Закономерности формирования структуры приповерхностных слоев трибосопряжений в связи с повышением их работоспособности на основе динамической адаптации к условиям эксплуатации

Расширение эксплуатационных возможностей трибосопряжений, в первую очередь, по грузоподъемности объективно обусловлено свойствами составляющих трибосопряжения конструкционных и смазочных материалов. Поэтому подход к решению такой задачи должен основываться на расширении возможностей материалов, на их способности приспосабливаться, адаптироваться к более тяжелым условиям, то есть проявлять свойство динамической адаптации. Это направление становится актуальным также и по тому, что все шире создаются и применяются так называемые «smart-self technology», то есть «интеллектуальные» самовосстанавливающиеся технологии и необходимые для их реализации «интеллектуальные» материалы. Уровень понимания процессов самоорганизации при трении позволяет вплотную подойти к разработке таких «интеллектуальных» материалов, а характер их поведения в сложных условиях эксплуатации обозначить понятием динамической адаптации.

Как показывает анализ литературы за последние 25−30 лет, то есть в тот период, когда сложились основные представления в современной науке о трении и износе, понятие динамической адаптации как некой базовой категории в этой системе представлений практически не использовалось. В то же время, активно использовались такие близкие к этой категории понятия, как структурная приспосабливаемость и прирабатываемость, которые развивались разными школами и в разных направлениях. Прирабатываемость, начиная с работ М. М. Хрущова [1,2], и далее в работах С. В. Венцель [3], А. Д. Курициной [4], Н. А. Буше [5], И. И. Карасика [6] рассматривалась, преимущественно, в феноменологическом аспекте, то есть в функциональном пространстве с координатами «внешние воздействия — функция отклика», где под функцией отклика понималась, как правило, интенсивность изнашивания или коэффициент трения. В этом же аспекте рассматривались процессы трения и при использовании термина «адаптация», впервые, вероятно, упомянутого применительно к данным проблемам в работе [7]. В то же время, структурно-металловедческие исследования, глубоко продвинутые в работах Б. И. Костецкого [8], И. М. Любарского [9], Л. И. Бершадского [10], и многих других ученых [11,12], как направление были сориентированы, в основном, на анализ характеристик уровня дефектности и других структурных показателей приповерхностных слоев материалов.

При этом понимание причинной взаимосвязи между этими характеристиками и триботехнической работоспособностью материалов далеко не всегда имело место. Как правило, полезной для износостойкости структурой считалась та, которая обеспечивала наибольшую твердость, причем рецидивы этого, по существу, далеко не всегда корректного взгляда сохранились до сих пор, например, в попытках жестко увязать износостойкость с энергией разрушения материала [13].

В то же время параллельно развивалось такое направление как избирательный перенос [14,15], существенный прогресс в понимании природы которого был достигнут в 80−90 годы [16,17,18,19]. В рамках этого направления было открыто множество адаптационных процессов, и, с другой стороны, сформулирован определенный уровень понимания взаимосвязи износостойкости и металлофизических, структурных параметров. К сожалению, эти достижения носили, преимущественно, качественный характер, при этом количественные математические модели процессов адаптации, которые позволили бы связать структурные характеристики с триботехническими параметрами, практически отсутствовали.

Таким образом, возникший разрыв между металлофизическими, структурными исследованиями и триботехническими характеристиками материалов необходимо преодолевать. Это необходимо, в первую очередь, для рационального управления работоспособностью трибосопряжений на основе знания их структурной эволюции в процессе эксплуатации. В особенности, это было и остается актуальным в отношении адаптационных, приспособительных процессов, предельные возможности которых детерминирует предельные возможности триботехнических материалов и трибосистем, как систем, сочетающих конкретный набор конструкционных и смазочных материалов с реальным кинематическим типом сопряжения и спектром нагрузочных характеристик.

Целью работы является создание теоретической концепции динамической адаптации приповерхностных слоев триботехнических материалов к условиям эксплуатации в связи с динамикой их структуры и состава и разработка на этой основе методов и средств оценки явления, повышения работоспособности конструкционных материалов и долговечности сопряжений.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

1. Разработка методов описания трибосистем с помощью математических моделей, позволяющих учесть свойства материалов в виде конкретных физических величин, таких как градиенты химических потенциалов и соответствующих им показателям процессов массопереноса, в том числе, таких как диффузия, деформация и т. д.

2. Разработка методов синтезирования синергетических моделей трибосистем, позволяющих описать процессы самоорганизации, которые могут возникать в трибосистемах в процессе их функционирования.

3. Разработка феноменологических методов описания трибосистем, позволяющих связать эксплуатационные параметры трибосистем с их синергетическими моделями, в том числе, с показателями устойчивости этих моделей.

4. Подбор и разработка методов экспериментального исследования трибосистем, позволяющих проверить адекватность предложенных математических моделей.

5. Проведение экспериментальных работ, позволяющих проверить предложенные модели и дать их детальную интерпретацию.

6. Реализация полученных результатов в форме разработки методов испытаний и подбора составов и свойств конкретных триботехнических и смазочных материалов.

