«КИНЕТИКА УСТАЛОСТНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ Самара Самарский государственный технический университет 2008 1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ...»

И.Д. ИБАТУЛЛИН

КИНЕТИКА УСТАЛОСТНОЙ

ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

Самара

Самарский государственный технический университет

2008

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

И.Д. ИБАТУЛЛИН

КИНЕТИКА УСТАЛОСТНОЙ

ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

Самара Самарский государственный технический университет УДК 539. БКК О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р – д-р техн. наук, проф. Д.Г. Г р о м а к о в с к и й Р е ц е н з е н т ы : д-р техн. наук, проф. Б.М. С и л а е в ;

канд.техн. наук, доц. А.Г. К о в ш о в Ибатуллин И.Д.

Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев: монография / И.Д. Ибатуллин. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. – 387 с.: ил.

ISBN Рассмотрен широкий круг вопросов, касающихся исследования кинетики усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев при трении.

Описаны физические механизмы развития усталости и кинетика роста внутренней энергии в деформируемых материалах. Изложены существующие и предложены новые расчетные модели изнашивания, методики и технические средства для оценки их параметров. Представлены основы системы управления сроком службы ответственных узлов трения.

Монография ориентирована на студентов старших курсов и аспирантов машиностроительного профиля, изучающих трибологию, а также специалистовтрибологов, занимающихся проблемами разработки, диагностики, испытания и прогнозирования ресурса узлов трения машин.

УДК 539. БКК Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного технического университета ISBN © И.Д. Ибатуллин, © Самарский государственный технический университет,

ПРЕДИСЛОВИЕ

В связи с включением в программы обучения в вузах страны науки о трении – трибологии, появлением новой специальности – инженер-триболог и специализаций, связанных с обеспечением износостойкости узлов трения и восстановлением изношенных деталей, сложился дефицит информации о физике процессов, происходящих в поверхностных слоях, деформируемых трением, кинетике их усталостного разрушения, а также о методах экспериментальной диагностики состояния поверхностных слоев и основных принципах управления сроком службы ответственных узлов трения. Цель данной монографии – осветить проблему усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев трущихся деталей от общих теоретических положений до разработки прикладных методик испытания, инженерных расчетов и прогнозирования долговечности.

Монография предназначена для аспирантов, студентов старших курсов машиностроительного профиля, а также инженеров-трибологов и научных работников, занимающихся проблемами разработки, технического обслуживания, диагностики, испытания и прогнозирования ресурса узлов трения машин. Первые параграфы каждой главы, содержащие аналитический обзор, обобщение и систематизацию разработок, касающихся проблематики данной главы, помогут начинающим (студентам, аспирантам) ознакомиться с имеющимися достижениями и нерешенными проблемами исследования кинетики изнашивания поверхностей. Параграфы, содержащие описание новых подходов и разработок, могут представлять интерес для специалистов-трибологов в плане их обсуждения, практического использования и дальнейшего развития.

При освещении процессов, протекающих при деформации поверхностей, трения рассмотрены синергетические аспекты контактного взаимодействия и усталостного изнашивания материалов. Рассмотрена эволюция диссипативных структур и сложное взаимное влияние различных факторов в процессе развития усталости в тонких поверхностных слоях.

Материалы данной книги являются результатом исследований, выполняемых в научно-техническом центре «Надежность технологических, энергетических и транспортных машин» и на кафедре «Технологии машиностроения» Самарского государственного технического университета. При подготовке данных материалов использовались результаты, полученные за последние несколько лет в ходе работ по федеральным и региональным научно-техническим программам и договорам с промышленными предприятиями.

Автор считает своим долгом выразить благодарность д.т.н., проф.

Д.Г. Громаковскому, д.т.н., проф. Л.И. Куксеновой, д.т.н., проф. Б.М.

Силаеву и к.т.н., доц. А.Г. Ковшову за обсуждение отдельных частей монографии и ценные замечания; проф. А.А. Торренсу за организацию и проведение совместных исследований в Дублинском университете Тринити Колледж (TCD); д.т.н., проф. В.А. Прилуцкому, к.т.н. С.Ю. Ганигину, Б.В. Гонченко, С.А. Яковлеву С.А. за совместную разработку конструкции склерометрического программно-аппаратурного комплекса; В.Е. Барынкину за разработку и исследование конечно-элементных моделей фрикционного контакта; д.т.н., проф. Р.М. Богомолову и А.С. Бурцеву А.С. за организацию и проведение испытаний в научно-исследовательской лаборатории ОАО «Волгабурмаш», к.т.н. Н.С. Нассифу за совместные экспериментальные исследования кинетики повреждаемости твердосплавных материалов.

Автор будет признателен за отзывы и пожелания, направленные по адресу: [email protected].

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы трибология приобретает все больший вес в ряду других технических дисциплин. Общепризнано, что узлы трения являются «слабым» и в то же время ответственным звеном практически любой современной машины. Долговечность трущихся соединений лимитирует срок службы машин, а их безотказность определяет технико-экономическую эффективность, а иногда и безопасность эксплуатации машин. Поэтому методам оценки фактического состояния деталей трущихся соединений и прогнозирования их ресурсных характеристик с целью предотвращения аварийных отказов ответственных узлов и механизмов традиционно в трибологии уделяется повышенное внимание.

Трибология как междисциплинарное направление требует от специалистов априорных знаний в области не только классических наук – механики, физики, химии, материаловедения и др., но также новых, интенсивно развивающихся научных направлений – физики прочности материалов, неравновесной термодинамики, синергетики и др.

