Общие сведения о проблеме моделирования изнашивания

В литературе, посвященной разработке моделей изнашивания материалов, особое внимание уделяется двум этапам: разработке физической модели и ее расчетной аналогии. На первом этапе выбираются исходные положения, концепция или теория, объясняющая физические аспекты процесса изнашивания, на втором - устанавливаются расчетные зависимости скорости (интенсивности) изнашивания от различных факторов. На протяжении развития трибологии было предложено множество подходов к анализу явления разрушения материала поверхностного слоя при трении. Самыми большими вехами в этом направлении, составившими классику современной трибологии, можно считать труды отечественных ученых М.М.Хрущева, В.Д.Кузнецова, И.В.Крагельского, Н.Б.Демкина, Ф.Р.Геккера, М.Н.Добычина, Г.М.Харача, А.К.Зайцева и др., а также зарубежных ученых Ф.П.Боудена, Д.Тейбора, Д.Арчарда, Т.Ф.Куинна, Польцера, и др.

В последние десятилетия наиболее интенсивно развивались представления о физико-химическом взаимодействии поверхностей твердых тел, появлялись новые расчетные модели, которые часто представляли собой вариации классических выражений. Основной прогресс при изучении изнашивания во многом можно связать с появлением новых технических средств, которые позволили использовать для анализа разрушения трудоемкие математические методы. В качестве примера можно привести использование программного пакета ANSYS 5.1. или ABAQUS для выполнения расчетов изнашивания соответственно методами конечных и граничных элементов.

Существующие расчетные модели изнашивания можно условно разделить на четыре типа: эмпирические, полуэмпирические, энергетические и кинетические.

Эмпирические модели пред­ставляют собой математическую аппроксимацию экспериментальных результатов. В них механи­ческие характеристики связываются с характеристиками процесса изнашивания (износостойкостью, скоростью изнашивания) через безразмерные эмпирические коэффициенты, не имеющие четкого физического смысла. Наиболее распространены аппроксимации в виде линейных, степенных или экспоненциальных функций.

Полуэмпирические модели включают параметры, для каждого из которых установлена связь с физико-механическими свойствами материалов, характеристиками процессов и т.д. Экспериментальная оценка этих параметров позволяет производить анализ реальных физических явлений. Расчетные зависимости в полуэмпирических моделях строятся из физических соображений с учетом размерностей параметров.

Энергетические модели появились на основе термодинамического анализа процесса изнашивания. Параметрами энергетических моделей являются основные термодинамические характеристики материала поверхностного слоя: энергия, энтропия, температура и т.д. Расчетные зависимости этого типа содержат в своей основе уравнения баланса энергии (энтропии).

Кинетические модели изнашивания построены на базе термофлуктуационной концепции прочности твердых тел. Характерной особенностью этих моделей является использование подхода Больцмана для связи скорости изнашивания с внешними факторами и описанием свойств материала через его активационные характеристики: энергию активации и структурно-чувствительный коэффициент.

Вместе с тем, несмотря на успехи, достигнутые современной трибологией, проблему моделирования изнашивания нельзя считать завершенной. Известно множество феноменов, сопровождающих этот процесс, которые пока невозможно уложить в рамки какой-либо одной из предложенных теорий. К ним можно отнести термоактивируемое накопление повреждений, прирабатывание поверхностей при трении, цикличность изнашивания, кинетические фазовые переходы структур, физико-химическую и структурную модификации материала поверхностного слоя и т.д. Сложность описания этих эффектов усугублена спецификой модифицированного поверхностного слоя, которая требует одновременно рассматривать его как поверхность раздела фаз (мембрану), где интенсивно протекают сорбционные процессы, объемнодеформируемое твердое тело, термодинамическую и функциональную системы, т.е. как объект изучения различными дисциплинами. При этом для каждого эффекта существует свой оптимальный аспект изучения. Так, при описании процесса накопления повреждений в материале поверхностного слоя целесообразно переходить на микроуровень, где можно рассматривать конкретные виды дефектов кристаллической решетки металлов и их свойства. Для оценки термодинамических характеристик следует, напротив, проводить исследования в рамках структурно-феноменологического подхода, позволяющего абстрагироваться от отдельных микроскопических особенностей, вклад которых в общее макроскопическое состояние трудно поддается контролю и поэтому полагается заранее неизвестным. Отсюда становится ясным, что адекватную картину процесса изнашивания можно построить только на стыке нескольких наук, в свете которых одно явление может приобрести множество дополняющих друг друга аспектов.