WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 42 |

Характерной особенностью материала поверхностного слоя является наличие текстуры, вызывающей анизотропию его механических свойств. Данная анизотропия является вторичной, т. е. результатом пластической деформации материала в зоне фактических пятен касания. Известно [9], что прочность анизотропных материалов существенно зависит от направления приложения нагрузки, однако в трибологических исследованиях этот факт зачастую игнорируется.

Несмотря на успехи в металлофизическом изучении трущихся поверхностей, известно небольшое число расчетных моделей изнашивания, напрямую учитывающих экспериментальные данные структурного микроанализа модифицированных поверхностных слоев и аналитические оценки параметров повреждаемости. Однако важная роль особенностей структуры и свойств модифицированных трением поверхностных слоев в кинетике их разрушения требует обязательного учета в расчетных моделях изнашивания если не прямых структурных характеристик, то хотя бы структурно-чувствительных параметров. Так, в работе [64] при разработке кинетической расчетной модели изнашивания автор учитывает число разорванных межатомных связей и глубину debris-слоя. В работе [154] приводится регрессионная расчетная модель для оценки весового износа двухфазного поликристаллического материала в виде (6,4 + d A ) у J = a + a П = a + a (мг), (1.21) m 0 1 0 1 1,75 2 HB d b ( - ) кр П где a0,a1 – коэффициенты регрессии; – физико-механический кр комплекс; – критическое значение плотности дислокаций, м-2; – НВ d размер частиц второй фазы; – твердость поверхности трения; – 2 Ау = d b размер зоны сдвига; – вектор Бюргерса;

– концентрация частиц второй фазы; – расстояние между частицами.

Успешные примеры использования металлофизического подхода к изучению механизмов структурной деградации поверхностных слоев при трении позволяют признать его как сложный, но интересный и многообещающий. Его дальнейшее развитие связано с изучением синергетических явлений и установлением связи между процессами, протекающими на разных масштабных уровнях.

1.3.4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД Интерес к микроскопическим актам образования дефектов обусловлен прежде всего тем, что между поведением материалов на микро- и макроуровнях существует тесная взаимосвязь. Установить эту связь можно на основе термодинамического подхода. Появление каждого дефекта влечет за собой соответствующее изменение общего состояния поверхностного слоя, характеризуемого внутренней энергией и энтропией. Согласно термодинамике, поверхностный слой можно рассматривать как открытую термодинамическую систему, способную обмениваться энергией и веществом с окружающей средой. Наличие сорбционных процессов на поверхности материалов делает их схожими с мембранами, но, в отличие от обычных мембранных систем, поверхностный слой обладает еще и объемными характеристиками и, следовательно, комплексом собственных интенсивных характеристик. В рамках термодинамического подхода стало возможным пользоваться общими понятиями и использовать параметры состояния, пригодные для описания любых макроскопических систем, а также в удобной форме, через изменение термодинамических потенциалов, учитывать адсорбционные и др. эффекты. Применительно к описанию изнашивания были попытки установить уравнения состояния поверхностного слоя в виде общих уравнений баланса энергии или баланса энтропии. Это привело к созданию энергетических моделей [168], представляющих функциональную зависимость J = f (U, S, t,...), где U – внутренняя энергия, S – энтропия, t – время.

В основу термодинамического подхода легли следующие идеи:

- в поверхностном слое изнашиваемого материала можно выделить объем, находящийся в состоянии локального равновесия;

- влияния всех внутренних и внешних факторов на состояние поверхностного слоя можно выразить через соответствующие изменения термодинамических потенциалов;

- процессы трения и изнашивания могут быть описаны уравнениями энергетического или энтропийного баланса;

- скорость изнашивания контролируется скоростью аккумулирования внутренней энергии в материале поверхностного слоя или производством энтропии.

Термодинамическому анализу процессов трения и изнашивания, а также изучению и разработке их энергетических моделей были посвящены работы А.Д. Дубинина, Б.В. Протасова, В.А. Буфеева, Б.И.