7. Организация и реализация практического использования полученных научных достижений в виде издания нормативных документов и конкретного внедрения технологий и материалов.

Научная новизна.

1. Предложено понятие динамической адаптации — нового свойства сочетания триботехнических материалов, позволяющего обеспечить асимптотическую устойчивость функционирования трибосистем в условиях динамических воздействий в процессе эксплуатации.

2. Разработаны принципы динамической адаптации трибосистем к условиям их эксплуатации, рассмотрены и обоснованы основные механизмы такой адаптации, даны методы их описания.

3. На основе методов неравновесной термодинамики и синергетики предложены математические модели для различных механизмов адаптации, включая процессы самоорганизации, позволяющие связать свойства конкретных материалов с показателями устойчивости соответствующих моделей и показателями работоспособности соответствующих сопряжений.

4. Исследованы неравновесные структуры, возникающие в результате действия различных механизмов адаптации, включая механизм наноструктурной самоорганизации, рассмотрены условия их функционирования и вклад в обеспечение работоспособности трибосопряжений.

5. Разработаны экстремальные критерии функционирования трибосистем и на их основе определены допустимые области динамических воздействий на трибосопряжения при определенных сочетаниях материалов.

6. Разработаны методы подбора сочетаний триботехнических материалов, выполненные на уровне изобретений с экспертно подтвержденной новизной, обеспечивающие оптимальную динамическую адаптацию составленных из них трибосистем на основе возникающих в таких системах процессах наноструктурной самоорганизации.

7. Показана взаимосвязь динамической адаптации конкретных трибосопряжений с возникновением процессов самоорганизации в приповерхностных слоях материалов этих сопряжений.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Надежность работы трибосопряжений, особенно в условиях динамических внешних воздействий, должна обеспечиваться их динамической адаптацией, то есть асимптотической устойчивостью их функционирования, что позволяет качественно повысить эту надежность по сравнению со статичным, неадаптивным сопротивлением изнашиванию и заеданию.

2. Обеспечение асимптотической устойчивости функционирования трибосистем достигается за счет направленного стимулирования процессов наноструктурной самоорганизации в приповерхностных слоях составляющих трибосистему взаимодействующих между собой конструкционных и смазочных материалов, достигаемой при их определенных сочетаниях.

3. Основные механизмы процессов самоорганизации при трении представляют собой механохимические и хемомеханические реакции, составляющие цепочки, которые обеспечивают возникновение положительных и отрицательных обратных связей, реализующих асимптотическую устойчивость соответствующих процессов.

4. Основные типы простейших моделей самоорганизации при трении представляют собой сочетание дифференциальных уравнений, описывающих совместные динамические изменения плотностей дислокаций, концентрации вакансий и концентраций металлоорганических соединений по типу «брюсселятор» и «орегонатор».

5. Одним из важнейших практических проявлений закритической асимптотической устойчивости функционирования трибосистем в условиях их самоорганизации является наличие «второго минимума» на зависимости коэффициента трения от нагрузки, который в отличие от аналогичного минимума на диаграмме Герси-Штрибека возникает в условиях отсутствия гидродинамических эффектов в смазочном материале.

Практическая ценность.

Разработаны методы оценки и управления динамической адаптивностью трибосистем и составляющих их материалов к условиям эксплуатации, что позволяет определять параметрические границы их работоспособности. Предложены и реализованы методы подбора триботехнических материалов, позволяющие достичь эффекта наноструктурной самоорганизации в трибосистемах и, тем самым, получить режимы их асимптотически устойчивого функционирования. Даны и реализованы конкретные предложения по конструкционным и смазочным материалам, использующим перечисленные эффекты, в том числе, технологические инструкции по реализации данных эффектов. Получены практические эффекты повышения эксплуатационных свойств ряда узлов, в том числе, двигателей внутреннего сгорания. Разработаны методики испытаний трибосистем. Выпущен ряд нормативных документов — методических рекомендаций и государственных стандартов, в том числе, ГОСТ 23.215−84. «Обеспечение износостойкости изделий. Экспериментальная оценка прирабатываемости материалов», ГОСТ 23.222−84. «Обеспечение износостойкости изделий. Метод оценки фрикционной совместимости наплавочных материалов для восстановления деталей», ГОСТ 23.224−86 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей». По результатам исследований получены бронзовая медаль ВДНХ (1989), диплом выставки «БытПромЭкспо. Инновационные технологии в быту» 2009 года на ВВЦ, диплом 10-ой юбилейной специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» 2009 года на ВВЦ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана теоретическая концепция динамической адаптации трибосопряжений к условиям эксплуатации в результате нано структурной самоорганизации приповерхностных слоев в процессе пластической деформации в условиях контактного взаимодействия конструкционных и смазочных материалов.

2. Разработаны методы описания трибосистем с помощью математических моделей, позволяющих учесть свойства материалов в виде конкретных физических величин — градиентов химических потенциалов и соответствующих им показателей процессов массопереноса, диффузии, деформации.

