3.7. Поверхностное разрушение
Там, где сила может лишь разрушить,
мягкость способна взять.
Р. Тагор
Изнашивание – это процесс изменения размеров и формы контакти-рующих деталей трения в результате их поверхностного разрушения.
Чаще всего, но не всегда, износ, как результат процесса изнашивания, коррелирует с силой трения. Так, в паре фторопласт - сталь коэффициент тре-ния достигает 0,02, а величина износа очень велика и может протекать со скоростью 0,5 мм/с. В связи с этим изнашивание деталей трения в различных эксплуатационных условиях требует самостоятельного дополнительного изучения.
Рассматривая изнашивание как многократное фрагментарное разруше-ние, суммируемое во времени, мы неизбежно должны затронуть вопросы прочности материалов.
Представим разрушение как мгновенный разрыв по плоскости, перпен-дикулярной действию внешних сил в результате преодоления сил межатом-ного взаимодействия. Создание при этом двух новых поверхностей требует совершения работы против сил межатомных связей. Допустив при малых деформациях выполнения закона Гука, получим для теоретической прочнос-ти сталей ~ 3×104 МПа, что на порядки превышает практический предел прочности. Анализ этих данных с очевидностью доказывает, что разрыв межатомных связей происходит не одновременно, а последовательно.
В 20-х годах ХХ века Гриффитом показано, что разрушение – это раз-витие трещины в хрупком теле. При достижении микротрещиной некоторой критической величины рост ее продолжается без дополнительных усилий.
Орован модифицировал формулу Гриффита для металлов, введя вместо удельной поверхностной энергии энергию, расходуемую на пластическую деформацию.
Процесс разрушения твердых тел условно разделяется на два периода:
– зарождение и накопление различного рода дефектов, и образование трещин критического размера;
– рост макротрещины с прогрессирующей скоростью.
Зарождающиеся микротрещины имеют размер ~ 0,1 мкм, развитые микротрещины – 10…100 мкм. Если размер трещины меньше критического, она растет медленно, если больше, то скорость ее роста, при хрупком разру-шении, достигает 1000 м/с. Вязкое разрушение развивается с меньшими скоростями. Усталостное разрушение происходит в результате постепенного накопления внутренних повреждений или величины внутренней энергии, затраченной на их образование.
В работе [23] процесс контактного деформирования и деградации поверхностного слоя металла рассматривается по схеме «сдвиг - поворот». Причём, процессы на микроуровне считаются аккомодационными. Такая схема позволяет представить деформирование материала и образование дискретных частиц износа в следующей последовательности:
- сдвиговые деформации,
- возникновение микротрещин и локальных несплошностей,
- проворачивание фрагментов структуры,
- отделение этих фрагментов (Рис.36).
Кроме того, следует иметь в виду, что процесс разрушения поликристаллических твердых тел характеризуется конкурентной реализацией двух микроскопических актов: накоплением дефектов (деформационным упрочнением) и динамическим возвратом (аннигиляцией дефектов), сопровождающимся тепловым эффектом.
Рис. 36 Вихревой характер движения металла в контактной области
В настоящее время доказано, что термодинамический критерий Гриффита не всегда объясняет физику разрушения простых твердых тел (металлов и полимеров).
Современный этап учения о прочности твердых тел основан на учете решающей роли флуктуаций тепловой энергии в микроскопических актах атомно-молекулярных перегруппировок в поле внешних сил [5,53].
Под энергией активации разрыва межатомных связей следует понимать минимальную работу, которую необходимо затратить обратимо и изотерми-чески, чтобы перевести атом в активированное (неустойчивое) состояние.
Прочность и разрушение полимерных материалов также базируется на кинетической концепции прочности и ее развитии – фононной теории элементарного акта разрыва полимерной цепи [5].
