Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы адаптации трибосопряжений к условиям эксплуатации на основе изменений структуры материалов в приповерхностных слоях 10
1.1. Процессы динамической адаптации при трении и их использование для повышения качества работы трибосопряжений 10
1.2. Развитие триботехники в области нанотехнологических задач 23
1.3. Поверхность и ее роль в возникновении наноэффектов и нанообъектов 34
1.4. Создание и модифицирование смазочных материалов с помощью нанотехнологий 39
1.5. Проблемы моделирования процессов самоорганизации при трении 46
Выводы 54
Глава 2. Методы описания и моделирования процессов динамической адаптации трибосопряжений к внешним воздействиям 56
2.1. Основные положения для разработки методов описания трибосистем с помощью аппарата неравновесной термодинамики 56
2.2. Механизмы эволюции структуры приповерхностных слоев трибосистем 65
2.3. Кинетика разрушения приповерхностных слоев при трении как физическая основа процесса изнашивания 82
2.4. Модели макроскопических процессов релаксации напряжений в приповерхностных слоях при трении 91
2.5. Описание процессов наноструктурнои самоорганизации при достижении динамической адаптации в условиях трения 97
2.6. Модели наноструктурнои самоорганизации приповерхностных слоев трибосистем на основе орегонатора для различных методов достижения их динамической адаптации 113
Выводы и результаты 134
Глава 3. Методические основы выбора объектов исследования, проведения экспериментальных исследований и триботехнических испытаний 136
3.1. Методические основы выбора объектов исследования 136
3.1.1. Выбор объектов исследований для моделирования механизмов эволюции трибосистем 136
3.1.2. Выбор объектов исследований, посредством которых возможно достижение динамической адаптации в эксплуатационных условиях 141
3.2. Основные физические методы исследования приповерхностных слоев материалов и покрытий 145
3.2.1.Общие основы исследования поверхности физическими методами 145
3.2.2. Методы физического анализа, использованные в данной работе 149
3.2.3. Методы контактного исследования поверхностей трения, включая методы измерения износа и оценки сопутствующих эффектов 156
3.3. Методы и средства триботехнических испытаний 165
3.3.1. Анализ методик ускоренных испытаний и определение основного направления триботехнических экспериментов 165
3.3.2. Основные факторы триботехничской работоспособности материалов 170
3.3.3. Кинетические свойства трибосистемы и приработочные показатели работоспособности 173
3.3.4. Показатели несущей способности и принципы ее формирования 175
3.3.5. Проведение испытаний, конструктивные факторы испытаний, возможность моделирования эксплуатационных условий и методико-метрологическое обеспечение испытаний 180
3.3.6. Методические основы исследования поведения трибосопряжений в эксплуатации 190
Выводы и результаты 193
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований процессов упрочнения, релаксации и деструкции в приповерхностных слоях трибосопряжений и их анализ 195
4.1. Результаты экспериментальных исследований хемомеханического и механохимического эффектов методом анализа регрессионного уравнения при планировании эксперимента 195
4.2. Анализ и интерпретация экспериментальных данных по диффузионно-дислокационным механизмам эволюции напряженного состояния 204
4.3. Результаты экспериментальных исследований процессов деструкции в приповерхностных слоях трибосопряжений 218
4.4. Макроскопические процессы релаксации в ходе приработки 225
Заключение и выводы 240
Глава 5. Результаты экспериментальных исследований процессов самоорганизации и динамической адаптации при трении, их анализ и интерпретация 242
5.1. Результаты экспериментальных исследований динамической адаптации к условиям эксплуатации для традиционных материалов трибосопряжений 242
5.2. Результаты экспериментальных исследований динамической адаптации к условиям эксплуатации для вновь разработанных модифицированных смазочных композиций в лабораторных условиях 256
5.3. Результаты экспериментальных исследований динамической адаптации трибосопряжений, содержащих наномодифицированный противоизносный состав в условиях стендовых и эксплуатационных испытаний 292
Основные результаты и выводы 311
Литература
- Развитие триботехники в области нанотехнологических задач
- Кинетика разрушения приповерхностных слоев при трении как физическая основа процесса изнашивания
- Выбор объектов исследований, посредством которых возможно достижение динамической адаптации в эксплуатационных условиях
- Результаты экспериментальных исследований процессов деструкции в приповерхностных слоях трибосопряжений
Введение к работе
Актуальность работы. Создание в новой России современного социально-ориентированного общества невозможно без развития науки и существенного ускорения научно-технического прогресса. Более того, развитие экономики требует ее перехода на новый, инновационный уровень ускоренного развития всего народного хозяйства за счет внедрения научных достижений. В области триботехнических материалов это означает необходимость проведения новых разработок по повышению их износостойкости и задиростойкости, предложений по значительной экономии топлива и смазочных материалов за счет повышения эффективности работы изделий из конструкционных материалов. При этом интенсификация экономики, а значит и производственных процессов, в ходе которых происходит эксплуатация трибосопряжений, с неизбежностью предполагает дальнейший рост энергонапряженности, нагруженности машин и механизмов и, соответственно, необходимость существенного расширения свойств конструкционных материалов и, соответственно, эксплутационных возможностей трибосопряжений.
