CC BY
44
УДК 531.43:539.21
СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ ТРЕНИИ
С.В. Федоров, Э. Ассенова
SYNERGY PRINCIPLE OF SELFORGANIZATION AT FRICTION
S.V. Fedorov, E. Assenova
Аннотация. В предлагаемой статье рассматривается структурно-энергетическая интерпретация процесса трения. Предлагаются уравнения энергетического баланса трения и энергетическая трактовка коэффициента трения скольжения. Показано, что эволюция трибосистемы (контакта трения) подчинена синергетическому принципу, который запускает механизм самоорганизации деформируемого контакта. Детально рассмотрены структурно-энергетические состояния точек синергии, а также закономерности этапов самоорганизации при эволюции контакта трения. Дано физическое обоснование этих состояний и этапов эволюции контакта трения. Предложена формулировка синергии как взаимодействие и совместное действие двух и более равных энергетических полей деформируемого контакта трения.
Ключевые слова: трение; деформация; энергетический баланс; синергия; самоорганизация; эволюция контакта; наноструктура; механический квант; аттрактор.
Abstract. The proposed paper examines the structural-energy interpretation of friction process. Energy balance equations of friction and energy interpretation of friction coefficient are proposed. It has been showed that evolution of tribosystem (contact of friction) is subjected to synergy principle, which a mechanism of deforming contact selforganization sets in motion. States of synerfy points and regularities of selforganization stages of evolution of friction too in details are considered. Physical basing these states and stages of friction contact evolution are given. The formulation of synergy is proposed. It is interaction and joint actions of two and more equal energy fields. Maximum of tribosystem's efficiency during the evolution is the stage of selforganzation of the friction surface layers, which is the state of abnormal low friction and wear.
Key words: friction; deformation; power balance; selforganization; contact evolution;
nanostructure; mechanical quantum; attractor.
Введение
Трение - это глобальный феномен природы трансформации и рассеяния энергии внешнего относительного движения. Трение строго подчиняется уравнению энергетического баланса и в наиболее общем случае имеет адаптивно-диссипативный характер. При трении деформируемый контакт эволюционирует - приспосабливается. Эволюция контакта трения имеет строго определенные этапы. Наиболее характерным свойством эволюции трения является свойство самоорганизации [1], которое тесно связано со свойством синергии -совместности действий равновесных состояний. Макросинергия двух противоположных, балансовых тенденций процесса трансформации энергии, начинающая процесс самоорганизации преобразуется в уникальную наноструктурную синергию подсистемных состояний контакта трения аттрактивного свойства.
Термодинамический анализ процесса трения
Трение, как глобальный трансформационный феномен природы, строго подчиняется уравнению энергетического баланса (рис.1) и с термодинамической точки зрения [2,3] представляет собой конкуренцию двух одновременно протекающих, взаимосвязанных и противоположных тенденций: накопления скрытой (потенциальной) энергии AUe
http://vestnik-nauki.ru
различного рода дефектов и повреждений структуры контактных объёмов и её высвобождения (рассеяния) Q за счёт протекания различного рода релаксационных
процессов. Первая тенденция определяет эффект деформационного упрочнения и интегрально характеризует меру повреждаемости (параметр состояния); вторая тенденция определяет тепловой эффект трения и ответственна за квазивязкую составляющую процесса.
Рисунок 1 - Условная схема элементарного контакта при трении
Согласно схеме энергетического баланса (рис. 2) процесса пластической деформации и разрушения [3] работу ю у внешних сил для преодоления трения ^ на пути I для
единицы деформируемого (контактного) объема (рис.1) можно представить следующим образом:
со у = Аые + д или сс у = ие + (. (1)
Здесь: СС у = йю у !& - мощность трения (диссипации) энергии; ие = due|dt -
скорость накопления скрытой энергии в деформируемых (контактных) объемах; (& = dq|dt -мощность теплового эффекта пластической деформации (трения).
Мегпа1 епег{гу и = и (0) + Аи
Рисунок 2 - Схема энергетического баланса процесса пластической деформации
твердых тел [3,4]
Поскольку при трении деформируются контактные объемы обоих материалов, составляющих пару трения, уравнения (1) следует записать как обобщенные уравнения
http://vestnik-nauki.ru
совместимости трущихся поверхностей [2], так как они описывают, по сути, совместную работу (деформацию) поверхностей пары трения:
о f = Auei + Aue 2 + qi + q 2;
О f = u ei + u e2 + qi + q 2.
