WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 | 11 |   ...   | 42 |

Особой тщательности требует оценка времени существования диссипативных структур. Фазовый переход между двумя диссипативными структурами осуществляется путем преодоления энергетического барьера. При этом материал переходит в возбужденное состояние [51] или, другими словами, достигает точки бифуркации. Вероятность такого состояния системы может быть найдена в рамках неравновесной термодинамики при помощи фактора Больцмана [53]. Фазовые переходы на мезоуровне, как видно из рис. 1.13, обусловлены ростом плотности дислокаций [139], а именно достижением упругой энергии дислокаций в деформируемом материале определенной величины, при которой наступает точка бифуркации.

Поскольку скольжение дислока- U ций является термоактивируемым процессом, а интенсивность генерирования новых дислокаций (напри- мер, источниками Франка-Рида) зави хаос ячейки полосовая сит от скорости их перемещения, то кинетика развития диссипативных Рис. 1.13. Схематическое структур будет определяться активапредставление природы ционными характеристиками дисло- формирования дислокационных субструктур кационного механизма деформирования. В свою очередь, энергия активации скольжения дислокаций также зависит от структуры материала.

Так, границы ячеек действуют на подвижную дислокацию, как и границы зерен. В пределах одной фазы развития диссипативных структур энергия активации существенно не меняется благодаря возможности стока их избыточной плотности в субграницы. В момент фазового перехода эта энергия резко возрастает [51, 139] и затем, после завершения перехода, снова понижается.

Из исследований высокотемпературной ползучести материалов, представленных в работе [50], следует, что процесс макроскопического разрушения материалов контролируется той же величиной энергии активации, которую имеет микромеханизм, отвечающий за необратимое накопление повреждений в материале (рис. 1.14). Этот вывод остается справедливым и для процесса деформации, что подтверждается близкими значениями энергий активации ползучести материалов и самодиффузии атомов, а также сменой величины энергии активации при изменении доминирующего микромеханизма деформации [132].

Энергия упругих искажений решетки Учитывая тот факт, что при низких температурах и высоких скоростях деформации, которые имеют место при эксплуатации большинства узлов трения, процессы пластической деформации и разрушения контролируются одним и тем же дислокационным механизмом [270], можно предположить, что энергии активации этих процессов должны быть равными.

Учитывая термофлуктуационную природу описанных явлений, для оценки времени до наступления фазового перехода в материале U0, поверхностного слоя и скорости [кдж/моль] пластической деформации можно использовать кинетические уравнения. Среди основных положений синергетического подхода можно выделить следующие:

14,- дислокации, генерируемые 100 200 300 400 500 600 700 800 900 К процессом пластической деРис. 1.14. Изменение энергии активации с ростом температуры [132]: 1 – формации металлов, вместо поликристаллический алюминий; 2 – монокристаллический алюминий ожидаемого хаотического поведения способны самостоятельно эволюционировать в устойчивые диссипативные структуры, образующие в деформируемом материале пространственные образования в виде ячеек, блоков и т. д., размер которых не зависит от исходных структурных параметров материала (размера ячеек и т. д.);

- установлена взаимосвязь между плотностью дислокаций, механизмом диссипации и видом диссипативных структур, определяющих состояние и свойства материала деформируемого тела (рис. 1.11). Такие перестройки диссипативных структур из-за их устойчивости принято называть фазовыми переходами;

- каждый фазовый переход имеет свой определенный энергетический барьер – энергию активации соответствующего перехода (рис. 1.13);

- фазовые переходы осуществляются последовательно и закономерно. При этом каждый вид диссипативных структур распространяется, пока не заполнит весь объем материала. Каждая новая фаза начинает появляться в очагах образования дислокаций, постепенно смещая границу предыдущей фазы.

1.5. СТРУКТУРА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ИЗНАШИВАНИЯ В работе [64] впервые был получен общий вид расчетной модели скорости усталостного изнашивания (1.38), отражающий два важнейших события, составляющих реальную картину разрушения материала поверхностного слоя: разрушению подвергается локализованный микрообъем материала, определяемый размерами фактического пятна касания и характерной толщиной debris-слоя; разрушение происходит через равные промежутки времени. Уравнение (1.38) отражает дискретный характер разрушения поверхностного слоя. Полученное выражение описывает его как явление, локализованное в пространстве и времени. Это очень существенный факт, так как из вывода дискретности разрушения следует, что для математического описания усталостного изнашивания нецелесообразно использовать интегральный подход, т. е. бесконечно малым равным приращениям времени наработки (пути трения) не будут соответствовать равные приращения износа. Значит, термин «мгновенная скорость (интенсивность) изнашивания» в данном случае не имеет физического смысла. Более объективной оценкой представляется средняя скорость (интенсивность) изнашивания, определяемая как отношение величины износа к длительности одного кинетического цикла.