3. Разработаны методы синтезирования синергетических моделей трибосистем, позволяющих описать процессы наноструктурной самоорганизации в приповерхностных слоях материалов, реализующиеся в процессе функционирования трибосистем в режиме динамической адаптации, включая математические модели структурной эволюции материалов, а также вытекающие из этих моделей методы испытаний, позволяющие получать показатели, необходимые для оценки надежности и безотказности узлов трения.

4. Разработка и использование методов и средств инициирования наноструктурной самоорганизации в приповерхностных слоях материалов позволили реализовать и исследовать новое свойство трибосопряжений — динамическую адаптацию к условиям эксплуатации, выражающуюся в асимптотической устойчивости функционирования трибосопряжений при динамических воздействиях, что дает возможность повысить их эксплуатационные показатели.

5. Разработаны и реализованы в условиях эксплуатации изделий методы создания трибосопряжений, функционирующие в режиме динамической адаптации, и методы управления динамической адаптацией.

6. Предложены и реализованы методы подбора триботехнических материалов, позволяющие достичь эффекта наноструктурной самоорганизации в трибосопряжениях и, тем самым, получить режимы их функционирования в состоянии асимптотической устойчивости. Сформулированы предложения по конструкционным и смазочным материалам, использующим перечисленные эффекты, в том числе, технологические инструкции по реализации данных эффектов.

7. Получены практические эффекты повышения эксплуатационных свойств ряда изделий машиностроения, в том числе, двигателей внутреннего сгорания, выразившиеся в увеличении давления сгорания и уменьшении расхода топлива, и для металлорежущих станков — в уменьшении биений и повышении точности позиционирования.

8. Достижение свойства динамической адаптации получено путем варьирования сочетаний триботехнических материалов и целенаправленным подбором состава смазочного материала для сопряжений с заданным составом конструкционных материалов.

9. Возникающий при достижении динамической адаптации процесс самоорганизующегося наноструктурного пленкообразования позволяет не только повысить асимптотическую устойчивость к истиранию и заеданию, но и достигнуть компенсации возникшего ранее изнашивания, а также демпфирования вибраций.

Заключение

и выводы.

Проведенный анализ экспериментальных данных позволяет заключить, что выдвинутые в главах 1,2,3 теоретические и методические положения находят прямое экспериментальное подтверждение. Это открывает возможности целенаправленного поиска и формирования свойств соответствующих конструкционных материалов.

Наиболее содержательную информацию дает для этих целей рентгеноструктурный анализ. На основе рентгеноструктурных данных можно выявить 4 основных типа релаксационных механизмов (см. табл. 15):

1 .Неограниченный возврат — правая ветвь зависимости (2.2.30);

2. Ограниченный возврат с упрочнением вплоть до аномального (2.2.17);

3. Диффузионная релаксация;

4. Деструкция.

Все четыре механизма находят свое объяснение в рамках предложенной диффузионно-дислокационной модели. Знак + обозначает увеличение параметра, знакобозначает уменьшениепропуск означает отсутствие информации о параметре. Таблица 15. Идентификация основных механизмов релаксации напряжений по данным рентгепоструктурного анализа.

Рентгеноструктурные параметры Физические параметры Механизмы релаксации.

Р, а Р Св Сп.

Диффузионнодислокационный возврат.

Диффузионно-дислокационная релаксация с упрочнением.

Перераспределение примесей.

— + - + Деструкция.

Обозначения в таблице 15: р — физическое уширение рентгенографических линий, а — параметр кристаллической решетки, р — плотность дислокаций, Св — концентрация вакансий, Сп — концентрация примеси.

Рассмотренные механизмы обеспечивают те или иные варианты структуры приповерхностных слоев после окончания приработки. При этом только один механизм обеспечивает структуру, достижение которой создает возможность динамической адаптации, это неограниченный возврат на основе хемомеханического эффекта.

По полученным результатам можно сделать следующие выводы.

1. Анализ результатов эксперимента и сопоставление этих результатов с теоретической концепцией, выдвинутой в данной работе, позволяет заключить, что в основе эффекта динамической адаптации лежит диффузионно-дислокационный механизм неограниченного возврата структуры приповерхностных слоев, реализация которого определяется условиями протекания хемомеханического эффекта в тонких приповерхностных слоях трущихся материалов.

2. Анализ экспериментальных результатов показывает, что теоретическое представление о наличии области закритической устойчивости в поведении трибосистем, выдвинутое в главе 2, находит прямое экспериментальное подтверждение, что видно из анализа диаграммы на рис. 4.1 и позволяет считать обоснованной концепцию «второго» минимума на диаграмме Герси-Штрибека и соответствующие методические положения, выдвинутые в главе 3.

3. При отсутствии условий для протекания диффузионно-дислокационного механизма неограниченного возврата структуры приповерхностных слоев возможны два варианта формирования структуры этих слоев, либо деструкция с последующим формированием подповерхностных микротрещин и удалением отделяющихся частиц износа, либо при сохранении возможности ограниченной релаксации, за счет диффузионных процессов формирование упрочненной структуры, которая в дальнейшем также подвергнется деструкции, но с меньшими объемами разрушения и толщиной частиц износа, и, самое главное, при более высокой несущей способности сопряжения, причем, чем больше возможности релаксации формирующейся структуры, тем выше триботехнические показатели работоспособности сопряжения.