Решение этой задачи может основываться на расширении внутренних структурных резервов материалов трибосопряжений, в первую очередь, на их способности адаптироваться к более тяжелым условиям, проявлять свойство динамической адаптации. Как показывает анализ литературы за последние 25–30 лет, когда сложились основные представления в современной науке о триботехнических материалах, понятие динамической адаптации как некоей базовой категории в этой системе представлений практически не использовалось. В то же время, активно развивались такие близкие к этой категории понятия, как структурная приспосабливаемость и прирабатываемость. Прирабатываемость, начиная с работ М.М. Хрущова, и далее в работах С.В. Венцель, Н.А. Буше, И.И. Карасика и др. рассматривалась, преимущественно, в феноменологическом аспекте, в функциональном пространстве с координатами «внешние воздействия – функция отклика», где под функцией отклика понималась, как правило, интенсивность изнашивания. В то же время, металлофизические исследования, глубоко продвинутые в работах Б.И. Костецкого, И.М. Любарского, Л.И. Бершадского, И.И. Гарбара и мн. др. ученых, как направление были сориентированы, в основном, на физические характеристики приповерхностных слоев материалов.
При этом понимание причинной взаимосвязи между этими характеристиками и триботехнической работоспособностью материалов далеко не всегда имело место. В то же время параллельно развивалось направление исследования избирательного переноса, существенное продвижение в понимании природы которого были заложены Д.Н. Гаркуновым, А.А. Поляковым, Л.М. Рыбаковой, Ю.С. Симаковым, Л.И. Куксеновой, А.С. Кужаровым, В.Ф. Пичугиным, А.К. Прокопенко, В.Г.Бабель и др.. В рамках этого направления было открыто множество адаптационных процессов и был достигнут определенный уровень понимания взаимосвязи износостойкости и металлофизических, структурных параметров. К сожалению, эти достижения носили, преимущественно, качественный характер.
В то же время, в области металлофизических исследований был достигнут существенный прогресс в решении таких проблем, как методы количественного описания структурных изменений в твердых телах. В частности, исследования таких ученых как И.М. Лившиц, Я.Е. Гегузин, В.М. Косевич, Б.Я. Любов, В.И. Владимиров, Л.С Милевский, И. Л Смольский, В.П. Алехин, В.Е.Панин, Р.З. Валиев, М.Ф.Эшби, А. Кадич, Д. Эделен и др. позволили дать математические модели процессов эволюции дислокационной структуры, в том числе, диффузионно-дислокационных механизмов. Кроме того, работы таких ученых как И. Пригожин, Г. Николис, П. Гленсдорф, В.С. Гинзбург, И. Курамото, Т. Цузуки, С.П. Курдюмов, Г.Г. Малинецкий, В.И. Быков, А.А. Колесников, В.А. Терехов и др. позволили обосновать и практически использовать описание процессов самоорганизации в химических и технологических процессах и основанную на этих процессах адаптацию технических систем.
Благодаря этим исследованиям существующий разрыв между металлофизическими, структурными исследованиями и триботехническими характеристиками материалов стало возможным преодолевать, что необходимо для рационального управления работоспособностью материалов и долговечностью трибосопряжений на основе знания их структурной эволюции в процессе эксплуатации. В особенности это является актуальным в отношении адаптационных процессов, предельные возможности которых детерминирует предельные возможности триботехнических материалов. Конкретные теоретические модели таких адаптационных процессов, основанных на структурной самоорганизации в приповерхностных слоях, на сегодняшний день, практически, отсутствуют.
В связи с актуальностью этой проблемы была сформулирована цель данной работы.
Целью работы является создание теоретической концепции динамической адаптации приповерхностных слоев триботехнических материалов к условиям эксплуатации в связи с динамикой их структуры и состава и разработка на этой основе методов и средств оценки явления, повышения работоспособности конструкционных материалов и долговечности сопряжений.
Для достижения данной цели решались следующие задачи.
-
Разработка методов описания трибосистем с помощью математических моделей, позволяющих учесть свойства материалов в виде конкретных физических величин – градиентов химических потенциалов и соответствующих им показателей процессов массопереноса, диффузии, деформации.
-
Разработка методов синтезирования синергетических моделей трибосистем, позволяющих описать процессы самоорганизации, реализующиеся в трибосистемах в процессе их функционирования.
-
Разработка феноменологических методов описания трибосистем, позволяющих связать эксплуатационные параметры трибосистем с синергетическими моделями, в том числе, с типами устойчивости.
-
Подбор и разработка методов экспериментального исследования трибосистем с целью проверки адекватности предложенных математических моделей и их интерпретации.
-
Реализация полученных результатов в форме методов испытаний и рекомендаций по составам и свойствам конкретных конструкционных триботехнических и смазочных материалов.
-
Организация и реализация практического использования полученных научных достижений в виде издания нормативных документов и внедрения технологий и материалов.
Научная новизна
-
Предложено понятие динамической адаптации – нового свойства сочетания триботехнических материалов, позволяющего обеспечить асимптотическую устойчивость функционирования трибосистем в условиях динамических воздействий в процессе эксплуатации.
-
Разработаны принципы динамической адаптации трибосистем к условиям их эксплуатации, рассмотрены и обоснованы основные механизмы адаптации, даны методы их описания.
-
На основе методов неравновесной термодинамики и синергетики предложены математические модели для различных механизмов адаптации, включая процессы самоорганизации, позволяющие связать свойства конкретных материалов с показателями устойчивости соответствующих моделей и показателями работоспособности сопряжений.
-
Исследованы неравновесные структуры, возникающие в результате действия различных механизмов адаптации, включая механизм наноструктурной самоорганизации, рассмотрены условия их функционирования и вклад в обеспечение работоспособности трибосопряжений.
