Невзоров В.Н., Сугак Е.В. Надежность машин и оборудования. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

Äâèæåíèå äèñëîêàöèé - òåðìîàêòèâàöèîííûé ïðîöåññ è åãî ñêîðîñòü

ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíà â âèäå

v = Aexp(–E

/kT), (3.18)

ãäå A - êîýôôèöèåíò, çàâèñÿùèé îò ñâîéñòâ äèñëîêàöèè; E

- ýíåðãèÿ àêòèâàöèè ïåðå-

ìåùåíèÿ äèñëîêàöèè; çàâèñÿùàÿ îò ýôôåêòèâíîãî íàïðÿæåíèÿ.

Ïîä äåéñòâèåì ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ ñêîðîñòü äèñëîêàöèè óâåëè-

÷èâàåòñÿ, ïðè îïðåäåëåííîé ñêîðîñòè åå ýíåðãèÿ ñòàíîâèòñÿ äîñòàòî÷íîé,

÷òîáû ïîðîæäàòü íîâûå äèñëîêàöèè, ïðîèñõîäèò ðàçìíîæåíèå äèñëîêàöèé,

÷òî òàêæå îêàçûâàåò ñóùåñòâåííîå âîçäåéñòâèå íà ñâîéñòâà ìàòåðèàëà.

Ôàêòîðîì, ïðåïÿòñòâóþùèì èëè çàòðóäíÿþùèì äâèæåíèå äèñëîêàöèé,

ÿâëÿåòñÿ èõ âçàèìîäåéñòâèå ñ äðóãèìè äèñëîêàöèÿìè è òî÷å÷íûìè äåôåê-

òàìè, âñëåäñòâèå ÷åãî êðèòè÷åñêîå íàïðÿæåíèå ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè

êðèñòàëëè÷åñêîãî òåëà çàâèñèò íå ñòîëüêî îò ñîáñòâåííîé ïîäâèæíîñòè

äèñëîêàöèè, ñêîëüêî îò âåëè÷èíû óñèëèé, íåîáõîäèìûõ äëÿ ïðåîäîëåíèÿ

ïðåïÿòñòâèé. Íàïðèìåð, óïðî÷íåíèå ìåòàëëîâ â ïðîöåññå ïëàñòè÷åñêîé

äåôîðìàöèè ñâÿçàíî ñ âîçíèêíîâåíèåì ïðåïÿòñòâèé äâèæåíèþ äèñëîêàöèé.

Âçàèìîäåéñòâèÿ äèñëîêàöèé äðóã ñ äðóãîì è äðóãèìè äåôåêòàìè íà-

ñòîëüêî ñëîæíû è ìàëî èçó÷åíû, ÷òî íà îñíîâàíèè îäíîé òåîðèè äèñëîêà-

öèè õàðàêòåðèñòèêè ïðî÷íîñòè òâåðäûõ òåë ïðåäñêàçàòü íå óäàåòñÿ. Îäíà-

êî òåîðèÿ äèñëîêàöèé ïîçâîëÿåò êà÷åñòâåííî îïèñàòü ïðîöåññû äåôîðìà-

öèè, ðàçðóøåíèÿ è óïðî÷íåíèÿ òâåðäûõ òåë.

3.2.4. Процессы диффузии

Ïðîöåññû äèôôóçèè - ïåðåíîñà àòîìîâ âåùåñòâà â îáúåìå òâåðäîãî òå-

ëà è íà åãî ïîâåðõíîñòè - â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îïðåäåëÿþò êèíåòèêó

ðÿäà ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, îáóñëàâëèâàþùèõ âîçíèêíîâåíèå îò-

êàçîâ: ðàçðóøåíèå ìàòåðèàëà, ïîëçó÷åñòü, ñòàðåíèå, êîððîçèþ è äð. Ìíî-

ãèå ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ â ìàòåðèàëàõ, óõóäøàþùèå èõ ôèçè÷åñêèå è

ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà, ïðîèñõîäÿò â ðåçóëüòàòå äèôôóçèîííûõ ïðîöåññîâ.

Âìåñòå ñ òåì äèôôóçèîííûå ïðîöåññû èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ïðèäàíèÿ ìàòå-

ðèàëàì íåîáõîäèìûõ ñâîéñòâ (íàïðèìåð, äëÿ õèìèêî-òåðìè÷åñêîãî óïðî÷-

íåíèÿ ïîâåðõíîñòåé äåòàëåé).

Äèôôóçèÿ â òâåðäûõ òåëàõ îáóñëîâëåíà ïåðåõîäîì àòîìîâ èç îäíîãî

ïîëîæåíèÿ â äðóãîå. Íåîáõîäèìàÿ äëÿ ýòîãî ýíåðãèÿ (ýíåðãèÿ àêòèâàöèè)

ìîæåò áûòü ïîëó÷åíà çà ñ÷åò òåïëîâûõ êîëåáàíèé àòîìîâ, ò.å. ìèãðàöèÿ

àòîìîâ èìååò òåïëîâóþ ïðèðîäó. Íåñêîëüêî ïîñëåäîâàòåëüíûõ ïåðåõîäîâ

ìîãóò îáåñïå÷èòü ïåðåìåùåíèå àòîìîâ íà áîëüøèå ðàññòîÿíèÿ.

Äèôôóçèÿ â òâåðäûõ òåëàõ ìîæåò ïðîèñõîäèòü ïî ðàçíûì ìåõàíèçìàì. Ïðè ìåæó-

çåëüíîé äèôôóçèè âíåäðåííûé â ìåæóçëèå àòîì ïåðåõîäèò èç îäíîãî ìåæóçëèÿ â ñî-

ñåäíåå. Åñëè âíåäðåííûé àòîì òîãî æå ðàçìåðà, ÷òî è îñíîâíûå àòîìû, òî äèôôóçèÿ

ìîæåò ïðîèñõîäèòü ïî ìåõàíèçìó âûòåñíåíèÿ - àòîì âûòàëêèâàåò îäèí èç ñîñåäíèõ

àòîìîâ èç óçëà â ìåæóçëèå è çàíèìàåò åãî ìåñòî (ïðè ýòîì èñêàæåíèå ðåøåòêè è íå-

îáõîäèìàÿ äëÿ ýòîãî ýíåðãèÿ ìåíüøå, ÷åì ïðè ìåæóçåëüíîé äèôôóçèè). Ìåõàíèçì

âçàèìíîãî îáìåíà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî àòîìû, ðàñïîëîæåííûå â ñîñåäíèõ óçëàõ

ðåøåòêè, ìåíÿþòñÿ ìåñòàìè (âîçìîæåí îäíîâðåìåííûé îáìåí ìåñòàìè íåñêîëüêèõ àòî-

ìîâ). Âàêàíñèîííûé ìåõàíèçì çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî àòîì, íàõîäÿùèéñÿ â óçëå ðå-

øåòêè, çàíèìàåò ñîñåäíèé âàêàíòíûé óçåë (ò.å. äèôôóçèÿ ïðîèñõîäèò êàê áû çà ñ÷åò

ïåðåìåùåíèÿ âàêàíñèé). Ýíåðãèÿ àêòèâàöèè ïðè äèôôóçèè âàêàíñèé èìååò íàèìåíüøåå

çíà÷åíèå, ïîýòîìó âàêàíñèîííûé ìåõàíèçì ïðåîáëàäàåò, â ÷àñòíîñòè, â ÷èñòûõ ìåòàë-

ëàõ è ñïëàâàõ ñî ñòðóêòóðîé òâåðäûõ ðàñòâîðîâ çàìåùåíèÿ. Â òâåðäûõ ðàñòâîðàõ âíå-

äðåíèÿ äåéñòâóåò ãëàâíûì îáðàçîì ìåæóçåëüíûé ìåõàíèçì äèôôóçèè.

Ñêîðîñòü îäíîìåðíîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé äèôôóçèè (ïåðåíîñà ìíîæåñò-

âà àòîìîâ âåùåñòâà) ïðîïîðöèîíàëüíà ãðàäèåíòó êîíöåíòðàöèè äèôôóíäè-

ðóþùåãî âåùåñòâà è îïèñûâàåòñÿ çàêîíîì Ôèêà:

, (3.19)

ãäå c - êîíöåíòðàöèÿ âåùåñòâà â ñå÷åíèè; x - êîîðäèíàòà, D - êîýôôèöèåíò äèôôóçèè

(êîëè÷åñòâî âåùåñòâà, ïðîõîäÿùåå â åäèíèöó âðåìåíè ÷åðåç åäèíèöó ïîâåðõíîñòè ïðè

åäèíè÷íîì ãðàäèåíòå êîíöåíòðàöèè); çàâèñÿùèé îò ïàðàìåòðîâ ïðîöåññà è òåìïåðàòó-

ðû.