4. Основой для возникновения диффузионно-дислокационного механизма неограниченного возврата структуры приповерхностных слоев являются процессы генерирования вакансий и переползания дислокаций, стимулирование которых возможно на основе подбора сочетаний конструкционных и смазочных материалов с учетом их реальной склонности к проявлению хемомеханического эффекта.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ САМООРГАНМЗАЦИИ И ДИНАМИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ ПРИ ТРЕНИИ, ИХ АНАЛИЗ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ.

5.1. Результаты экспериментальных исследований динамической адаптации к условиям эксплуатации для традиционных материалов трибосопряженнй.

Оценка показателей работоспособности трибосистем является актуальной проблемой триботехники. Однако попытки разрешить эту проблему с помощью проведения лабораторных испытаний, как правило, не дают достаточно полной и адекватной информации. Одним из наглядных примеров тех затруднений, которые возникают при использовании лабораторных экспериментов, являются испытания смазочных масел с помощью четырехшариковой машины в соответствии с ГОСТ 9490–75 «Материалы смазочные и пластичные. Метод определения смазывающих свойств на четырехшариковой машине». Как отмечают сами разработчики масел, непосредственную связь между оценкой противоизносных и противозадирных свойств по ГОСТ 9490–75 и фактическими противоизносными свойствами масел в реальных условиях применения установить не всегда возможно [139], что означает низкую достоверность результатов данного вида испытаний как основы для прогноза поведения трибосопряжения в эксплуатации.

Причины подобного положения вполне очевидны. Одной из основных причин является такой весомый фактор, как влияние состава и свойств конструкционных материалов на поведение смазочного материала. Весьма существенны также и такие факторы как геометрия, кинематика и динамика реального сопряжения.

Казалось бы, для решения данной проблемы необходимо по возможности более точное воспроизведение при испытаниях реальных условий эксплуатации трибосопряжения. С этой целью используются стендовые и эксплуатационные испытания, которые дают значительно более достоверные сведения о поведении трибосопряжения с тем или иным смазочным материалом, чем по ГОСТ 9490–75 [139]. Однако такие виды испытаний во много раз дороже лабораторных. Кроме того, существует целый ряд организационных проблем в проведении стендовых и эксплуатационных испытаний, связанных с рисками выхода из строя работающих агрегатов и машин, на которых должны апробироваться экспериментальные смазочные материалы.

Поэтому разработка методов лабораторных триботехнических испытаний, имеющих обоснованную связь с результатами эксплуатации достаточно актуальна. Однако для разработки таких методов требуется ясное понимание того, какие именно условия необходимо воспроизводить при проведении лабораторных испытаний. Именно формулировке таких условий посвящена данная работа.

Очевидно, что воспроизвести в условиях лабораторных испытаний все условия эксплуатации невозможно. Гораздо перспективнее определять в лабораторных испытаниях предельные возможности материалов, которые могут быть связаны с условиями эксплуатации соотношениями типа коэффициентов запаса, как это делается, например, для расчета болта на растяжение, исходя из данных диаграммы растяжения для соответствующего материала.

Наиболее сложным вопросом при подобной постановке задачи является проблема определения предельных возможностей триботехнического материала. Основным отличием от задачи прочности является возможность динамической адаптации триботехнического материала к условиям внешнего воздействия. Конкретнее, многие современные материалы, например, реализующие эффект избирательного переноса, склонны к возникновению самоорганизующихся процессов при трении в их приповерхностных слоях [203]. При этом процесс самоорганизации приводит к тому, что по мере роста нагружения несущая способность трибосопряжения может также возрастать, то есть имеет место отрицательная обратная связь. Наиболее наглядно это видно на примере приработки антифрикционных материалов на грани заедания по ГОСТ 23.224−86, когда максимально допустимая нагрузка Рмп и нагрузка, соответствующая минимуму коэффициента трения, г0п могут существенно возрастать в результате приработки [99,282]. Очевидно также, что замена любого из участвующих в трибосопряжении материала, конструкционного или смазочного, также приведет к изменению упомянутых выше показателей. Поэтому оценка триботехнических свойств материала может осуществляться только в тройном сочетании, с учетом кинематики реального сопряжения и динамико-адаптационных процессов в самих материалах, включая смазочный материал [3].

Однако возможность самоорганизации в приповерхностных слоях материалов создает не только трудности в оценке их реальных возможностей, но и предпосылки к решению поставленной в данной работе задачи. Дело в том, что параметрические координаты области, в которой возможны процессы самоорганизации, могут быть использованы в качестве показателей динамической адаптации и работоспособности данного тройного сочетания материалов.

Действительно, если рассмотреть критерии, которые могут быть использованы для определения области возникновения самоорганизации при трении [282], нетрудно обнаружить, что они описываются в форме условий асимптотической устойчивости в области сильной неравновесности.