-
Разработаны экстремальные критерии функционирования трибосистем и на их основе определены допустимые области динамических воздействий на трибосопряжения при определенных сочетаниях конструкционных и смазочных материалов.
-
Разработаны методы подбора сочетаний материалов триботехнического назначения, выполненные на уровне изобретений с экспертно подтвержденной новизной, обеспечивающие оптимальную динамическую адаптацию трибосистем на основе возникающих в них процессов наноструктурной самоорганизации.
-
Показана взаимосвязь динамической адаптации трибосопряжений с реализацией процессов самоорганизации в приповерхностных слоях деформированных в условиях контактного взаимодействия материалов
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Надежность работы трибосопряжений, особенно в условиях динамических внешних воздействий, должна обеспечиваться их динамической адаптацией, асимптотической устойчивостью их функционирования, что позволяет качественно повысить надежность по сравнению со статичным, неадаптивным сопротивлением изнашиванию и заеданию.
-
Обеспечение асимптотической устойчивости функционирования трибосистем достигается за счет направленного стимулирования процессов наноструктурной самоорганизации в приповерхностных слоях составляющих трибосистему взаимодействующих конструкционных и смазочных материалов, достигаемой при их определенных сочетаниях.
-
Основные механизмы процессов самоорганизации при трении представляют собой механохимические и хемомеханические реакции, составляющие цепочки, которые обеспечивают возникновение положительных и отрицательных обратных связей, реализующих асимптотическую устойчивость соответствующих процессов.
-
Основные типы простейших моделей самоорганизации при трении представляют собой сочетание дифференциальных уравнений, описывающих совместные динамические изменения плотностей дислокаций, концентрации вакансий и концентраций металлоорганических соединений по типу «реакция - диффузия».
-
Наличие «второго минимума» на зависимости коэффициента трения от нагрузки, который в отличие от аналогичного минимума на диаграмме Герси – Штрибека возникает в условиях отсутствия гидродинамических эффектов в смазочном материале, является одним из важнейших практических проявлений закритической асимптотической устойчивости функционирования трибосистем в условиях их самоорганизации
Практическая ценность.
Разработаны методы оценки и управления динамической адаптивностью трибосистем и составляющих их материалов к условиям эксплуатации, что позволяет определять параметрические границы их работоспособности. Предложены и реализованы методы подбора триботехнических материалов, позволяющие достичь эффекта наноструктурной самоорганизации в трибосистемах и получить режимы их асимптотически устойчивого функционирования. Даны и реализованы конкретные предложения по конструкционным и смазочным материалам, использующим перечисленные эффекты, в том числе, технологические инструкции. Получены практические эффекты повышения эксплуатационных свойств двигателей внутреннего сгорания и станочного оборудования. Разработаны методики испытаний трибосистем. Выпущены нормативные документы, методические рекомендации и государственные стандарты: ГОСТ 23.215 – 84. «Обеспечение износостойкости изделий. Экспериментальная оценка прирабатываемости материалов», ГОСТ 23.222–84. «Обеспечение износостойкости изделий. Метод оценки фрикционной совместимости наплавочных материалов для восстановления деталей», ГОСТ 23.224-86 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей». По результатам исследований получены бронзовая медаль ВДНХ (1989), диплом выставки «БытПромЭкспо. Инновационные технологии в быту» 2009 г. на ВВЦ, диплом 10-ой специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» 2009 года на ВВЦ.
Достоверность результатов подтверждается:
- использованием общепринятых исходных положений и методов исследования;
- разработкой и реализацией стандартизированных и апробированных методик проведения и обработки результатов экспериментальных исследований;
- соответствием результатов исследований, полученных автором различными методами металлофизического анализа и триботехнических испытаний и результатам других авторов.
Личный вклад автора состоит:
- в постановке задач исследования, формулировке основных положений, определяющих научную новизну и практическую ценность;
- в разработке подходов и математических моделей, использованных в работе;
- в научном руководстве и непосредственном участии в проведении экспериментальных работ, интерпретации и обобщении результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация работы.
Материалы диссертации доложены и одобрены на Всесоюзной научно-технической конференции «Триботехнические испытания в проблеме контроля качества материалов и конструкций» (Рыбинск, 1989); на научно-практическом семинаре «Эффект безызносности и изучение водородного изнашивания металлов в решении эксплуатационных проблем транспорта и промышленности» (Москва, ЦРДЗ, 2006); конференции «Нанотехнологии – производству -2006» (Фрязино, 2006); Международной конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, 2007); на 1-ой Всероссийской конференции «Новые направления в триботехнике и их использование» (Москва, МГТУ им. Баумана, 2007); на Международной научно – практической конференции «Нанотехнологии – производству 2007» (Фрязино, 2007); научно – технической конференции с участием иностранных специалистов, посвященной 70 – летию ИМАШ РАН, «Трибология – машиностроению», на конференции «Нанотехнологии – производству -2008» (Фрязино, 2008); на II Всероссийской научно-практической конференции «Триботехника на новом этапе своего развития» (Москва, МГТУ им. Баумана, 2009); конференции «Нанотехнологии – производству -2009» (Фрязино, 2009); на 10ой специализированной юбилейной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» 2009 года на ВВЦ; на XIII Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед 2010» (Патент РФ № 2 351 640, разработка «Стрибойл»); на заседании кафедры ТИ-6 МГУПИ, на семинаре им. проф. Хрущова М.М. в ИМАШ РАН им. Благонравова А.А, 2010 г.
Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 50 научных трудах, в том числе 1 монография, 22 статьи в журналах, рекомендаванных ВАК, 3 авторских свидетельства и один патент, 3 государственных стандарта.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы (302 наименования), приложения (акты, документы, дипломы по результатам выставок и апробаций). Общий объем диссертации составляет 344 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков и 24 таблицы.
Развитие триботехники в области нанотехнологических задач
Предварительно притертые образцы до соотношения контурной и номинальной площадей касания не менее 60% подвергаются нагружению при трении со скоростью 0,3 МПа/с до заедания, которое фиксируется по резкому падению электросопротивления контакта и соответствует максимальной нагрузке для неприработанного сопряжения Рмн. Отсюда определяют максимально допустимую скорость роста силы трения как скорость в интервале между 0,9 и 0.8 Рмн. Затем испытывают новые образцы из тех же материалов, осуществляя нагружение со скоростью 0,3 МПа/с, но прекращая его при достижении минимально допустимого падения электросопротивления контакта, определенного выше. Если после прекращения роста нагрузки электросопротивление контакта начинает расти, то нагружение возобновляется вновь до достижения минимально допустимого падения электросопротивления контакта. По указанному алгоритму продолжают нагружение вплоть до прекращения роста электросопротивления после очередного этапа нагружения. Достигнутая нагрузка считается максимальной нагрузкой приработки для приработанного сопряжения Рмп. Из полученных величин Рмн и Рмп определяют показатель (1.1). П = (Рмп-РмнУРмп, (1.1) где Рмп - максимальная нагрузка приработки для приработанного сопряжения Рмн - максимальная нагрузка для неприработанного сопряжения
Смысл данного показателя прирабатываемости материала состоит в количественной оценке прироста несущей способности, то есть динамического изменения свойств материала в процессе приработки. Подобная динамическая трактовка прирабатываемости принципиально отличает ее от статичных концепций приработки как чисто геометрического процесса, свойственного представителям механистических концепций трения [1,4,25].
Важно также отметить, что подобное повышение несущей способности происходит в результате изменения свойств приповерхностных слоев конструкционных [5,6,26,27,28] и смазочных [3] материалов. В частности, исследование структурно-механических свойств приповерхностных слоев антифрикционных материалов, образовавшихся в результате приработки, проведенное в [5], показало, что эти свойства существенно отличаются от исходных объемных свойств этих же материалов, в первую очередь, плотностью дислокаций, оцениваемой с помощью метода скользящего пучка рентгеновских лучей [26], дающего значения физического уширения рентгеновских линий в слоях толщиной в десятые доли микрона, которые по известной методике [27,28] пересчитываются в плотность дислокаций. Таким образом, динамическое изменение функциональных, эксплуатационных свойств материала оказывается возможным напрямую связать с изменением структурного состояния его приповерхностных слоев. Аналогичная картина может наблюдаться и для смазочных материалов [3].
Указанные соображения открывают довольно широкое направление исследования свойств триботехнических материалов в связи с их динамическими изменениями. Исследованию эволюции приповерхностных свойств триботехнических материалов были посвящены многие фундаментальные работы, часть из которых уже упомянута выше. Среди классических работ по этой тематике в период, когда металлофизические исследования в области трения носили пионерный характер, можно назвать [29,30,31,32]. Основным недостатком перечисленных работ является отсутствие адекватной модели взаимосвязи изменений металлофизических параметров и функциональных свойств материалов. Предлагаемые авторами этих работ интерпретации подобных изменений носят, преимущественно, механистический характер и опираются на статические представления типа концепции структурной приспосабливаемое. В подобных концепциях упрочнение приповерхностных слоев, возникающее в результате воздействия трением, является, по существу, единственной положительной для функциональных свойств материала реакцией и аналогично реакции материала на деформацию в объемном варианте, включая процессы химического характера, например, окисление.
Типичный вид деформированных трением приповерхностных слоев, исследованных путем электронно-микроскопического анализа продольного шлифа, полученный в работе [33], показан на рис. 1.2. Наглядно показан характер нарастания степени деформации по мере приближения к поверхности с помощью измерения угла поворота зерен поликристаллической меди, в направлении деформации
Представленная картина удачно дополняется рентгеноструктурным анализом по методике скользящего пучка, представленным в работе [28]. Иллюстрация распределения плотности дислокаций, оцениваемых с помощью физического уширения рентгенографических линий, представлена на рис. 1.3.
Как видно из рис. 1.3, существует достаточно много различных вариантов распределения плотности дислокаций в приповерхностных слоях. Их, однако, можно разбить на два основных типа. Первый тип - рост упрочнения по направлению к поверхности, что соответствует схеме деформации на рис. 1.2 при трении с инактивной смазкой. Второй тип, - трение с активной смазкой и снижением плотности дислокаций к поверхности.
Статичность подобной модели процесса трения состоит, в первую очередь, в монотонно возрастающей реакции трибосопряжений на внешние воздействия. Наиболее характерным примером является зависимость интенсивности изнашивания от нагрузки, имеющая монотонно возрастающий характер, как это показано, в частности, в работах [21,22], а фрикционное поведение, как это отмечалось ранее, описывается типом, отраженным на рис. 1.1 ,а.