(2) (3)
В наиболее общем случае уравнения энергетического баланса для трения без смазки следует представить с учетом реального (не единичного) размера трибоконтакта Vу :
Wf =AUe + Q = AUei + AUe2 + AU^ + AUTr + Q + Q2,
Wf = lie + Q = liei + U&e2 + ^ + Ut2 + Qi + QQ 2,
AUe , Q AUei + AUe2 + Q + Q2
Fl =
■ + — =
l l
l
■ + •
Ue + U,
Fv =
e2 , Qi + Q2
Ml =
v v
AUei + AUe2 , Qi + Q2
Fmechanical + Fmolecular,
Nl
+
Nl
Madapt + Mdis = Madapt + MT (dis) + MQ(dis)
Ue + u
Mv
e2 tQi + Q 2
Nv
Nv
Mdeformation + Madhesion •
(4)
(5)
(6)
(7)
(8) (9)
Здесь / - коэффициент трения; " адаптивный (Амонтона) коэффициент
трения; /т(dis) и / ^ - статическая и динамическая компоненты диссипативного коэффициента трения /^dis ; АПе = Аие • Vу, АПт - потенциальная и тепловая компоненты внутренней энергии; Пе = ие ■ Vу, АПт - скорости изменения потенциальной и тепловой составляющих внутренней энергии; Q, ( - тепловой эффект трения и его
мощность; ( = АПТ + (, ( = и т + ( - тепловой эффект трения и его мощность; ( -тепловой эффект динамической диссипации и его мощность; Vу - объем трения; N -
нормальная нагрузка; I - путь трения. Плотность внутренней скрытой энергии
Аие является
Л *
интегральным параметром трибосостояния и повреждаемости (разрушения (Аие ) [3,4]). В
соотношениях (6)-(9) индексами обозначены параметры трения на пути трения I ив единицу времени V.
Соотношения между составляющими энергетического баланса (1)-(9) процесса трения Аие1 и Аие2, Аит 1 и Аит2, а также Цц и ^2 изменяются в широких пределах и
определяются физико-химическими свойствами материалов, составляющих пару трения, их структурой и условиями процесса трения. Подобное многообразие частных соотношений между составляющими энергетического баланса процесса трения и определяет собственно все многообразие частных (граничных) проявлений процесса трения и износа [5,6].
l
i
Для частного случая локализации трения в объеме «третьего тела» (область совместимости (рис.2)) уравнения (4) и (5) преобразуются к виду
Жт =А^ез + Qз; (10)
ЖТ = и&ез + 3 3. (11)
Данная запись уравнений энергетического баланса энергии при трении не противоречит рассуждениям, приведенным выше, дополняет их и обладает более широкой физической обоснованностью. Здесь индексами 3 обозначены составляющие энергетического баланса, аналогичные обозначениям соотношений (4) и (5), для случая трения в объеме «третьего тела» (вторичных структур).
Таким образом, термодинамический анализ процесса пластической деформации и разрушения контактного объема твердого тела позволяет получить обобщенные (двучленные) соотношения для трения.
Энергетическая интерпретация коэффициента трения
Для условий, характеризуемых малыми скоростями скольжения и незначительным тепловым эффектом трения (( = 0)уравнение энергетического баланса трения (8) представляет коэффициент трения Амонтона в обобщенном виде как
/ = £ = £ = и , 3 3 0. (12)
N N1 I
Следовательно, коэффициент трения Леонардо да Винчи (Амонтона) имеет глубокий физический смысл. С одной стороны, это параметр, характеризующий обобщенно сопротивление относительному перемещению (движению) поверхностей, ибо он отражает долю энергии, которая «уничтожается» трением в виде запасенной скрытой энергии АЦе, С другой стороны, это обобщенная характеристика повреждаемости, ибо он (коэффициент трения) определяется плотностью скрытой энергии Аие характеризующей меру
дефектности структуры и являющейся обобщенным параметром повреждаемости [3,4]. И здесь также можно сказать, что коэффициент трения однозначно отражает обобщенно структурное совершенство (несовершенство) деформируемого контактного объема [3,4], так как параметр Аие (АЦе) определяется энергией различного рода дефектов и повреждений,
накапливаемых в пластически деформируемых объемах тела, и в соответствии с основным выводом термодинамической теории прочности [3] является обобщенной характеристикой структуры (структурный параметр).
Обобщенные экспериментальные кривые трения
Полученные выше соотношения (8), (9) и (12) для коэффициента трения / находятся в хорошем соответствии с экспериментальными кривыми / = ¡и^, V) (рис. 3-5).
Последующий анализ [2] этих современных экспериментальных данных с использованием уравнений энергетического баланса трения (1)-(12) показывает, что экспериментальные кривые трения (рис. 3-5) типа / =,V) являются обобщенными экспериментальными кривыми трения, которые отражают эволюцию (изменение коэффициента трения) трибосистемы.
http://vestnik-nauki.ru
Sliding velocity, m/s
Рисунок 3 - Результаты экспериментов П. Конти [7]
Рисунок 4 - Результаты экспериментальных данных Watanabe [8] пары трения Найлон 6 -
Сталь
Рисунок 5 - Обобщение в интерпретации И.В. Крагельского [4] экспериментов по коэффициенту трения от скорости скольжения при различных удельных нагрузках: 1 -
малой; 2 и 3 - средней; 4 - значительной.
Закономерности эволюции трибосистемы
Эволюция трибосистемы, представленная в виде диаграммы (рис.6), имеет адаптивно-диссипативный характер (1)-(9)и отражает конкурентную (диалектическую) природу трения.
Эволюционная кривая имеет ряд принципиальных точек (1,2,3,4,5) переходных состояний трибосистемы, которые строго подчинены балансовому принципу трения; между этими точками существуют наиболее характерные области поведения трибосистемы, отражающие общие свойства её нелинейной динамики.
