Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Аналитический обзор литературы. 8
1.1. Использование АКМ в промышленности. 8
1.1.1. Автомобилестроение. 8
1.1.2. Сварка АКМ с использованием триботехнологий. 10
1.2. Существующие физические модели для описания процесса трения . 25
1.2.1. Дискретное контактирование. 25
1.2.2. Фрикционный контакт. Контактное взаимодействие твердых тел (кинематическая модель). 27
1.2.3. Тепловая модель. 28
1.3. Современные подходы к описанию процессов трения и изнашивания. 33
1.3.1. Моделирование изнашивания. 3 4
1.3.2. Модель структуры композита и ее изнашивания во фрикционном контакте по Аксену и Хатчингсу. 37
1.3.3. Изнашивание как феномен самоорганизации. 38
1.3.4. Структурные изменения и недостаточность уравнения диффузии в качестве базовой информационной модели процесса. 46
1.4. Выводы и задачи исследования. 48
Глава II. Исследование структурной перестройки поверхностного слоя трибосистемы АКМ-контртело 50
2.1. Материалы и методы исследования. 50
2.1.1. Материалы. 50
2.1.2. Особенности формирования АКМ. 50
2.1.3. Методы исследования. 51
2.2. Исследование изменений структуры на поверхности трения АКМ . 53
2.2.1. Самоорганизующиеся структуры в поверхностном слое вентилируемого тормозного диска из АКМ, испытанного на стенде в паре с колодкой ТИИР206. 53
2.2.2. Изменение размеров и формы частиц SiC и Si в поверхностном слое при трении. 57
2.2.3. Локальные неравновесные фазовые переходы у поверхности трения. 59
2.3. Выводы по главе 2. 65
Глава III. Синергетический подход - основа моделирования динамических систем и процессов в новых триботехнологиях . 66
3.1. Базовое уравнение статистической теории активных сред. 66
3.1.1. Синергетика - наука об открытых системах. 67
3.1.2. Об общей структуре процессов эволюции. 68
3.1.3. Термодинамические условия эволюции и критерий самоорганизации. 71
3.2. Феноменологические модели самоорганизующихся динамических систем, основанные на синергетическом подходе . 74
3.2.1. Модель «черный ящик». 75
3.2.2. Модель системы с обратной связью. 75
3.2.3. Модель системы с обратной связью по Мандельброту. 76
3.2.4. Модель роста популяции Ферхюльста. 77
3.2.5. Критические точки трибосистемы как пороговые состояния процессов и механизмов изнашивания. 82
3.3. Физическая модель зарождения и эволюции самоорганизующихся структур в поверхностном слое и обобщенные представления об условиях формирования динамического объекта в АКМ. 87
3.4. Выводы по главе 3. 93
Глава IV. Моделирование изнашивания как динамического процесса Ферхюльста . 94
4.1. Трибологические характеристики и изнашивание пары АКМ-ФПМ233. Деградация или самоорганизация? 96
4.2. Анализ распределения энергетических затрат в процессе трения . 101
4.3. Моделирование состояния активной среды при переходе к самоорганизации. Определение управляющего параметра по экспериментальным данным. 110
4.4. Выводы по главе 4. 119
Глава V. Использование самоорганизующихся процессов для формирования неразъемного соединения сваркой трением. 120
5.1. Оптимизация процесса сварки трением - задача управления изнашиванием. 121
5.1.1. Выбор формы инструмента. 122
5.1.2. Исследование микроструктуры неразъемного соединения. 125
5.3. Выводы по главе 5. 129
Выводы по диссертации. 130
Литература. 133
- Существующие физические модели для описания процесса трения
- Исследование изменений структуры на поверхности трения АКМ
- Феноменологические модели самоорганизующихся динамических систем, основанные на синергетическом подходе
- Анализ распределения энергетических затрат в процессе трения
Введение к работе
Нет необходимости много говорить о том, что от состояния фрикционных узлов трения зависит долговечность и комфортность работы механизмов и машин. В последние десятилетия внимание к проблемам управления трением и изнашиванием усилилось. Однако управление трением сводится к снижению фактического изнашивания пар (нанесение защитных покрытий) и к контролю теплового состояния (охлаждение) трибосистем. И все же эти решения не позволяют полностью контролировать события, происходящие в зоне контакта, т.