Важным аспектом в описании фрикционного поведения материалов и сопряжений явилась разработка концепции положительного градиента механических свойств [14,25], предполагавшая развитие ситуации как по сценарию, показанному на рис. 1.2, когда в приповерхностных слоях доминирует высокая степень деформации и упрочнения, так и по альтернативному сценарию. Эта концепция легла в основу формирования представлений о возможностях достижения высокой противозадирной стойкости и прирабатываемости сопряжений в зависимости от свойств составляющих их материалов [5,24,34].
Вопросы противозадирной стойкости трибосопряжений всегда были и до сих пор остаются актуальными при конструировании и эксплуатации машин. Достаточно напомнить, что возникновение задиров и заедания в таких сопряжениях как «вал -вкладыш», например, в двигателях внутреннего сгорания составляет существенную долю в общем потоке отказов этих агрегатов, причем последствия подобных отказов носят, как правило, весьма тяжелый характер.
Одной из первых попыток теоретически оценить условия, при которых может возникнуть данный вид отказов, была сделана в работе [25], где был предложен критерий порога внешнего трения, позволяющий сформулировать условия начала заедания.
На основе данного критерия было сформулировано правило положительного градиента механических свойств, необходимое для предотвращения процесса заедания. Выражение, определяющее порог внешнего трения имеет вид, h/R (1/2)(1 - 2т/а), (1.2) где h — глубина внедрения жесткой полусферы, моделирующей микронеровность, в пластичный материал, R - радиус закругления полусферы, х — прочность на срез адгезионной связи, фактически эквивалентная прочности на срез поверхностного слоя пластичного материала, а — объемный предел текучести пластичного материала.
Кинетика разрушения приповерхностных слоев при трении как физическая основа процесса изнашивания
Вопросам самоорганизации при трении посвящена довольно обширная литература, в том числе, работы [141,142,42,44]. При этом поток публикаций постоянно пополняется [143,144,145]. К сожалению, рассмотрение этого явления проводится в данных публикациях, в основном, на качественном, логическом уровне, без анализа необходимых атрибутивных признаков самоорганизации. Дело в том, что в научный обиход данное понятие было введено автором работы [146], получившим за разработку соответствующей концепции Нобелевскую премию. При этом формулировка понятия самоорганизации была дана достаточно жестко и точно, в первую очередь, с математической точки зрения.
Кратко суть явления выражается в том, что если в случае роста неравновесности системы она теряет устойчивость, то, после прохождения ею бифуркации, система может в результате возникновения нового дополнительного механизма диссипации прийти к состоянию с асимптотически устойчивым аттрактором типа предельного цикла. Именно это новое неравновесное состояние было обозначено в [146] как состояние самоорганизации, а возникающие при этом структуры были названы диссипативными. Очевидно, что без анализа устойчивости тех или иных уравнений невозможно даже поставить вопрос о наличии или отсутствии самоорганизации в соответствии с [146]. К сожалению, в большинстве упомянутых работ в области трибологии подобная задача даже не ставилась. Соответственно, полемика, начатая в [142] и продолженная в [143] и [144] и приведенные в данных работах рассуждения о явлении самоорганизации вряд ли возможно отнести к рассмотрению этого явления в том смысле, как это сформулировано в [146]. Скорее, работы [141,142,143,144] посвящены анализу явления структурной приспосабливаемости, которое представляет собой стандартную реакцию среды на внешнее воздействие, в частности, такую, которая происходит при деформации и упрочнении приповерхностных слоев металлов при трении. Естественно, что к этим процессам применима теорема о минимуме производства энтропии [146], которая выступает в работах [142,143,144] под названием принципа диссипативной гетерогенности. При этом, хотя для анализа устойчивости диссипативных структур этого аппарата недостаточно, - необходима форма с производными более высокого порядка, — критерий эволюции [146], однако даже теорема о минимуме производства энтропии фактически в работах [142,143,144] не используется, поскольку в этих работах отсутствуют математические модели, которые могли бы анализироваться с помощью указанных критериев.
В то же время, в работе [147] упоминаются вопросы устойчивости и бифуркаций по отношению к уравнениям химической кинетики, привлеченным для описания предполагаемых трибохимических реакций, протекающих в смазочном материале. В более поздней работе [148] для описания этих реакций использована математическая модель работы лазера. Однако, хотя необходимость учета эволюции дефектности приповерхностных слоев в упомянутых работах декларируется, реально даются лишь ссылки на работу [141], в которой фактически анализируется структурная приспосабливаемость [142,143,144] и при этом отсутствует формулировка понятия самоорганизации в том смысле, как она дана в работе [146].
Вопросы самоорганизации в ее математическом аспекте сегодня достаточно подробно разработаны [149]. При этом современные авторы предпочитают пользоваться терминами «синергетика» и «нелинейная динамика» ввиду того, что данные понятия гораздо шире, чем такие понятия, как «самоорганизация» и «диссипативные структуры» в силу указанных выше весьма конкретных и достаточно узких атрибутивных признаков последних двух явлений. Тем не менее, основной математической формой, анализируемой в [149] является система уравнений условно названная «реакция - диффузия», которая впервые наиболее подробно проанализированна в [146] в особенности для конкретного варианта данной системы, названной автором [146] «брюсселятор».
Для пояснения данной терминологии необходимо рассмотреть некоторые системы химических реакций, которые позволят наглядно представить те механизмы, которые обеспечивают возникновение самоорганизации в химических процессах. Кроме того, необходимо понять место, которое занимают процессы самоорганизации в общей физической картине мира, наряду с процессами равновесными или близкими к ним.
