Идентификация активационных параметров физической и расчетной моделей изнашивания поверхностей трения

Размещено на http://www.allbest.ru//

Самарский государственный технический университет

ИДЕНТИФИКАЦИЯ АКТИВАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКОЙ И РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛЕЙ ИЗНАШИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ

А.Г. Ковшов

Уточнены физическая и расчетная модели изнашивания при трении на основе кинетической термофлуктуационной концепции разрушения твердых тел. Проведена идентификация активационных параметров моделей.

Ключевые слова: трение, изнашивание, износ, деформация, напряжение, дефект, энергия, модель.

На основе представлений кинетической концепции прочности твердых тел, развиваемой С.Н. Журковым с сотрудниками [1,2], автором предложены физическая и расчетная модели изнашивания поверхностей трения [3,4]. В основу предложенных моделей положена фундаментальная закономерность [1], связывающая напряжение, абсолютную температуру и долговечность

t = ф₀exp[(U₀ - гу)/kT], (1)

откуда разрывное напряжение

у_р= (1/г) (U₀- kT ln(t/ф ₀)), (2)

где t - время до разрушения (долговечность) образца под нагрузкой, с.;

ф₀ = (10^-12…10^-13)с. - период колебаний атомов в твердом теле; U₀ - энергия межатомной связи, Дж; у - напряжение, Н/; Т - термодинамическая температура,; k=1,38*10^-23 Дж/ - постоянная Больцмана; г - параметр (подгоночный), имеющий размерность объема, ; энергия активации разрушения U=(U₀- гу).

Теоретико-экспериментальным путем установлены значения активационных параметров [1]:

ч;

U₀/ г = U₀/c ч, при Т= 0; (3)

ч=; ч=; U₀=,

где С - атомная (молярная) теплоемкость, Дж/ (для одноатомных кристаллов С3k); - коэффициент термического линейного расширения, ; Е - модуль Юнга, Н/; - разрывное напряжение, Н/; - максимальное разрывное напряжение при Т = 0; = 0,1…0,2 - относительное удлинение, при котором межатомная связь теряет устойчивость и разрывается; ч = = = E/ - коэффициент локальной перегрузки в месте разрыва, созданный концентратором напряжения (у - соответственно, локальное и среднее напряжения, E - предельная (теоретическая ) прочность).

Установленное совпадение величины U₀ с энергией сублимации Q (энергией межатомной связи), - c периодом колебаний атомов в твердом теле, а параметра г, как меры локальной перезагрузки ч (3), с коэффициентом пропорциональности между ними С/, позволили «интерпретировать механизм разрушения твердых тел с кинетической позиции как термофлуктуационный процесс распада межатомных связей и генерации зародышевых микротрещин» [1]. Освобождающаяся при разрыве связей энергия приводит к повышению плотности фононов h определенных частот , где h= 6,626*10^-34 Дж/Гц - постоянная Планка, и влияет как на развитие образовавшегося дефекта, так и на возникновение и развитие соседних. С ростом плотности дефектов усиливается их взаимодействие, генерирование и распространение [5]. Накопление в приповерхностной зоне и на поверхностях трения единичных дефектов, образовавшихся в результате разрывов межатомных связей отдельных атомов, приводит к кумулятивному образованию многочисленных локальных объемов материала с ослабленными связями. В этих объемах при разрывных напряжениях , достигших усредненного предела прочности группы образовавшихся структурных элементов, происходит флуктуация и разрушение на части, размеры которых определяются размерами областей неоднородностей. В этой связи параметр г в уравнении долговечности (1) приобретает совершенно иной физический смысл, а именно, смысл локального активационного объема

г = ч = , (4)

в котором зарождается очаг разрушения и ожидается термическая флуктуация [5, 6], а время ожидания флуктуации

t = ф₀exp[(U₀ - у)/kT], (5)

где - локальный активационный объем, ; - атомарный (молекулярный) объем, где - межатомное расстояние, - удлинение межатомной связи в момент разрыва.

