Обзор известных способов оценки активационных параметров разрушения материалов

Работы по экспериментальной оценке активационных параметров материалов осуществлялись на основе проведения многочисленных экспериментов при испытаниях образцов материалов на длительную прочность. Среди них можно выделить два направления: первое - развивалось советскими учеными В.Р. Регелем, А.И. Слуцкером, Э.И. Томашевским, В.В. Шпейзманом и др. под влиянием идей С.Н. Журкова. Второе - развивалось школой под руководством Д. Дорна и опиралось на общие представления о термической активации. Различие в этих направлениях состоит в том, что исследования в первом направлении проводились на базе существующей термофлуктуационной теории, во втором направлении за основу была принята феноменологическая зависимость, которая наиболее близко отвечала экспериментальным результатам, с тем чтобы создать экспериментальную базу для разработки новых теорий. Несмотря на общий термодинамический подход, указанные школы использовали различные методы оценки активационных характеристик. Это привело к взаимодополнению выводов, полученных из анализа проведенных испытаний. Экспериментальные результаты оценки активационных параметров оказалось возможным сопоставить с их аналитическим определением.

При аналитической оценке активационных параметров используют представления Беккера об энергии активации как изотермической и обратимой работе, которую необходимо затратить в объеме V, чтобы довести его до состояния локального сдвига. Из этих соображений В.В. Федоров получил следующее выражение для оценки эффективной энергии активации:

, (3.18)

где s₀ - теоретическая прочность на сдвиг; G - модуль сдвига; V - локальный объем материала.

В свою очередь, на основе анализа ангармонизма тепловых колебаний межатомных связей активационные параметры U₀ и g были выражены через коэффициент теплового расширения a, атомную теплоемкость С и модуль Юнга Е:

и , (3.19)

где - разрывная деформация атомной связи; c - коэффициент механической перегрузки.

Однако сложность использования аналитических методов оценки активационных параметров связана с неприменимостью справочных данных для расчета вследствие ряда особенностей модифицированного состояния материала поверхностного слоя. Их экспериментальная оценка, например методами дифракции медленных электронов, спектроскопии поверхности и т.п., весьма затруднительна и делает этот способ оценки нерациональным.

По этой причине реальное развитие происходило в сфере разработки прямых экспериментальных методов. Первоначально, на основе концепции С.Н. Журкова, экспериментальную оценку энергии активации разрушения материалов производили путем испытания образцов материалов на длительную прочность.

При этом образцы материалов подвергали нагружению (растяжению, сжатию, сдвигу), определяли долговечность t при ряде значений температуры и напряжения и строили графики зависимости lgt = (рис. 3.13,б), из которых по формуле

(3.20)

определяли значения U при различных напряжениях. Затем строили графики зависимости U=f(s). Энергию активации разрушения U₀ находили путем экстраполяции зависимости U на значение s=0.

а б

в

Рис 3.13. Результаты испытаний на длительную прочность:

а - влияние напряжения на длительную прочность (1 - 300°С, 2 - 200°С, 3 – 85°С, 4 - 18°С);

б - влияние температуры на длительную прочность (1 - 10кг/мм², 2 - 15кг/мм² , 3 - 20кг/мм²,

4 - 25кг/мм²); в - зависимость энергии активации от напряжений

С целью повышения точности оценки энергии активации материала при характерном для трения напряженном состоянии в Самарском техническом университете в известный способ был внесен новый элемент, приближающий условия нагружения при испытаниях к условиям трения. Энергия активации определялась при сложном напряженном состоянии испытываемых образцов, подобном напряженному состоянию поверхностного слоя материала при трении. Такое напряженное состояние достигается путем одновременного приложения к образцу сжимающей и сдвигающей нагрузок с эквивалентным напряжением

, (3.21)

где s - нормальная, а t - касательная составляющие действующих напряжений. Напряжения s и t определяют при экспериментальном измерении статического коэффициента трения для испытываемых образцов.

В связи с тем, что контактная деформация может осуществляться за счет различных механизмов, действующих на микроуровне, каждый из них имеет собственную величину энергии активации. Как уже отмечалось, самые существенные изменения в материале поверхностного слоя происходят непосредственно в процессе трения вследствие механического и физико-химического взаимодействия контактирующих поверхностей. Здесь имеется в виду деформация (наклеп), текстурирование материала, изменение его элементного состава (перенос вещества из контртела и внешней среды), химическая модификация (преимущественно образование оксидов), изменение плотности, теплопроводности и других характеристик, что приводит к существенному отличию значений энергии активации разрушения материала в поверхностном слое и в объеме.

Для учета влияния этих обстоятельств в Самарском техническом университете был предложен еще один способ оценки энергии активации пластической деформации материала поверхностного слоя, основанный на измерении микротвердости.

В этом способе измеряют диагональ отпечатка индентора микротвердомера D и время выдержки под нагрузкой t при различных температурах и нагрузках на индентор (рис. 3.14,а). По измеренным данным D(t) находят скорость внедрения индентора и строят зависимости (T^-1), как это показано на рис. 3.14,б. Затем, аналогично (3.20), по формуле

U=2,3RTlg( ₀/ ) (3.22)

получают зависимость U= (Hm) и путем экстраполяции графика U при Hm=0 находят энергию активации U₀ (рис. 3.14,в).

Главное преимущество этого способа состоит в том, что энергия активации разрушения исследуется в тонком поверхностном слое материала, отражающем аномалию его свойств. Однако при этом невозможно оценить влияние анизотропии механических свойств при совместном действии нормальных и касательных напряжений на поверхности при трении, что было достигнуто в другой разработке Самарского ГТУ, использовавшей вместо метода микротвердости метод склерометрии.