Одним из ключевых вопросов синергетики, включая и синергетику трибосистем, так до конца и нерешенным сегодня, является механизм перехода к состоянию самоорганизации, то есть механизм бифуркации, приводящей систему к кооперативному поведению. Несмотря на то, что математические аспекты этой проблемы получили существенное развитие [149], физические модели при новых исследованиях необходимо разрабатывать каждый раз заново. Важнейшая сторона этой проблемы состоит в том, чтобы спрогнозировать какие системы в условиях роста неравновесности способны к самоорганизации, а какие - нет, что, очевидно, связано с чисто практическим моментом, допустимым пределом внешних воздействий на трибосистему, повышающих степень ее неравновесности. Таким образом, проблема, самоорганизации при трении тесно связана с такими вопросами как надежность и работоспособность трибосистем [150], что будет ниже проиллюстрировано.
Очевидно, что основной причиной потери работоспособности трибосистемы является деформация приповерхностных слоев контактирующих материалов [39]. Поэтому анализ причин нарушения работоспобности приповерхностного слоя разумно начинать с выявления допустимых пределов его деформации.
Аналогичная задача ставилась и успешно решалась в области объемного деформирования металлических материалов с помощью известного эффекта сверхпластичности, чему посвящена обширная литература [151,152]. Отметим, что и в этом случае основной проблемой при рассмотрении протекающего при деформировании процесса структурных изменений было определение механизма, обеспечивающего работоспособность материала, в данном случае, способность к достаточно большим деформациям без признаков разрушения [151,152]. Как показано в литературе [151,152], возникновение такого механизма также связано с диссипативным фазовым переходом. Понятие диссипативного фазового перехода впервые было, видимо, введено в работе [90]. Суть его состоит в том, что при повышении неравновесности системы в ней нарастают флуктуации ее параметров, приводящие к возникновению нового, дополнительного механизма диссипации энергии, а сама система приобретает при этом новые свойства, включая новый тип устойчивости, характерный для систем с автоколебаниями. Иначе говоря, система претерпевает бифуркацию, приводящую к тому, что на фазовом портрете системы возникает аттрактор типа предельного цикла [90],[149].
Однако изложенная схема отнюдь не гарантирует, что в любой системе при произвольном повышении ее неравновесности возникнет бифуркация, приводящая к самоорганизации. Наглядным примером может служить явление сверхпластичности, для реализации которого необходимо соблюдение целого ряда принципиальных условий [152]. К ним, в первую очередь, относятся отсутствие трещинообразования при высоких степенях деформации за счет действия специфических механизмов аккомодации (приспособления) [152] и возникновение нового типа устойчивости, включая переход к колебаниям параметров системы в режиме предельного цикла [151]. Достижение состояния самоорганизации требует от системы прохождения через ряд стадий повышения уровня неравновесности, характер которых можно пояснить на примерах, ранее рассмотренных в литературе [151],[152],[90]. Важно также отметить ряд количественных критериев, которые позволяют оценить достижение соответствующих стадий неравновесности [90]. В табл. 2 и 3 приведен ряд примеров для некоторых объектов при последовательном прохождении ими соответствующих стадий неравновесности.
Под уровнем неравновесности здесь понимается значение соответствующей термодинамической силы, рост которой обеспечивает переход объекта из одной стадии в другую. В частности, для объекта «газ» такой термодинамической силой является градиент давления (сжатие), для объекта «жидкость» градиент температур (нагрев), для химической реакции градиент химпотенциала. При этом закономерным образом меняются значения важнейших термодинамических критериев состояния объектов, - энтропии S, производства энтропии 0, критерия эволюции 5x6, вводимых здесь в соответствии с работами [90],[146]. Отметим, что, хотя величина S проходит через максимум на стадиях 3,5,7, но ее значения отличаются, - S3 S5 S, а обозначение Т=0 К соответствует ноль градусов по Кельвину.
Выбор объектов исследований, посредством которых возможно достижение динамической адаптации в эксплуатационных условиях
Логическая цепочка здесь довольно проста .( &Л)ак = Ф(К/г), где т - время релаксации, К - показатель степени деформации, успевшей аккомодировать за время т. То есть с уменьшением энергии образования вакансий и, соответственно, уменьшением времени релаксации увеличивается скорость аккомодации и скорость релаксации, так как аккомодация одной и той же деформации происходит за меньшее время. Соответственно, это позволяет аккомодировать при прочих равных условиях более высокому значению объема деформации.
Отметим также, что среди макроскопических проявлений релаксации напряжений в процессе приработки характерным является поведение триботехнических материалов в связи с типом их гетерогенной структуры, в частности, распределения твердых дисперсных частиц в мягкой матрице, как это имеет место у большинства конструкционных сталей и упрочняющих покрытий, а также ряда антифрикционных материалов, например, баббитов и бронз. Механизмы пластичности, ползучести и релаксации для подобных материалов существенно зависят от основного параметра, описывающего их дисперсионное упрочнение, А. Он представляет собой среднее расстояния между дисперсными частицами. Учет этого показателя с помощью изложенных выше соотношений для описания процессов релаксации может быть основан, в первую очередь, на том факте, что величина X является естественным ограничителем длины свободного пробега дислокаций, как в направлении скольжения, так и переползания. В частности, формулу для градиента химпотенциала области с дислокациями (2.4.2) можно переписать в виде
Таким образом, величина X будет определять градиент плотности дислокаций и соответствующие величины, характеризующие напряженное состояние и склонность к релаксации в деформирумых областях материалов. Конкретные механизмы пластичности, релаксации и ползучести дисперсионно упрочненных материалов на разных стадиях деформирования известны и изложены в литературе, например, в [204,205]. В аспекте оценки скорости аккомодации деформации очевидно, что величина X будет ограничивать эту скорость в силу того, что .(djs/dt) = Ф(Х/х), где Ф - функция указанных величин (X, т), определяемая конкретным типом материала. Ясно, что при одной и той же скорости аккомодации величина X обратна времени релаксации. Конкретные примеры влияния X на процессы релаксации и прирабатываемости приведены в работе [206].