Ðåøåíèå óðàâíåíèÿ (3.19) äëÿ äèôôóçèè ñ ïîâåðõíîñòè â ïîëóáåñêî-

íå÷íîå òåëî ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíî â âèäå [24]

= -

exp

, (3.20)

ãäå c

- êîëè÷åñòâî âåùåñòâà íà ïîâåðõíîñòè â íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè; D = a

w/6

- êîýôôèöèåíò äèôôóçèè, êîòîðûé îïðåäåëÿåòñÿ ÷àñòîòîé è äëèíîé ïåðåñêîêîâ äèô-

ôóíäèðóþùèõ àòîìîâ [24]; a - äëèíà ïåðåñêîêà - ðàññòîÿíèå ìåæäó ñîñåäíèìè ïëîñêî-

ñòÿìè ðåøåòêè, ñîîòâåòñòâóþùåå ìåæàòîìíîìó ðàññòîÿíèþ; w - ñðåäíÿÿ ÷àñòîòà ïåðå-

ñêîêîâ, çàâèñÿùàÿ îò òåìïåðàòóðû [24,28].

Íàðÿäó ñ îáúåìíîé äèôôóçèåé äëÿ ìíîãèõ ïðîöåññîâ, ñâÿçàííûõ ñ âîç-

íèêíîâåíèåì äåôåêòîâ (ïðîöåññû ðàçðóøåíèÿ, êîððîçèè è äð.), áîëüøîå

çíà÷åíèå èìååò ïîâåðõíîñòíàÿ äèôôóçèÿ. Âñëåäñòâèå ïîâåðõíîñòíîé

äèôôóçèè ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå ôîðìû ïîâåðõíîñòè êðèñòàëëè÷åñêîãî

òåëà (íàðàùèâàíèå, ñãëàæèâàíèå öàðàïèí è âîëí, îáðàçîâàíèå êàíàâîê ïî

ãðàíèöàì çåðåí). Ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ êîíöåíòðàöèè äèôôóíäèðóþùåãî

âåùåñòâà íà åäèíèöå ïîâåðõíîñòè îïðåäåëÿåòñÿ êàê àëãåáðàè÷åñêàÿ ñóììà

ñêîðîñòåé âûðàâíèâàíèÿ êîíöåíòðàöèè ïî ïîâåðõíîñòè è ìèãðàöèè àòîìîâ

ñ ïîâåðõíîñòè â ãëóáèíó êðèñòàëëà. Íà äèôôóçèþ àêòèâíîãî âåùåñòâà ñ

ïîâåðõíîñòè â ãëóáèíó êðèñòàëëà îêàçûâàþò âëèÿíèå äèñëîêàöèè, ïåðåñå-

êàþùèå ïîâåðõíîñòü (ïðè îáû÷íûõ òåìïåðàòóðàõ ñóììàðíûé êîýôôèöèåíò

äèôôóçèè â îñíîâíîì îïðåäåëÿåòñÿ ïëîòíîñòüþ äèñëîêàöèé). Åñëè êîëè÷å-

ñòâî äèñëîêàöèé íåâåëèêî è äèôôóçèåé àòîìîâ â ãëóáèíó êðèñòàëëà ìîæ-

íî ïðåíåáðå÷ü, òî ñêîðîñòü äèôôóçèè îïðåäåëÿåòñÿ çàêîíîì Ôèêà (3.19),

ðåøåíèå êîòîðîãî àíàëîãè÷íî âûðàæåíèþ (3.20)

= -

exp

. (3.21)

3.2.5. Сорбционные процессы

Ñîðáöèîííûå ïðîöåññû âêëþ÷àþò â ñåáÿ ïðîöåññû àäñîðáöèè (ïîâåðõ-

íîñòíîãî ïîãëîùåíèÿ) è àáñîðáöèè (îáúåìíîãî ïîãëîùåíèÿ) âåùåñòâà.

Íàèáîëüøåå ïðàêòè÷åñêîå çíà÷åíèå èìååò àäñîðáöèÿ ãàçîâ èëè æèäêî-

ñòåé èç âíåøíåé ñðåäû íà ïîâåðõíîñòè òåëà. Ñîðáöèÿ àòìîñôåðíîé âëàãè

è ãàçîâ ïðåäøåñòâóåò ôèçèêî-õèìè÷åñêèì ïðîöåññàì, ðàçâèâàþùèìñÿ ñ

ó÷àñòèåì ýòèõ âåùåñòâ (íà ïîâåðõíîñòè è â îáúåìå) è âûçûâàþùèì èçìå-

íåíèå ñâîéñòâ ìàòåðèàëà. Íàïðèìåð, â ðåçóëüòàòå ñîðáöèè âëàãè óõóäøà-

þòñÿ äèýëåêòðè÷åñêèå ñâîéñòâà èçîëÿöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, ïîä âëèÿíèåì

ïîâåðõíîñòíî-àêòèâíûõ âåùåñòâ ñíèæàåòñÿ ïðî÷íîñòü ìåòàëëîâ. Íàðÿäó ñ

àäñîðáöèåé íà ïîâåðõíîñòè âîçìîæíà âíóòðåííÿÿ àäñîðáöèÿ (÷àùå âñåãî

íà ãðàíèöàõ çåðåí èëè äåôåêòàõ ñòðóêòóðû, îñîáåííî â ìåòàëëàõ).

Ïðîöåññ, îáðàòíûé ïðîöåññó àäñîðáöèè (îòäåëåíèå ðàíåå ïîãëîùåííîãî

âåùåñòâà), íàçûâàåòñÿ äåñîðáöèåé. Â ðåçóëüòàòå âçàèìîäåéñòâèÿ ïðîòèâî-

ïîëîæíî íàïðàâëåííûõ ïðîöåññîâ àäñîðáöèè è äåñîðáöèè â êîíöå êîíöîâ

óñòàíàâëèâàåòñÿ àäñîðáöèîííîå ðàâíîâåñèå, ïðè êîòîðîì ñêîðîñòü àäñîðá-

öèè ñòàíîâèòñÿ ðàâíîé ñêîðîñòè äåñîðáöèè.

Íàðÿäó ñ ôèçè÷åñêîé àäñîðáöèåé, ïðè êîòîðîé ÷àñòèöû àäñîðáèðîâàí-

íîãî âåùåñòâà ñîõðàíÿþò ñâîè ñâîéñòâà, áîëüøîå ïðàêòè÷åñêîå çíà÷åíèå

èìååò õèìè÷åñêàÿ àäñîðáöèÿ (õåìîñîðáöèÿ), ïðè êîòîðîé îáðàçóåòñÿ õè-

ìè÷åñêîå ñîåäèíåíèå àäñîðáèðîâàííîãî âåùåñòâà (àäñîðáàòà) ñ àäñîðáè-

ðóþùèì (àäñîðáåíòîì). Ôèçè÷åñêàÿ àäñîðáöèÿ ïðåäøåñòâóåò õèìè÷åñêîé.

Ïðè ôèçè÷åñêîé àäñîðáöèè àäñîðáöèîííûå ñèëû ñðàâíèòåëüíî íåâåëè-

êè è èìåþò òó æå ïðèðîäó, ÷òî è ñèëû ìåæìîëåêóëÿðíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ

(ñèëû Âàí-äåð-Âààëüñà), ïðè õåìîñîðáöèè ñèëû ïðèòÿæåíèÿ ðîäñòâåííû

ñèëàì õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé [29]. Ýíåðãèÿ âàí-äåð-âààëüñîâà ïðèòÿæåíèÿ ñî-

ñòàâëÿåò 0,1¸1,0 êêàë/ìîëü, õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé - 10¸100 êêàë/ìîëü [9].