Теоретический фундамент последних составляет базу для правильного понимания процессов повреждаемости, происходящих в зоне контакта при трении. Однако их изучению в общетехнических вузах часто уделяется недостаточно внимания. В специальной и учебной литературе по трибологии вопросы кинетики усталостной повреждаемости поверхностных слоев при трении не всегда освещены в достаточном для их полноценного понимания объеме. Монография призвана расширить кругозор читателей по вопросам прочности поверхностных слоев, диагностики состояния и прогнозирования изнашивания материалов, управления сроком службы ответственных элементов узлов трения, а также предложить новые перспективные подходы по дальнейшему развитию работ в этих направлениях.

Изнашивание материалов – результат взаимодействия множества сложных многомасштабных и многоэтапных процессов. В настоящее время известны экспериментальные данные о периодических изменениях ряда физико-механических свойств поверхностных слоёв при трении: микротвердости, плотности дислокаций, контактной жесткости, шероховатости, концентрации химических компонентов, остаточных напряжений и др. Несмотря на высокую научную ценность данных исследований, позволяющих глубже понять физические механизмы изнашивания, получить с их помощью исчерпывающее математическое описание кинетики деградации материала поверхностного слоя пока не удалось. Вопрос о долговечности поверхностей трения, находящихся в условиях сложного спектра разрушающих трибовоздействий, остается наиболее актуальным объектом изучения в трибологии. Классическая наука о прочности – сопротивление материалов, оперирующая традиционными представлениями о существовании некоторого предельного для каждого материала механического напряжения, не может дать на него ответ, поскольку в механических критериях фактор времени как таковой отсутствует. Кроме того, механический подход не позволяет оценить влияние на прочность материалов совокупности воздействий (химических, термических, хемомеханических, электрохимических, радиационных и др.), имеющих немеханическую природу, но способных существенно повлиять на износостойкость материалов. По тем же причинам неприменимой для прогнозирования разрушения является теория Гриффитса, в которой предельное состояние материала связывается с возникновением в его локальной области критической плотности энергии, достаточной для роста трещины. Отмеченные проблемы стимулировали поиск новых представлений о прочности материалов, среди которых наиболее плодотворным оказался кинетический подход, в котором разрушение рассматривалось не как мгновенная потеря несущей способности, а как следствие закономерного изменения физико-химических свойств материалов до потери их устойчивости, т. е. как процесс, имеющий определенную длительность.

Фундаментальные исследования кинетики повреждаемости и длительной прочности конструкционных материалов начались в середине прошлого века благодаря известным работам академика С.Н. Журкова [102-105], проводимым в Ленинградском физико-техническом институте, в которых были заложены основы новой термофлуктуационной теории прочности твердых тел. Им впервые была установлена однозначная зависимость долговечности материалов при ползучести от приложенной нагрузки и температуры, связь между которыми осуществлялась через активационные параметры разрушения – энергию активации и структурно-чувствительный коэффициент. С тех пор вопрос о прочности материалов стал неразрывно связан с фактором времени, а наряду с эмпирической оценкой долговечности материалов впервые появилась кинетическая температурно-временная расчетная модель, позволяющая прогнозировать их ресурс, для чего требовалось лишь оценить при специальных испытаниях активационные параметры разрушения материалов. За рубежом аналогичные работы проводились Дорном. Его школой был разработан ряд оригинальных методик оценки энергии активации пластической деформации материалов, построенных на основе анализа кинетики изменения скорости деформации материалов при ступенчатом изменении действующих нагрузок.

Термофлуктуационная теория прочности нашла развитие в работах В.Р. Регеля, А.И. Слуцкера, Э.И. Томашевского, В.А. Степанова, В.В. Федорова и др. ученых [205-207, 221-223, 242, 243]. Успехи новой теории способствовали ее быстрому проникновению во все отрасли народного хозяйства, связанные с необходимостью прогнозирования долговечности материалов под нагрузкой. Было показано, что уравнение С.Н. Журкова подходит для оценки долговечности не только металлических материалов, но также и полимеров, минералов, древесины при различных механизмах повреждаемости и видах напряженно-деформированного состояния материалов, что естественно привело к попыткам привязки уравнения долговечности С.Н. Журкова к оценке износостойкости поверхностных слоев с учетом специфики их состояния.

Попытки теоретического описания эмпирического уравнения С.Н. Журкова на основе фундаментальных научных принципов продолжаются по настоящее время [4-5]. Наряду с эмпирической оценкой активационных характеристик разрушения материалов длительное время проводились исследования кинетики повреждаемости материалов, основанные на физических методах исследований закономерностей изменения микроструктуры и эволюции дефектов кристаллической решетки вплоть до разрушения материалов. Такие работы проводились в ведущих научных центрах Российской академии наук ИМЕТ, ИМАШ, ЛФТИ и др. известными учеными В.С. Ивановой, Л.М. Рыбаковой, Л.И. Куксеновой, В.И. Владимировым и др. [48, 51, 119, 122, 208, 212]. Интересные результаты в этом направлении, свидетельствовавшие о наличии общих закономерностей эволюции диссипативных систем, Применительно к поверхностным слоям такие исследования проводились …Марченко, Д.Г. Громаковским, А.Г.

Ковшовым и др.были получены томскими учеными Н.А. Коневой, Д.В. Лычагиным, Л.И. Тришкиной, Э.В. Козловым и др. [135-139].

Теоретической основой физических исследований стала теория нобелевского лауреата И.Р. Пригожина [60, 201] об устойчивости и флуктуациях в открытых системах, находящихся вдали от равновесия. Введенные им понятия о диссипативных структурах и их свойствах прочно вошли в современное описание кинетики деградации материалов. На основе описания фундаментальных свойств диссипативных систем можно дать объяснение многим феноменам разрушения материалов, например, циклическому характеру разрушения поверхностных слоев при усталостном изнашивании. Синтезировать накопленный опыт исследования кинетики повреждаемости и разрушения материалов удалось на основе нового междисциплинарного направления – синергетики, основоположником которой является Г. Хакен [252].

