ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ В СВЯЗИ С ПОВЫШЕНИЕМ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ К УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ (30.11.2010)

Автор: Поляков Сергей Андреевич

Для этого трибосистема представлена как гетерогенная термодинамическая система, которая разбивается на локально-равновесные области, рис.1.

Рис. 1. Схема разбиения элементарного контакта на локально равновесные области I(IV – дискретная модель: I – пластичный материал (недеформированная область); II – смазочный материал; III ( стальное контртело; IV – пластичный материал (деформированная область); 1 – дислокационное скопление в плоскости скольжения; 2 – дислокационная стенка; 3 – активные молекулы, растворяющие механически активированную область и создающие силу Fy осм.

Описание такой системы оказывается возможным с помощью критерия эволюции (по И. Пригожину), сформулированному применительно к описанной ситуации:

где ? - ?производство энтропии, ?? - химический потенциал области с дислокациями,?? V - объем системы, f - коэффициент трения, n - число частиц одного сорта, ? ?– напряжение сдвига, ? ( коэффициент.

На основе методов неравновесной термодинамики и анализа процесса пластической деформации приповерхностных слоев материалов сформулированы экстремальные критерии поведения трибосистем, позволяющие определить параметрические границы их устойчивой работы в существенно неравновесной области внешних воздействий ( в области «второго» минимума зависимости коэффициента трения от внешнего давления f(Р), существование которого обосновывается с помощью соотношения, полученного на основе критерия эволюции (1).

В простейшем случае, когда суммарный градиент химического потенциала ??? системы является функцией глубины пластической зоны Н и f можно представить как функционал f= f[???(H)], а условие экстремума при ??? ? ???0 , где ???0 - минимальное значение ??? , записать в виде

(f = ? Ф[(??? ); ((???)/(t;(Н ); ((??? )]dН ? 0, (2)

Условие (2) является общим критерием оптимизации трибосистемы по параметру f при пластическом деформировании области контакта.

Рассмотрены механизмы эволюции структуры приповерхностных слоев трибосопряжений, среди которых выделены диффузионно-дислокационный механизм упрочнения, объясняющий явление аномального упрочнения при трении, и диффузионно-дислокационный механизм возврата, принципиально объясняющий возможность достижения пониженной плотности дислокаций в приповерхностных слоях материалов при трении. Для описания механизма этого явления было использовано уравнение тензора плотности потока дислокаций, позволяющее анализировать совместно процессы скольжения и переползания дислокаций.

д?iк ?/дt + eilj д ?/дlilj (eilj?????ik s vms ) = 0,

где д?ik – тензор плотности дислокаций, vms - скорость перемещения дислокаций различного типа, eilj. - единичный тензор, lilj - пространственная координата.

Анализ процессов нарушения сплошности приповерхностных слоев материалов позволил выявить существенную роль скорости протекания диффузионно-дислокационных механизмов в формировании состояния предразрушения этих слоев и кинетики их разрушения. Рассмотрена роль примесей и включений в процессах микротрещинообразования. Построена модель кинетики разрушения приповерхностных слоев как физическая основа для описания процесса изнашивания в условиях накопления коллинеарных дефектов и вредных примесей на базе системы уравнений типа Лотка – Вольтера.

Теоретический анализ макроскопических процессов релаксации в приповерхностных слоях трибосопряжений позволил обосновать модель кинетики прирабатываемости этих сопряжений на основе диффузионно-дислокационных механизмов эволюции структуры приповерхностных слоев материалов и связать показатели прирабатываемости и прироста несущей способности сопряжений с металлофизическими характеристиками конструкционных материалов.

На основе совместного анализа уравнений динамики плотности дислокаций и концентрации вакансий в приповерхностных слоях материалов с использованием метода химико-кинетической аналогии построена модель наноструктурной самоорганизации в этих слоях.

Содержание модели отражает тот существенный факт, что при определенном сочетании конструкционных и смазочных материалов имеет место механизм, позволяющий предотвращать накопление дефектов в приповерхностных слоях и качественно изменять процессы, протекающие при деформации приповерхностных слоев в условиях контактного взаимодействия.

Система уравнений, предложенная для описания этого явления, имеет вид:

д?? дt ????????В+1) +???? Cv ????????D? д 2??? д x2,??????????? (3)

?????????????????????????????????

дCv/ д t =??? - ???Cv ?+ D? д 2Cv/ д x2 (4)

где ???? ( плотность дислокаций, Cv ( концентрация вакансий, D??,D? ( коэффициенты диффузии вакансий и переползания дислокаций соответственно, ? ( стехиометрический коэффициент,? ? ( концентрация активной присадки в смазочном масле.

Подобную систему уравнений называют системой «реакция – диффузия», для более краткого обозначения используют предложенное И.Пригожиным название «брюсселятор». Ее наиболее существенным отличием является способность к самоорганизации, что дает возможность обосновать асимптотическую устойчивость рассматриваемых процессов и соответствующую склонность к динамической адаптации у сопряжений, в приповерхностных слоях которых эти процессы протекают.