Так, можно видеть следующие условно обозначенные точки и этапы: 0-1- участок статического трения и деформационного упрочнения; 1 - точка предельного деформационного упрочнения; 1-2 - участок накачки избыточной энергии; 2 - точка схватывания и перехода внешнего трения во внутреннее (критической неустойчивости); 2-3 -участок образования диссипативных структур (формирование тепловой флуктуации в объеме трения); 3 - точка минимальной совместимости (максимальной фрикционности); 1-2-3 -
область самоорганизации; 3 — 41- участок совместимости; 4 - точка безызносности (аномально-низкого трения); 5 - точка термического схватывания.
и*-ди
и*=л1£
Ш* - Ше + А£/г, Аие - А ит } \Т/ -0,57>,<2 -пмп Г
Диапазон совместимости
0<лит<дит,
<$=>тах
Структуры Статические Динамические
Рисунок 6 - Структурно-энергетическая диаграмма эволюции трущихся поверхностей [2]. Обозначение на осях: N, V - нагрузка и скорость. /ст, /дш, /упр, /пл - статический,
динамический, упругий, пластический коэффициенты трения; ту, - температура
вспышки в контактном объеме трения в т.3 и температура плавления
Идеальная эволюция трибосистемы симметрична. Процесс начинается и заканчивается в областях упругого поведения. Между ними существует пластический максимум трения (сильно-возбуждённое состояние) как условие самоорганизации и приспособления;
В наиболее общем случае закономерности эволюции (адаптации) трибосистем можно
представить в виде двух этапов (рис.6). Первый (0-2) - этап возрастания плотности скрытой
* *
энергии Аие до предельной величины Аие в некотором критическом объеме трения V/ .
Второй (2-4) - этап структурного распада (трансформации) критического объема трения
*
(элементарной трибосистемы) V г на адаптивный Vadapt и диссипативный Vdis объемы. В
пределе (точка 4) этот этап характеризуется полным превращением адаптивного
критического объема Vadapt в объем диссипативный V*fs .
Обозначенные выше объемы характеризуют различные закономерности преобразования энергии внешнего механического движения при трении. Адаптивный объем Vadapt связан с необратимым поглощением энергии деформации. В этом объеме
происходит накопление скрытой энергии деформации Aue и зарождаются очаги разрушения. Диссипативный объем V^js способен обратимо трансформировать (рассеивать)
энергию внешнего движения. В нем не происходит накопления скрытой энергии деформации за счет протекания обратимой упруго-вязкопластической деформации.
Предложенные теоретические и расчетные оценки [2] показали, что диссипативный объем трения осуществляет обратимую упругую трансформацию энергии внешнего
r *
механического движения с плотностью q , равной критической плотности скрытой энергии
*
Ue.
Кульминацией эволюции трибосистемы является её конечное и предельное состояние точки 4 - состояние аномально-низкого трения и безызносности (максимальной работоспособности).
Показано [2], что величина минимального адаптивного объема трения V^^pf,
„min
соответствующая нулевому значению пластической компоненты трения И-а(аар^ = ßelast, не
равна нулю, а равна размеру некоего минимального структурного элемента деформируемого твердого тела.
Представляет научный интерес анализ этого минимального структурного устройства при трении в аспекте общего феномена приспособления при трении за счет самоорганизации.
Структурно-энергетические и физические закономерности самоорганизации и синергии
Анализ закономерностей самоорганизации при трении будем проводить с учетом уравнений энергетического баланса трения (1)-(11), энергетической интерпретации коэффициента трения (12), существования обобщенных экспериментальных кривых трения (рис. 3-5). Здесь особо значима перестройка [1] кривой Wanatabe (рис. 4) к виду кривых мощности трения Wf и мощности внешних сил N • v (рис. 7). Кривая (рис.4) перестроена к
трем кривым (рис.7). На первой кривой (рис.7а) зависимости коэффициента трения от нагрузки (при разных скоростях) и обозначена горизонтальная линия, которая пересекает кривые коэффициентов трения на уровне единичной величины. Обозначены точки 1 и 3 на восходящих и нисходящих ветвях этих кривых. Максимум кривых трения - это точки 2. На рис.7б видно, что в точках 1 и 3 имеет место пересечение кривых работы (мощности) трения Wf и параметра Nv, что есть работа (мощность) внешних сил. Соответственно между этими
точками имеет место превышение значений мощностей трения W f над значениями работ
внешних сил Nv. За точками 3, наоборот, значения мощности трения Wf ниже значений
параметра Nv .
Область 0-1 (рис. 6) - подготовительный (начальный) этап. Дислокационный механизм пластической деформации. Формирование критического объема трения V* и
накопление энергии дислокационного упрочнения предельной величины А^р • Процесс
накопления скрытой (потенциальной) энергии дефектов рассогласован с процессом ее высвобождения. До точки 1 накопленная энергия трения рассеивается после отделения частицы износа от объема поверхности трения, т.е. здесь нет совместности действий (одновременности) или синергизма.