к. трение является сложным явлением, определяемым целым рядом разнообразных взаимодействий. Оно включает в себя ряд процессов (механические, тепловые, химические и др.), часто рассматриваемые как самостоятельные. Каждый из этих процессов описывается сложными зависимостями и протекает в широком диапазоне разнообразных условий нагружения. Соотношение влияний этих процессов на коэффициент трения и изнашивание может быть самым различным в зависимости от условий нагружения, свойств конкурирующих материалов и среды. Поэтому до последнего времени считалось невозможным прогнозировать ход процесса трения из-за его непредсказуемости. Однако если будут найдены способы управления изнашиванием, более полно определены условия формирования и существования продуктов износа в зоне трибоконтакта, появится возможность добиваться не только более высокой износостойкости, а соответственно и долговечности трибопар, работающих в условиях сухого трения, но и более широко использовать это явление в новых триботехнологиях, построенных на использовании сухого трения для получения неразъемного соединения разнообразных материалов и изделий.
В последнее время, с развитием физики процессов эволюции (синергетика), появилась возможность по-новому подойти к решению проблемы управления динамикой среды, образующейся в зоне контакта пары. Синергетика позволяет описать механизмы самоорганизации в сложной системе, дает возможность прогнозировать области устойчивого существования и распада структур различной природы, формирующихся в системах, далеких от термодинамического равновесия. В качестве физических объектов она оперирует с диссипативными структурами, образующимися в термодинамической системе в неравновесных условиях в
результате обмена энергией и веществом с окружающей средой при приложении внешних воздействий на материал. Поэтому синергетика открывает новый подход к описанию сложных процессов, происходящих в трибосистеме.
Многие ученые, занимающиеся трением [1 - 5], согласны в том, что трение (и особенно сухое трение) является своеобразным нестабильным граничным условием, отражающим динамику изменения процессов в комплексе явлений, обусловленных накоплением и рассеиванием энергии, а изнашивание по своей физической сути - это эволюционный процесс, развивающийся с различной скоростью в элементах трибосопряжения.
Хорошо известно, что на процесс трения влияют не только материалы деталей и их исходная структура, но и новые структуры, которые самопроизвольно возникают в процессе взаимодействия, - так называемое "третье тело". В отношении "третьего тела" трибологи сходятся в том [1, 2], что это классический пример самоорганизации и что важно научиться управлять процессом его образования, устанавливая связь между первичными и вторичными структурами, образующимися после каждого этапа трения, и условиями, в которых осуществлялось формирование этого перемешанного слоя. Управление самоорганизующимися процессами должно строиться на знании того, как осуществляется обмен веществом, энергией и информацией в термодинамической системе, и понимании того, где и как появляется взаимосодействие в форме когерентного движения компонентов термодинамической системы, которое, в конечном счете, и составляет суть процесса формирования "третьего тела". В связи с этим необходимо найти пути управления динамическим процессом, формирующим продукты износа, и определить условия существования специального регулятора, с помощью которого можно контролировать процесс образования и существования "третьего тела" в некотором благоприятном для системы виде. Однако синергетическое управление и проектирование специального регулятора возможны только тогда, когда имеющейся информации достаточно для выявления управляющих параметров (параметров порядка самоорганизующегося процесса) и построения соответствующего логистического уравнения, адекватного динамическому процессу [6].
Применение единого синергетического подхода к фрикционным системам сухого трения должно позволить определить режимы и начальные условия, при которых могут происходить благоприятные, с позиции решаемых задач, структурные изменения на поверхностях трения, и по-новому описать процессы, вызывающие образование продуктов износа, что, в конечном счете, позволит управлять объемом и состоянием формируемых продуктов износа трибопары. Практическое применение синергетического подхода позволит определить более жесткие, но доступные режимы и условия для работы конкретных систем, либо приводящие к увеличению срока службы и исключающие схватывание (свариваемость) в узлах трения, либо позволяющие получать качественные неразъемные соединения (сварка трением).
