчетные зависимости в полуэмпирических моделях строятся из физических соображений с учетом размерностей параметров.

Энергетические модели появились на основе термодинамического анализа процесса изнашивания. Параметрами энергетических моделей являются основные термодинамические характеристики материала поверхностного слоя: энергия, энтропия, температура и т. д.

Расчетные зависимости этого типа содержат в своей основе уравнения баланса энергии (энтропии).

Кинетические модели изнашивания построены на базе термофлуктуационной концепции прочности твердых тел. Характерной особенностью этих моделей является использование фактора Больцмана для связи скорости изнашивания с внешними факторами и описанием свойств материала через его активационные характеристики:

энергию активации и структурно-чувствительный коэффициент.

В настоящее время находят практическое применение все указанные типы моделей изнашивания, поэтому рассмотрим эти модели подробнее на конкретных примерах.

Проблему моделирования изнашивания в современной трибологии нельзя считать завершенной. Известно множество феноменов, сопровождающих этот процесс, которые пока невозможно уложить в рамки какой-либо из предложенных теорий. К ним можно отнести термоактивируемое накопление повреждений, прирабатывание поверхностей при трении, цикличность изнашивания, кинетические фазовые переходы структур дефектов, физико-химическую и структурную модификацию материала поверхностного слоя и т. д. Сложность описания этих эффектов усугублена спецификой модифицированного материала поверхностного слоя, которая требует одновременно рассматривать его как поверхность раздела фаз (мембрану), на которой интенсивно протекают сорбционные процессы, объемное деформируемое твердое тело, термодинамическую и функциональную системы, т. е. как объект изучения различных дисциплин. При этом для каждого эффекта существует свой оптимальный аспект изучения.

Так, при описании процесса накопления повреждений в материале поверхностного слоя целесообразно переходить на микроуровень, где можно рассматривать конкретные виды дефектов кристаллической решетки металлов и их свойства. Для оценки термодинамических характеристик следует, напротив, проводить исследования в рамках структурно-феноменологического подхода, позволяющего абстрагироваться от отдельных микроскопических особенностей, вклад которых в общее макроскопическое состояние трудно поддается контролю и поэтому полагается заранее неизвестным. Отсюда становится ясным, что адекватную картину процесса изнашивания можно построить только на стыке нескольких наук, в свете которых одно явление может приобрести множество дополняющих друг друга аспектов.

1.3.1. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД Первые попытки исследования изнашивания были связаны с установлением зависимостей скорости изнашивания от общеизвестных механических прочностных характеристик: твердости, временного сопротивления, предела усталости, модуля нормальной упругости и т. д. [88], основанных на изучении макроскопических закономерностей изнашивания. В феноменологическом подходе все трибологические процессы рассматриваются как протекающие в закрытом «черном ящике». При этом все температурные, силовые, геометрические и др. параметры процесса контактного взаимодействия неизвестны, анализу подлежат лишь начальные механические свойства поверхностных слоев (входные параметры) и проявленная ими стойкость к истиранию (выходные параметры), соотношение между которыми устанавливается эмпирически при лабораторных испытаниях.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 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.