Ñêîðîñòü àäñîðáöèè çàâèñèò îò ïðèðîäû è ñâîéñòâ àäñîðáèðóåìîãî âå-

ùåñòâà, ïðèðîäû è ñîñòîÿíèÿ ïîâåðõíîñòè, òåìïåðàòóðû, ýëåêòðè÷åñêîãî

ïîëÿ è ò.ä. Íà ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî òåëà (òàê æå, êàê íà ïîâåðõíîñòè

æèäêîñòè) àäñîðáèðóþòñÿ òå âåùåñòâà, êîòîðûå ïîíèæàþò åãî ïîâåðõíî-

ñòíóþ ýíåðãèþ (åñëè àäñîðáèðóåìîå âåùåñòâî âñòóïàåò â õèìè÷åñêîå

âçàèìîäåéñòâèå, òî ïîâåðõíîñòíîå íàòÿæåíèå ìîæåò ïîâûñèòüñÿ). Ïðè ìà-

ëûõ êîíöåíòðàöèÿõ àäñîðáèðóåìîãî âåùåñòâà àäñîðáöèÿ ëèíåéíî âîçðàñòà-

åò ñ óâåëè÷åíèåì êîíöåíòðàöèè, ïðè áîëüøèõ êîíöåíòðàöèÿõ àäñîðáöèÿ

äîñòèãàåò ïðåäåëüíîãî çíà÷åíèÿ.

Ñêîðîñòü àäñîðáöèè v

ïðîïîðöèîíàëüíà ïàðöèàëüíîìó äàâëåíèþ àä-

ñîðáèðóåìîãî âåùåñòâà p è ñòåïåíè íåçàïîëíåííîñòè ïîâåðõíîñòè 1-f, à

ñêîðîñòü äåñîðáöèè v

- òîëüêî ñòåïåíè çàïîëíåíèÿ ïîâåðõíîñòè f:

= K

p(1 – f), v

= K

f. (3.22)

Òîãäà äëÿ ñîñòîÿíèÿ ðàâíîâåñèÿ (v

= v

) (óðàâíåíèå Ëýíãìþðà) [30]

f = Kp/(1+Kp). (3.23)

Â ñëó÷àå àäñîðáöèè íåñêîëüêèõ ãàçîâ äîëæíû ó÷èòûâàòüñÿ êîýôôèöè-

åíòû àäñîðáöèè êàæäîãî èç íèõ, ïðè ýòîì óðàâíåíèå (3.23) ïðèíèìàåò âèä:

. (3.24)

Óðàâíåíèÿ (3.23) è (3.24) õàðàêòåðèçóþò àäñîðáöèþ ãàçîâ. Àäñîðáöèÿ

èç ðàñòâîðîâ îïèñûâàåòñÿ àíàëîãè÷íûìè óðàâíåíèÿìè, â êîòîðûå âìåñòî

ïàðöèàëüíûõ äàâëåíèé âõîäÿò êîíöåíòðàöèè êîìïîíåíòîâ.

Ôèçè÷åñêàÿ àäñîðáöèÿ íå òðåáóåò ýíåðãèè àêòèâàöèè, ïîýòîìó åå ñêî-

ðîñòü ñëàáî çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû. Îäíàêî äëÿ òîãî, ÷òîáû ìîãëà ïðî-

èçîéòè äåñîðáöèÿ ìîëåêóëû, îíà äîëæíà îáëàäàòü íåêîòîðîé ìèíèìàëüíîé

ýíåðãèåé E

àä

. Ïîýòîìó êîíñòàíòà äåñîðáöèè ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû

ðàñòåò â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì Ìàêñâåëëà-Áîëüöìàíà

= K

exp(–E

àä

/RT). (3.25)

Òîãäà êîýôôèöèåíò àäñîðáöèè

àä

= =

exp

. (3.26)

Òàêèì îáðàçîì, êîýôôèöèåíò àäñîðáöèè è, ñîîòâåòñòâåííî, ðàâíîâåñ-

íîå ñîäåðæàíèå àäñîðáèðîâàííîãî âåùåñòâà óìåíüøàþòñÿ ïðè ïîâûøåíèè

òåìïåðàòóðû. Ïðè ôèçè÷åñêîé àäñîðáöèè ðàâíîâåñíîå ñîñòîÿíèå äàæå ïðè

íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ óñòàíàâëèâàåòñÿ ñðàâíèòåëüíî áûñòðî.

Â îòëè÷èå îò ôèçè÷åñêîé àäñîðáöèè õåìîñîðáöèÿ ñâÿçàíà ñ îïðåäåëåí-

íîé ýíåðãèåé àêòèâàöèè. Ïîýòîìó ïðè îáû÷íûõ òåìïåðàòóðàõ ñêîðîñòü õå-

ìîñîðáöèè íåâåëèêà, îäíàêî îíà âîçðàñòàåò ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû.

Ïðè õåìîñîðáöèè ðàâíîâåñíîå ñîñòîÿíèå óñòàíàâëèâàåòñÿ ìåäëåííî.

3.2.6. Строение и свойства поверхностного слоя

Êëàññèôèêàöèÿ ïðîöåññîâ, ïðèâîäÿùèõ ê ñíèæåíèþ ðàáîòîñïîñîáíîñòè

è îòêàçàì ýëåìåíòîâ, ïî ìåñòó ïðîòåêàíèÿ (ñì.ðàçä.3.1.1) ñâÿçàíà íå òîëü-

êî ñî ñïåöèôèêîé ïðîöåññîâ, õàðàêòåðíûõ äëÿ îáúåìà è ïîâåðõíîñòè ìà-

òåðèàëîâ, íî è ñ îñîáåííîñòÿìè ñòðîåíèÿ òâåðäûõ òåë. Äàæå ó èäåàëüíîãî

êðèñòàëëà, ïîâåðõíîñòü êîòîðîãî íå ïîäâåðãàëàñü ìåõàíè÷åñêîìó âîçäåé-

ñòâèþ èëè îáðàáîòêå, ñâîéñòâà ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ ñóùåñòâåííî îòëè÷à-

þòñÿ îò îáúåìíûõ ñâîéñòâ ìàòåðèàëà, ÷òî îáóñëîâëåíî äâóìÿ îñíîâíûìè

ïðè÷èíàìè: íåñèììåòðè÷íîñòüþ ñèë, äåéñòâóþùèõ íà ÷àñòèöû, ðàñïîëî-

æåííûå â ïîâåðõíîñòíîì ñëîå, è íåñêîìïåíñèðîâàííîñòüþ ñâÿçåé ýòèõ

÷àñòèö (ðèñ.3.7). Î÷åâèäíî ðàâíîäåéñòâóþùàÿ ñèë, äåéñòâóþùèõ ñî ñòîðî-

íû äðóãèõ ÷àñòèö íà ÷àñòèöó â îáúåìå, ðàâíà íóëþ è âñå åå ñâÿçè ñêîì-

ïåíñèðîâàíû. Ðàâíîäåéñòâóþùàÿ æå ñèë, äåéñòâóþùèõ íà ÷àñòèöó â ïî-

âåðõíîñòíîì ñëîå, îòëè÷íà îò íóëÿ è íàïðàâëåíà ïåðïåíäèêóëÿðíî ïî-

âåðõíîñòè êðèñòàëëà â ãëóáèíó. Òàêîå ñèëîâîå âçàèìîäåéñòâèå âûçûâàåò

èñêàæåíèå ñòðóêòóðû ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ è ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ èçáû-

òî÷íîé ïîâåðõíîñòíîé ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè. ×àñòèöû, ðàñïîëîæåííûå â

ïîâåðõíîñòíîì ñëîå, îáëàäàþò íåñêîìïåíñèðîâàííûìè ñâÿçÿìè è â ñâÿçè ñ

ýòèì ïîâûøåííîé àêòèâíîñòüþ ïðè ðàçëè÷íûõ âçàèìîäåéñòâèÿõ (íàïðè-

ìåð, ïðè àäñîðáöèè) [31,32].

Â ðåàëüíûõ êðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëàõ

ïîâåðõíîñòíûé ñëîé îáëàäàåò åùå öåëûì ðÿ-

äîì îñîáåííîñòåé. Ïðè èçãîòîâëåíèè äåòàëåé

ïîâåðõíîñòü, êàê ïðàâèëî, ïîäâåðãàåòñÿ ìå-

õàíè÷åñêîé îáðàáîòêå è ïëàñòè÷åñêîé äå-

ôîðìàöèè, êîòîðàÿ ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ

êîíöåíòðàöèè ìèêðîñêîïè÷åñêèõ äåôåêòîâ.