Исследования кинетики усталостного изнашивания показали, что толщина debris-слоя, подверженного накоплению повреждений, имеет размеры порядка 0,13,0 мкм, что соответствует мезоскопическому масштабному уровню [64]. Известно [185], что скорость усталостного изнашивания одной пары трения при различных внешних условиях может меняться на 12 порядков. Столь широкий диапазон изменения скорости изнашивания не может быть обеспечен изменением толщины разрушаемого слоя h и, следовательно, величиной активируемого микрообъема V. Характеристикой процесса изнашивания, величина которой д может меняться в более значительном диапазоне, является длительность кинетического цикла t. Так, при абразивном изнашивании в условиях, р близких к режиму шлифования, длительность цикла составляет величину порядка продолжительности фактического контакта. При умеренном нагружении, как видно из рис. 1.7, а, б, в, она может достигать десятков часов. Учитывая тот факт, что изнашивание является процессом, подверженным случайным явлениям, кинетические характеристики V и t след р дует рассматривать как их средние оценки, полученные за период испытания, а математическое описание этих характеристик должно выполняться при использовании вероятностного подхода.



Разрушение материала поверхностного слоя при усталостном изнашивании связывается с многократными действиями деформирующих нагрузок, которые приводят к накоплению повреждений и, при достижении их критической концентрации, к образованию частиц износа и отделению их от поверхности трущихся тел. Вопросу исследования и моделирования процесса деформации и разрушения материала поверхностного слоя в условиях повторяющихся циклических воздействий отводится одно из центральных мест при изучении усталостного изнашивания. В связи с этим наибольшее распространение в последнее время получили концепция роста поверхностных трещин и концепция образования пластических волн [270, 273, 283]. Их удобство состоит в возможности компьютерного моделирования кинетики усталостного разрушения, например, методом конечных элементов.

Существование циклов нагружения также должно найти отражение в общей схеме расчетной модели изнашивания.

Суммируя вышесказанное, можно сформулировать основные требования к общей схеме расчетной модели. Она должна учитывать:

- дискретный характер разрушения материала поверхностного слоя в пространственном и временном измерениях;

- наличие процесса накопления повреждений;

- вероятностный характер процесса изнашивания.

Как было отмечено выше, с точки зрения синергетики изнашивание может рассматриваться как диссипативный процесс, связанный с периодической самоорганизацией и разрушением диссипативных систем в поверхностных слоях трущихся тел, для которых определены два фундаментальных свойства: пространственная локализация и время «жизни» [120]. На физическом уровне эти свойства проявляются, как это было показано в работе [64], в форме циклического образования на поверхностях трения дебрис-слоя, в пределах которого сосредотачиваются усталостные процессы и который после некоторого времени отделяется в виде частиц износа. При постоянных условиях трения толщина и долговечность дебрис-слоя остаются в среднем неизменными.

В общем виде расчетную модель для оценки скорости изнашивания. Для этого заменим длительность цикла разрушения обратной ей величиной, которую можно интерпретировать как частоту появления разрушающего фактора за единицу времени, а также примем предположение, что, в реальности, не каждое появление разрушающего фактора может повлечь за собой акт разрушения. Таким образом можно выразить посредством трех составляющих модели: количественной характеристики размеров диссипативной системы Q, долговечности диссипативной системы t и вероятности появления разрушающего фактора на произвольном участке поверхности трения Р. В этих обозначениях, с учетом происходящего в реальности смешанного изнашивания, общее расчетное выражение для оценки скорости разрушения материала поверхностного слоя можно записать в виде:

n Q i = P Р, (1.41) Q i a i i= t где i =1…n – число учитываемых видов изнашивания, Р – вероятаi ность активации i-того вида изнашивания. Как правило, при расчетах изнашивания исходят из предположения о преимущественной роли в заданных условиях трения одного ведущего вида изнашивания, т. е.

Р = 1. При этом выражение (1.41) принимает вид а i = Q P t. (1.42) Q В зависимости от конкретной интерпретации параметров Q, t и Р расчетная модель скорости изнашивания материалов приобретает тот или иной вид.

В качестве t может рассматриваться долговечность материала, определяемая по кинетической модели, полученной в рамках структурно-энергетической теории прочности [109, 111, 113] (анализ данной модели приведен в гл. 2):

t = exp([u - - g] RT), с, (1.43) р 0 0 э где g – изменение внутренней энергии поверхностного слоя под действием среды, u0 – энергия активации разрушения материала (кДж/моль), Vm – молярный объем, (мм3/моль), э – эквивалентное T R напряжение (МПа), – абсолютная температура (К), – универсальR 0,008314кДж /(моль К) ная газовая постоянная,.

Безразмерный вероятностный параметр Р, учитывающий микро- и макрогеометрические особенности элементов пары трения, можно оценить из выражения А r э Р =, (1.44) A НВ a HB где – коэффициент перекрытия поверхностей; – твердость материаАr Аa ла (МПа);, – площади фактического и номинального контакта.