2,0
- 2 { □ 2
2 Л 1 \
/у/у/ \з *
тежт Г*
100 200 300 5
400
№ 200 300 т н, н
Рисунок 7 - Зависимости коэффициента трения ц( а ), мощности трения ц&т (сплошная линия), и параметра n • v (пунктирная линия) (б) от нагрузки пары Найлон 6 - сталь [2]: I-У = 1 м / с; II - 0,6; III - 0,3; IV-V = 0,1 м / с
Точка 1 - точка равновесия. Коэффициент трения имеет балансовое значение -единица (см. рис.6, 7). В точке 1 исчерпываются возможности пластической деформации по
дислокационному механизму. В точке 1 образуется критический объем трения Vf. Это
наименьший контактный объем, накопивший предельную плотность энергии дислокаций
Аие . По существу, образовался объем элементарной трибосистемы, т.е.
системы способной далее трансформировать и динамически рассеивать энергию. Это точка предельного дислокационного (деформационного) упрочнения критического объема трения
Vf . Точка 1 - это точка начала самоорганизации.
Как видно из эксперимента (рис. 7а и б) мы имеем равенство мощности (работы) трения Ц&^ мощности (работе) внешних сил N.
Ж= ^L^Nv = ^.
http://vestnik-nauki.ru
Ж г
Отсюда получаем условие / = —— = 1,0, которое соответствует экспериментальной величине
Ш
коэффициента трения / = 1,0 (см. рис.7а). Соответственно, энергетическая интерпретация коэффициента трения (12) показывает
/ = ^ = 1,0.
М-
В точке 1 имеет место равенство (см. рис.7в) работы внешних сил N работе трения Ж* и накопленной потенциальной энергии дислокационного упрочнения Аи*0 в критическом
объеме трения V* : т = Ж* =Аи(
ев-
Материаловедческий аспект
На условной схеме (рис.8а) показано как критический объем трения V* покрыт
сеткой линий дислокационных скольжений с дислокациями на них, которые образуют «леса дислокаций», т.е. состояние предельного дислокационного упрочнения. Такое состояние
критического объема трения V*, можно представить эквивалентной схемой (рис.8в), на
которой показано, что только половина этого объема заполнена дислокациями (дислокации
как большие дефекты не могут заполнить всю кристаллическую решетку объема трения V* ).
Рисунок 8 - Условные схемы накопления потенциальной энергии Аи*в на линиях дислокационных скольжений в критическом объеме трения V*
Синергия области 1-2
Работа (трансформация) внутренних энергетических полей предельного дислокационного упрочнения АЦ*в затрачивается на образование внутренних
энергетических полей вакансий АU(*v в критическом объеме трения V*. Самоорганизация
началась и именно как самостоятельный процесс! В точке 1 объем трения V* обладает
запасом накопленной потенциальной энергии дислокаций Аи*в, которая способна
совершать работу образования вакансий.
Собственно, точка 1 - это точка начала самоорганизации. Точка 1 находится в зоне всестороннего, неравномерного сжатия Г = N и обладает предельным запасом накопленной
энергии Аи*в. Но система (рис.6) эволюционирует далее. Почему? Самоорганизация! Что
это значит? Она далее организуется самостоятельно.
Механизм начала самоорганизации
В точке 1 очаги предельного деформационного (дислокационного) упрочнения в условиях всестороннего неравномерного сжатия (давление плюс сдвиг (Бриджмен)) становятся источниками образования неравновесных вакансий (совершают работу), которые начинают накапливаться в областях кристаллической решетки (рис.9а), свободных от дислокаций. Таким образом, совершается работа внутренних сил по накоплению энергии
вакансий. Далее на этапе 1-2 накапливается энергия вакансий АЦ^, равная энергии
дислокационного упрочнения точки 1, т.е. АU?v = АЦ?в • Материаловедческий аспект
На условной схеме (рис. 9а) показано, что вакансии заполняют места кристаллической решетки, которые свободны от дислокационных линий скольжения и дислокаций на них. Источниками этих вакансий становятся очаги предельного деформационного (дислокационного) упрочнения. Таким образом, работа внешних сил N = Ж* от точки 1 и
выше поддерживает уровень постоянной плотности энергии АЦ^В предельного дислокационного упрочнения, а очаги деформационного пересыщения (упрочнения) накачивают энергию вакансий АЦ^ в участки кристаллической решетки, свободные от
дислокаций. Мы имеем совместное действие двух равных энергетических полей Му = АЦВ •
Такое состояние критического объема трения V? можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 9в.
Рисунок 9 - Условные схемы накопления потенциальной энергии вакансий АU?v в областях кристаллической решетки, свободных от областей дислокационного упрочнения с энергией
АЦВ в критическом объеме трения V?
Объем трения V? после точки 1 становится элементарной трибосистемой, как
самостоятельный трансформатор энергии - он способен не только накапливать энергию, но и одновременно ее высвобождать! Заработала синергия - одновременная работа двух
противоположных равностей - накопление энергии АЦ?в и ее высвобождение АU?v • В
области 1-2 состояние уникальное. Система высвобождает накопленную потенциальную
энергию АЦВ по механизму одновременного накопления потенциальной энергии АЦ^ •
Точка 2 - точка равновесия
Это точка супервозбужденного состояния - состояние равновесия далекое от состояния исходного (нулевого) равновесия. В точке 2 (рис.9а) имеем равенство плотностей
накопленной потенциальной энергии дислокационного упрочнения АЦВ и накопленной потенциальной энергии вакансий АU?v в критическом объеме трения V?. Такое состояние
критического объема трения V? можно представить эквивалентной схемой, показанной на
рис. в. В точке 2 накапливается скрытая (потенциальная) энергия дефектов, равная двойной
энергии предельного деформационного упрочнения точки 1, т.е. 2 • АЦ? = АЦ^В + АU?v .