Как уже обсуждалось в главе 2, оценка устойчивости осуществляется с помощью функций Ляпунова. Применительно к вопросам трения этот вопрос рассмотрен в работах [99,159,282]. Как известно, выдвинутый в [171] критерий эволюции может быть использован в качестве функции Ляпунова. Представление функции Ляпунова с помощью критерия эволюции 5хв в соответствии с [171] имеет следующий вид 5хв= ½(д (528)Щ (5.1) I где 8 — знак вариационной производной, — энтропия, Х, У — значения термодинамических сил и термодинамических потоков соответственно. Для данного соотношения устойчивость неравновесного закритического состояния обеспечиватся при значениях 8Х0>0. Это значит, что вариациии величин Х/У должны находиться в области их минимальных значений.

Как.было показано в работе [282] и в главе 4 данной работы, коэффициент трения / допустимо использовать в данном случае в качестве характеристики термодинамического потока, представляющего скорость пластической деформации. При этом в работе [282] его зависимость от термодинамической силы, градиента химпотенциала Д//£, строилась путем варьирования при трении таких факторов как склонность материала к упрочнению, активности смазочного материала, концентрации легирующего элемента в антифрикционном материале. Подробно методика эксперимента изложена в [283]. Эта зависимость распадается на три области, характеризуемые различным поведением величины / и существенно различающимися значениями интенсивности изнашивания Т. График, иллюстрирующий эту зависимость, дается в главе 4 на рис. 4.1.

В области А, прилежащей к началу координат, смазывание осуществляется инактивным смазочным материалом, и рост Д//2 происходит в результате увеличения плотности дислокаций р. Это область соответствует области минимума коэффициента трения на диаграмме Герси-Штрибека, как это отмечалось в главе 4. При этом та область минимума коэффициента трения, на которой на диаграмме Герси-Штрибека происходит переход от гидродинамического к граничному трению, на рис. 4.1 соответствует началу координат.

В областях, с большими значениями Л//£, В и С, где концентрация активной составляющей в смазочном материале превышает критическое значение в соответствии с (2.5.1), величина Д//2 растет за счет увеличения концентрации легирующего элемента К (%), как это было экспериментально установлено ранее. В области В, где/уменьшается на два порядка, а Д//£ незначительно растет, будет справедливо соотношение, полученное в главе 2,.

5хв= д/5 А/иъ >0, (5.2) которое и характеризует соответствующий закритический тип устойчивости.

Упомянутые данные наглядно иллюстрируют схему возникновения самоорганизации, как это было описано в [171]. А именно, термодинамическая ветвь, описываемая областью А, в которой реализуется нейтральная устойчивость, а типичной моделью является структурная приспосабливаемость, теряет устойчивость при переходе к области В, где становится значимым влияние активных составляющих смазки. Поэтому устойчивость в области В по определению возникает вдали от равновесия в закритической области.

Важным следствием из модели, описываемой соотношением (5.2), соответствующем выражению (2.1.15) из главы 2, является то, что зависимость/от Д//Е, также носящая экстремальный характер имеет область минимума и, соответственно, область закритической устойчивости в окрестности того же минимума, что и зависимость (2.1.15), при определении этой области в координатах f=f[vM*)L (5.3) где У//^— градиент химпотенциала области с дислокациями, л: — расстояние от поверхности, Г — коэффициент трения.

При этом характер эволюции У/^ в процессе трения оказывается ключевым аспектом при формировании противозадирных свойств материала, в частности, определяет положение «второго» минимума на зависимости Г от нагрузки, которая является частным случаем зависимости? от градиента химпотенциала. Таким образом, наличие «второго» минимума на графике {(Р) в области, где отсутствуют гидродинамические эффекты, является признаком закритической асимптотической устойчивости и обусловлено возникновением отрицательной обратной связи, стабилизирующей систему в неравновесных условиях.

Рассматривая формулу (5.2) как фундаментальную закономерность, распространяющуюся на трибосистемы, в которых происходит самоорганизация, можно привести примеры конкретных вариантов реализации этой закономерности. Именно такое поведение предложено в [282] называть динамической адаптацией трибосистемы. Наиболее простым и очевидным примером является зависимость интенсивности изнашивания от содержания легирующего элемента в бронзе в условиях реализации избирательного переноса [28,99,269,270,282].

Весьма наглядно процесс динамической адаптации виден на примере приработки антифрикционных материалов на грани заедания по ГОСТ 23.224−86, когда максимально допустимая нагрузка Рмп и нагрузка, соответствующая минимуму коэффициента трения, Роп могут существенно возрастать в результате приработки. Однако возможность подобной самоорганизации в приповерхностных слоях материалов создает не только трудности в оценке их реальных возможностей, но и предпосылки к решению поставленной в данной работе задачи. Дело в том, что параметрические координаты области, в пределах которой возможны процессы самоорганизации, могут быть использованы в качестве показателей динамической адаптации и работоспособности данного тройного сочетания материалов. Именно так решается этот вопрос в рамках ГОСТ 23.224−86. Существенно отметить, что минимум коэффициента трения на его зависимости от нагрузки, который служит показателем предельной возможности адаптации материала, для материалов склонных к самоорганизации является «вторым» минимумом, тогда как «первый» минимум соответствует минимуму на диаграмме Герси-Штрибека. В связи с этим, сам факт достижения «второго» минимума подтверждает экстремальные условия испытаний, в частности, отсутствие гидродинамических эффектов.