В работе основное внимание уделяется изучению износа нового перспективного класса материалов - композиционных материалов с металлической матрицей на основе алюминия, армированных керамическими частицами SiC. Этот класс материалов признан одним из наиболее перспективных для применения в различных триботехнических устройствах: тормозах, амортизаторах удара, подшипниках скольжения, деталях цилиндро-поршневой группы и других подобных узлах. Однако динамика явлений, протекающих в поверхностном слое АКМ в трибосопряжениях, изучена недостаточно, а исследования, направленные на изучение процессов сварки трением композитов друг с другом и с материалами других классов практически не публикуются.
Целью данной работы является моделирование процессов в парах сухого трения АКМ-контртело, направленное на управление износом, в частности на минимизацию образования продуктов износа в тормозной системе (при заменен серого чугуна на АКМ в тормозном диске автомобиля) и на оптимизацию количества продуктов износа пары для целенаправленного их увеличения и последующего вовлечения в формирование сварного шва из однородных и разнородных материалов (например, Al-сплав - АКМ) без расплавления основы и участия присадочных материалов.
Научная новизна полученных результатов диссертационной работы заключается в разработке оригинальной методики определения границ управляемости процессов, ответственных за износ АКМ и контртела в
трибоконтакте, опирающейся на моделирование динамической самоорганизации «третьего тела» как процесса Ферхюльста. В рамках этой модели предложен и на основе экспериментальных данных определен управляющий параметр процессов (параметр роста активной среды); описан алгоритм построения бифуркационной диаграммы неравновесных фазовых переходов, сопровождающих самоорганизацию «третьего тела», определены границы областей допустимых внешних воздействий, в которых обеспечиваются благоприятные условия для достижения поставленных целей (работа без схватывания - в тормозных системах, получение качественного неразъемного соединения - в процессах сварки трением).
Практическая ценность представленной работы заключается в том, что были установлены критерии, которые позволяют более обоснованно и с общих физических позиций производить выбор условий длительной эксплуатации пар сухого трения (пригодность для тормозных систем), и условий быстрого крупномасштабного переупорядочения структуры (пригодность для сварки трением).
Существующие физические модели для описания процесса трения
Существующий в трибологии системный подход [28] привел к созданию иерархической модели контактного взаимодействия, изображенной (для схемы испытаний "кольцо-кольцо" ) на рис. 12 в виде трех подмоделей: кинематической, тепловой и дискретного контактирования.
В течение многих лет выдвигались и обосновывались различные гипотезы и модели трения. Известно, что познать в известном смысле, сложную и сверхсложную систему (явление),- это значит разумно упростить ее, сохраняя все необходимые и достаточные факторы.
Такими выдающимися упрощениями в модели трения явились модель дискретного контактирования твердых тел и гипотеза о двойственной природе фрикционного контакта твердых тел, впервые сформулированые и развитые в России выдающимся трибологом XX столетия И.В. Крагельским и его учениками [2, 5].
Анализ ранее предложенных моделей и гипотез позволил выделить три последовательных и взаимосвязанных этапа процесса трения, а именно: 1 - взаимодействие поверхностей с учетом влияния среды; 2 - изменение поверхностных слоев в результате взаимодействия; 3 - разрушение поверхностей вследствие двух предыдущих этапов. В общем, картина трения такова [2, 3, 30]: высокие фактические давления на дискретных контактах в сочетании со скоростью скольжения:- обусловливают значительные температуры в зонах касания; - приводят к существенным изменениям с учетом влияния среды свойств поверхностных слоев; - вызывают значительные механические и температурные напряжения в микро- и макро объемах; - способствуют протеканию химических процессов с образованием вторичных соединений и структур, активизируют взаимную диффузию.