Состояние точки 2 уникальное - характеризуется двойным балансом энергии. Коэффициент трения имеют величину равную двум (рис.6 и рис7.). Поэтому на экспериментальной кривой трения (рис.9в) мы видим, что в точке 2 работа трения Ж* в два раза выше работы внешних
сил N. Принцип двойного баланса энергии точки 2 - характерный признак самоорганизации.
Синергия области 2-3
Взаимодействие равных энергетических полей дислокаций АЦ?в и вакансий АU?v в
критическом объеме трения V? с развитием процесса возврата накопленной потенциальной энергии за счет аннигиляции дефектов кристаллического строения. Имеет место трансформация половины скрытой потенциальной энергии АЦ?в + АЦ^ точки 2 в
тепловую энергию АЦ? . Имеем явный синергизм - взаимодействие равных энергетических полей, определяющих последующую трансформацию.
Материаловедческий аспект
Здесь, вакансии как точечные (самые малые) дефекты кристаллического строения создают возможность для развития далее процесса пластической деформации. Дислокаций начинают двигаться за счет, так называемого, механизма диффузионного (вакансионного) переползания дислокаций. Вакансии - это самые легкоподвижные дефекты, которые ускоряют все процессы и в данном случае процесс пластической деформации. Дислокации идут на стоки - поверхность, межзеренные границы, встречаются дислокации противоположных знаков и восстанавливается целостность кристаллической решетки. Реализуется полноценный возврат накопленной потенциальной энергии - трансформация
части её в связанную, тепловую составляющую внутренней энергии АЦ?. Имеет место
эффект саморазогрева критического объема трения АЦ? = V*?•p•Cp • ёТ*. Это природа
температурной вспышки Т* в объеме и на контакте трения.
Точка 3 - точка равновесия
Коэффициент трения в точке 3 опять равен единице (см. рисунки). Это равенство накопленной внутренней потенциальной энергии дефектов АЦ? внутренней тепловой
(кинетическая составляющая внутренней энергии) энергии АЦ? :
АЦ? = АЦев + АUev = АЦ? = Q (рис.10а). Такое состояние критического объема трения V? можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис.10в, где одна половина критического объема трения V? обладает запасом потенциальной энергии дислокаций и
вакансий АЦ? = АЦе в + АUev, а вторая половина обладает энергией теплового эффекта
трения АU? = Q .
http://vestnik-nauki.ru
¿¡Лд^ + дЦ-
a
au;
Рисунок 10 - Условные схемы равновесного состояния накопленной внутренней потенциальной энергии дислокаций и вакансий Аи^ = Аие п + АUev и тепловой
(кинетической) составляющей внутренней энергии АиТ = 0 в критическом объеме трения
В итоге образовался динамический энергетический осциллятор (самостоятельный трансформатор) - он способен рассеивать часть внутренней энергии - кинетическую
составляющую энергии АЦт по механизму температуропроводности перпендикулярно поверхности трения вглубь ее. Однако - это медленный канал рассеяния энергии 0 - на это нужно время.
Область самоорганизации 1-2-3
Принцип точки 2 с двойным коэффициентом трения и принципом двойного баланса энергии обобщенно характеризует синергию самоорганизации. С одной стороны, накопление
потенциальной энергии Аи^ и изменение коэффициента трения от единицы в точке 1 до
двух в точке 2, с другой стороны, высвобождение такой же части потенциальной энергии и
превращение ее в тепловую АиТ энергию с уменьшением коэффициента трения от двух в точке 2 до единицы в точке 3.
В итоге эволюция контакта трения, благодаря самоорганизации, создает состояние точки 3, которое выгоднее состояния точки 1 и точки 2. В точке 3 контакт трения
(элементарная трибосистема) обладает запасом тепловой энергии 0 = АиТ, которая может высвободиться. Другая же часть энергии - потенциальная, может трансформировать в тепловую. При этом как мы видим из эксперимента рис. мощность трения и работа внешних сил в точке 3 значительно, в несколько раз, выше подобных точки 1. Синергия области 3-4
Взаимодействие (совместное действие) двух равных энергетических полей дислокаций и вакансий Аи"Т=Аие^ +АUev (потенциальной составляющей внутренней
энергии) критического объема трения VfТ и тепловой энергии саморазогрева АиТ = 0
(кинетической составляющей внутренней энергии). Итогом такого взаимодействия будет образование диссипативных структур трения, рассеивающих накопленную энергию
составляющей баланса 0 = VJ• 4*.