Отметим, что в случае возникновения цепочки гетерогенных реакций на поверхности металла с активными компонентами смазки, рассматриваемая модель может быть приведена к известному типу, «брюсселятору» по И. Пригожину [171], который рассмотрен в качестве модели для описанных выше процессов в разделе 2.5 главы 2. Отметим, что переход к состоянию самоорганизации, который на рис. 4.1 происходит при введении активного смазочного материала, что соответствует превышению критического значения концентрации его активных компонент (2.5.2), возникает в результате превышения критического значения концентрацией вакансий в соответствии с формулой.

2.2.30). Как отмечалось в работе [23], механизмом отрицательной обратной связи, формирующим асимптотическую устойчивость процесса трения, является кооперативный процесс переползания дислокаций, обеспечивающий относительно низкую их плотность в сервовитной пленке. При этом основным источником вакансий является избирательное растворение активированных деформацией атомов, находящихся в ядрах дислокаций. В [23] указывалось, что диссииативный фазовый переход становится возможным при достижении концентрацией активной присадки В в смазочном материале величины.

1 + Ро2. (5.4).

В данном соотношении величины В и ро представлены в безразмерном виде, т. е. являются процентными отношениями числа примесных («присадочных») или «дефектных» (расположенных в ядрах дислокаций) атомов к общему числу атомов в заданном объеме. На этом неравенстве основано стехиометрическое соотношение, принципиально отличающее систему с динамической адаптацией типа «брюсселятор» от систем, не способных к динамической адаптации, типа Лотка-Вольтерра (соотношение (2.3.4)). Оно вводит в модель трибосистемы отрицательную обратную связь посредством реализации дополнительного механизма диссипации. Таким образом, оно отвечает всем необходимым требованиям к управляющей функции, которая должна обеспечивать асимптотическую устойчивость системы вблизи области требуемого качества К [282], в данном случае — минимально допустимой плотности дислокаций. Отметим, что минимизация плотности дислокаций предотвращает изнашивание и заедание при трении.

Иллюстрация перечисленных процессов приводится на рис. 5.1, где проделано совмещение предельного цикла, возникающего как асимптотическое решение системы уравнений (2.5.1),(2.5.2) («брюселлятора»), с экспериментальными данными, приведенными в главе 4 на рис. 4.3. Наглядно видно, что предельный цикл располагается в области, где концентрация вакансий заведомо выше критического значения, обозначенного как асимптотическое значение. Нетрудно видеть прямую аналогию между рис. 5.1 и рис. 4.1 в той части, что устойчивое закритическое функционирование трибосистемы, то есть самоорганизация, реализуется в области В рис. 4.1.

Наглядным примером саморегулирования может служить поведение силы трения, запись которой в форме зависимости силы трения от времени при приложении нагрузки, аналогичная рис.1б в главе 1, приводится на рис. 5.2. Условия испытаний были следующие: на машине трения МТУ-1 по описанной выше (см. главу 3 и начало главы 4) схеме испытывались стальные образцы (сталь ШХ15, HRC 50 по стали ХВГ, HRC 45, Ra обеих поверхностей имеют значение не более 0,3) с консистентной смазкой на основе.

Рис. 5.1. Результат совмещения теоретической кривой, построенной методом численного интегрирования системы уравнений (2.5.1), (2.5.2) и приведенной в главе 2 на рис. 2.2, с экспериментальными данными, показанными на рис. 4.2. О — экспериментальные точки. Пунктиром отмечена асимптота, соответствующая критическому значению концентрации вакансий, определяемому через изменение периода решетки Да 10~3 нм.

2.50 Р к.

2,00.

1, 50.

1 .00.

0,50.

0,00 ы>

I Ч I I I I I I I I I.

0 15.

II IIII II I I IIIII.

22 29.

1 (сек).

Рис. 5.2. Изменение силы трения после приложения дополнительной нагрузки в момент г = 3 с. Сила трения, пройдя через максимум в момент I = 6 с, при снижении проходит через минимум в момент I = 12 с, а затем, приблизившись снизу к стационарному значению, стабилизируется. Поведение полностью аналогично рис. 1.1,6 и рис. 2.4. солей жирных кислот (СЖК) меди и олова. При смазывании подобных пар трения традиционными смазочными материалами в процессе приработки после очередного этапа нагружения снижения силы трения, как правило, не происходит. Это связано с тем, что высокая твердость подобных материалов в сочетании с малыми размерами шероховатости и хорошим исходным прилеганием образцов практически исключает геометрическую приработку этих образцов. В то же время, в силу высокой стабильности свойств указанных материалов [39], структурно-механических изменений в приповерхностных слоях практически не происходит. В отличии от такого поведения изменения силы трения в рассматриваемом случае носят сугубо нелинейный характер.