Такое взаимодействие поверхностей формирует так называемое "третье тело", что существенно меняет в первую очередь молекулярную (адгезионную) составляющую силы трения
Измененный тонкий поверхностный слой испытывает очень большие деформации, его свойства в сочетании с объемными свойствами определяют износостойкость и сдвиговые сопротивления. Таким образом, существует группа факторов, которые рассматриваются как входные переменные сложного трибологического процесса: химическая природа и структура материалов пары трения; исходная шероховатость и волнистость тел;
Схема испытания «кольцо-кольцо» разработана в ИМАШ РАН в лаборатории проф. А.В. Чичинадзе [29]. промежуточная и окружающая среда; нагрузка; скорость v (скольжения, качения, верчения); начальная температура трибосопряжения.
Внутренние факторы, создающиеся в процессе трения, следующие: структурные изменения и изменения свойств поверхностных слоев тел и поверхностных пленок; изменение шероховатости и волнистости поверхности; тепловыделение при трении (температурное поле и температурные фадиенты на микро- и макро- уровне); разрушение поверхностей в зоне трения (износ). В конечном счете, получают выходные факторы: силу Р (или момент) и коэффициент трения f, линейную и массовую интенсивности изнашивания, объемную максимальную температуру и характеристики фрикционной теплостойкости [1]. В качестве комплексной выходной характеристики процесса может выступать параметр типа Pvf.
При взаимодействии реальных твердых тел на выступах контактной зоны реализуются как упругие, так и пластические деформации, а окончательной деформации тела достигают по истечении определенного времени, которое с определенной вероятностью можно назвать временем формирования (установления) контакта.
Контактное взаимодействие твердых тел при трении и износе можно оценить только с учетом реальных физико-механических и химических свойств шероховатых поверхностей.
Известно, что внешнее трение характеризуется дискретностью контактирования. В соответствии с работами ИВ. Крагельского и его учеников необходимо рассматривать и учитывать номинальную Аа, контурную Ас и фактическую Аг площади контакта (рис. 13). Это усложняет решение контактных задач.
При контакте двух шероховатых поверхностей первыми вступают в контакт уже не самые высокие выступы, а те из них, которым противостоит выступ на сопряженной поверхности. По мере увеличения нагрузки в контакт вступают все новые пары противостоящих выступов. Образовавшаяся таким образом площадь контакта отдельных пар выступов сопряженных поверхностей, составляет фактическую площадь контакта (фпк). Площадки фактического контакта сгруппированы на вершинах деформационных волн в определенных зонах, образующих контурную площадь контакта (рис. 13).
На рисунке 14 схематически показаны фактическая Аг, контурная Ас и Эффективность действия тормозов подъемно-транспортного оборудования и транспортных средств, дорожных и строительных машин в процессе работы в большой степени зависит от теплонагруженности использованных пар трения. Значительное количество тепла, генерируемого при торможениях в металлических элементах тормозов, оказывает существенное влияние на износо-фрикционные свойства трущихся поверхностей. Тепло от пар трения тормозных механизмов отводится в тело соприкасающихся с ними деталей кондуктивным теплообменом, рассеивается в окружающую среду лучеиспусканием и конвективным теплообменом. Последние два вида теплоотдачи тем более значимы, чем больше интервал времени между единичными и длительными торможениями. При периодических же торможениях поверхности трения тормозов не успевают охладиться за период торможения и поэтому последующие циклы нагружения тормозов начинаются при более высоких температурах, нежели предыдущие. Для обеспечения оптимальной скорости рассеивания тепла от металлических элементов тормозов еще на стадии проектирования необходимо знать их оценочную характеристику - темп нагревания и охлаждения. Работоспособность тормозных систем напрямую зависит от тепловой нагруженности фрикционных узлов.
Сложность термокинетических и гидродинамических явлений, происходящих в материалах фрикционных пар тормозов при генерировании, аккумулировании и рассеивании тепла, не позволяет аналитически прогнозировать их тепловой режим.