Материаловедческий аспект
Температура в объеме трения Ту точки 3 равна половине температуры плавления
(0,5Т$) наиболее легкоплавкого материала пары трения. Это характерная температура, как
рекристаллизации (самоорганизация новой, равноосной структуры взамен предельно деформированной (искаженной дефектами)), так и начала протекания химических реакций
http://vestnik-nauki.ru
внутри объема трения, который на стадии 2-3 пообщался с веществом окружающей среды и реализовал эффект самолегирования. Дефекты выходили на поверхность, а внутрь заходило вещество окружающей среды и т.д. Реализовалась синергия равных энергетических потенциалов активированной поверхности (активных центров) и активного вещества окружающей среды.
Диссипативные структуры трения
В результате синергетического эффекта в области 3-4 образуются диссипативные структуры трения (третье тело [4] или вторичные структуры [9]). Эти диссипативные структуры трения обладают свойством быстрого рассеяния энергии теплового эффекта
трения Q (см. рис.). Основной особенностью этих структур в том, что здесь реализуется принцип структурного рассеяния накопленной энергии - энергия рассеивается на структурный элемент (а не внутрь его) в виде упругой энергии, а затем структурные элементы упруго взаимодействуют и совершают совместную работу (ротационные моды развитой пластической деформации) упруго-вязко-пластического течения (сдвига). Плотность энергии динамического диссипативного рассеяния q равна критической
накопленной плотности Аы*е потенциальной энергии. Система контактного объема трения
V*f находится в условиях потока энергии критической плотности. При этом рассеяние
энергии диссипативными структурами совершается в направлении движения в отличие от
перпендикулярного направления рассеяния энергии Q = Aüj. Рассеиваемая энергия
диссипации Q - это быстрый аналог теплопроводности. Подробная физическая модель диссипативных структур рассмотрена ниже в модели механического (нано) кванта.
Точка 4' - точка равновесия (рис.11). Эта точка располагается на уровне коэффициента трения, равного 0,5. Здесь состояние равновесия, которое определяется равенством работы трения Wf мощности теплового эффекта диссипативного трения Q. В
сумме обе эти балансовые составляющие равны работе внешних сил Nv (рис.). Окрестности этой точки в области 3-4 (рис. 6,7) могут иметь широкий диапазон структурного устройства
критического объема трения Vfr, в котором доля диссипативного объема трения V^s будет
изменяться от минимума (точка 3) до максимума (точка 4). Соответственно доля адаптивного объема трения Vacfapt будет меняться обратно пропорционально изменению Vdjs .
Рисунок 11 - Условные схемы состояния критического объема трения Уу в области
совместимости (область 3-4 на рис.6)
Точка 4 - точка идеального равновесия (рис. 6 и рис. 11). Состояния и свойства этой точки представлены ниже в идее механического (нано) кванта, как аттрактора предельного цикла для процесса пластической деформации при трении. Максимальная реализация синергии - совместного действия.
http://vestnik-nauki.ru
Идея механического (нано) кванта
Итогом идеальной эволюции элементарной трибосистемы является образование уникальной наноструктуры - механического (нано) кванта. Строгие представления о механическом кванте получены [2,10], рассматривая для т.4 диаграммы эволюции трения уравнение квазиидеального твердого тела
Q* = SqT = HdiSNlf = U*e= VfU*e = Vf q* = const , (13)
которое есть частный случай решения уравнений энергетического баланса трения (8), при
f^adapt = 0 и ßdis = 1 = fdis. Здесь Sq - инерционная энтропия совместимого объема
трения; T - характеристическая температура контактного объема трения; lf - линейный
размер объема трения.
Соответственно, в условиях максимальной совместимости (т.4), когда трибосистема реализует полный эволюционный цикл приспособления с образованием наиболее совершенной, диссипативной структуры, ее (структуры) поведение подчиняется уравнению состояния квазиидеального твердого тела, т.е. следует полагать, что взаимодействия между элементами этой структуры минимизированы - состояние идеальной упругости в динамике. Уравнение (13), с учетом формулы Планка-Больцмана S = k ln W и реального числа
атомных осцилляторов Nf в объеме элементарной трибосистемы V* , приводится к виду
SQT kTNf ln W
fcUss =---; (14)
diss Nif Nif
kTNf ln W SqT = SUT
ßadapt 1 ßdiss 1 Nif 1 Nif Nif ' (15)
объясняющему закономерности трения с точки зрения эволюции систем. Трибосистема всегда стремится к некоторому оптимальному состоянию, характеризуемому jadapt, т.е. к
наиболее вероятному состоянию W' = Nf ln W для данных условий трения. Здесь Nf -
число атомов (осцилляторов) в объеме трения V^jS = Vf. Здесь к - постоянная
Больцмана; W - вероятность состояния; Su - конфигурационная энтропия совместимого объема трения.
Анализ и решение этих уравнений [2] позволяет показать принцип постоянства величины вероятности (параметра состояния (порядка) трибосистемы) W для всего
диапазона совместимого трения, а именно ln W = 3 и W = e = 20,08553696.
Число термодинамической вероятности состояния W, равное 20,08553696 было интерпретировано [2] как наименьшее число линейных, атомных осцилляторов в одном из
трех направлений минимального адаптивного объема трения VOjapf, соответствующего
состоянию практически абсолютного упругого трения - аномально низкого трения
(безопасному порогу деформации). Соответственно число атомных осцилляторов в этом
объеме равно Ж3 = 8103,083969.