Как видно из рис. 5.2., поведение силы трения описывается моделью, предложенной в главе 2 под названием «орегонатор» — система уравнений (2.5.16)-(2.5.18), проявление асимптотической устойчивости и действие отрицательной обратной связи в которой показаны на рис. 2.4. Таким образом, в условиях достаточной концентрации активной составляющей в смазочном материале в трибосистеме возникают обратные связи и появляется склонность к саморегулированию и самоорганизации.

Этот процесс описан в главе 2 в разделе 2.5 для случая использования металлоплакирующей смазки, как это и сделано в приведенном эксперименте. Здесь модель орегонатора может быть использована при описании металлоплакирования с тем отличием от основной модификации, что процессы избирательного растворения, и процессы осаждения соединений МеР2 меняются местами. Поэтому система стехиометрических соотношений может быть записана следующим образом:

2НР + Си* [¥-е] Си*Р2 + Н2- (5.5).

Си*Р2 + Си*[Ре] Си*Р2Си*[Ре]- (5.6).

СиР2 + Си*Р2[У] 2 Си*Р2 + V- (5.7).

2Си*Р2 + 2Ре —" 2РеР2 + 2Си°[Ре]- (5.8).

V + Си0[Бе]? Си*[Бе], (5.9) где НР — органическая кислотаСи* [Бе] - активный центр в медной пленке на выходе дислокационной трубки, возникшей при тренииСи*Р2 — соль органической кислоты с активным атомом медиН — водородСи*Р2Си*[Ре] - хемосорбированная на пленке меди соль органической кислотыV — вакансияСиР2 — медная соль органической кислоты, входящая в состав присадкиСи0[Ре] - пассивированный атом медной пленкиястехиометрический коэффициент.

Полученная таким образом система стехиометрических соотношений (5.5)-(5.9) представляет собой полный аналог реакции Белоусова-Жаботинского, описанной с помощью модели орегонатора [146]. Эта модель, как уже отмечалось, содержит обозначения, в которых АиВэто исходные вещества, а Т и О — продукты реакциичерез X, У, Z обозначены концентрации промежуточных реагентов, образующихся в ходе реакции. Для рассматриваемого случая введем следующие обозначения: Л=2Н11- В=СиР2: соответствует концентрации Си*Ят, У соответствует концентрации Си*[Бе]- .

При такой системе обозначений система (5.5)-(5.9) полностью соответствует схеме орегонатора [7]. На основе этого и в соответствии с законом действующих масс для величин X, У, Z могут быть составлены следующие дифференциальные уравнения: дХ! Ы = к, АУ-Ук2Х+ к3 4ВХ- 2к²- (5.10) дУ/д! = -У (к.А + к2Х) + /к6Су- (5.11) рВ~ к62, (5.12) где, А и В — коэффициентыкь К34, К5, Кб — константы скоростей соответствующих реакций, а именно: К) — реакции (5.5) — к2 — реакции (5.6) — К34 — реакции (5.7) — К5 — реакции (5.8) — Кб — реакции (5.9). Полученные таким образом из закона действующих масс уравнения представляют собой модель, описывающую действие металлоплакирующего смазочного материала. В частности, нетрудно показать, что она содержит описание действия положительных и отрицательных обратных связей, присутствующих здесь также, как и в модели основной модификации избирательного переноса. Например, существуют предельные циклы для всех трех величин — X, У, 2, — которые обладают асимптотической устойчивостью.

Таким образом, хотя система уравнений (5.10)-(5.12) имеет достаточно большое множество решений, однако применительно к рассматриваемой задаче она позволяет описать процессы саморегулирования уровня дефектности в поверхностных слоях металла в пределах, не допускающих образования микротрещин. Это предотвращает образование частиц износа, является первым важнейшим элементом безызносности и соответствует области Ф, как это было указано выше. Кроме того, система (5.10)—(5.12) содержит механизм осаждения комплексов Си*Л2, позволяющий возвращать часть металла, перешедшего в смазочный материал в процессе избирательного растворения, что является вторым важнейшим элементом безызносности.

Самое главное для приведенного примера состоит в том, что система уравнений (5.10)—(5.12) позволяет описать возврат трибосистемы к устойчивой фазовой траектории после внесения возмущения, как это показано на рис. 5.2. Как было показано в главе 2, одним из численных решений системы уравнений (5.10)—(5.12), приведенных первоначально в работе [146], является именно такая реакция на внесение возмущений, показанная на рис. 2.4.

Таким образом, закритическая устойчивость при трении, то есть самоорганизация, может быть достигнута путем введения достаточного количества активного компонента в смазочный материал. Это положение послужило основой для разработки новых смазочных композиций [271], что более подробно рассмотрено ниже. Основным критерием достижения самоорганизации и динамической адаптации для сопряжений, в которых эти композиции использовались, послужило наличие «второго» минимума на зависимости коэффициента трения от нагрузки.

К сказанному можно добавить, что возникновение аналогичных механизмов закритической устойчивости в трибосистемах достигается в ряде случаев, которые напрямую не связаны с введением активных компонентов в смазочные материалы или модификациями избирательного переноса. В частности, как отмечается в работах [223,267], проявление достаточно мощной, отрицательной обратной связи, то есть динамической адаптации, должно происходить в трибосистемах, содержащих некоторые антифрикционные подшипниковые материалы, в состав которых в качестве мягкой структурной составляющей входят олово или свинец.