Исследование изменений структуры на поверхности трения АКМ
Обычно процесс трения рассматривается как процесс преобразования внешней механической энергии во внутреннюю энергию. В результате работа сил трения в трибосистеме превращается, в основном, в тепло, а частично в виде внутренней энергии запасается в узлах трения. Как следствие накачки энергии, в контактных слоях инициируется процесс структурной перестройки. вентилируемого тормозного диска из АКМ, испытанного на стенде в паре с колодкой ТИИР206.
На сегодняшний день нет моделей, достаточно полно описывающих процессы образования и существования продуктов износа на поверхности АКМ.
"Стационарные" модели абразивного износа АКМ предложены Н. Аксеном и М. Хатчингсом (раздел 1.3.2.). Им удалось установить зависимость коэффициента трения от гетерогенной структуры КМ. Однако их модели применимы в условиях, когда не происходит разогрева в зоне контакта. Кроме того, в модели Н. Аксена и М. Хатчингса размер поверхностного слоя, в котором существуют продукты износа, определяется размером разрушенной частицы и не может превышать его.
При построении динамической модели необходимо изучить особенности поверхностного слоя и описать среду, которая создается в зоне контакта.
Для детального анализа структурных изменений в АКМ предварительные исследования структурных преобразований в поверхностной зоне трибоконтакта проводились на тормозном диске, где вследствие большой неоднородности (градиента) поверхностной температуры легко обнаружить и изучить все стадии этих превращений.
Диск подвергается нагружению с коэффициентом перекрытия к=0,14. При этом условии на поверхности диска можно наблюдать структуры, соответствующие и мягким, и жестким режимам работы трибосопряжения (рис. 29). При анализе структур в поверхностном слое АКМ обнаруживаются многочисленные отклонения от исходной структуры (рис. 28): 1. Обнаружены участки, где частицы SiC выстраиваются в цепочки, распространяющиеся вглубь материала. Такие участки были названы кластерами SiC. Основное отличие кластеров SiC от каркасной структуры эвтектической зоны недеформированного АКМ заключается в том, что в кластере SiC практически полностью отсутствуют крупные включения Si (рис. 28, и 30а), раннее связывавшие часть частиц SiC друг с другом. 2. Были обнаружены «третьи тела» (рис. 30 б, в) которые отличаются друг от друга и от базового материала внутренним строением и размером входящих в них частиц SiC.
При детальном анализе структур было высказано предположение, что момент начала перестройки связан с кластеризацией частиц SiC (рис. 30а), сконцентрированных при затвердевании АКМ в эвтектических прослойках.
При нагреве диска колодкой частицы SiC, имевшие значительные поверхностные контакты с Si, могут терять поддержку матрицы из-за растворения кремния, в результате чего перестраиваются во фрактальные структуры. Этот процесс развивается в местах локального увеличения температуры и в градиентном температурном поле он начинает проявляться в виде смятия дендритных ячеек и уменьшения доли кремниевой фазы. Сами частицы SiC являются термодинамически стабильной фазой, поэтому при перестройке структуры они могут лишь дробиться, меняя свою ориентацию, размер и форму.
Искажение однородности градиента температурного поля однофазного материала вследствие помещения в него композиционного включения подробно рассмотрено в работе [51]. Накопление энергии кластером частиц SiC приводит к его деформации, что может стать началом потери устойчивости структуры.
Накопленная энергия определяет следующий этап перестройки структуры, приводящий к образованию и сохранению на поверхности «третьего тела». При анализе структуры АКМ на поверхности диска было обнаружено, что перестройка в «третье тело» может происходить под действием двух различных видов вихрей (рис. 30 б, в), причем эти вихри могут находится рядом, а между ними можно наблюдать зарождение фрактального кластера. По виду микроструктуры, степени измельчения и распределению частиц SiC можно предположить, что ось одного вихря (рис. 30 б) расположена перпендикулярно поверхности трения и этот вихрь, предположительно, определяет наиболее благоприятный исход перестройки поверхностного слоя в данной локальной области. Ось другого вихря является осью тора и расположена параллельно поверхности трения (рис. 30 в). Он вызывает образование «третьего тела», включающего в себя продукты износа контртела. В этом вихре происходит более заметное измельчение частиц SiC. Этот же вихрь вызывает неблагоприятную перестройку поверхности, формируя задиры на поверхности трения.