Ñêîïëåíèÿ âàêàíñèé ñïîñîáñòâóåò ðàçðûõëå-

íèþ ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ è îáðàçîâàíèþ

ìèêðîòðåùèí, óâåëè÷åíèå ÷èñëà äèñëîêàöèé

ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ïðàêòè÷åñêè âñåõ ìå-

õàíè÷åñêèõ è ôèçè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ìà-

òåðèàëà, ïîÿâëåíèå è ðàçâèòèå òðåùèí âûçû-

âàþò ôðàãìåíòàöèþ çåðåí. Â ïîâåðõíîñòíîì

Ðèñ.3.7. Ñèëû, äåéñòâóþùèå

íà ÷àñòèöû âíóòðè êðèñòàëëà (1)

è íà åãî ïîâåðõíîñòè (2)

ñëîå òàêæå âîçìîæíû îñòàòî÷-

íûå äåôîðìàöèè è íàïðÿæåíèÿ,

íàïðàâëåíèå è âåëè÷èíà êîòî-

ðûõ çàâèñÿò îò âèäà è ðåæèìà

îáðàáîòêè.

Ðàçðûõëåíèå ïîâåðõíîñòíîãî

ñëîÿ ïðè ìåõàíè÷åñêîé îáðàáîò-

êå ñïîñîáñòâóåò ïðîíèêíîâåíèþ

ïîâåðõíîñòíî-àêòèâíûõ âåùåñòâ,

ìîëåêóë è àòîìîâ èç îêðóæàþ-

ùåé ñðåäû. Ýòî ñîçäàåò óñëîâèÿ

äëÿ ïðîÿâëåíèÿ àäñîðáöèîííîãî

ñíèæåíèÿ ïðî÷íîñòè

(ñì.ðàçä.3.3.5). Ïî ìèêðîòðåùè-

íàì è ïîðàì â ãëóáü ìàòåðèàëà

ìîãóò ïðîíèêàòü òàêæå ìîëåêó-

ëû êîððîçèîííî-àêòèâíûõ âå-

ùåñòâ. Êðîìå ÷èñòî ìåõàíè÷å-

ñêîãî âîçäåéñòâèÿ, ïðè èíòåí-

ñèâíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìà-

öèè èëè òðåíèè ïîâûøàåòñÿ

òåìïåðàòóðà ïðèïîâåðõíîñòíûõ

ñëîåâ ìàòåðèàëà, ÷òî òàêæå ñïî-

ñîáñòâóåò èçìåíåíèþ åãî ñâîéñòâ, óâåëè÷åíèþ êîýôôèöèåíòà äèôôóçèè, ñêî-

ðîñòè õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé è äðóãèõ òåðìîàêòèâàöèîííûõ ïðîöåññîâ.

Â îáùåì ñëó÷àå ïîâåðõíîñòü òâåðäîãî òåëà èìååò ìíîãîñëîéíóþ ñòðóêòóðó

(ðèñ.3.8). Íàä ìàòåðèàëîì ñîáñòâåííî òâåðäîãî òåëà 1 ñ èñõîäíîé ñòðóêòóðîé è îáúåì-

íûìè ñâîéñòâàìè ðàñïîëîæåí ïðèïîâåðõíîñòíûé ñëîé 2 ñ ñèëüíî äåôîðìèðîâàííîé èñ-

êàæåííîé êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêîé, ðûõëîé ñòðóêòóðîé è îñòàòî÷íûìè íàïðÿæåíèÿ-

ìè, óâåëè÷åííûì ÷èñëîì äèñëîêàöèé è âàêàíñèé (çîíà óïðóãèõ äåôîðìàöèé). Òîëùèíà

ñëîÿ çàâèñèò îò ñïîñîáîâ òåõíîëîãè÷åñêîé îáðàáîòêè, óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè è ò.ä. è

îáû÷íî íå ïðåâûøàåò 100 ìêì. Ê ýòîìó ñëîþ ïðèìûêàåò çîíà ïëàñòè÷åñêèõ äåôîðìà-

öèé 3, îáðàçîâàâøàÿñÿ â ðåçóëüòàòå õåìîñîðáöèîííûõ ïðîöåññîâ. Åå ñîñòàâ è ñòðóêòó-

ðà çàâèñÿò îò óñëîâèé îáðàáîòêè è ýêñïëóàòàöèè, â ïåðâóþ î÷åðåäü - ïàðàìåòðîâ è ñî-

ñòàâà îêðóæàþùåé ñðåäû (îáû÷íî ýòî ñëîé îêèñëîâ òîëùèíîé îò 20 äî 200 ìêì). Íàä

õåìîñîðáöèîííûì ñëîåì ðàñïîëîæåí ñëîé 4 ñ ñèëüíî äåôîðìèðîâàííîé êðèñòàëëè÷å-

ñêîé ðåøåòêîé, ÷àñòî ñ õàðàêòåðíîé îðèåíòàöèåé çåðåí, âîçíèêøåé ïîä âëèÿíèåì òàí-

ãåíöèàëüíûõ ñèë ïðè ðåçàíèè èëè òðåíèè (òåêñòóðèðîâàííûé ñëîé). Ñëîé ìîæåò áûòü

íàñûùåí àäñîðáèðîâàííûìè ãàçàìè, â òîì ÷èñëå âîäÿíûì ïàðîì. Åãî òîëùèíà çàâèñèò

îò òåõíîëîãèè îáðàáîòêè, äàâëåíèÿ ãàçîâ íàä ïîâåðõíîñòüþ è òåìïåðàòóðû. Äàëåå ìî-

ãóò ðàñïîëàãàòüñÿ íåñêîëüêî ñëîåâ îêèñëîâ è ïîâåðõíîñòíûõ ñîåäèíåíèé 5, îáëàäàþ-

ùèõ ñâîéñòâàìè, îòëè÷íûìè îò ñâîéñòâ îñíîâíîãî ìàòåðèàëà (êàê ïðàâèëî, ïîâûøåí-

íîé òâåðäîñòüþ). Ê ýòîìó ñëîþ ïðèìûêàåò àìîðôíûé àäñîðáèðîâàííûé ñëîé 6 èç ïëå-

íîê âëàãè, ãàçîâ, çàãðÿçíåíèé, ñìàçêè è ò.ä.

3.3. Процессы механического разрушения

Îñíîâíûìè íåîáðàòèìûìè ïðîöåññàìè, âûçûâàþùèìè ñíèæåíèå íà-

äåæíîñòè è îòêàçû â ìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåìàõ, ÿâëÿþòñÿ òðåíèå è èçíîñ,

óñòàëîñòíîå ñòàðåíèå, ìåõàíè÷åñêèå, ôèçè÷åñêèå è õèìè÷åñêèå êîíòàêò-

íûå ÿâëåíèÿ, ðàçëè÷íûå âèäû êîððîçèè, óõóäøåíèå ñâîéñòâ (â ïåðâóþ

î÷åðåäü ìåõàíè÷åñêèõ) â ðåçóëüòàòå ðàçëè÷íûõ ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ïðî-

öåññîâ, èçìåíåíèå ãåîìåòðè÷åñêîé ôîðìû è ðàçìåðîâ äåòàëåé [11].

Ðèñ.3.8. Ñòðóêòóðà ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ [13]:

1- îñíîâíîé ìàòåðèàë, 2- çîíà óïðóãèõ äåôîðìà-

öèé, 3- çîíà ïëàñòè÷åñêèõ äåôîðìàöèé, 4- òåê-

ñòóðèðîâàííûé ñëîé, 5- ñëîé îêèñëîâ è ïîâåðõ-

íîñòíûõ ñîåäèíåíèé, 6- çàãðÿçíåíèÿ, ñìàçêà, ïî-

êð

òèÿ è ò.ä.