Отметим, что эти материалы обладают наиболее высокой прирабатываемостыо, что подтверждается экспериментально [5,6], а также высокой несущей способностью[5,6]. На рис. 5.2,а, б показана зависимость коэффициента трения? от нагрузки Р и температуры смазочного масла Тм в паре «шейка коленчатого вала — стандартный вкладыш». Испытания поводились по методике, описанной в главе 3, которая соответствует упомянутому ГОСТ 23.224−86, в качестве испытательной установки использовалась машина трения СМТ-1 с регулируемым подогревом масла, диаметр вала 60 мм, число оборотов 300 в минуту. В обоих вариантах (а и б), отличающихся только материалом вала (в одном случае это чугун, а во втором — плазменное покрытие), отчетливо видно наличие двух областей с экстремальными значениями ?, В первой области, относительно низкие нагрузки и температуры, что соответствует переходу от гидродинамического трения к смешанному. Во второй области, высоких нагрузок и температур, наблюдается «второй минимум». Вероятно, что выявляемый здесь второй минимум имеет ту же природу, что и при избирательном переносе, с учетом того, что механизм возникновения самоорганизации в этом случае описывается системой уравнений. (2.6.15)-(2.6.18), приведенной в главе 2, которая также как и система. (2.5.16)—(2.5.18), описывающая избирательный перенос, представляет собой модель типа «орегонатор», которая аналогична, но не идентичной с системой (2.6.15)-(2.6.18).

Следует особо подчеркнуть, что высокие значения несущей способности, возникающие в области «второго минимума», должны объяснятся, в первую очередь, структурно-адаптационными свойствами пленок, образующихся на поверхностях трущихся деталей, поскольку гидродинамические эффекты в области «второго минимума» на рис. 5.3 практически исключены. Это подтверждается, в частности, тем, что изменение состава материала одной из деталей трибосопряжения, в данном случае вала, при неизменных геометрических и кинематических параметрах сопряжения ведет к существенному уменьшению значений координат второго минимума, то есть снижению несущей способности. Кроме того, это подтверждают расчеты толщины смазочной пленки по методике для рассмотренного случая с учетом той конструктивной особенности, что в описанных испытаниях зазор между валом и фрагментом вкладыша практически отсутствует.

Важно отметить, что возникновение подобного адаптационно-динамического поведения обусловлено структурными свойствами образующихся на поверхности подшипниковых сплавов пленок, что более подробно проанализировано в работе [223] и главе 2 данной работы. В частности, там показана взаимосвязь механизма деформации приповерхностных слоев подшипниковых сплавов с диффузионно-дислокационными процессами, в том числе, повышенной концентрацией вакансий и снижением плотности дислокаций в направлении к поверхности. Данные структурные признаки характерны также и для избирательного переноса.

Таким образом, имеются основания утверждать, что и для подшипниковых сплавов в области «второго минимума» происходит возникновение закритической асимптотической устойчивости, то есть самоорганизации, параметрические координаты которой определяются свойствами материалов и являются показателями динамической адаптации и работоспособности.

В рассмотренном примере с использованием испытаний шатунных шеек коленчатых валов двигателя ЗМЭ-53 на машине трения СМТ-1 определенные в соответствии с ГОСТ 23.224−86 параметрические координаты «второго» минимума коэффициента трения по параметрам нагрузки и температуры смазочного масла.

77, «С.

А).

7ц'С.

Б).

Рис. 5.3. Зависимость коэффициента трения от нагрузки и температуры смазочного масла при испытаниях пары фрагмент вала — фрагмент вкладыша на машине трения СМТ-1, масло — М8В1 (штатное), вкладыш, штатный вкладыш 3M3−53. А) — штатный вал ЗМЗ 53(чугун).

Б) — на валу покрытие с помощью плазменного напыления. использовались для определения соответствующего значения критерия Зоммерфельда. Сопоставление среднего значения критерия Зоммерфельда, полученного в лабораторных условиях в точке «второго» минимума, и среднего значения этого критерия в наиболее тяжелом режиме в эксплуатации позволило получить значения вероятности отказа по причине заедания в соответствии с [265] по формуле.

Р = Ф№)], где д — плотность вероятности, Ъ&- - критерий Зоммерфельда.

В том случае, если плотность вероятности имеет нормальное распределение, то значение нижнего предела интеграла, с помощью которого определяется вероятность отказа Р, будет вычисляться по формуле.

1 = (ге-гь)л/се2- сть2 где Ъ^ — минимальное среднее значение критерия Зоммерфельда в эксплуатации,.

Ъ — среднее значение критерия Зоммерфельда при лабораторных испытаниях, соответствующее «второму» минимуму коэффициента трения, о" е, сть среднеквадратические отклонения Z в эксплуатации и в лаборатории соответственно.

В результате обработки данных лабораторных испытаний и данных эксплуатации получены значения, отраженные в таблице 15.