Была предпринята попытка проанализировать форму элемента такого «третьего тела». С поверхности трения последовательно удалили слои и фиксировали изменение формы этого новообразования (рис. 31) в каждом последующем слое с шагом 10-20 мкм. На построенной модели (рис. 32) было обнаружено, что «третье тело» имеет вид несколько искаженного эллиптического параболоида, вытянутого вдоль направления трения. Это наблюдение позволяет сделать вывод о том, что «третье тело» образуется в динамическом режиме перемешивающего движения, углубляясь и расширяясь задира
Как уже отмечалось в поверхностном слое при трении, в основном, происходит растворение Si, изменение размеров и формы керамических частиц SiC, т.к. последние являются термодинамически стабильной фазой в АКМ, и смятие ячеек а-А1 фазы.
Ниже приводятся результаты количественной оценки изменений содержания фазы Si и керамических частиц SiC после трибоиспытаний тормозного диска. Для оценки изменения параметров структурных элементов и их доли были выбраны три области: - недеформированный материал АКМ (рис. 33а); - «кластер» (рис. 336) - область термического влияния без пластической деформации (без значительных искажений структуры), в которой были найдены структуры, имеющие характерные отличия отлитого АКМ; - «третье тело» (рис. 33 в)- область термического влияния с пластической деформацией и а) дендритная структура АКМ; б) "кластер"; в) "третье тело".
Феноменологические модели самоорганизующихся динамических систем, основанные на синергетическом подходе
Законы синергетики и полезность их применения к проблемам материаловедения и трибологии сегодня раскрыты в большом количестве публикаций [68-71], но практически отсутствуют методики построения моделей самоорганизующихся процессов в трибопарах.
Первый закон синергетики утверждает, что к самоорганизации способны лишь сложные открытые системы. Открытость в синергетике понимается как способность системы к обмену энергией, веществом и информацией с окружающей средой. Как показано выше, по установившемуся мнению трибологов трибосопряжение - это самоорганизующаяся, очень совершенная система автоматического приспосабливания, минимизирующая износ контактирующих систем. Поэтому в выбираемой модели должна присутствовать обратная связь
Сложность системы формально часто мотивируют большим количеством простых составляющих. В материаловедении количественная информационная мера сложности системы строится на понимании того факта, что диссипативные структуры, самоорганизующиеся в открытых системах, фрактальны [71]. Последнее обстоятельство также должно найти свое место в модели.
Как уже отмечалось, большинство трибологов не сомневаются в том, что пара трения является самоорганизующейся системой. На ранней ступени использования синергетического подхода [28] трибосопряжение рассматривалось как "черный ящик" (рис. 41). Система является открытой, она отдает и принимает энергию и вещество. Однако в рамках такой модели не выделены информационные процессы и не определена система передачи, хранения и использования информации.
Специалисты в области синергетики и кибернетики, считают, что реальные автоматические системы выполняют свои функции в том случае, если они имеют возможность контролировать результаты своей работы и корректировать их. Для этого управляющее воздействие [48] должно вырабатываться с учетом информации о результатах управления. С этой целью в автоматических системах применяется обратная связь.
Любой элемент системы, а также всякая группа ее элементов имеет вход, т.е. место приложения воздействия, и выход, т.е. место получения сигнала, посылаемого дальше. Наличие обратной связи, охватывающей элемент, группу элементов или всю автоматическую систему в целом, означает, что выходной сигнал Хг одновременно подается и на вход (рис. 42), где складывается с входным сигналом Хь или вычитается из него, что обозначается на схеме знаком . При сложении этих сигналов обратная связь называется положительной, а при вычитании отрицательной [72]. В рамках этой модели самоорганизующаяся система может многократно изменять знак обратной связи в процессе управления.