Костецкого, В.С. Попова, И.И. Новикова, Ю.И. Линника, Л.И. Бершадского, Ю.К. Машкова, В.В. Федорова, А.А. Полякова, А.А. Рыжова, Г. Польцера, Г. Пурше, Г. Фляйшера, Б.М. Силаева, Ю.Н. Дроздова, Л.И. Погодаева и др. [98, 143, 168, 194, 288].

Уравнение баланса энтропии, записанное для локальной области, в которой применим принцип локального термодинамического равновесия, имеет вид dS + divS = [S], (1.22) dt dS где – скорость прироста энтропии в данной области; divS – скоdt рость оттока энтропии из данной области в окружающую среду; [S] – скорость возникновения или производство энтропии внутри данной области.

Одна из первых энергетических расчетных моделей изнашивания была предложена индийским ученым П.Д. Кумаром. В ней объем изношенных частиц определяется исходя из эмпирически найденной удельной работы разрушения поверхностного слоя и расчетной работы, затрачиваемой на упругую и пластическую деформацию выступов шероховатостей трущихся поверхностей. Л.И. Тушинский [240] также отмечал, что энергетической характеристикой процесса разрушения материАр = A W ала при трении служит удельная работа изнашивания, где А – работа сил трения, W – объем изношенного материала.

Энергетическая теория изнашивания в современной интерпретации впервые была сформулирована и получила развитие в трудах Фляйшера и его коллег [250]. Согласно этой теории, отделение частиц износа происходит в результате накопления в некотором объеме материала поверхностного слоя определенного критического запаса внутренней энергии. При этом учитывалось, что в деформируемых материалах запасается лишь незначительная часть (9...16%) всей затраченной энергии. Для энергетического описания изнашивания было * введено понятие мнимой eт и элементарной eтe плотности энергии трения в виде fNL fNL W fp W тр тр * т a т e = = = = e = =,, (1.23) т тe V V I I V V изн изн h h д д f где Wт – работа трения; Vизн – объем изношенного материала; – pa коэффициент трения; – номинальное давление; – удельная сила трения.



* nк Если принять, что по прошествии циклов взаимодействия поверхностей разрушению подвергается весь деформируемый объем по Vизн верхностного слоя Vд, можно показать следующую взаимосвязь:

* * e = e n. (1.24) т тe к Отсюда можно выразить интенсивность изнашивания I =. (1.25) h * n e к те Уточнение выражения (1.25) с учетом потерь энергии на нагрев материала и разницы между средней и действительной плотностью энергии разрушения приводят к значительному усложнению расчетной модели ввиду невозможности точной аналитической оценки мнимой плотности энергии, что требует дополнительных обширных исследований [235].

Однако в этих моделях не был учтен тот факт, что в процессе деформации активируются самоорганизующиеся диссипативные процессы, в результате которых перед разрушением в деформируемом материале вместо ожидаемого хаоса и деградации наблюдаются высокоупорядоченные структуры, т. е. из системы непрерывно «откачивается» энтропия, образуемая в ходе накопления дефектов [51, 120, 139]. Кроме того, известен факт [120], что на стадии исчерпания пластичности преимущественная роль отводится коллективным процессам, охватывающим масштаб больший, чем размеры локальных областей внутри дислокационных ячеек, учет которых зачастую в энергетических моделях не предусмотрен. Это вновь наводит на мысль о необходимости более глубокого изучения свойств дефектов на микроуровне. Кроме того, изнашивание – сугубо неравновесный необратимый процесс, описание которого скорее может быть получено не из уравнений баланса, полученных в рамках равновесной термодинамики, а из кинетической теории неравновесных процессов.