В настоящее время исследованию кинетики повреждаемости и разрушения твердых тел посвящено множество работ [16, 34, 44, 55, 96, 100, 105, 107, 223, 242]. Анализ прочности и долговечности материала тонкого поверхностного слоя, деформируемого трением, представляет собой гораздо более трудную задачу, нежели изучение объемных свойств. Исследование активационных характеристик разрушения поверхностных слоев осложнено влиянием на их долговечность множества одновременно протекающих и конкурирующих синергетических процессов, в результате которых проявляется множество специфических поверхностных эффектов: хемомеханического, механохимического, эффектов Ребиндера и др., обусловленных взаимодействием поверхности со средой и их обменом между собой энергией и веществом. Для решения данной задачи важно найти общий теоретический фундамент для построения объективного критерия прочности поверхностных слоев, который позволил бы объединить столь разнородные процессы. Другой проблемой исследования кинетики повреждаемости поверхностных слоев являются малые размеры объекта исследования – толщина модифицированных трением поверхностных слоев зачастую не превышает нескольких микрометров, что затрудняет подготовку образцов для исследования.

Проблема обеспечения надежности узлов трения затрагивает все этапы их жизненного цикла: проектирование, производство и эксплуатацию. Соответственно, ее решение требует системного подхода, что нашло отражение в формировании нового направления в практике разработки и применения технических изделий – организации системы управления сроком службы (ресурсом), в которой основанием для вывода объекта из эксплуатации является не назначенный ресурс, а фактическое достижение им предельного состояния. В научном плане эта задача требует поиска корреляции между свойствами материала, условиями эксплуатации и ресурсом изделий, а её центральным звеном является создание корректных физических и расчетных моделей изнашивания, основанных на результатах теоретических и экспериментальных исследований кинетики повреждаемости и разрушения поверхностных слоев.

Практика показывает, что модели изнашивания, в которых не заложена теоретическая база, основанная на фундаментальных законах термодинамики, физики прочности, механики деформируемого твердого тела и др., имеют весьма ограниченную область применения в инженерных расчетах. В качестве универсальной базы для описания изменения состояния поверхностного слоя можно принять синергетический подход и структурно-энергетическую теорию, в которых критическое состояние материала связано с достижением плотности внутренней энергии системы величины энергии активации разрушения, при котором диссипативная система переходит в точку бифуркации.

Согласно современным представлениям о разрушении твердых тел, энергию активации разрушения можно рассматривать как практическую характеристику прочности материалов. Этот подход представляется особенно уместным в трибологии, синтезирующей в себе представления фундаментальных наук о прочности материалов.

Несмотря на то, что энергетические методы оценки параметров изнашивания применяются в трибологии более полувека, до сих пор экспериментальные исследования изменения запасенной энергии поверхностных слоев в процессе изнашивания практически не проводились – не было соответствующих методик и технических средств. Традиционные термокинетические методы оценки энергии активации разрушения материалов являются длительными, трудоемкими и не пригодными для исследования тонких, модифицированных трением поверхностных слоев, что стало серьезным препятствием для широкого применения в трибологии энергетических критериев прочности и расчетных моделей изнашивания кинетического типа. По той же причине отсутствуют систематизированные данные об активационных параметрах разрушения материалов при различных механизмах повреждаемости. Между тем при оценке износостойкости, эффективности ресурсоповышающих технологий обработки поверхностей, исследовании качества покрытий и определении их долговечности в поле действующих нагрузок и температур энергетические показатели могут быть более информативными по сравнению с силовыми и деформационными критериями. Поэтому важнейшей практической задачей для широкого внедрения кинетического подхода к описанию повреждаемости и разрушения материалов является разработка доступных методик оценки активационных параметров разрушения материалов.

Изучение активационных характеристик материала поверхностного слоя, модифицированного в процессе различных видов и режимов технологической обработки, позволит на новом уровне оценивать влияние внешних факторов на прочность трибоматериалов и продвинуть решение проблемы целенаправленного, теоретически обоснованного управления свойствами поверхностного слоя с целью обеспечения его ресурсных показателей и эксплуатационных характеристик.

Первая глава содержит описание физико-химических аспектов контактного взаимодействия поверхностей твердых тел при трении, механизмов диссипации механической энергии в зоне контакта, особенностей состояния материала поверхностного слоя в области фактических пятен касания и характерных эффектов и процессов, сопровождающих взаимодействие выступов шероховатых поверхностей при их относительном перемещении в контакте. Среди последних особое место занимают вопросы влияния среды на физико-химическое состояние материала поверхностного слоя и контактное взаимодействие твердых тел. По имеющимся в литературе данным приводится анализ и классификация известных расчетных моделей изнашивания.

Далее в этой главе выявляется общая структура моделей изнашивания. На основе анализа дискретного характера разрушения установлены и даны определения трем основным составляющим модели: количественной характеристике микрообъема вещества, накапливающего повреждения, частоте появления разрушающего фактора и вероятности разрушения материала за одно появление разрушающего фактора. Первая глава рекомендована всем читателям для углубленного изучения процессов, происходящих в области фрикционного контакта, и знакомства с существующей расчетной базой для определения характеристик изнашивания материалов.