«Самоорганизующаяся система,- совершенная система, в которой по ходу процесса управления изменяется не только устройство, но и принцип действия». Это определение показывает, что самоорганизующаяся система выбирает то, что выгодней, чтобы сохраниться.
Такая модель была развита для динамических систем Б. Мандельбротом (рис. 43). Обычные процессы с обратной связью, - это те, в которых одна и та же операция выполняется снова и снова и, в которых результат одной итерации является начальным значением для следующей. Единственно, что при этом требуется, - нелинейная зависимость между результатом и начальным значением, т.е. динамический закон Xn+1 = f(Xn) должен быть сложнее, чем простая пропорциональность Xn+i = kXn.
Схематическая диаграмма указывает на то, что у Б. Мандельброта правило X — f(X) зависит от параметра С. На базе модели Б. Мандельброта достигнуты огромные успехи в теории фракталов и динамического хаоса. Для действительных значений параметра С сценарий проникновения в хаос Б. Мандельброта строится на основании модели динамики П. Ферхюльста [72].
П.Ф. Ферхюльст первым сформулировал закон, содержащий Офаничение на рост. Он объяснил это тем, что любая экологическая ниша может обеспечить существование популяции только определенного максимального размера X и что коэффициент прироста должен снижаться, когда размеры популяции приближаются к X. Таким образом, он пришел к необходимости рассматривать переменный коэффициент прироста. В результате этого процесс становится нелинейным, что коренным образом изменяет его динамическое поведение.
В последние 20 лет закон Ферхюльста нашел применение для описания широкого круга явлений (в некоторых свойствах турбулентного потока, в гидродинамике, кинетике химических реакций и др.), был продемонстрирован принципиальный характер этого закона, и предсказанные им сценарии были обнаружены в экспериментах [72].
Анализ распределения энергетических затрат в процессе трения
Диаграммы мощности трения N(t) позволяют оценить изменение энергетических затрат на трение в связи с разрушением и перестройкой поверхностного слоя АКМ в различные моменты времени, т.е. в связи с его эволюцией во времени (первый класс процессов эволюции, стр. 68) и изменением управляющего параметра (второй класс процессов эволюции).
Значения мощностей трения для всех режимов нагружения двух пар были рассчитаны по соотношению: где f(t) - определенное по методике РЦТИ текущее значение коэффициента трения (рис. 58 и 59).
На построенных по уравнению (29) кривых можно выявить некоторые общие принципиальные особенности, позволяющие выбрать путь для построения моделей сложного движения в контактном слое, ориентируясь на модель Ферхюльста (уравнение (9)). Экспериментально установлено: 1. Максимум мощности трения, достигаемый при изменении параметров процесса трения также изменяется, но для каждого испытания с достаточной степенью точности он может быть определен через произведение входных управляющих параметров Р; и v, на предельную величину коэффициента трения fmaxi: Это обстоятельство говорит о самоподобии процессов и позволяет нормировать текущее значение мощности трения или другие энергетические затраты, приводя их к безразмерному виду. 2. Максимум мощности трения в зависимости от условий трения достигается в различные моменты времени to (таблица 6, 7), разделяющие весь период испытания на два временных интервала: начальный (заштрихован на рис. 58 и 59), где мощность трения неуклонно растет, и последующий, где мощность трения остается ниже определенного по формуле (30) значения. В режиме I, когда саморазогрев образца относительно мал, в паре с ТИИР (п=200мин" , Р= 300Н) и в режимах I и II в паре с ФПМ (до п=100 мин"1, Р=340Н) коэффициент трения непрерывно растет на протяжении всего периода испытания, а мощность трения достигает максимума в конце испытания. Эти режимы в исследованных парах можно рассматривать как эволюцию, приводящую АКМ к состоянию физического хаоса с а = а0 (стр.74). 3. В режиме II (п=200 мин"1, Р=450 Н) в паре с ТИИР и в режиме III (п=300 мин"1, Р=340Н) в паре с ФПМ233 максимум мощности трения достигается, соответственно, через 2 и 5,5 минут после начала испытания и т.д. Таким образом, временной интервал, за который достигается значение Nmax, последовательно уменьшается при росте величины Nmax Минимальное значение времени tomin = 0,2H 0,5 мин достигается, соответственно, в режимах VI и V, доводящих АКМ до расплавления. 4. Изменение мощности трения при t to, вызванное активным саморазогревом системы, ростом и эволюцией активной среды, не является монотонным процессом. Как известно, текущее значение мощности трения N(t) характеризует интенсивность изнашивания объектов трения. Ее рост на начальном участке пути трения в модели изнашивания АКМ Н. Аксена и М. Хатчингса связывается с ростом концентрации твердых частиц на поверхности трения из-за большего износа мягкой а-А1 фазы.