Â ìåõàíèêå òâåðäîãî òåëà ðàçðàáîòàíî ìíîãî ìîäåëåé ðàçðóøåíèÿ, ó÷è-

òûâàþùèõ ìåõàíè÷åñêèå, õèìè÷åñêèå è ôèçèêî-õèìè÷åñêèå ïðîöåññû,

âíåøíèå è âíóòðåííèå ôàêòîðû [33,34]. Ìåõàíè÷åñêîå ðàçðóøåíèå ìàòå-

ðèàëîâ ðàññìàòðèâàåòñÿ íå êàê êðèòè÷åñêîå ñîáûòèå, êîãäà íàïðÿæåíèÿ

äîñòèãàþò ïðåäåëà ïðî÷íîñòè, à êàê ïîñòåïåííûé êèíåòè÷åñêèé òåðìîàê-

òèâàöèîííûé ïðîöåññ, ðàçâèâàþùèéñÿ â ìåõàíè÷åñêè íàãðóæåííîì ìàòå-

ðèàëå. Â ñîîòâåòñòâèè ñ ýòèì îäíèì èç ôóíäàìåíòàëüíûõ ñâîéñòâ ìåõàíè-

÷åñêîé ïðî÷íîñòè ìàòåðèàëîâ ÿâëÿåòñÿ åå çàâèñèìîñòü îò âðåìåíè, äåôîð-

ìàöèÿ è ðàçðóøåíèå äîëæíû õàðàêòåðèçîâàòüñÿ íå ïðåäåëüíûìè íàïðÿæå-

íèÿìè, à ñêîðîñòüþ äåôîðìàöèè è ðàçðóøåíèÿ èëè äîëãîâå÷íîñòüþ.

3.3.1. Общие закономерности процессов

Ñêîðîñòü ïðîöåññîâ ìåõàíè÷åñêîãî ðàçðóøåíèÿ íàãðóæåííîãî òâåðäîãî

òåëà è âðåìÿ äî åãî ðàçðóøåíèÿ çàâèñÿò îò ñòðóêòóðû è ñâîéñòâ òåëà, îò

âåëè÷èíû íàïðÿæåíèÿ, âûçâàííîãî íàãðóçêîé, è òåìïåðàòóðû. Äëÿ ìíîãèõ

òâåðäûõ ìàòåðèàëîâ (ìåòàëëîâ, ñïëàâîâ, ïîëèìåðîâ, ïîëóïðîâîäíèêîâ è

äð.) ñïðàâåäëèâà ñëåäóþùàÿ òåìïåðàòóðíî-âðåìåííàÿ çàâèñèìîñòü [9,11]

t t

exp , (3.27)

ãäå t - âðåìÿ îò ìîìåíòà ïðèëîæåíèÿ íàãðóçêè äî ðàçðóøåíèÿ; t

- ïåðèîä ñîáñòâåííûõ

òåïëîâûõ êîëåáàíèé àòîìîâ â êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêå òâåðäîãî òåëà (t

» 10

-12

¸10

-14

ñ); U

- íà÷àëüíàÿ ýíåðãèÿ àêòèâàöèè â îòñóòñòâèå ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé; s - íà-

ïðÿæåíèå ìàòåðèàëà, îáóñëîâëåííîå ìåõàíè÷åñêîé íàãðóçêîé; g - ñòðóêòóðíûé êîýôôè-

öèåíò (õàðàêòåðèñòèêà ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìàòåðèàëà ê íàïðÿæåíèþ).

Ñîîòâåòñòâåííî, äëÿ ñêîðîñòè ïðîöåññà ðàçðóøåíèÿ íà îñíîâàíèè ôîð-

ìóëû (3.27) ìîæíî çàïèñàòü âûðàæåíèå, õàðàêòåðíîå äëÿ òåðìîàêòè-

âàöèîííûõ ïðîöåññîâ [11]

t t

» = -

= -

1 1

exp exp

, (3.28)

ãäå w

= 1/t

- ÷àñòîòà ñîáñòâåííûõ òåïëîâûõ êîëåáàíèé àòîìîâ â ðåøåòêå.

Êèíåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ ïðî÷íîñòè ó÷èòûâàåò âëèÿíèå òåïëîâîãî äâèæå-

íèÿ (ôëóêòóàöèé òåïëîâîé ýíåðãèè) íà ïðîöåññû äåôîðìàöèè è ðàçðóøå-

íèÿ. Â ñîîòâåòñòâèè ñ çàâèñèìîñòüþ (3.27) â ïðîöåññå ðàçðóøåíèÿ àòîìû

ìàòåðèàëà äîëæíû ïðåîäîëåòü ýíåðãåòè÷åñêèé áàðüåð, âåëè÷èíà êîòîðîãî

ñíèæàåòñÿ ñ óâåëè÷åíèåì ïðèëîæåííîé íàãðóçêè: E

-gs. Ðàçðóøåíèå

ìàòåðèàëà ìîæåò ïðîèñõîäèòü ïðè ëþáûõ íàïðÿæåíèÿõ (â òîì ÷èñëå

ìåíüøèõ ïðåäåëà ïðî÷íîñòè), è ðàçðûâíîå íàïðÿæåíèå çàâèñèò îò âðåìåíè

äåéñòâèÿ íàãðóçêè è òåìïåðàòóðû. Èñïîëüçîâàíèå â êà÷åñòâå õàðàêòåðè-

ñòèêè ìàòåðèàëà ïðåäåëüíî äîïóñòèìûõ íàïðÿæåíèé íå èìååò ñìûñëà áåç

óêàçàíèÿ âðåìåíè, â òå÷åíèå êîòîðîãî ìàòåðèàë íàõîäèòñÿ ïîä íàãðóçêîé.

Èçìåíåíèÿ ïðî÷íîñòíûõ õàðàêòåðèñòèê ìàòåðèàëîâ ïðè òåïëîâîé îáðà-

áîòêå, äåôîðìèðîâàíèè èëè ïðè èçìåíåíèè èõ ÷èñòîòû, ñâÿçàíû ñ èçìåíå-

íèåì âåëè÷èíû ñòðóêòóðíîãî êîýôôèöèåíòà g, êîòîðûé, òàêèì îáðàçîì,

ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ â êà÷åñòâå êîëè÷åñòâåííîé õàðàêòåðèñòèêè ïðî÷íî-

ñòè (ìåðû ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ).

Â óðàâíåíèè (3.27) âåëè÷èíà g ÿâëÿåòñÿ ïîêàçàòåëåì òîãî, ÷òî íà ìåæàòîìíûå ñâÿçè

äåéñòâóþò íå ñðåäíèå ïðèëîæåííûå íàïðÿæåíèÿ s, à ñóùåñòâåííî áîëüøèå ëîêàëüíûå

ïåðåíàïðÿæåíèÿ, âîçíèêàþùèå íà íåîäíîðîäíîñòÿõ ñòðóêòóðû (òàêèìè íåîäíîðîäíîñòÿ-

ìè ìîãóò áûòü ñêîïëåíèÿ äèñëîêàöèé). Äëÿ ìåòàëëîâ è ñïëàâîâ âåëè÷èíà g îïðåäåëÿåòñÿ

äèñëîêàöèîííîé ñòðóêòóðîé ìåòàëëà (óâåëè÷åíèå ïëîòíîñòè äèñëîêàöèé N

ïðèâîäèò ê

óìåíüøåíèþ çíà÷åíèÿ g è, ñîîòâåòñòâåííî, óâåëè÷åíèþ ïðî÷íîñòè ìåòàëëà: 1/g ~ N

1/2

) è óêàçàííûå ïåðåíàïðÿæåíèÿ ìîãóò ïðåâûøàòü ñðåäíèå â ñòî è áîëåå ðàç.

Óðàâíåíèå (3.27) ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ îïðåäåëåíèÿ äëèòåëüíîñòè ýêñïëóàòà-

öèè ìàòåðèàëîâ â íàãðóæåííîì ñîñòîÿíèè äî ðàçðóøåíèÿ ïðè ïðàêòè÷åñêèõ ðàñ÷åòàõ

ïðî÷íîñòè è íàäåæíîñòè. Îäíàêî ïðè ýòîì íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü, ÷òî âðåìÿ ðàçðóøå-

íèÿ t â îáùåì ñëó÷àå ÿâëÿåòñÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíîé, çàâèñÿùåé îò ðàçìåðîâ äåòàëè è

ðàñïðåäåëåíèÿ äåôåêòîâ ïî ïàðàìåòðàì è îáúåìó ìàòåðèàëà. Îáû÷íî ïîä äîëãîâå÷íî-

ñòüþ ïîíèìàåòñÿ åå ñðåäíåå çíà÷åíèå.