С другой стороны, принимая смысл энтропии Б по Больцману, получена универсальная постоянная трения Яу = кИу [2], которая по физическому смыслу
характеризует «энергетический размер» элементарной трибосистемы (ТБ), содержащей в идеальных условиях одинаковое число атомных осцилляторов N у (механических квантов
Ио).
Яу = к-Иу = к Ж3-Ид = яМд-Ид ( -ДЖтя ) (16)
ЯМ0 = к-Ж3 ( ДЖ ). (17)
М0 град-МО
Как следует из расчетов [2], размер минимального адаптивного объема трения
^ата^р^ по своей величине совпадает с размером субмикроскопической зоны в устье
трещины, которая для металлов равна (4 + 9)-10-6мм, т.е. с размером критического объема, ответственного за разрушение. Таким образом, размер минимального адаптивного объема
трения = , можно представить как размер некоего механического «Кванта».
Этот механический квант представляет собой минимальное число атомов, способных обеспечить такое их конфигурационное распределение (структуру), которое обладает свойством обратимо воспринимать и рассеивать (возвращать) энергию внешнего механического движения (воздействия). Он также представляет собой наименьшее структурное образование в условиях пластической деформации и образуется при переходе трибосистемы (деформируемого объема) через предельно активированное (критическое) состояние (рис.2) вследствие развития самоорганизационных процессов адаптации
трибосистемы. Расчеты показывают, что в объеме трения V^ число таких механических
8
квантов равно числу 0,63 10 [2], т. е. безопасному числу циклов усталости.
Механический квант сам по себе является динамическим осциллятором диссипативных структур трения и его линейный размер равен радиусу сферического идеального кристалла:
В0 = 2 Ямо = 3
3-ж 3-йЪа
4-п
= 7,177 нм. (18)
Здесь da - средний атомный диаметр.
Собственно механический квант следует рассматривать как элементарную наноструктуру металлического твёрдого тела. На рис. 12 представлена сконструированная модель этого атомарно-шероховатого теоретического кристалла [2,10-13], состоящего из 8103 кубических атомных ячеек.
http://vestnik-nauki.ru
Рисунок 12 - Модель идеального кристалла элементарной наноструктуры контакта
трения [10-13]
Взаимное ротационно-колебательное движение этих механических квантов относительно друг друга внутри элементарной трибосистемы определяет состояние наиболее совершенной диссипативной структуры трения. Собственно, такое состояние описывается уравнением состояния квазиидеального твердого тела (13), состояния, когда взаимодействие между элементами структуры (механическими квантами) минимизировано - состояние идеальной упругости квазивязкого течения. Расчетный коэффициент трения между квантами
равен, примерно 10 8 [2,10-13].
Синергизм совместимой трибосистемы и оптимальность состояния
Идеальное, квазиупругое состояние контакта трения при его полной эволюции представляет собой эффект наиболее полного рассеяния энергии внешнего механического движения на вновь образованные (по механизму самоорганизации в окрестности критического состояния) структурные элементы - механические кванты (динамические осцилляторы). Эти осцилляторы реализуют наиболее полное ротационно-колебательное их поведение относительно друг друга в объёме элементарной трибосистемы. При этом сопротивление их относительному взаимодействию минимально - упруго и соответствует упругости идеальных атомарных (термодинамически равновесных) взаимодействий.
Универсальные константы механического кванта и элементарной трибосистемы (материальной точки) определяют как квантовую модель демпфирования поверхностей
3rmqt щ и 1Qnj щ л ; . _ ndest
Mdis _-—-_—-_-_ 1 - M adapt ; M_ 1--_-, (19)
N lf U Qn* n* n* n*
учитывающей кванты разрушения ndest (необратимая компонента процесса) и кванты демпфирования ni (обратимая, упругая компонента (число усталости)), так и вероятностную модель эволюции трибосистемы к наиболее упорядоченному состоянию
rft ln wi ln wi
Madapt _ 1 - M dis _ 1--—,-_ 1 ■ (20)
y n lf ln w*
Здесь ЯМд постоянная деформирования (трения); 3ЯМдТ = энергия одного
механического кванта; Ж и Ж* - текущая и предельная вероятности состояний совместимых трибосистем.
Согласно модели квантового демпфирования поверхностей при трении в условиях наиболее полной эволюции (адаптации) элементарной трибосистемы все механические
кванты за исключением одного, упруго и обратимо трансформируют энергию внешнего воздействия (механического движения). Один механический квант излучения (= 8103 атомов) - есть минимальная потеря (существо безызносности или же стандарт износа).
Собственно, принцип механического кванта определяет наноквантовые уровни всех параметров трения совместимых трущихся поверхностей [10-13] и др.
Таким образом, можно говорить о синергизме при эволюции трения, который проявляется в возникновении действительно новых свойств у целого, элементарной трибосистемы, образованной в т.2 - центре самоорганизационных процессов. Эти новые свойства есть существо коллективного, действительно совместного, взаимодействия совокупности механических (нано) квантов в т.4 идеальной эволюции трибосистемы. Нанокванты как трибоподсистемы в их упругом взаимодействии реализуют наивысшую совместимость трибоматериалов и соответственно максимум долговечности элементарной трибосистемы.
