Краткая характеристика некоторых вопросов теории строения, природы свойств и состояния материала поверхностных слоев

Как уже отмечалось, в металлофизическом подходе на микроуровне изучают-ся свойства самих дефектов, природа их образования и миграции, возможность накопления и аннигиляции, характерные масштабы и т.д. Таким образом в металлофизическом аспекте под поверхностным слоем понимается несовершенное кристаллическое твердое тело, обладающее анизотропией механических свойств.

Для оценки свойств поверхностных слоев используются электронная и ОЖЕ- спектроскопия, металлографический и рентгеноструктурный анализ, что позво-ляет выявить доминирующий вид дефектов и строение диссипативных структур, развивающихся при трении, а также глубину их расположения.

Металлографический подход к изучению процессов, происходящих при изнашивании, является особенно интересным и многообещающим для объяснения наблюдаемых изменений в состоянии материала с позиций кинетической и синергетической теорий, которые позволяют установить связи между процессами, протекающими в поверхностных слоях на разных масштабных уровнях.

Микроскопические акты образования дефектов являются основой, определяющей поведение материалов на микро- и макроуровнях. Появление каждого дефекта влечет за собой соответствующее изменение общего состояния поверхностного слоя, характеризуемого внутренней энергией и энтропией.

Согласно термодинамике поверхностный слой можно рассматривать как открытую термодинамическую систему, способную обмениваться энергией и веществом с окружающей средой и характеризуемую комплексом интенсивных характеристик. Наличие сорбционных процессов на поверхности материалов делает их схожими с мембранами, но, в отличие от обычных мембранных систем, поверхностный слой обладает еще и объемными характеристиками и, следовательно, комплексом собственных интенсивных характеристик. В рамках термодинамического подхода стало возможным пользоваться общими понятиями и использовать параметры состояния, пригодные для описания любых макроскопических систем, а также в удобной форме, через изменение термодинамических потенциалов, учитывать адсорбционные и другие эффекты. Применительно к описанию изнашивания были попытки установить уравнения состояния поверхностного слоя в виде общих уравнений баланса энергии или баланса энтропии. Это привело к созданию энергетических моделей, например Ю.К. Машковым, представляющих функциональную зависимость скорости изнашивания от термодинамических факторов:

J = f (U, S, t, ...), (3.12)

где J - интенсивность изнашивания; U - внутренняя энергия; S – энтропия; t - время.

В основу термодинамического подхода легли следующие идеи:

в поверхностном слое изнашиваемого материала можно выделить объем, находящийся в состоянии локального равновесия;

процессы трения и изнашивания могут быть описаны уравнениями энергетического баланса;

скорость деструкции контролируется скоростью производства энтропии.

Уравнение баланса энтропии записанное для локальной области (локальное термодинамическое равновесие) имеет вид:

, (3.13)

где - скорость прироста энтропии в данной области; divS - скорость оттока энтропии из данной области в окружающую среду; s[S] - скорость возникновения или производства энтропии внутри данной области.

В подобных моделях, однако, не учтен тот факт, что в процессе деформации активируются самоорганизующиеся диссипативные процессы, в результате которых перед разрушением в деформируемом материале вместо ожидаемого хаоса и деградации наблюдаются высокоупорядоченные структуры, т.е. из системы непрерывно «откачивается» энтропия, образуемая в ходе накопления дефектов. Кроме того, известен факт, что на стадии исчерпания пластичности преимущественная роль отводится коллективным процессам, охватывающим масштаб больший, чем размеры локальных областей внутри дислокационных ячеек, учет которых в выражении не предусмотрен.

Объединяет различные подходы к пониманию происходящих процессов кинетическая теория прочности, развиваемая под влиянием идей российского академика С.Н. Журкова. Опираясь на успехи, достигнутые в области изучения деформации и разрушения материалов, эта теория выдвигает положение об общей термоактивационной природе химических, механохимических и механических процессов, осуществляемых путем преодоления энергетического барьера. С позиции кинетической теории поверхностный слой рассматривается как тело, состоящее из множества структурных составляющих - кинетических единиц, в качестве которых могут приниматься атомы и молекулы вещества, т.е. элементы, совершающие тепловые колебания. При кинетическом описании явлений, происходящих по термоактивационному механизму, используются следующие предположения:

в основе механизмов накопления повреждений и усталостного разрушения поверхностного слоя лежат термоактивируемые кинетические процессы;

зависимость между скоростью деструкции материала J и внешними факторами устанавливается через его активационные параметры: энергию активации U₀ и структурно-чувствительный коэффициент g :

J = f ( U₀ , g, s , Т,....) . (3.14)

Так, при исследовании кинетики процесса ползучести материалов обнаружилось, что скорость деформации в зависимости от внешних факторов может быть достаточно хорошо описана выражением Аррениуса подобно описанию скорости химических реакций:

, (3.15)

где k - константа скорости реакции; Е - энергия активации химической реакции.