Õîòÿ âðåìåííàÿ çàâèñèìîñòü (3.27) îòðàæàåò âíóòðåííèé ìåõàíèçì

ðàçðóøåíèÿ òâåðäûõ òåë, â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ñóùåñòâåííîå âëèÿíèå íà

êèíåòèêó ïðîöåññà ìîãóò îêàçûâàòü ïîáî÷íûå ÿâëåíèÿ, óìåíüøàþùèå

ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëîâ (íàïðèìåð, âîçäåéñòâèå îêðóæàþùåé ñðåäû èëè ïî-

âåðõíîñòíî-àêòèâíûõ âåùåñòâ).

Â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ çàâèñèìîñòü (3.27) óäîáíåå èñïîëüçîâàòü â âèäå

t = Aexp(–as), (3.29)

ãäå A è a- ïîñòîÿííûå êîýôôèöèåíòû, çàâèñÿùèå îò ñâîéñòâ ìàòåðèàëà è òåìïåðàòóðû.

Ïðî÷íîñòü, âîçíèêíîâåíèå è ðàçâèòèå ìèêðîòðåùèí â ìåòàëëàõ è

ñïëàâàõ îáóñëîâëåíû, â îñíîâíîì, äâóìÿ ïðîöåññàìè: ðàçðûâîì ìåæàòîì-

íûõ ñâÿçåé çà ñ÷åò òåïëîâûõ ôëóêòóàöèé è íàïðàâëåííîé äèôôóçèåé âà-

êàíñèé ê òðåùèíàì, ïðèâîäÿùåé ê ðîñòó òðåùèí [11]. Ïåðâûé ïðîöåññ ïîë-

íîñòüþ õàðàêòåðèçóåòñÿ óðàâíåíèåì (3.27). Äëÿ äèôôóçèîííîãî ìåõàíèçìà

ðàçðóøåíèÿ, ñêîðîñòü êîòîðîãî îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì ìåæäó ñêîðî-

ñòÿìè íàêîïëåíèÿ è ðàññàñûâàíèÿ âàêàíñèé, àíàëîãè÷íàÿ òåìïåðàòóðíî-

âðåìåííàÿ çàâèñèìîñòü ïðî÷íîñòè ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíà â âèäå [11,35]

( ) ( )

= -

kTE

U a n

kTE

a n

exp exp , (3.30)

ãäå E -ìîäóëü óïðóãîñòè; s - ìåõàíè÷åñêîå íàïðÿæåíèå; a - àòîìíûé ðàçìåð; D è D

êîýôôèöèåíò ñàìîäèôôóçèè è ÷àñòîòíûé ôàêòîð (ñì.ðàçä.3.2.4); U

- ýíåðãèÿ àêòèâà-

öèè ñàìîäèôôóçèè; n

- êîëè÷åñòâî îáúåäèíèâøèõñÿ âàêàíñèé; C - êîíñòàíòà (C » 1).

Â îáëàñòè áîëüøèõ íàïðÿæåíèé è ñðàâíèòåëüíî íèçêèõ òåìïåðàòóð

äåéñòâóåò ìåõàíèçì ðàçðóøåíèÿ, îáóñëîâëåííûé ïðîöåññîì ïîñëåäîâà-

òåëüíîãî ôëóêòóàöèîííîãî ðàçðûâà àòîìíûõ ñâÿçåé â êðèñòàëëè÷åñêîé

ðåøåòêå (çàâèñèìîñòü (3.27)), â îáëàñòè ìàëûõ íàïðÿæåíèé è âûñîêèõ

òåìïåðàòóð äåéñòâóåò äèôôóçèîííûé ìåõàíèçì ðàçðóøåíèÿ, îñíîâàííûé

íà ðîñòå ìèêðîòðåùèí ïóòåì ïðèòîêà âàêàíñèé èëè íà îáðàçîâàíèè î÷àãîâ

íàðóøåíèÿ ñâÿçåé â ìåñòå ñêîïëåíèÿ èçáûòî÷íîãî ÷èñëà âàêàíñèé (çàâè-

ñèìîñòü (3.30)). Ïîýòîìó ïàðàìåòðû U

, t

è g, ïîëíîñòüþ õàðàêòåðèçóþ-

ùèå ïðî÷íîñòíûå ñâîéñòâà ìåòàëëîâ â ïðîöåññàõ äåôîðìàöèè è ðàçðóøå-

íèÿ â îáëàñòè íèçêèõ òåìïåðàòóð, ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ ÿâëÿþòñÿ

íåäîñòàòî÷íûìè.

Â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ïðè èñïûòàíèÿõ ìåòàëëîâ è ñïëàâîâ (íàïðèìåð, ïðè òåìïåðà-

òóðàõ âûøå òåìïåðàòóðû îòæèãà èëè ïîñëå ìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêè) ìîãóò íàáëþäàòü-

ñÿ îòêëîíåíèÿ îò çàâèñèìîñòè (3.27): äåéñòâèòåëüíàÿ ïðî÷íîñòü îêàçûâàåòñÿ íèæå èëè

âûøå ðàñ÷åòíîé. Îáû÷íî ýòî ñâÿçàíî ñ íåñòàáèëüíîñòüþ ñòðóêòóðû ìåòàëëà ïîä âëèÿ-

íèåì íàãðóçêè, ò.å. íåïîñòîÿíñòâîì ñòðóêòóðíîãî ïîêàçàòåëÿ g èç-çà ïðîöåññà ðåêðè-

ñòàëëèçàöèè, âëèÿþùåãî íà äèñëîêàöèîííóþ ñòðóêòóðó áëîêîâ.

Ïðîöåññ ðàçðóøåíèÿ íàãðóæåííûõ ïîëèìåðíûõ ìàòåðèàëîâ ïðåäñòàâ-

ëÿþò ñîáîé ðàçðûâ âíóòðèìîëåêóëÿðíûõ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé â ðåçóëüòàòå

òåïëîâûõ ôëóêòóàöèé, ò.å. ïðîöåññ òåðìîäåñòðóêöèè ïîëèìåðíûõ öåïåé,

àêòèâèðîâàííûé ìåõàíè÷åñêèìè íàïðÿæåíèÿìè. Ïîýòîìó â òåìïåðàòóðíî-

âðåìåííîé çàâèñèìîñòè (3.27) ýíåðãèÿ àêòèâàöèè ïðîöåññà ðàçðóøåíèÿ U

äëÿ ïîëèìåðíûõ ìàòåðèàëîâ ñîîòâåòñòâóåò ýíåðãèè àêòèâàöèè ïðîöåññà

òåðìîäåñòðóêöèè E

ïîëèìåðíûõ öåïåé â íåíàïðÿæåííîì ïîëèìåðå, ðàâíîé

ýíåðãèè õèìè÷åñêîé ñâÿçè ìåæäó àòîìàìè â ïîëèìåðíîé öåïî÷êå.

Ñòðóêòóðíûé êîýôôèöèåíò g â óðàâíåíèè (3.27), õàðàêòåðèçóþùèé ñòå-

ïåíü óìåíüøåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî áàðüåðà ïîä äåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ, äëÿ

ïîëèìåðîâ çàâèñèò îò ñòåïåíè ïîëèìåðèçàöèè è îðèåíòàöèè ïîëèìåðíûõ

öåïåé. Îí îòðàæàåò âëèÿíèå íà ïðî÷íîñòü ìåæìîëåêóëÿðíîãî âçàèìîäåé-

ñòâèÿ, âëèÿþùåãî íà ïåðåðàñïðåäåëåíèå íàãðóçîê ïî ïîëèìåðíûì öåïÿì.

Äëÿ îïèñàíèÿ êèíåòèêè ïðîöåññîâ äåôîðìàöèè è ðàçðóøåíèÿ ïîëèìåð-

íûõ ìàòåðèàëîâ, êðîìå ôëóêòóàöèîííûõ ðàçðûâîâ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé, íå-

îáõîäèìî òàêæå ó÷èòûâàòü âëèÿíèå ìîëåêóëÿðíûõ ïåðåãðóïïèðîâîê, îïðå-

äåëÿþùèõ ðàçâèòèå ýëàñòè÷åñêèõ äåôîðìàöèé. Ñêîðîñòü äåôîðìèðîâàíèÿ

ïîëèìåðîâ õàðàêòåðèçóåòñÿ ñêîðîñòüþ ìîëåêóëÿðíûõ ïåðåãðóïïèðîâîê,

ñêîðîñòü ðàçðóøåíèÿ - ñêîðîñòüþ ðàçðûâîâ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé, ñêîðîñòüþ

íàêîïëåíèÿ íàðóøåíèé (ïîëîñòåé è òðåùèí) è ñêîðîñòüþ ðîñòà òðåùèí.