Пример обобщенной модели процесса разрушения поверхностных слоев, деформируемых трением, привел Б.М. Силаев [216, 217], основываясь на фундаментальных законах и уравнениях энергомассопереноса. При этом вводится представление о «трибореакторе» – зоне активных процессов между контактирующими поверхностями, характеризуемыми наличием жидкой или газовой фазой, и частицами отделившегося материала твердых тел, статистически распределенными по зазору. При этом согласно определению открытых систем между поверхностями трения и средой непрерывно происходят взаимные обменные процессы энергией, веществом и количеством движения.

Б.М. Силаев выделяет следующие основные процессы, происходящие в трибореакторе [217]:

- возбуждение системы путем воздействия на нее силовых и скоростных факторов и создание за счет этого движущих сил процесса разрушения породы твердосплавными зубками – градиентов полей давлений (напряжений), деформаций, температур и концентраций вещества;

- взаимные превращения и перенос энергии (механической, тепловой, химической, электрической, акустической, химической, электрической и др.);

- преобразование и перенос массы вещества;

- структурные и фазовые превращения, диффузия, образование и аннигиляция химических соединений, механические преобразования (разрушение элементов поверхностей твердых тел, их диспергирование и перемещение).

На основе анализа уравнений переноса количества движения, переноса массы и энергии, баланса энтропии было получено общее решение задачи о трении и изнашивании в виде a N r µ v n s s - j T - T j + + T T + + A + A h q nd d m m d q n= 1 = T T R max I = K, (1.26) h N µ j - j n nd q n= 1 q К, а где – соответственно коэффициент пропорциональности и покаj, затель степени, требующие эмпирической оценки; – соответственА но поток и производство энтропии; – химическое сродство; – скорость изменения массы.

Оптимальной по сложности и термодинамически обоснованной является расчетная зависимость для оценки скорости изнашивания материалов в условиях стационарного режима трения, полученная В.В. Федоровым [243]:

V U w e e i = = =, (1.27) S u - u u - u - u * Tf * 0 Tf e * где U, u, u0, uTf – соответственно скорость изменения скрытой энергии в поверхностном слое, отнесенная к единице поверхности трения, критическая и начальная плотность внутренней энергии и плотность тепловой составляющей скрытой энергии; V – объем продуктов изно S V са; – объемная скорость изнашивания; – площадь поверхности трения; e – относительная величина скрытой энергии; w – удельная мощность трения.

Для оценки скорости абразивного изнашивания при трении образца об абразивный круг В.В. Федоров предложил следующее выражение:

nS U e V = =, (1.28) t u - u * Tf где n, S, t – соответственно число оборотов вала абразивного круга, площадь поверхности трения и время наработки.

Для применения зависимости (1.28) в инженерной практике требуются данные о кинетике накопления повреждаемости в поверхностных слоях материалов в процессе эксплуатации изделий, а также необходимо внедрение в практику испытаний материалов методов оценки активационных параметров деформации и разрушения поверхностных слоев.





Экспериментальные исследования энергетического баланса изнашивания различных материалов при абразивном и граничном трении, описанные в работе [243], показали следующее:

1) расчетные характеристики изнашивания, полученные с использованием вышеприведенной модели (1.27), достаточно точно соответствуют экспериментальным данным;

u 2) изменение плотности внутренней энергии не зависит от * условий трения и является физической константой материала (табл.

1.2);

u Н 3) величина хорошо коррелирует с энтальпией материа* s лов в жидком состоянии при температуре плавления;

u 4) скорость изменения интегрально характеризует протекание * двух противоположно направленных процессов: роста запасенной энергии с образованием дефектов и уменьшения энергии наклепа в процессе динамического возврата за счет выхода наружу, аннигиляции дефектов и объединения их в комплексы;

5) чем сильнее выражен тепловой эффект и выше интенсивность теплообмена при трении, тем активнее происходит динамический возврат (отдых) и выше износостойкость материала.