Фононная теория разрушения учитывает тепловое движение атомов – фононную подсистему твердого тела. При малых колебаниях атомов упругая сила линейно зависит от смещения (закон Гука), а потенциальная энергия от квадратичной функции смещения. В этой области разрушения не происходит. При повышении температуры колебания атомов становятся более значительными и несимметричными (тепловой ангармонизм); при высоких нагрузках наблюдается нелинейная упругость (силовой ангармонизм). В реальных условиях оба нелинейных процесса протекают параллельно. Фононная система характеризуется величиной свободного пробега фононов – квазичастиц, возникающих вследствие ангармонизма и связанных с тепловым движением в твердом теле.
Разрыв химических связей в полимере (разрушение) происходит в результате действия в некотором «слабом» его объеме тепловых флуктуаций, а роль внешних нагрузок сводится к увеличению вероятности разрыва полимерных цепей.
Следует отметить, что при энергии активации разрыва связей, близкой к предельной критической, термофлуктуационный механизм не работает. Наблюдается групповое, хрупкое разрушение цепей полимера непосредственно от внешних сил (по Гриффиту).
Итогом современных представлений о прочности и разрушении твёр-дых тел является объединение в единую теорию трех подходов к прочности: термодинамического, механического и кинетического.
Термодинамический подход дает оценку безопасного порогового напряжения Гриффита при равновероятных процессах разрыва и восстанов-ления связей.
Механический подход вносит атермический вклад, например, при расчете концентраторов напряжений в вершинах микротрещин.
Кинетический подход позволяет оценить долговечность микроне-однородных высокопрочных современных материалов.
Расчёт величины износа (или связанных с ней интенсивности изнашивания, ресурса и т.п.) базируется, чаще всего, на усталостной теории изнашивания [34,40]. В математические модели изнашивания в этом случае, входит более 10 параметров, определяющих тип контакта, механические свойства контактирующих материалов и характеристики поверхностей. Эти выражения могут быть использованы как первое приближение, а их уточнение требует значительного объема экспериментальных исследований, в особенности для полимерных композитов.
Расчет износа с позиций термофлуктуационной теории прочности основан на концепции С.Н.Журкова о ее кинетической природе [19]. Расчетные формулы этого типа содержат до 15 параметров, включающих молекулярные и общефизические константы, характеристики условий разрушения и т.д. Зависимость толщины разрушенного слоя l от времени представлена на рис.37 [13].
Рис. 37 Схема кинетических переходов при разрушении поверхностей трения: τ0 - период колебаний атомов в кристаллической решётке, τψ - средний промежуток времени между термическими флуктуациями, τө - средний промежуток времени между кинетическими переходами дислокационных субструктур, τр - время до элементарного разрушения поверхностного слоя, tc - время полного разрушения поверхностного слоя
Физический смысл расчетных моделей в этом случае прослеживается более четко, а формулы опробованы при расчете износа некоторых полимеров и полимерных композитов. Однако, концепция С.Н.Журкова описывает единичный акт разрушения, в то время как в полимерах действуют кооперативные механизмы, а оперирование физическими константами для композитов требует значительных по объему экспериментов. Изложенное объясняет причину того, что, используя кинетическую концепцию износа, не удается получить результаты сопоставимые с экспериментальными данными.
Расчеты, основанные на энергетической теории изнашивания [12], базируются на следующей концепции: для отделения частицы износа необходимо накопить в некотором объеме материала критический запас внутренней энергии. Расчетные формулы включают 6...7 параметров - объем изношенного материала, удельную силу трения и критическую плотность энергии. Сами авторы прикладной части этой теории [55] признают, что точное определение критической плотности энергии является пока проблематичным.
Следовательно, в настоящее время отсутствует единая теоретическая база, позволяющая провести идентификацию процесса изнашивания, для однозначного определения величины износа (или ресурса) сопряжения, знание которого необходимо практике.
Наиболее точные результаты, но для конкретных антифрикционных материалов, могут быть получены на основании чисто феноменологического эмпирического подхода .