Оценка изнашивания должна опираться на адекватные критерии повреждаемости и разрушения материала поверхностного слоя. В связи с этим во второй главе анализируется эволюция научных взглядов на природу прочности материалов. На основе накопленного трибологией опыта применения структурно-энергетического подхода, фундаментальных уравнений термодинамики и молекулярной физики разрабатывается авторская кинетическая модель повреждаемости и разрушения материала поверхностного слоя, а также даются рекомендации по ее практическому использованию. Первая глава рекомендована читателям, не имеющим базовых знаний о механизме усталостной деградации материалов, её цель – знакомство с кинетической моделью, адекватно отражающей постепенный рост внутренней энергии материала в процессе усталостной деградации, позволяющей на новом уровне подойти к проблеме диагностики фактического состояния и прогнозирования ресурса материала поверхностного слоя. Разработанная кинетическая модель является основой для последующей разработки расчетных моделей изнашивания во второй главе. Она учитывает влияние механических напряжений, температуры, напряженно-деформированного состояния материала, длительности нагружения, динамичности нагружения, состава окружающей среды и др.

факторов. Эвристическое значение полученной модели позволяет:

установить роль времени в термофлуктуационных актах повреждаемости материалов и разработать рекомендации по коррекции фактора времени в кинетических моделях; определить критические нагрузки, соответствующие различным режимам усталостных испытаний; обосновать расчетные модели для прогнозирования долговечности поверхностных слоев; предложить новые подходы к оценке их активационных параметров разрушения при механическом способе возбуждения точки бифуркации, а также дать физическую интерпретацию структурно-чувствительного коэффициента.

На основе анализа общей структуры моделей изнашивания и выражений для определения долговечности поверхностных слоев получены модели для инженерных расчетов скорости изнашивания материалов. Показано, что для выполнения таких расчетов достаточно оценить значения энергии активации U0, микротвердости Hµ и толщины дебрис-слоя h. Для оценки последней предложено использовать конечно-элементное моделирование фрикционного контакта двух шероховатых поверхностей.

В третьей главе представлены результаты разработки новых методик и технических средств для экспрессной, неразрушающей оценки активационных параметров деформации и разрушения поверхностных слоев с использованием механического возбуждения пластической неустойчивости материала, при которой энергия активации разрушения представляется как удельная плотность механической энергии, затрачиваемой на оттеснение одного моля вещества поверхностного слоя.

Механическая активация поверхностного слоя наиболее эффективно реализуется при помощи известного метода склерометрии, т. е.

при пропахивании исследуемых поверхностей твердыми инденторами. Приведена история развития и основные проблемы данного метода. Методами конечно-элементного моделирования обоснован выбор в качестве индентора алмазной пирамиды Виккерса, которая позволяет выполнять склерометрирование в режиме пластического оттеснения материала поверхностного слоя, наиболее близком к условиям, реализуемым на фактических пятнах касания при трении. При этом оценку энергии активации пластической деформации материалов целесообразно выполнять либо при постоянной нагрузке на индентор, либо при постоянном заглублении индентора в поверхностный слой.

Первая методика рассматривается более подробно, как базовая. Для ее реализации разработано два стационарных лабораторных программно-аппаратурных комплекса: один комплекс создан на базе микротвердомера ПМТ-3, второй исполнен в виде трехмодульной установки, содержащей узлы для выполнения шлифов, склерометрирования и измерения параметров деформации материала поверхностного слоя. Для производственных условий создан ручной малогабаритный переносной склерометр с облегченной настройкой и тарировкой.

Разработанные методики и устройства позволяют оценивать энергию активации пластической деформации поверхностных слоев с учетом их структурной и физико-химической трибомодификации, влияния рабочей среды и др. факторов. Полнота описания методик испытаний и расчетов в данной главе достаточны для того, чтобы читатель мог использовать этот раздел как практическое руководство. В обзорной части главы читатель может ознакомиться с другими экспериментальными и аналитическими способами определения активационных характеристик разрушения материалов.

Четвертая глава демонстрирует читателю результаты практических исследований кинетики усталостной деградации материала поверхностного слоя при трении с наложенной вибрацией, при объемной усталости, вызванной вибрационными нагрузками, а также при контактной усталости, обусловленной циклическими ударными нагрузками.

Для исследования кинетики усталостного изнашивания была разработана машина трения с возвратно-поступательным перемещением образцов, содержащая узел для возбуждения в трущемся контакте нормальных гармонических вибраций, характерных для условий трения в машинах. Созданная установка и результаты испытаний использованы для проверки и совершенствования расчетной модели изнашивания кинетического типа.

На основе проведенных исследований показано, что усталостные процессы, независимо от способа возбуждения, имеют общие закономерности протекания. Изучение кинетики роста энергии активации пластической деформации материала поверхностного слоя в процессе усталостной деградации подтвердило адекватность энергетических критериев прочности поверхностных слоев.

В пятой главе на основе физической теории надежности разрабатываются научные основы создания комплексной системы управления сроком службы (УСС) элементов пар трения. Такая система охватывает все стадии жизненного цикла изделий и призвана установить взаимосвязь между свойствами и состоянием материалов, условиями эксплуатации и ресурсом деталей пар трения.

Для определения наиболее эффективных методов управления прочностными показателями поверхностных слоев приведены результаты исследования зависимости активационных характеристик от различных факторов, влияющих на процесс изнашивания материала поверхностного слоя: температуры, среды (смазочный материал), состояния материала поверхностного слоя (упрочнение, текстура, химическая модификация и т. д.).

Показано, что нанесение на исследуемую поверхность различных смазочных материалов способно существенно изменить ее прочностные характеристики, вызывая упрочняющий или пластифицирующий эффекты, ранее установленные академиком П.А. Ребиндером. Представлены результаты исследования комплексного влияния температуры и среды на величину энергии активации материала поверхностного слоя.

В главе показаны возможные алгоритмы контроля усталостной деградации материалов при эксплуатации пар трения. Отдельные разделы посвящены разработке методики энергетической оценки деструкции смазочных материалов, а также исследованию эффективности нового перспективного способа упрочнения материалов методом диффузионного молекулярного армирования. Изучение данной главы будет полезно специалистам, занятым разработкой узлов трения и эксплуатацией машин.