Таким образом, макроскопические показатели триботехнического поведения сопряжений, такие как ROTH, П И РМП, оказывается возможным связать с металл о физическими показателями материалов.
Экспериментальные материалы, подтверждающие справедливость выдвинутых здесь теоретических положений, содержатся в работах [18,150,203,206].
Хотя в предыдущем разделе рассмотрены механизмы релаксации дефектов, однако их реализация сама по себе не гарантирует динамической адаптации. Это связано с тем, что кинетика двух процессов, накопления и разрядки дефектов, может протекать отнюдь не согласовано. В частности, процесс накопления дефектов может протекать быстрее процесса релаксации, что приведет к тем же проблемам, рассмотренным в разделе 2.3.
Наиболее наглядно это видно на примере приработки. Дело в том, что в ходе приработки процесс передеформирования приповерхностных слоев постоянно возобновляется, то есть степень деформации этих слоев постоянно растет. В то же время, для предотвращения процесса заедания необходима достаточно быстрая релаксация напряжений, так как в противном случае будет нарушено условие сплошности материала (dE/dt)d (ds/ dt)ak, [105], где первый член (ds/dt)d - скорость активной деформации, а второй, больший член, (ds/ dt)ak - скорость аккомодации этой деформации.
Если понимать под скоростью аккомодации скорость процесса переползания дислокаций, как это показано на рис. 2.1, то для описания этого процесса можно использовать формулу (2.4.4). ps=Aps(Vs/Vn)(M)+po, где р - суммарная плотность дислокаций, h„ - расстояние, которое надо преодолеть переползающим дислокациям, чтобы аннигилировать на поверхности, будет правильно отражать установленную в работах [5,28] экспериментальную зависимость физического уширения рентгеновских линий от расстояния до поверхности Pf/7 , эквивалентную соответствующей зависимости рі(/гп) для ряда антифрикционных материалов [5], а также для ряда металлов и сплавов на основе меди в различных смазочных средах [28].
Однако для того, чтобы эта зависимость соответствовала правилу положительного градиента [25] необходимо, чтобы при hn=l достигалось соотношение vn vs. При этом достижение таких скоростей переползания возможно только при соответствующих уровнях пересыщения вакансий, а также при достижении потоком вакансий достаточной мощности для обеспечения переползания дислокаций в достаточном количестве.
При избирательном переносе такой поток вакансий достигается за счет избирательного растворения, как это показано, например, в работе [19]. В ней с помощью метода химико-кинетической аналогии построена самоорганизующаяся математическая модель процесса динамической адаптации приповерхностных слоев материала к условиям воздействия на них трением. Данная модель рассмотрена ниже.
Содержание модели отражает, в первую очередь, тот существенный факт, что при избирательном переносе имеет место механизм, детально изученный и математически описанный в [19],[23], позволяющий предотвращать накопление дефектов в приповерхностных слоях и, тем самым, качественно меняющий сам вид процессов, протекающих при деформации приповерхностных слоев при трении [23].
Система уравнений, предложенная в работе [23] для описания этого явления, имеет следующий вид. где р - плотность дислокаций, Cv - концентрация вакансий, DX,DP - коэффициенты диффузии вакансий и переползания дислокаций соответственно, а - стехиометрический коэффициент, В - концентрация активной присадки в смазочном масле.
Подобную систему уравнений часто называют системой реакция - диффузия [149]. Для более краткого обозначения мы используем название, предложенное в [90] -брюсселятор. Ее наиболее существенным отличием является способность к самоорганизации. Это выражается в том, что функционировавшая в режиме Лотка -Вольтерра система уравнений типа (2.3.4), (2.3.5) может потерять устойчивость, пройти бифуркацию и прийти к виду (2.5.1), (2.5.2). Для пояснения отметим, что система уравнений (2.3.4), (2.3.5) является частным случаем системы уравнений (2.5.1), (2.5.2) с точностью до значения соответствующих коэффициентов, в том числе, Dx ,Dp, В, которые в системе (2.3.4), (2.3.5) равны нулю.
Результаты экспериментальных исследований процессов деструкции в приповерхностных слоях трибосопряжений
Как следует из многочисленных исследований, основным процессом, приводящим к сильному износу и заеданию, является пластическая деформация [5,25,28,34,39]. Локализация течения в весьма тонких поверхностных слоях приводит к большим степеням деформации именно в этих слоях. Так, по данным работ [28,31,33,34,39], степень пластической деформации при трении меди по стали в инактивной смазке резко увеличивается от глубины материала к поверхности, достигая максимума в слоях микронной толщины. Возникающее при этом интенсивное текстурирование приводит к тому, что зерна материала вытягиваются вдоль поверхности, причем плоскость легкого скольжения оказывается параллельно поверхности [33]. Это естественный процесс закономерно объясняет явление отслаивания при износе, когда микротрещины, развитие которых приводит к образованию частиц износа, зарождаются и растут параллельно поверхности [20].