Ïåðâè÷íûìè ïðîäóêòàìè ïðîöåññà ðàçðûâà õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé ÿâëÿ-

þòñÿ ñâîáîäíûå ìàêðîðàäèêàëû ñ íåñïàðåííûìè ýëåêòðîíàìè íà êîíöàõ c

ðàçíûìè âðåìåíåì æèçíè è ñòàáèëüíîñòüþ. Ñêîðîñòü îáðàçîâàíèÿ ðàäèêà-

ëîâ âûðàæàåòñÿ óðàâíåíèåì, àíàëîãè÷íûì çàâèñèìîñòè (3.28) [9]

U K

o ýôs

= -

exp , (3.31)

ãäå n

- ÷èñëî ýôôåêòèâíî íàïðÿæåííûõ ñâÿçåé; K

ýô

ëîê

/s - êîýôôèöèåíò êîíöåí-

òðàöèè íàïðÿæåíèé; s

- ïàðàìåòð, õàðàêòåðèçóþùèé óâåëè÷åíèå ñðåäíèõ íà-

ïðÿæåíèé ïî ìåðå ðàçðûâà ñâÿçåé.

Áîëüøîå ïðàêòè÷åñêîå çíà÷åíèå èìåþò ïðîöåññû ðàçðóøåíèÿ ïîëèìåð-

íûõ ìàòåðèàëîâ, àðìèðîâàííûõ âîëîêíàìè. Âñëåäñòâèå òîãî, ÷òî âîëîêíà

èìåþò äåôåêòû, ðàñïðåäåëåííûå ïî èõ äëèíå, ðàçðóøåíèå ïåðâîíà÷àëüíî

ïðîèñõîäèò â íåêîòîðûõ ñëó÷àéíûõ ñå÷åíèÿõ ïðè íàãðóçêàõ, ìåíüøèõ ðàç-

ðóøàþùèõ íàãðóçîê äëÿ ñîñòàâíîãî ìàòåðèàëà. Â ìåñòàõ ðàçðóøåíèÿ âîç-

íèêàþò êîíöåíòðàöèè íàïðÿæåíèé, êîòîðûå ìîãóò âûçâàòü ïîÿâëåíèå òðå-

ùèí â îñíîâíîì ìàòåðèàëå. Çàòåì çà ñ÷åò ñäâèãà îñíîâíîãî ìàòåðèàëà

ñìåæíûå òðåùèíû ñîåäèíÿþòñÿ, ïðîöåññ ïðîäîëæàåòñÿ äî îáùåãî ðàçðó-

øåíèÿ ñîñòàâíîãî ìàòåðèàëà. Ïðè äîñòàòî÷íî áîëüøèõ íàïðÿæåíèÿõ

(s/s

³ 0,6) íàáëþäàåòñÿ ñëåäóþùàÿ çàâèñèìîñòü ìåæäó ïëîòíîñòüþ òðå-

ùèí ñîñòàâíîãî ìàòåðèàëà c è äåéñòâóþùèì íàïðÿæåíèåì s:

= - -

exp s

1 , (3.32)

ãäå s

- ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ, ïðè êîòîðîì ïðîèñõîäèò ðàçðóøåíèå; c

ñîîòâåòñòâóþùàÿ åìó ïëîòíîñòü òðåùèí.

3.3.2. Образование и развитие трещин

Êèíåòèêà ðàçðóøåíèÿ è äîëãîâå÷íîñòü ìàòåðèàëîâ îïðåäåëÿåòñÿ, ïðåæ-

äå âñåãî, ðàçâèòèåì òðåùèí (ïðè÷èíîé îòêàçîâ ìåòàëëè÷åñêèõ ñîñóäîâ ïîä

äàâëåíèåì â 94% ñëó÷àåâ ÿâëÿåòñÿ îáðàçîâàíèå è ðàçâèòèå òðåùèí [33]).

Ìåõàíèçì ïðîöåññà ðàçðóøåíèÿ ïðè äëèòåëüíîì âîçäåéñòâèè íàãðóçêè

ñâîäèòñÿ ê ïîñòåïåííîìó ðîñòó ìèêðîòðåùèí äî êðèòè÷åñêîãî ðàçìåðà â

ðåçóëüòàòå ôëóêòóàöèîííîãî ðàçðûâà àòîìíûõ ñâÿçåé â âåðøèíå òðåùèíû.

Òðåùèíû îáðàçóþòñÿ âñêîðå ïîñëå ïðèëîæåíèÿ íàãðóçêè, êàê ïðàâèëî, íà

ðàçëè÷íîãî ðîäà äåôåêòàõ (âêëþ÷åíèÿõ, íåîäíîðîäíîñòÿõ ñòðóêòóðû, öàðà-

ïèíàõ è ò.ä.) è èõ ðàçâèòèå çàíèìàåò îñíîâíóþ ÷àñòü âðåìåíè äî ðàçðûâà

(â ìåòàëëàõ - îêîëî 90%, â ïîëèìåðíûõ ìàòåðèàëàõ - äî 99%).

Â ïðîöåññå ðîñòà òðåùèí ðàçëè÷àþòñÿ äâå ñòàäèè: óñêîðåííîãî ðîñòà ñ

âîçðàñòàþùåé ñêîðîñòüþ è áûñòðîãî ðîñòà ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ [33].

Ïðè ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøèõ íàïðÿæåíèÿõ è, ñîîòâåòñòâåííî, ìåäëåííîì

ðàçðóøåíèè äëèòåëüíîñòü âòîðîé ñòàäèè çíà÷èòåëüíî ìåíüøå ïåðâîé. Íà

ïåðâîé ñòàäèè ñóùåñòâåííóþ ðîëü èãðàþò òåïëîâûå ôëóêòóàöèè àòîìîâ è

ìîëåêóë: âåðîÿòíîñòü ðàçðûâà ñâÿçåé ìåæäó ìîëåêóëàìè è àòîìàìè ó âåð-

øèíû òðåùèíû è, ñîîòâåòñòâåííî, ñêîðîñòü ïðîöåññà óâåëè÷èâàþòñÿ ñ

óâåëè÷åíèåì òåìïåðàòóðû è óïðóãèõ íàïðÿæåíèé. Íà âòîðîé ñòàäèè ïðî-

öåññ ðàçðóøåíèÿ íå çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû, ò.å. ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé áåç-

àêòèâàöèîííûé àòåðìè÷åñêèé ïðîöåññ ðàçðóøåíèÿ ëîêàëüíûìè íàïðÿæå-

íèÿìè, áëèçêèìè ê ïðåäåëó ìîëåêóëÿðíîé ïðî÷íîñòè, è ñâÿçàí ñî ñêîðî-

ñòüþ ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ óïðóãîé ýíåðãèè.

Óñëîâèåì ðîñòà òðåùèíû ÿâëÿåòñÿ ïðåâûøåíèå èçìåíåíèÿ ýíåðãèè óïðóãèõ äåôîð-

ìàöèé çíà÷åíèÿ ïðèðîñòà ïîâåðõíîñòíîé ýíåðãèè (êðèòåðèé Ãðèôôèòñà):

-dW

/dl ³ dW

/dl, (3.33)

ãäå W

- óïðóãàÿ ýíåðãèÿ â ìàòåðèàëå; W

- ïîëíàÿ ïîâåðõíîñòíàÿ ýíåðãèÿ, âêëþ÷àÿ

ýíåðãèþ âíîâü îáðàçóþùåéñÿ ïîâåðõíîñòè ðàçðûâà; l - ðàçìåð (äëèíà) òðåùèíû.