Приложения содержат справочную таблицу для перевода энергии активации из различных единиц измерения в принятую в данной монографии размерность кДж/моль, а также известные из литературы данные об активационных параметрах разрушения материалов при различных механизмах повреждаемости.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МОДЕЛИ УСТАЛОСТНОГО

ИЗНАШИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

Современная трибология – интенсивно развивающееся междисциплинарное направление, востребованное практически во всех отраслях машиностроения. Охватывая и ассимилируя в себе достижения смежных технических наук, трибология перенимает и совершенствует терминологию [64, 146, 238]. В связи с этим целесообразно привести краткий обзор некоторых основных понятий.

Одними из базовых в трибологии являются термины трибосистема и модель трибосистемы. Анализ различных определений этих терминов показывает, что использование этих понятий различными авторами зачастую является произвольным, и поэтому необходимо уточнение их смыслового содержания. Наиболее распространены следующие определения [64]. Трибосистема машин, конструкций и приборов определяется как совокупность связанных между собой механизмов (узлов трения), выполняющих заданные функции посредством относительного перемещения частей, сопровождаемого трением. Модель трибосистемы описывается как некоторая логико-математическая структура, имеющая систему переменных, соответствующих элементам трибосистемы.

К числу важнейших подсистем относятся [64] кинематическая, прочностная, динамическая, тепловая и др., описывающие явления и процессы, протекающие в трибосистеме машин. Ввиду особой важности объективного описания процессов, происходящих в области фактического контакта при трении, для разработки модели трибосистемы приведем обзор основных сведений о физико-химических и механических аспектах контактного взаимодействия поверхностей твердых тел при трении.

1.1. КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПРИ ТРЕНИИ

Выполнение машинами служебных операций сопровождается контактными взаимодействиями их элементов: контактными перемещениями (нормальными и тангенциальными) и контактными деформациями (упругими и пластическими). Наиболее сложные контактные взаимодействия поверхностей твердых тел друг с другом и со средой происходят при их относительном перемещении, что и является процессом трения, в результате которого часть полезной кинетической энергии преобразуется в немеханические виды энергии.

Диссипация механической энергии при трении обусловливает появление в зоне контакта ряда эффектов, имеющих различную природу и степень интенсивности. Вследствие этого узел трения может рассматриваться как генератор собственных и поглотитель внешних тепловых, акустических, химических, сорбционных, диффузионных, усталостных и других процессов.

Из литературы известно, что многие эффекты на поверхности трущихся твердых тел протекают с высокими скоростями и энергиями. Так, например, можно отметить феномены: микровзрыва при отделении частиц износа от поверхностей хрупких материалов; образования магма-плазмы при соударении выступов [168]; срезания, вырывания, сваривания и смятия выступов металлических поверхностей при грубых видах изнашивания. Эти и многие другие феномены показывают, что контактное взаимодействие поверхностей твердых тел зачастую протекает в экстремальных условиях.

Наличие на реальных поверхностях твердых тел неровностей различного масштаба: волнистости, микрошероховатости и субмикрошероховатости, высотные характеристики которых охватывают диапазон 0,001400,0 мкм [185], приводит к тому, что непосредственный контакт поверхностей осуществляется только на дискретных участках, через которые передается давление. Суммарная площадь этих точек составляет фактическую площадь касания Аr, которая на несколько порядков меньше контурной Ас и номинальной Аа площадей контакта [92]. Поэтому даже незначительные нагрузки, приложенные на контактирующие поверхности, приводят к появлению высоких локальных давлений.

Согласно исследованиям Ю.А. Ишлинского и др. [36, 238] среднее давление в области фактического пятна касания приблизительно составляет величину, равную твердости более мягкого материала pr HB, т. е. значительно превышает предел текучести. Высокие контактные нормальные n и касательные нагрузки создают условия для активации пластической деформации (течения) материала поверхностного слоя в локальных микрообъемах. В общем случае процесс деформации выступов поверхностей может быть обусловлен различными механизмами, действующими на микроуровне, а именно:

скольжением дислокаций, переползанием дислокаций, диффузией атомов по границам зерен (ползучесть Кобле), диффузией атомов в А – дислокационное скольжение без участия возврата;

В – дислокационная ползучесть С – дислокационная ползучесть (объемная диффузия);

Е – диффузионная ползучесть Кобле ная карта Эшби [257] для чистого никеля, из которой видно, что для широкого диапазона температур при высоких сдвиговых нагрузках доминирующим механизмом деформации является скольжение дислокаций, соответствующее области А на карте. В работах [178, 251] обосновывается превалирующая роль дислокационного механизма в процессе пластической деформации. Подтверждением тому может служить высокая плотность дислокаций, обнаруженная при исследовании материала поверхностного слоя после его приработки, намного превышающая исходную [51, 133, 238]. Так, для меди эта величина может достигать 1015см-2.

Пластическая деформация выступов, в свою очередь, приводит к упрочнению материала поверхностного слоя и появлению текстуры.

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.

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

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].

Микроуровень Наноуровень Мезоуровень Макроуровень

ИЗМЕНЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЕ

ОКИСЛЕНИЕ

Тс АДГЕЗИОННОЕ

УСТАЛОСТНОЕ АБРАЗИВНОЕ

МИКРО- СВОЙСТВ

СМАЗОЧНЫХ ИЗНАШИВАНИЕ

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 термодинамики [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 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.

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.

Энергии, действующие в диссипативной системе 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 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 Мезоуро- Потенциальная Накоплен- Энергия Упругая Циклическое вень энергия вну- ная энергия активации энергия, разрушение тренних меха- диссипа- разрушения сосредото- debris-слоя в 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.

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.