Исходя из сказанного, естественно предположить, что рассасывание скоплений дислокаций, образующихся в плоскостях скольжения параллельных, благодаря текстурированию, поверхности, должно привести к существенному снижению интенсивности изнашивания. Падение плотности дислокаций в микронном слое в сочетании с резким увеличением износостойкости было установлено в работе [28], благодаря рентгеноструктурному определению изменения физической ширины интерференционной линии В по глубине образца.
Кроме того, пластичность материала, его склонность к быстрой аккомодации деформации, как отмечалось в главе 2, определяет при заданном уровне внешних воздействий несущую способность приповерхностного слоя и процесс формирования шероховатостей. Таким образом, физический аспект триботехнической работоспособности определяется, в основном, балансом плотности дислокации в приповерхностных слоях, рассмотренном, в частности, в формулах (2.2.17, 2.2.18, 2.2.24, 2.2.29 и 2.2.30). Очевидно, что если в (2.2.24) vn больше нуля, a vs—»0, то величина К в формуле (2.2.18) будет КО и вместо возрастания р, в соответствии с (2.2.17), имеет место обратная тенденция, падение плотности дислокаций. В общем случае величина К определяет собой довольно сложный комплекс, отвечающий за широкий набор свойств материала и параметров внешних воздействий. Однако при достаточно длительном внешнем воздействии на дислокационную систему, в конечном счете, всегда начинает превалировать тенденция к уменьшению р. Это обусловлено общими термодинамическими свойствами систем с диссипацией энергии, в которых плотность латентной энергии и эквивалентный ей к градиент химпотенциала должен закономерно уменьшаться, как это показано в работе [257].
На основе изложенных соображений нетрудно объяснить известные экспериментальные факты - падение интенсивности изнашивания и силы трения в процессе приработки, как это рассмотрено в работе [257]. Таким образом, основной физической характеристикой триботехнической работоспособности является комплекс К, отражающий в общем случае целый набор физических свойств дислокационной системы, в том числе, плотность и интенсивность работы дислокационных источников и стоков. Для качественной оценки вида комплекса К при триботехнических испытаниях необходимо выделить соответствующие функции отклика и показатели.
Основными требованиями к триботехнической характеристике (функции отклика системы) при испытаниях следует считать: адекватность физическому состоянию системы; оперативность получения; техническая осуществимость. Известен ряд методов, описанных, например, в монографии [28], позволяющих весьма адекватно оценить физическое состояние системы, таких, как рентгеноструктурный анализ, микроскопия, спектроскопия и др. Их основным недостатком является отсутствие оперативности, что при оценке возможных вариантов реализации кинетических закономерностей типа (2.2.24) в ходе испытаний технически затруднительно.
Поэтому при существующей ситуации металлофизические методы анализа должны обязательно использоваться в комплексе с оперативными методами. К оперативным и относительно адекватным методам можно было бы отнести, например, анализ изменения электросопротивления контакта [6]. Однако, в настоящее время подобные методы остаются технически сложными, требующими специального дорогостоящего оборудования, что также усугубляется сложностью интерпретации получаемой с их помощью информации.
Поскольку основным содержанием такой информации должна быть оценка степени и скорости пластической деформации приповерхностных слоев, в соответствии с соображениями, изложенными в предыдущих разделах, то для реализации требований оперативности и технической осуществимости удобно использовать коэффициент трения. Известно [185], что средняя интенсивность деформации, как и коэффициент трения, пропорциональна относительному внедрению в степени Уг. Если замеры силы трения производятся в условиях ее интенсивность деформации за один проход подвижного образца можно считать постоянной по времени. Поэтому скорость деформации оказывается равной произведению средней интенсивности деформации за один оборот на частоту вращения образца, то есть пропорционально коэффициенту трения. Роль коэффициента трения как характеристики интенсивности пластической деформации отмечается в ряде исследований. В частности, в работе [181] показана связь между коэффициентом трения и дислокационными характеристиками контакта (количеством генерируемых дислокационных петель, плотностью дислокации). Поэтому для упрощения техники эксперимента в соответствии с положениями, высказанными в главе 2, и с работой [179] может быть выбрана математическая модель, в которой в качестве функции отклика взят коэффициент трения.
Здесь суммирование в уравнении регрессии относится к различным способам варьирования входных факторов. Так, Atk можно варьировать как нагрузкой, так и подбором материалов по степени фрикционного упрочнения Ц) (этот фактор варьируется как для сталей, так и для более пластичных материалов, например меди, бронзы) [39,179 и др.]. Кроме того, существуют и другие способы утяжеления режима трения, например, повышением температуры смазочного масла при наличии элементов гидродинамики в смазочном слое, что также ведет к росту пластической деформации.
Уравнение (2.1.10) представляет собой одно из уравнений Онзагера, взятое из работы [179], модифицированное с учетом соотношений, включающих кинетические коэффициенты.
Таким образом, уравнение (2.1.10) дает возможность определить структуру эксперимента: варьирование независимых факторов, определяющих протекание процесса пластической деформации путем воздействия на источники и стоки дислокаций, и оценку параметра оптимизации (функции отклика) - триботехнической характеристики f. Если f меняется во времени, то такая структура позволяет оценивать экспериментальные кинетические свойства трибосистемы, а в условиях стабилизации/- экспериментальные стационарные свойства.