Óñëîâèå (3.33) ñîîòâåòñòâóåò êîíå÷íîé ñòàäèè ðàçðóøåíèÿ, äëÿ èíèöèèðîâàíèÿ è

íà÷àëà ðîñòà ìèêðîòðåùèí òðåáóåòñÿ ëèáî áîëåå âûñîêèå íàïðÿæåíèÿ, ëèáî êàêèå-ëèáî

äîïîëíèòåëüíûå óñëîâèÿ (íàïðèìåð, ôëóêòóàöèîííûé ðàçðûâ ïåðåíàïðÿæåííûõ ñâÿçåé

â âåðøèíå). Â òåîðèè äèñëîêàöèé ðàññìàòðèâàåòñÿ íåñêîëüêî ìåõàíèçìîâ: ñêîïëåíèå

äèñëîêàöèé (íàïðèìåð, íà ãðàíèöàõ çåðåí), îáúåäèíåíèå âàêàíñèé è äð.

Âðåìÿ äî ðàçðûâà (äîëãîâå÷íîñòü ïîä íàãðóçêîé) îïðåäåëÿåòñÿ ñêîðî-

ñòüþ ðîñòà òðåùèí íà ïåðâîé (óñêîðåííîé) ñòàäèè:

( )

( ) ( )

A l A

o l o

= =

exp exp exp expas b

, (3.34)

ãäå s

- ñðåäíåå íàïðÿæåíèå â ìàòåðèàëå (íàïðèìåð, äëÿ äåòàëè ïðÿìîóãîëüíîãî ñå÷å-

íèÿ s

= s

/(1-l/L)); s

-ñðåäíåå íàïðÿæåíèå; l - äëèíà òðåùèíû; L - ðàçìåð (øèðèíà)

äåòàëè; A

, a è b - êîýôôèöèåíòû, çàâèñÿùèå îò ñâîéñòâ ìàòåðèàëà è òåìïåðàòóðû.

Ýêñïîíåíöèàëüíàÿ çàâèñèìîñòü (3.34) îòðàæàåò ëàâèíîîáðàçíûé õàðàê-

òåð ðàçâèòèÿ òðåùèí: óâåëè÷åíèå äëèíû òðåùèíû ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ

íàïðÿæåíèÿ, ÷òî â ñâîþ î÷åðåäü óâåëè÷èâàåò ñêîðîñòü ðîñòà òðåùèíû.

Ïîëàãàÿ, ÷òî ïðè t=0 l=0 è ïðîöåññ çàêàí÷èâàåòñÿ ðàçðûâîì îáðàçöà (ò.å. ïðè t=t

l=L), íà îñíîâàíèè óðàâíåíèÿ (3.34) ìîæíî ïîëó÷èòü äëÿ âðåìåíè ðàçðóøåíèÿ

( ) ( ) ( )

as as= - = - = -

o o

exp exp exp

, (3.35)

îäíàêî êîýôôèöèåíò A çàâèñèò îò íàïðÿæåíèÿ s

100

Ïðè ñðàâíèòåëüíî áîëüøèõ íàïðÿæåíèÿõ è ìåëêèõ òðåùèíàõ äîêðèòè-

÷åñêèõ ðàçìåðîâ (l/L ® 0) ñêîðîñòü ðîñòà îòðàæàåò òåðìîàêòèâàöèîííûé

ìåõàíèçì ïðîöåññà:

n n

l o

o ëîê

= = -

exp , (3.36)

ãäå

ëîê

»2

- èñòèííîå ëîêàëüíîå íàïðÿæåíèå; r - ðàäèóñ êðèâèçíû âåðøèíû

òðåùèíû; n - îòíîñèòåëüíîå ÷èñëî ýôôåêòèâíî íàãðóæåííûõ ñâÿçåé; U

- ýíåðãèÿ àêòè-

âàöèè ïðîöåññà ðîñòà òðåùèí, ðàâíàÿ ýíåðãèè ðàçðûâà ìåæàòîìíûõ ñâÿçåé; g - ñòðóê-

òóðíûé êîýôôèöèåíò (õàðàêòåðèñòèêà ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìàòåðèàëà).

Ñòàäèÿ óñêîðåííîãî ðîñòà òðåùèíû ïåðåõîäèò â ñòàäèþ áûñòðîãî ðîñ-

òà, êîãäà ïåðåíàïðÿæåíèå â âåðøèíå òðåùèíû äîñòèãàåò çíà÷åíèÿ òåîðå-

òè÷åñêîé ïðî÷íîñòè. Ïðè ýòîì ïðåäåëüíàÿ ñêîðîñòü ðîñòà (áëèçêàÿ ê ñêî-

ðîñòè çâóêà â ìàòåðèàëå) è êðèòè÷åñêàÿ äëèíà òðåùèí

( )

r m

, l

êð

òåîð

, (3.37)

ãäå E - ìîäóëü óïðóãîñòè; r - ïëîòíîñòü ìàòåðèàëà; m - êîýôôèöèåíò Ïóàññîíà; s

òåîð

ïðåäåë ìîëåêóëÿðíîé ïðî÷íîñòè.

Äîëãîâå÷íîñòü (âðåìÿ ðàçðûâà) ñâÿçàíî ñ âåðîÿòíîé äëèòåëüíîñòüþ

ýëåìåíòàðíîãî àêòà ôëóêòóàöèîííîãî ðàçðûâà åäèíè÷íîé ïåðåíàïðÿæåííîé

ñâÿçè ïîëóýìïèðè÷åñêèì ñîîòíîøåíèåì

(

)

[

]

» =

ëîêo

o o

exp , (3.38)

ãäå t¢- ñðåäíåå âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ îòäåëüíîé ïåðåíàïðÿæåííîé ñâÿçè â âåðøèíå

òðåùèíû; l

- ðàçìåð èñõîäíîé ñóáìèêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíû; b - êîýôôèöèåíò, õàðàê-

òåðèçóþùèé ñàìîóñêîðåíèå ïðîöåññà ðàçðûâà; l » r - ðàññòîÿíèå, íà êîòîðîå óâåëè÷è-

âàåòñÿ äëèíà òðåùèíû çà âðåìÿ t¢ (ðàçìåð îáëàñòè ôëóêòóàöèîííîãî ðàçðûâà).

Ïðè áîëüøèõ íàïðÿæåíèÿõ êîíå÷íàÿ ñòàäèÿ ðîñòà òðåùèíû ñ ïîñòîÿí-

íîé ïðåäåëüíîé ñêîðîñòüþ (3.38) ÿâëÿåòñÿ îñíîâíîé.

3.3.3. Принцип суммирования повреждений

Ïðîöåññû ðàçðóøåíèÿ ìàòåðèàëîâ ñâîäÿòñÿ, ãëàâíûì îáðàçîì, ê ïîñòå-

ïåííîìó ðîñòó äåôîðìàöèé è ðàçâèòèþ òðåùèí, ïîñòåïåííîìó íàêîïëåíèþ

ëîêàëüíûõ äåôåêòîâ âñëåäñòâèå íåîáðàòèìîãî õàðàêòåðà ïîñëåäîâàòåëüíûõ

åäèíè÷íûõ íàðóøåíèé. Â ñëó÷àå èçìåíÿþùåãîñÿ âî âðåìåíè íàïðÿæåíèÿ

ðàçðóøåíèå ìàòåðèàëà ïðîèçîéäåò òîãäà, êîãäà ñóììà âñåõ äåôåêòîâ äîñ-

òèãíåò ïðåäåëüíîãî çíà÷åíèÿ. Äëÿ ñëó÷àÿ äèñêðåòíîé çàâèñèìîñòè íàïðÿ-

æåíèÿ îò âðåìåíè (íàïðÿæåíèå â îòäåëüíûõ èíòåðâàëàõ âðåìåíè ïîñòîÿí-

íî) óñëîâèå ðàçðóøåíèÿ ìîæíî çàïèñàòü â âèäå [8,33]

( )

, (3.39)

ãäå Dt

- ïðîäîëæèòåëüíîñòü i-ãî ïåðèîäà íàãðóæåíèÿ; s

- íàïðÿæåíèå â ìàòåðèàëå â

òå÷åíèå i-ãî ïåðèîäà íàãðóæåíèÿ; t(s

) - äîëãîâå÷íîñòü ìàòåðèàëà ïðè íàïðÿæåíèè s

Åñëè íàïðÿæåíèå ÿâëÿåòñÿ íåïðåðûâíîé ôóíêöèåé âðåìåíè, òî óñëîâèå

(3.39) ïðèîáðåòàåò âèä