Кинетическая интерпретация изнашивания

Престиж и полезный эффект любой машины или транспортного средства прежде всего составляют характеристики работоспособности, надежности и безопасности. Если безопасность транспортного средства во многом определяется прочностью элементов систем, механизмов и отдельных деталей, то при их оценке в категориях надежности возрастает значение и удельный вес ресурсных характеристик, определяемых конструктивными, технологическими и эксплуатационными факторами. Среди ресурсных характеристик важнейшее значение имеет износостойкость деталей - сохранение ими размеров, формы и прочностных свойств в ходе эксплуатации.

При этом, в отличие от авиации, космических, сподвижных и тому подобных аппаратов, для транспортных машин, тоже имеющих напряженный динамический режим нагружения трущихся пар (ступицы колес, амортизаторы, подвеска, детали двигателя и др.), в конструкции используют относительно недорогие конструкционные материалы.

Тем не менее, во многих изделиях ведущих фирм по производству двигателей различного типа, ходовой части и других систем транспортных машин достигнуты высочайшие результаты, которые опираются на непрерывный поток внедрения новых идей, материалов и технологий.

Каков же багаж знаний, на который опираются создатели и производители машин и их узлов трения?

Современная точка зрения на физический механизм изнашивания при трении сложилась под влиянием исследований послевоенных лет. Наибольший вклад в научное понимание физики явлений изнашивания в СССР, а затем в России внесли такие ученые, как В.Д. Кузнецов, И.В. Крагельский, Б.И. Костецкий, А.С. Ахматов, Н.А. Буше, Н.Н. Давиденков, Ю.С. Терминасов, а за рубежом - Д. Арчард, Ф. Боуден, Д. Тейбор, Т. Куин и др.

Эти ученые впервые сопоставили износостойкость с ролью структурных факторов материалов в формировании физико-механических свойств поверхностей, обнаружили упрочнение и разупрочнение материала трением, отличие деформации зерен поликристаллических материалов на поверхностях трения и во внутреннем объеме и другие фундаментальные явления, определяющие изнашивание.

Наряду с инструментальными исследованиями (рентгеновские, оптические, электронно-микроскопические и другие методы изучения материала на свободных поверхностях) в тот же период происходит формирование теоретического подхода к изучению изнашивания на основе теории дислокаций.

В центре внимания этого подхода стоят проблемы структурно-энергетичес-кого истолкования зарождения, размножения и динамики движения точечных дефектов и дислокаций вблизи свободной поверхности твердого тела, действия локальных контактных температур и напряжений, вызываемых трением.

Общая картина выработанных представлений в этом подходе вкратце выглядит следующим образом.

При трении поле внешних напряжений и температурных флуктуаций изменяет химический потенциал точечных дефектов (вакансий, межузлий) и формирует их направленные диффузионные потоки, при движении которых образуются вакансионные петли, кластеры и другие формы дефектов, а скорость их движения усиливается под действием осмотических сил. В.П. Алехин назвал этот процесс диффузионной накачкой дефектов в поверхностные слои при трении.

Сама свободная поверхность при этом является областью облегченного зарождения и стока точечных дефектов и дислокаций.

Химические явления на поверхностях кристаллов (Т. Судзуки, Япония) усиливают поверхностные источники сдвига, а вблизи от свободной поверхности (И.Р. Крамер, Англия) образуется барьерный слой с повышенной плотностью дислокаций, который задерживает движение дислокаций, генерируемых внутренними источниками. Этот слой назван debris - слоем (debris - англ. осколки, мусор, свалка).

Повышенная концентрация дислокаций вблизи поверхности деформируемого твердого тела (Л.М. Рыбакова и Л.И. Куксенова и др.) неизбежна ввиду образования большого количества гомогенных и гетерогенных источников. Эти источники генерируют не только большое число петель по сравнению с источниками в глубине от поверхности, но и обеспечивают их распространение на большие расстояния. Поскольку скорость их движения есть функция эффективного напряжения сдвига, она выше вблизи поверхности.

Еще один фактор существенно влияет на выход дислокаций и образование барьерного слоя. Этот фактор - сама поверхность, место стока микродефектов. Благодаря этому фактору вблизи свободной поверхности плотность дефектов минимальна, но она нарастает по мере удаления от свободной поверхности, что и является модельной схемой образования градиента плотности дефектов на некоторой глубине.

Физические факторы, действующие вблизи свободной поверхности и в тонком слое материала трущихся пар, сказываются на развитии всей совокупности физико-механических процессов.

Обрыв периодичности решетки вызывает изменения координации поверхностных атомов и молекул, порядка их расположения и межатомных расстояний. Повышенная активность усиливает физические и химические явления, протекающие при контактах с другими поверхностями и внешней средой.

Особенно усиливаются физическая адсорбция, диффузия, ускоряется образование вторичных структур и др.

Деформация трением создает в поверхностном слое запас избыточной энергии в виде нарушения сплошности или однородности материала. Одновременно усиливаются релаксационные процессы, обусловленные взаимодействием электронов друг с другом и с дефектами кристаллической решетки. Усиливаются все виды рассеяния энергии (механической, тепловой, фононное, электронное и др.), а неупорядочное движение атомов, линейных, точечных и других дефектов заменяется движением направленным. При этом движущиеся частицы или дефекты стремятся избавить тело от возникшей неравновесности и избыточной свободной энергии.

Трение интенсифицирует диффузионные потоки благодаря многократному повторению тепловых и силовых воздействий при встречах микронеровностей, создающих нестационарные поля с большим градиентом температур и давлений.

Диффузия и пластическая деформация инициируют фазовые превращения. Так, например, различные авторы экспериментально установили, что в поверхностном слое трущихся деталей из сталей количество углерода может возрасти от нескольких до 30 %. При этом возникают специфические структуры - аустенит и мартенсит трения.

Так, например, при схватывании (взрывной характер процесса) фаза аустенита возрастает до 90 %. На разных этапах приработки наблюдается также квазиобратимый процесс перехода gÛa фаз. Характерно, что структурные и фазовые переходы имеют локальный характер и происходят в микроскопических объемах.

В то же время подробно исследована и взаимная диффузия материалов пар трения, которые взаимодействуют с материалом контрповерхностей, образуют в поверхностных слоях твердые растворы со своим элементным составом, периодом кристаллической решетки, плотностью дефектов и др.