Кинетический подход

Опираясь на успехи, достигнутые в области изучения кинетики деформации и разрушения материалов, стало возможным говорить о наличии общей термоактивационной природы химических, механохимических и механических процессов, происходящих по схеме 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 изнашивания материала и внешними факторами устанавливается через его активационные параметры: энергию активации U₀ и структурно-чувствительный коэффициент g:

I = f ( U₀ , g, s , Т,....) . (4.47)

Расчетные модели, построенные на основе термофлуктуационных представлений, были проверены и нашли подтверждение в многочисленных экспериментах. Достоинством полученных феноменологических выражений является возможность их использования для любого напряженно-деформированного состояния материалов при описании процесса изнашивания. Разработке и исследованию кинетических моделей изнашивания посвящены работы М.А. Бартенева, Ю.Н. Дроздова, Д.Г. Громаковского, А.Г. Ковшова, Т.Ф. Куинна, И. Усуи, И.Д. Ибатуллина и др.

Впервые модели, основанные на зависимости Аррениуса-Журкова, использовались для анализа коррозионно-механических видов изнашивания, что объяснялось преимущественной ролью скорости химических реакций, протекающих на поверхности, в процессе образования частиц износа. Т.Ф.Куинн предложил следующее выражение для расчета коэффициента окислительного изнашивания:

, (4.48)

где А - константа Аррениуса; U - энергия активации; R- универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; V - скорость скольжения; d - длина контакта; r - плотность оксида.

Для расчета скорости изнашивания инструментов из углеродистой стали при высоких температурах (при размягчении металла) И.Усуи с сотрудниками получил выражение

, (4.49)

где V - изношенный объем; s_t - нормальная нагрузка; k - коэффициент Больцмана; w₀ - константа.

Первая расчетная модель в России, построенная с использованием кинетических выражений для оценки интенсивности изнашивания полимеров и резин, была получена С.Б. Ратнером:

, (4.50)

где J₀ - константа изнашивания; U₀ - энергия активации разрушаемых связей; s - напряжение; g - постоянная, связанная со структурой материала; m - коэффициент трения; R×Т - энергия теплового движения. Отличием полученного выражения является выделение в эффективной величине энергии активации механической составляющей, выраженной вторым слагаемым. Однако физический смысл констант J₀ и g и в этом случае не ясен.

Пример иной организации кинетической модели изнашивания, параметры которой отражают связь механических и физико-химических свойств материала с характеристиками микрогеометрии контакта и параметрами внешних воздействий, представлен А.Г. Ковшовым:

, (4.51)

где e - предельное относительное удлинение; С_m - атомная теплоемкость; s_экв - эквивалентная нагрузка; d - диаметр элементарного пятна контакта; h - постоянная Планка; L - проскальзывание на контакте; a - коэффициент теплового линейного расширения; s_в - предел прочности; А_а - номинальная площадь контакта. Эквивалентная нагрузка определяется из выражения

, (4.52)

где r - плотность материала; G - модуль сдвига; q_r - фактическое давление в контакте; f , А - характеристики режима фреттинга, соответственно частота и среднегеометрическая амплитуда осцилляции в плоскостях контакта.

При этом механизм разрушения материала поверхностного слоя рассматривается как атермический, а его активационные параметры и скорость разрушения оцениваются аналитическим путем. При использовании приведенной расчетной модели изнашивания определенную сложность представляет оценка ее параметров для материала тонкого поверхностного слоя, модифицированного трением.