Модель (1.41) можно записать в ином виде. представлении Развивая структурную схему расчетной модели усталостного изнашивания, предложенную Д.Г. Громаковским, предпримем попытку представить уравнение (2.37) в более общем виде. Для этого заменим длительность цикла разрушения обратной ей величиной, которую можно интерпретировать как частоту появления разрушающего фактора за единицу времени, а также предположим, что в действительности не каждое появление разрушающего фактора может повлечь за собой акт разрушения. Таким образом, можно установить три основные составляющие модели: количественную характеристику вещества, накапливающего повреждения, Q, частоту появления разрушающего фактора f и вероятность разрушения материала за одно появление разрушающего фактора Р. В этих обозначениях, с учетом происходящего в рер альности смешанного изнашивания, общую расчетную схему для оценки усталостного разрушения материала поверхностного слоя можно записать в виде:





n J = Q f P Р. (1.45) Q i i p аi i i= Соответственно, упрощенный случай (при одном ведущем виде JQ = Q f Pp изнашивания) описывается выражением.

Учитывая, что процесс изнашивания подвержен влиянию случайных внешних факторов, в приведенном уравнении каждой характеристике присваивается усредненное значение, а сами характеристики рассматриваются как математическое ожидание обозначаемых ими реальных параметров. Таким образом, можно записать:

n n n Q = M(Qф) = Qф PQi f = M( fф) = fф Pf i Pp = M(Pp ф)= Pp ф Pp i ; ;, (1.46) i i p i i= 1 i= 1 i= где Q, f и Р – соответственно фактические значения характеристик ф ф рф Q, f и Р ; М(Q ), М(f ), М(P ) – соответственно математические ожир ф ф рф дания текущих характеристик Q, f и Р ; n – число однотипных эксф ф рф периментов по оценке этих характеристик; Р, P, P – соответственQi fi ppi но частота появления i-того значения параметров Q, f и Р.

ф ф рф Количественная характеристика Q может иметь физический смысл и размерность объема материала поверхностного слоя, подверженного усталостному выкрашиванию, – V, глубины разрушаемого д слоя – h, массы диспергированного вещества – m; при этом будут получены модели расчета соответственно объемного, линейного и весового износа. Известно [64 и др.], что процессы усталости в материале поверхностного слоя при механическом изнашивании развиваются в локальной области, размеры которой определяются конкретными условиями трения. Вне данной области структура материала имеет иное состояние. Поэтому размеры активируемой зоны могут быть определены экспериментально, методами структурного анализа материала поверхностного слоя по глубине после его приработки. При усталостном изнашивании формируется две области накопления повреждаемости (рис. 1.15): первая сосредоточена в тонком поверхностном слое – т. н. debris-слое, который накапливает дефекты и разрушается в режиме малоцикловой усталости при нормальном усталостном hк изнашивании; вторая распространяется на большую глубину и отвечает за кинетику развития контактной фрикционной усталости (КФУ), которая протекает в многоцикловом режиме. При оценке скорости линейного изнашивания в первом случае можно принять Q = hд, Q = hк во втором –.

Область, Зоны действия охваченная фактических контурными напряжений напряжениями Рис. 1.15. Схема образования слоев, подвергаемой малоцикловой (1) и многоцикловой (2) усталости Учитывая, что процесс накопления повреждений охватывает некоторую область пространства, физически обоснованным будет рассмотрение этой характеристики как локального объема, определяемого геометрией контакта трущихся поверхностей и толщиной активируемого слоя. Для случая коррозионно-механического изнашивания размеры активируемой зоны находятся аналогично. При этом повреждаемость будет ограничена по глубине толщиной образовавшейся пленки. При абразивном изнашивании формирование частиц износа происходит в результате малоцикловой усталости, развивающейся в материале поверхностного слоя при его многократной пластической деформации зернами абразива (жестким выступом), а количество разрушаемого вещества зависит от размеров абразивных зерен и толщины наклепанного слоя. В рассмотренных случаях, приводящих к образованию частиц износа, происходит потеря массы трущихся деталей. Однако величина износа определяется также и количеством пластически вытесняемого вещества. Поэтому для оценки характеристики Q иногда [292] используются аналитические усредненные оценки, например, отношение затраченной при трении работы к плотности энергии пластической деформации. Существуют и другие методы расчетной оценки количественной характеристики [133, 185]; в частности, она может определяться как:

- произведение глубины диспергируемого слоя h на площадь фактического контакта А, которые оцениваются эксперименф тально после приработки поверхности (Д.Г. Громаковский);

- отношение работы трения на удельную работу, приходящуюся на единицу разрушаемого объема. Величина работы определяется расчетными методами (Д. Арчард);

- объем внедрившихся неровностей твердого тела в поверхностный слой более мягкого контртела, рассчитываемый по характеристикам кривой опорной поверхности (И.В. Крагельский);

- активационный объем, рассчитываемый по уравнению С.Н. Журкова, которое получено из анализа ангармонизма колебаний атомов с учетом концепции слабейшего звена Вейбулла (А.Г. Ковшов).

Аналитические способы оценки характеристики Q могут сильно уступать экспериментальным методам, особенно когда необходимо учитывать процессы самоорганизации, сопутствующие развитию усталости и определяющие кинетику разрушения материала поверхностного слоя в реальных условиях эксплуатации.

Частота появления разрушающего фактора f может иметь размерность [м-1] или [с-1], которые используются соответственно при оценке интенсивности и скорости изнашивания. Разрушающим фактором при трении является, например:

Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 | 11 |   ...   | 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.