Это дало повод предположить, что в процессе деформации на микроуровне реализуются элементарные акты, имеющие термоактивационую природу, а скорость процесса, по аналогии с кинетикой реакций, контролируется высотой энергетического барьера, который удерживает активационную частицу материала в устойчивом состоянии.

В кинетической теории в качестве активационных частиц принимают атомы и молекулы вещества, для которых возможны акты разрушения связей под действием тепловых флуктуаций. Так как тепловое поле кристаллов на микроуровне не является однородным, в результате случайного взаимодействия отдельные атомы могут приобрести избыточную кинетическую энергию, достаточную для самостоятельного преодоления энергетического барьера и перехода в новое устойчивое состояние.

Применительно к изучению длительной прочности и долговечности твердых тел термофлуктуационая теория нашла наиболее полное развитие в трудах академика С.Н. Журкова и его учеников, которые на основе анализа вероятности проявления тепловых флуктуаций получили выражение долговечности единичной связи в поле действующих механических напряжений

Основной мыслью этой концепции является то, что разрушение межатомной связи происходит в результате случайного появления избытка кинетической энергии у атома (термической флуктуации), а внешнее напряжение оказывает влияние только на величину потенциального барьера, уменьшая его. Таким образом, было установлено, что неустойчивость материала, приводящая к его деформации или разрушению, может быть вызвана за счет термоактивационного и атермического механизмов. В терминах кинетической теории в первом случае энергетический барьер преодолевается «снизу», как это происходит при нагреве материала, что вызывает увеличение кинетической энергии всех частиц и соответственно вероятность появления разрушающей флуктуации. Во втором - барьер преодолевается «сверху», так как за счет механического отклонения частиц от положения равновесия уменьшается величина энергии активации критической флуктуации.

Большой экспериментальный материал по исследованию длительной прочности материалов показал, что выражение для оценки долговечности единичной атомной связи остается справедливым и для описания долговечности макроскопических тел, находящихся в поле действующих нагрузок и температур. Исследования энергии активации разрушения металлических образцов при высокотемпературной ползучести показали, что ее величина тождественна энергии активации сублимации атомов. Аналогичное тождество было обнаружено и для процесса деформации, что выражается близкими значениями энергий активации ползучести материалов и самодиффузии атомов.

Таким образом, в соответствии с термофлуктуационной теорией прочности можно записать выражение для долговечности единичной связи t_p (долговечность здесь - время существования единичной связи под нагрузкой):

; ; (3.16)

, (3.17)

где - скорость ползучести; и t₀ - постоянные, зависящие от дебаевской частоты атомных колебаний; U(s) - эффективная энергия активации; U₀, g - активационные параметры.

Однако исследования кинетики деформации показали, что активационные параметры, при переходе определенных значений температур способны скачком изменяться. Причем было установлено, что каждое изменение параметров соответствует смене доминирующего диссипативного механизма. Впервые этот эффект был обнаружен Дорном при исследовании ползучести металлов, когда для различных механизмов деформации был получен спектр значений энергии активации. В.И. Владимировым было также установлено существование при трении различных механизмов диссипации энергии, хотя такое усложнение модели изучаемого объекта уже выходит за пределы возможностей кинетического подхода.

Объединение микро-, мезо- и макроскопических процессов оказалось под силу новой теории, называемой «синергетика».

Сам термин «синергетика» происходит от греческого «синергос» - «вместе действующий».

Синергетика занимается изучением процессов самоорганизации, устойчивости и распада структур различной природы, происходящих в неравновесных системах на основе соединения принципа материального единства мира с принципом развития.

С этой точки зрения деформируемый материал поверхностного слоя может рассматриваться как функциональная система, которая в условиях непрерывного притока энергии извне начинает проявлять признаки живой материи; обнаруживаются эффекты памяти, наследственности, самоорганизации, фазовых превращений, реакции системы на изменения внешних факторов и т.д. Синергетический подход, развиваемый в трудах Г.Хакена, Д. Кайзера, В.С. Ивановой, Л.И. Бершадского и др., рассматривает разрушение материала поверхностного слоя как следствие катаклизмов, в которых система или ее локальные составляющие достигают точки бифуркации - неустойчивости, предшествующей смене диссипативного механизма.