Таблица 1.Критическая плотность энергии материалов при абразивном изнашивании [171] Показатель Материал Сталь Сталь Чугун Латунь Ал. сплав 40Х У8А СЧ 18-36 Л68 АО 9- u*,кДж/моль 68 77 63 35 11,На основе теоретических и экспериментальных исследований В.В. Федоров предложил оценивать относительную износостойкость материалов как отношение скоростей изнашивания эталонного образца и испытуемого материала1 по следующим формулам:

u H * s = k = k w, э э f где = f e – коэффициент износа; – коэффициент трения;

kэ = ( u*э - uTfэ) – константа, зависящая от свойств эталонного материэ ала и условий трения.

Полученные данные, несомненно, свидетельствуют о перспективности энергетического подхода к прогнозированию долговечности пар трения, однако следует признать, что в описанном подходе упущена оценка влияния внешней среды на энергетическое состояние деформируемых трением поверхностных слоев. Это может привести к существенным погрешностям расчетов.

1.3.5. КИНЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД Опираясь на успехи, достигнутые в области изучения кинетики деформации и разрушения материалов, стало возможным говорить о наличии общей термоактивационной природы химических, механохимических и механических процессов, осуществляемых путем преодоления энергетического барьера. С позиции кинетической теории поверхностный слой рассматривается как тело, состоящее из множества структурных составляющих – кинетических единиц, в качестве которых могут приниматься атомы и молекулы вещества, т. е.

элементы, совершающие тепловые колебания. При кинетическом описании явлений, происходящих по термоактивационному механизму, используются следующие предположения:

Данное определение износостойкости отличается от стандартной формулировки (прим. авт.) - в основе механизмов накопления повреждений и усталостного разрушения поверхностного слоя лежат термоактивируемые кинетические процессы;

- зависимость между скоростью изнашивания материала и внешними факторами устанавливается через его активационные параметры: энергию активации U и структурно-чувствительный коэффициент :

I = f ( U,,, Т,....). (1.29) В качестве основы для термофлуктуационной интерпретации изнашивания принимается тот факт, что скорость распространения усталостных трещин подчиняется закономерности Аррениуса. Расчетные модели, построенные на основе термофлуктуационных представлений, были проверены и нашли подтверждение в многочисленных экспериментах. Достоинством полученных феноменологических выражений является возможность их использования для любого напряженно-деформированного состояния материалов. В работах [64, 207, 273, 281] содержится идея о применимости данных формул для описания процесса изнашивания. Разработке и исследованию кинетических моделей посвящены работы С.Б. Ратнера, М.А. Бартенева, Ю.Н. Дроздова, Д.Г. Громаковского, А.Г. Ковшова, Т.Ф. Куинна, И. Усуи и др. [64, 84, 94-97, 133, 289].

Впервые модели, основанные на зависимости Аррениуса-Журкова, использовались для анализа коррозионно-механических видов изнашивания, что объяснялось преимущественной ролью скорости химических реакций, протекающих на поверхности, в процессе образования частиц износа. Т.Ф. Куинн [289] предложил следующее выражение для расчета коэффициента окислительного изнашивания:

Q 2 k = dA exp - / U, (1.30) R T где А – константа Аррениуса; Q – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура; U – скорость скольжения; d – расстояние вдоль длины контакта; – плотность оксида.

Для расчета скорости изнашивания инструментов из углеродистой стали при высоких температурах (при размягчении металла) И.

Усуи с сотрудниками [273] получил выражение V E = w exp, (1.31) L k T t где V – изношенный объем; – нормальная нагрузка; k – коэффициент t L Больцмана; – путь трения; Е – энергия активации; w – константа. В работе [273] отмечено, что для использования этой модели остается решить вопрос о физическом описании данного процесса, который позволил бы объяснить физический смысл параметров Е и w.

Первые расчетные модели в России, построенные с использованием кинетических выражений, были получены для оценки интенсивности изнашивания полимеров и резин [185, 238]. С.Б. Ратнер предложил расчетную модель изнашивания в виде U - f I = I exp, (1.32) R где I – константа изнашивания, U – энергия активации разрушаемых 0 связей, – напряжение, – постоянная, связанная со структурой материала, f – коэффициент трения, R – энергия теплового движения.

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 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.