При отсутствии дефектов ч =1, г = , а атермическая компонента прочности равна предельной (теоретической) прочности. При наличии дефектов - ч > 1, г = = ч, разрыв связей в вершине микротрещины представляет собой область локальной перегрузки в виде микрообъема , перемещающегося по образцу по мере перемещения фронта трещины [1,5]. Рассеяние значений параметра ч , например, для титанового сплава ВТ9, находится в пределах

ч=у_n/у_p=е_*E/у_в=0,1*1,1*10¹¹/(1,13*10⁹)?10.

Математическое ожидание МО(ч) =10/2=5.

В связи с большим рассеянием значений параметра , (а пределах одного порядка), и, следовательно, уровней разрывных напряжений каждого дефекта и локальных объемов , неравномерно распределеных в деформируемом объеме материала, разрушение их происходит как на поверхностях трения (с отделением частиц износа), так и в глубинных слоях приповерхностной зоны (без отделения частиц разрушения), где активационные объемы блокированы матрицей исходного материала.

Математическая зависимость (5) активационного объема , энергии активации U и времени ожидания флуктуации t позволила напрямую использовать эти параметры в расчетах скорости изнашивания при трении, положив, что каждая флуктуация, приводящая к разрушению локального объема , в каком бы месте деформируемого объема материала поверхностного слоя она ни произошла, в конечном итоге эквивалентна отделению с поверхности трения слоя материала толщиной

изнашивание трение тело

, (6)

где - номинальная площадь поверхности трения, м²; - толщина отделяемого слоя материала, м. [3,4]. Скорость износа , (7)

где - скорость линейного износа, м/с; - число фрикционных связей (опорных точек) на поверхностях трения. Рассматривая совместно (7), (1), (2), (3) и приняв , Гц, получили обобщенную расчетную модель скорости изнашивания поверхностей трения в виде [4]:

(8)

или с учетом выражения (3) для U₀

, (9)

где у заменено на - напряжение на поверхностях трения, Н/м²; - касательное напряжение при трении; - фактическое давление на контакте; - коэффициент трения; - скорость скольжения; - плотность; - модуль сдвига.

Анализ уравнений (8) и (9) показывает, что при преимущественна роль термофлуктуационного разрушения.

При значениях энергия активации U= (5), работа внешней силы становится больше или равной энергии связи атомов в твердом теле , а экспоненциальный член в уравнении (8) exp(-0)=1, что приводит поверхностный слой в состояние низшей прочности и к ведущей роли атермического механизма разрушения. Тогда уравнение (8) перепишется в виде

. (10)

В заключение следует отметить, что стимуляторами применения предложенных моделей (9) и (10) могут стать: использование физических и механических параметров и констант материалов; отсутствие эмпирических (подгоночных) коэффициентов; применение не «назначенных» для разрушения деформируемых объемов материала с неопределенными границами, а локальных активационных объемов формируемых по естественным термофлуктуационным механизмам; использование фундаментальной прямой связи образовавшихся активационных объемов с временем ожидания их флуктуаций (разрушения) (5). В основу разработки физической модели накопления повреждений и разрушения положена широкая идентификация ее параметров методами механических испытаний на трение и износ, рентгеноструктурных, электроннооптических, электронографических и аналитических исследований, подтвердивших ее адекватность.

Список литературы

1. Журков С.Н. К вопросу о физической основе прочности // Физика твердого тела. 1980. Т.22. Вып.11. С.3344-3349.

2. Регель В.Р., Слуцкер А.Б., Томашевский В.Д. Кинетическая теория прочности твердых тел . М.: Наука, 1974. 302 с.

3. Ковшов А.Г. Физическая модель разрушения поверхностей трения / Сб. трудов МНТК «Актуальные проблемы трибологии», июнь 2007, в 2-х томах. Том 2. М.: Машиностроение. 2007. 519 с. С.206-213.

4. Ковшов А.Г. Расчетная модель изнашивания при трении / Сб. трудов МНТК «Актуальные проблемы трибологии», июнь 2007, в 2-х томах. Том 2. М.: Машиностроение. 2007. 519 с. С.214-220.

5. Бартенев Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров. - М.: Химия. 1984. 280 с.

6. Бартенев Г.М. Флуктуационный (активационный) объем и его роль в расчетах прочностных характеристик полимеров. / Физико-химическая механика материалов. Научно-технический журнал. - Наукова думка. Киев.: Т.21. №1. 1985. С.3-6.

Размещено на Allbest.ru