Привлекательность феноменологического подхода для описания процесса разрушения при трении связана с достаточной простотой получения механических характеристик и возможностью описания износостойкости при помощи несложных эмпирических зависимостей вида где М – механическая характеристика, аi – эмпирические коэффициенты.

Первые эмпирические расчетные модели изнашивания опирались на идею об аналогии износостойкости с механической прочностью материалов. Подобные эмпирические модели разрабатывали М.М.

Хрущев, М.А. Бабичев, В. Тонн, К.Д. Стрэнг, Д.Т. Барвелл и др. [224, 255, 256, 271]. Механические модели являются самыми ранними представителями расчетных моделей, в большинстве случаев предназначенных для оценки абразивного изнашивания деталей. В 1937 г.

Тонн предложил первую эмпирическую формулу для расчетов изнашивания при абразивном износе. Применяя аналогичный подход, М.М. Хрущев и М.А. Бабичев установили [255], что для технически чистых металлов и сталей в отожженном состоянии относительная износостойкость при абразивном изнашивании прямо пропорциональна микротвердости Hµ, и предложили следующее уравнение для оценки износостойкости материалов:

где b – коэффициент пропорциональности, общий для всех указанных металлов и сталей.

Для сталей в состоянии после закалки и отпуска на различную твердость относительная износостойкость имеет также линейную зависимость от микротвердости:

где 0 и Н0 – соответственно относительная износостойкость и микротвердость данной стали в отожженном состоянии; b’ – коэффициент пропорциональности. Однако вид данной формулы оказался непригоден для оценки износостойкости механически наклепанных металлов и сталей. Это объясняется тем, что в процессе самого изнашивания перед разрушением материала наблюдается более высокий наклеп.

При изучении изнашивания металлов, сплавов и минералов о жестко закрепленное абразивное зерно для большого числа испытанных материалов установлено соотношение:

где Е – модуль упругости.

Однако детальное изучение этой зависимости показало, что авторами было допущено отклонение, которое заключалось в несоблюдении постоянства влияния всех факторов на изнашивание материала, т. е. менялось соотношение значений твердости абразива и материала.

Исследование влияния соотношения твердости абразива и материала на износ позволило выявить функциональную связь где – коэффициент, На – твердость абразивной частицы.

Учет влияния свойств среды, размеров зерен абразивных частиц на массовый износ материалов приводит к выражению более сложного вида:

где u – массовый износ, f – коэффициент трения, p – удельная нагрузка, F – площадь контакта, S – путь трения, – плотность изнашиваемого материала, – коэффициент, показывающий влияние среднего размера зерна крупной фракции на величину износа материала, – коэффициент, показывающий влияние СОЖ на величину износа.

При условии, что в процессе изнашивания распределение поверхностных сил не меняется во времени, а время работы превышает начальный период разрыхления материала, выражение для расчета скорости изнашивания А.С. Проников представил в виде степенной функции [185]:

где vcк – скорость скольжения; P – нагрузка; m, n – показатели степени.

Экспериментальные исследования зависимости износостойкости сталей от предела усталости -1 при абразивном изнашивании показали, что линейной зависимости между ними не существует. Данная связь имеет весьма сложный нелинейный характер. Это позволило авторам [83, 88] сделать предположение о том, что предел усталости не является основным критерием абразивной стойкости материалов и природа усталости не имеет полного соответствия механизму абразивного изнашивания.

Общие законы изнашивания, полученные при этом подходе, могут быть выражены следующим образом [273]:

– износ пропорционален нагрузке;

– износ обратно пропорционален твердости изнашиваемого материала.

Эмпирический поход не имеет эвристической ценности, так как многие процессы, протекающие на микро- и мезоуровнях, оказываются при этом завуалированы эмпирическими коэффициентами, для которых не был определен четкий физический смысл.

При использовании данных моделей не принимается во внимание пластичность материалов. Сопоставление износостойкости металлов и минералов, имеющих одинаковую величину твердости, но разную пластичность, приводит к разнице в результатах почти на порядок (износостойкость металлов выше в 11,4 раза) [224]. Эмпирические модели не находят развития в современной трибологии, однако из-за простоты полученных формул они до сих пор предлагаются к использованию, в частности, при изучении абразивного изнашивания бурильного инструмента. Эмпирический подход до сих пор имеет место при разработке современных методов расчетного прогнозирования износостойкости материалов. Так, например, в 1996 г. Г.М. Сорокин с сотрудниками [220] установили, что для сталей 45 и Д5 справедливо уравнение регрессии связывающее их износостойкость И с твердостью HV и нормированным коэффициентом сопротивления царапанию f *.

Механический подход к моделированию изнашивания привел к созданию полуэмпирических выражений, которые на протяжении последней четверти века составляют основную расчетную базу для проведения оценок изнашивания. Это связано, во-первых, с достаточной простотой использования полученных зависимостей и, во-вторых, с возможностью качественного и количественного анализа процесса изнашивания. В основу этих моделей, построенных с учетом размерностей параметров на основе представлений об изнашивании как о механическом процессе, легли следующие предположения:

– износ пропорционален пути трения;

– износ пропорционален работе силы трения;

– износ полностью определяется физическими параметрами процесса и механическими свойствами материалов поверхностных слоев.

В механическом подходе поверхностный слой рассматривается как сплошное деформируемое твердое тело, отвечающее за диссипацию механической энергии трения, материал которого обладает структурными особенностями и физико-химическим состоянием, отличающими его от материала, локализованного в объеме, что выражается разными значениями их механических характеристик. Логика построения полуэмпирических расчетных моделей изнашивания основана на какой-либо теории или гипотезе изнашивания, в которых часто учитывались параметры процесса трения и механики контактного взаимодействия.