На основе сформулированных представлений о наноструктурной самоорганизации приповерхностных слоев при трении разработана трехкомпонентная модель этого процесса, включающая динамику плотности дислокаций, концентрации вакансий и концентрации металлоорганических соединений в смазочном материале с использованием системы уравнений, разработанной при исследовании реакции Белоусова-Жаботинского типа «орегонатор».

Рассматривая процесс генерации пленки, отметим, что современное понимание процесса формирования тонких пленок в неравновесных условиях предполагает нелинейность данного процесса. Модель «орегонатора», содержащая отрицательные и положительные обратные связи, подходит для описания такого нелинейного процесса. В результате использования этой модели получаем стехиометрические соотношения.

НР + Х ( ХР + Н + V (5)???

Х + ХР (СП (6)???

Х0 + ХР ( 2ХР + V (7)???

2ХР + Р ( Х0 +ТПП (8)???

СП + V ( Х, (9)

где Н – водород, НР – органическая кислота, Х – атом, активированный деформацией в ядре дислокации, V – вакансия, СП ( серфинг-пленка, ТПП ( трибополимерная пленка, Х0 - атом, пассивированный в результате химической реакции. Представленная цепочка реакций описывается системой трех взаимосвязанных нелинейных уравнений, получаемых из закона действующих масс:

д??/дt = - ???????? CMeR??? ) + fk6Cv ?(10) ???????????????????????????????

дCMeR/дt ??????????? CMeR?? + k34BCMeR - 2k5 C2MeR? (11)

дCv/дt =?? - k6?Cv ? (12)

где CMeR ( концентрация металлоорганических соединений в смазочном материале, ??????????????????? константы скоростей соответствующих реакций. Данная система уравнений имеет решения в виде асимптотически устойчивых предельных циклов, отражающих автоколебания трех переменных ( ??? CMeR и CV.

Теоретические предпосылки этого подхода были использованы при разработке модели наноструктурной ротационной сверхпластичности приповерхностных слоев материалов при трении и модели процесса пленкообразования при использовании смазочных материалов с наноразмерными модификаторами, послужившей основой для разработки новых смазочных композиций.

Рассмотрены методы описания поведения контактирующих материалов при возникновении наноструктурной самоорганизации приповерхностных слоев, обеспечивающий реализацию динамической адаптации сопряжения к условиям эксплуатации.

Предложены теоретические основы метода экспериментальной оценки динамической адаптации на основе анализа прирабатываемости материалов в различных сочетаниях и зависимости коэффициента трения от давления с определением параметрических координат «второго минимума», области закритической асимптотической устойчивости как основы для оценки триботехнической работоспособности конструкционных и смазочных материалов.

В третьей главе представлены объекты исследования и обоснован выбор и направления исследования триботехнических материалов: антифрикционных сплавов (бронзы, латуни, алюминиево-оловянные сплавы и баббиты), а также материалы и покрытия коленчатых валов. Кроме того, рассмотрен ряд материалов, позволяющих модифицировать смазочные композиции для достижения эффекта динамической адаптации.

Проведен анализ и сделан выбор методов и средств металлофизических исследований приповерхностных слоев триботехнических материалов и высокодиспернсных объектов: рентгеноструктурный анализ, просвечивающая и растровая электронная микроскопия, методы спектрального анализа, метод анализа поверхности с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Проведен анализ и сделан выбор триботехнических методов и средств исследования приповерхностных слоев конструкционных материалов для оценки интенсивности изнашивания: метод профилографирования с прецизионным способом базирования и ориентации изучаемого образца, рис.2, метод измерения размеров отпечатков микротвердомера, а также метод измерения значения потока пропускаемого через зазор в условиях эксплуатации, позволяющих выявить признаки процесса пленкообразования и эффекта динамической адаптации.

Суть метода профилографирования сводится к получению профилограмм одного и того же участка поверхности до и после изнашивания, совмещению этих профилограмм и определении разниц высот профилей в соответствующих точках. Схема ориентации образца на профилографе показана на рис. 2. На исследуемом образце 1 наносят отпечатки 2 и 3, низшие точки которых 4 и 5 лежат на заданной трассе профилографирования 6. Отпечатки выполняют на твердомере Виккерса по ГОСТ 2999(75, так, чтобы между отпечатками располагалась изнашиваемая поверхность, а глубина отпечатков превышала значение износа не более, чем в два раза. Отпечатки располагают на максимальном допустимом размерами изнашиваемой поверхности и значением хода иглы щупа профилографа расстоянии друг от друга. После нанесения отпечатков 2 и 3 образец устанавливают на предметный столик 7, который может перемешаться в горизонтальной плоскости поперек движения иглы 8 щупа при помощи микровинта 9, а также поворачиваться в горизонтальной плоскости при помощи микровинта 10.


загрузка...