Установленная закономерность изменения т0 позволяет выбрать значение tomin в качестве физического интервала времени, нормируя на который (см. формулу (11)) можно непрерывный во времени процесс заменить дискретным, устанавливая, таким образом, минимальный период возможных колебательных тепловых процессов на поверхности трения.
Приближая ситуацию к модели Ферхюльста, можно предположить, что на начальном участке роста мощности трения происходит деградация материала и рост энтропии системы, связанные с малой концентрацией otp активных частиц. Рост доли таких частиц на последующем этапе трения может завершиться самоорганизацией, связанной с уменьшением энтропии системы.
Далее можно предположить, что не диссипируемая в виде износа разность мощностей [N(to)-N(t)] превращается в кинетическую энергию активных частиц при росте, самоорганизации и умирании динамических структур у поверхности трения. Эта доля энергии зависит от суммарной интенсивности износа элементов сопряжения и способности продуктов износа вовлекаться в кооперативное движение. В качестве меры, устанавливающей соотношение этих затрат, может выступать безразмерная функция P(t), равная:
При малой мощности трения (N(t) 40 Дж/мин) и на начальных участках трения, когда t to, функция P(t) всегда отрицательна; при t t0 функция P(t) всегда положительна. Таким образом, выбор безразмерной функции P(t) позволяет формально разделить процесс на этапы и выделить состояния, когда возможны только процессы деградации, и состояния, когда возможна самоорганизация, т.е. возможно возникновение кооперативного движения активной среды (неравновесной структурно-фазовый переход).
Для определения момента структурно-фазового перехода при анализе энергетических затрат необходимо сопоставлять изменение функции P(t) с изменением температуры T(t). Анализ зависимостей P(t), построенных по уравнению (31) и представленных на рис. 60 вместе с фотографиями соответствующих микроструктур для пары АКМ-ТИИР403, позволяет строить модель протекания объемной структурной перестройки у поверхности трения. Момент времени t = t , в который вычислялась пороговая мощность трения N по уравнению (17), на этих графиках автоматически выделяются как точки перевала между двумя экстремумами функции P(t). Рассчитанные значения пороговой мощности представлены в таблице 4.
Анализ изменений микроструктуры на поверхности трения, хотя и отражающих состояние материала в момент окончания испытания, выявил интересные особенности состояний системы. При режиме I кривая P(t) располагается в отрицательной области и лишь к концу испытаний приближается к нулю. В этом случае, хотя и происходят немонотонные изменения изучаемой зависимости, никаких изменений структуры в объеме материала не наблюдается.
Начиная с режима II (таблица 4 и рис. 60 (2)), изменения микроструктуры можно охарактеризовать как смятие поверхностного слоя дендритных ячеек, сопровождаемое изменением ориентации, распределения и размеров керамических частиц и фазы Si. По-видимому, именно эти повороты дают начало быстрому росту активной среды и приводят к появлению первого экстремума функции P(t) в интервале времени to t t . Ввиду того, что в этот период объемная температура продолжает расти эволюцию АКМ в этот период следует рассматривать как продолжающуюся деградацию материала, приближающую энтропию системы к значению S0
Похожие диссертации на Моделирование нелинейных процессов в паре сухого трения АКМ-контртело