В Японии Общество инженеров-смазчиков приняло для расчетов изнашивания характеристику, предложенную Ланкастером, – удельный объемный износ:

где L – путь скольжения. Было установлено, что величина может меняться в пределах 10-11...10-5.

При условии, что путь трения на истираемой поверхности одинаков и износ распределен равномерно, безразмерная запись параметров изнашивания может быть более удобной. В нашей стране использовалась следующая характеристика: безразмерная интенсивность изнашивания.

где pa – номинальное давление. Связь интенсивности изнашивания с объемным, линейным и весовым износом определена формулами В работе [240] отмечается, что скорость изнашивания можно определить из соотношения где h – толщина разрушаемого слоя, N – число циклов до разрушения, – частота возмущающих колебаний.

В.Д. Кузнецов [151] под интенсивностью изнашивания понимал величину износа детали или образца металла, приходящуюся на единицу работы трения:

где V – износ материала твердого тела за опыт; f – коэффициент трения; P – нормальная нагрузка; L – путь трения.

Вследствие трудоемкости определения работы силы трения для расчета интенсивности изнашивания выражение (1.13) чаще используется в виде Такой прием, хотя и упрощает испытания, ставит под сомнение объективность оценки показателя износа, так как коэффициент трения не является постоянной величиной, а зависит от ряда факторов:

материалов пары трения, режимов работы, среды и т. д. В других случаях интенсивность изнашивания определяется как величина износа на единицу обусловленного пути трения.

Развитие адгезионной теории изнашивания, в которой размеры частиц износа намного превышали атомарные и были соизмеримы с величиной фактических пятен контакта, обязано трудам американских ученых Ф.Т. Барвэлла, С.Д. Стренга (1952), Дж. Ф. Арчарда (1953), В. Нирста (1956) и др. Так, на основе анализа адгезионного изнашивания Арчард вывел классическое выражение для расчета разрушаемого при трении объема поверхностного слоя [267, 268] В уравнении Арчарда, которое позже было усовершенствовано Е.

Рабиновичем и Роу, коэффициент k – вероятность отделения частицы износа на пятне контакта – может изменяться в пределах 10-2...10-7. В ином представлении уравнение (1.9) имеет вид где k1, k2 – коэффициенты изнашивания; L – длина пути трения;

НВ – твердость.

Аналитическое изучение абразивного изнашивания материала при скольжении по его поверхности коническим выступом привело к модели аналогичного вида, в которой k 2 = 2 tan ( ).

Принимая во внимание малоцикловой характер разрушения материала поверхностного слоя, Чаллен предложил использовать для анализа разрушения эмпирическое уравнение Мэнсона-Коффина [270, 272, 281] и получил выражение для расчета коэффициента изнашивания где r – отношение пластической работы к полной работе трения; µ – коэффициент трения; n – число циклов до разрушения; С, D – константы материала; t – приращение деформации за цикл нагружения.

Д.Г. Эванс и Д.К. Ланкастер [276] предложили новый, более удобный вид уравнения изнашивания Д. Арчарда:

где k – размерный коэффициент изнашивания, обычно записываемый в единицах [мм3/Нм].

Несмотря на столь широкое распространение данной модели, практика ее использования указала на определенные проблемы. Некоторые из них были упомянуты на последнем конгрессе по трибологии. В частности, до сих пор отсутствуют достаточно надежные способы оценки коэффициента изнашивания. Влияние на его значение различных комбинаций материалов, режимов работы, среды и т. д. часто приводит к большим расхождениям между результатами, полученными аналитическим путем, и экспериментальными данными. Кроме того, методы экспериментальной оценки коэффициента изнашивания на стандартном лабораторном оборудовании типа «палец – диск» или «палец – плоскость» часто дают результат, отражающий более условия, созданные в лаборатории, чем реальные условия при эксплуатации.

Близкая по структуре зависимость предложена В.М. Богдановым [32] для оценки интенсивности износа гребней колес и боковой поверхности головки рельса:

где К – коэффициент износа; p – давление в зоне контакта; V – скорость скольжения; f – коэффициент трения; kp – плотность материала.

И.В. Крагельским [148] для расчета интенсивности усталостного изнашивания разработана расчетная модель, отражающая феноменологическое описание микрокартины разрушения поверхностного слоя:

где h* – максимальное абсолютное внедрение микронеровностей твердого тела; – параметр кривой опорной поверхности; n – число циклов до разрушения; d – диаметр пятна касания; Аф – площадь фактического контакта; Ак – контурная площадь поверхности контакта.

Метод оценки величины h* проиллюстрирован на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схема контакта шероховатых поверхностей:

определение деформируемого объема материала (б) [185] В данной модели количество изношенного материала ставится в зависимость от объема, вытесненного из поверхности материала при внедрении в нее твердых выступов контртела. Сложность практического применения данной модели объясняется тем, что определение значений Аф, h*,, и подстановка их в выражение (1.19) дает громоздкие и малопригодные для инженерных расчетов выражения, хотя и позволяет качественно определить влияние различных параметров на интенсивность изнашивания материалов.

Несмотря на указанные проблемы, эти модели до сих пор представляют интерес для многих исследователей, непрерывно развиваются новые методы оценок параметров этих моделей [273, 275, 281].

С физической точки зрения, поверхностные слои деталей пар трения представляют конденсированную среду, состоящую из соединенных между собой различными связями (ковалентными, ионными, металлическими и др.) атомов и молекул. В 1940 г. Хольм, рассматривая процессы атомарного взаимодействия поверхностей при трении на микроуровне, получил выражение для оценки изношенного объема W материала на единичном пути скольжения:

где N – нормальная нагрузка, z – вероятность удаления атома с поверхности при встрече его с атомом контртела.

Если ранние работы в области металлофизики опирались на представления об идеальной решетке, то в настоящее время основным объектом изучения являются различные виды несовершенств – дефектов кристаллической решетки [178]. Применительно к описанию изнашивания знания из данной области помогают установить на микроуровне свойства различных дефектов, природу их образования и миграции, возможность накопления и аннигиляции, характерные масштабы и т. д. Таким образом, в свете металлофизического аспекта под поверхностным слоем понимается несовершенное, анизотропное кристаллическое твердое тело.

Большой вклад в изучение структуры и свойств кристаллической решетки поверхностных слоев внесли В.С. Иванова, Л.М. Рыбакова, Л.И. Куксенова, Л.И. Бершадский, В.А. Ермишкин, В.И. Владимиров и др. [29, 208-212]. Металлографический и рентгеноструктурный анализы трущихся материалов показали, что процесс изнашивания сопровождается существенными изменениями структуры и свойств тонких поверхностных слоев на микроуровне. Выявлены доминирующие виды дефектов и диссипативные дислокационные субструктуры, самоорганизующиеся при трении на определенной глубине поверхностного слоя. При этом одно из лидирующих положений приобрела дислокационная теория усталостного разрушения материалов, развиваемая в трудах П.В. Назаренко, Р. Куртеля, Н.П. Су, Л.М. Рыбаковой, Б.Б. Павлика, Н.М. Алексеева [96, 154, 208, 210] и др. ученых.

Впервые общие представления о дислокациях были введены в 1934 г.

в работах Орована, Поляни, Тейлора, Френкеля, Конторовой [137].

Экспериментальное доказательство их существования было получено Ментером в 1956 г. методом просвечивающей электронной микроскопии. Этот метод до сих пор является единственным средством непосредственного наблюдения дислокаций [137]. Объективность дислокационной теории обусловлена тем, что в процессе повреждаемости происходит постепенный рост плотности дислокаций, максимальное значение которой в материале наблюдается непосредственно перед разрушением (до 1011...1012 см-2) [232]. В.И. Владимиров отметил [51], что разрушение материала поверхностного слоя наступает при достижении плотности дислокаций 0,551010см-2, что позволяет принять эту характеристику как внутренний параметр, контролирующий усталостное изнашивание. Имеются и другие работы, в которых отражается связь между поведением дефектов кристаллической решетки и свойствами материалов на макроуровне [64,160].

Дислокации играют ведущую роль в процессе пластической деформации материалов и образования зародышевых трещин, однако при этом нельзя не учитывать влияние других дефектов. Например, все кристаллические материалы обладают весьма высокой плотностью вакансий [198], доходящей в сильно наклепанных материалах до 1018...1019 атомов/см-3, а в деформированных трением поверхностных слоях – до 2,5·1021 атомов/см-3 [232]. Столь высокая плотность точечных дефектов обусловливает возможность чисто вакансионного механизма появления микропор, слияние которых может стать очагом трещины, а также центром адсорбции или окисления. Скорости движения вакансий не высоки, но вакансии способны объединяться в устойчивые комплексы (дивакансии, тривакансии и др.), подвижность которых может быть весьма высокой. Кроме того, вакансии вступают в активное взаимодействие с дислокациями, создавая вокруг них определенную атмосферу. По мере деформирования материалов помимо накопления дислокаций и вакансий в них происходят полигонизация, текстурирование, измельчение зерен и др. процессы.

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 где a0,a1 – коэффициенты регрессии; П – физико-механический комплекс; кр – критическое значение плотности дислокаций, м-2; – размер частиц второй фазы; НВ – твердость поверхности трения; d – размер зоны сдвига; b – вектор Бюргерса; Ау = d – 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.

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 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 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 материала при трении служит удельная работа изнашивания Ар = A W, 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 где Wт – работа трения; Vизн – объем изношенного материала; f – коэффициент трения; pa – номинальное давление; – удельная сила трения.

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

Отсюда можно выразить интенсивность изнашивания 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 где К, а – соответственно коэффициент пропорциональности и показатель степени, требующие эмпирической оценки; j, – соответственно поток и производство энтропии; А – 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]:

где U e, 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 износа; V – объемная скорость изнашивания; S – 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:

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;

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

1.2);

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

4) скорость изменения u* 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.

Критическая плотность энергии материалов 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:

k э = э ( u*э uTfэ ) – константа, зависящая от свойств эталонного материала 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.

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 U0 и структурно-чувствительный коэффициент :

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:

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 где V – изношенный объем; t – нормальная нагрузка; k – коэффициент Больцмана; L – путь трения; Е – энергия активации; w0 – 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 w0.

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 где I0 – константа изнашивания, U0 – энергия активации разрушаемых связей, – напряжение, – постоянная, связанная со структурой материала, f – коэффициент трения, R – энергия теплового движения.

Отличием полученного выражения является наличие в эффективной величине энергии активации (числитель дроби) механической составляющей, выраженной вторым слагаемым. Однако физический смысл констант I0 и и в этом случае не ясен.

Пример иной организации кинетической модели изнашивания при фреттинге, параметры которой отражают связь механических и физико-химических свойств материала с характеристиками микрогеометрии контакта и параметрами внешних воздействий, представлен в работе [133]. Скорость линейного износа записывается как где – предельное относительное удлинение; Сµ – атомная теплоемкость; экв – эквивалентная нагрузка; d – диаметр элементарного пятна контакта; h – постоянная Планка; L – проскальзывание на контакте; – коэффициент теплового линейного расширения; в – предел прочности; Аа – номинальная площадь контакта. Эквивалентная нагрузка определяется из выражения где – плотность материала; G – модуль сдвига; qr – фактическое давление в контакте; f, А – характеристики режима фреттинга, соответственно частота и среднегеометрическая амплитуда осцилляции в плоскостях контакта.