Механический квант, следовательно, можно рассматривать как наименьшее количество твердого тела, обладающего признаком последнего. Этот квант действительно механический, ибо следующим самостоятельным структурным и материальным образованием будет атомная структура. Таким образом, механический квант являет собой именно асимптотически устойчивый аттрактор типа предельного цикла для деформируемого твердого тела. Он действительно представляет предел в структурной эволюции твердого тела и характеризует предельную долговечность рабочего цикла трущейся пары.
Выводы
1. В наиболее общем случае, с термодинамической точки зрения, самоорганизация начинается с реализации внутри трибосистемы принципа синергии - равенства совместного действия двух взаимосвязанных и противоположных тенденций: накопления внутренней энергии, и ее высвобождения.
2. Самоорганизации предшествует процесс формирования элементарной трибосистемы - критического, наименьшего объема трения, накопившего энергию дислокационного упрочнения предельной плотности (точка 1). Здесь работа внешних сил и работа трения равны накопленной скрытой (потенциальной) энергии дислокационного упрочнения. До формирования критического объема трения нет синергизма, поскольку процессы возврата накопленной энергии деформации протекают внутри частицы износа уже после ее отделения от поверхности трения.
3. Критический объем трения с накопленной потенциальной энергией дислокационного упрочнения предельной плотности (точка 1) попадает в область всестороннего и неравномерного сжатия, что стимулирует развитие самоорганизации. Очаги предельного дислокационного упрочнения становятся самостоятельными и внутренними источниками образования неравновесных вакансий, которые «впрыскиваются» в области критического объема трения, свободные от дислокаций. Накопление энергии вакансий протекает по механизму высвобождения энергии дислокаций.
4. Формируется критический объем трения (элементарная трибосистема) с сильновозбужденным состоянием (точка 2) - равенство плотности накопленной, потенциальной энергии неравновесных вакансий, плотности потенциальной энергии очагов дислокационного упрочнения. Имеет место двойной баланс энергии - работа внешних сил затрачивается на накопление предельной плотности потенциальной энергии дислокационного упрочнения, а работа внутренних источников дислокационного упрочнения затрачивается на накопление потенциальной энергии вакансий.
5. Взаимодействие равных потенциальных полей вакансий и дислокаций (точка 2) создает возможность трансформации (возврата) внутри критического объема трения половины накопленной потенциальной энергии деформации (дефектов) в энергию
связанную, тепловую: формируется температурная вспышка в объеме трения - эффект саморазогрева.
6. Образуется статический осциллятор (трансформатор) энергии при трении (точка 3), обладающий свойством рассеивать накопленную энергию в окружающую среду. Это медленный, температурный (статический) канал возврата энергии.
7. Взаимодействие равных энергетических полей накопленной внутренней энергии критического объема трения - потенциальной энергии дефектов (вакансий и дислокаций) и тепловой (кинетической) энергии структурных элементов создает возможность трансформации накопленной внутренней энергии в энергию упругую, рассеянную между новыми (рекристаллизованными) структурными элементами (точка 4)- механическими (нано) квантами (трибоподсистемами).
8. Механический (нано) квант (трибоподсистема) представляет собой минимальное
число атомов (8103,083969.......... атомных осцилляторов), способных обеспечить такое их
конфигурационное распределение (структуру), которое обладает свойством обратимо воспринимать и рассеивать (возвращать) энергию внешнего механического движения (воздействия). Он также представляет собой наименьшее структурное образование в условиях пластической деформации и образуется при переходе трибосистемы (деформируемого, критического объема трения) через предельно активированное, сильновозбужденное состояние, вследствие развития самоорганизационных процессов адаптации трибосистемы. В критическом объеме трения (точка 4) число таких механических квантов равно, примерно 63 млн., что соответствует безопасному числу циклов усталости.
9. Механический квант сам по себе является динамическим осциллятором (основой) диссипативных структур трения. Эти нано-структуры упруго взаимодействуют и совершают совместную работу (ротационные моды развитой пластической деформации) упруго-вязко-пластического течения (сдвига). Плотность энергии динамического диссипативного рассеяния равна критической накопленной плотности потенциальной энергии критического объема трения в точке 2. Система контактного объема трения находится в условиях потока энергии критической плотности. При этом рассеяние энергии диссипативными структурами (точка 4) совершается в направлении относительного движения поверхностей в отличие от перпендикулярного направления рассеяния энергии статическим температурным механизмом (точка 3).
10. Собственно, механический (нано) квант является аттрактором предельного цикла для процесса пластической деформации при трении. Максимальная реализация синергии -совместное действие трибоподсистем с минимальным упругим взаимодействием (точка 4). Здесь состояние равновесия определяется равенством мощности внешних сил мощности теплового эффекта динамического, диссипативного трения. Реализуется максимальная нагрузочная способность трибосистемы - внешняя нагрузка воспринимается на внутреннем уровне элементарной трибосистемы (контакта) упруго. Аномально-низкое трение и минимальная контактная потеря в виде одного механического кванта (стандарт износа) за акт нагрузки на контакт, т. е. наивысшая усталостная прочность и долговечность «безызносность» - эффект естественной твердой смазки (сервовитная пленка).
11. Синергия - это взаимодействие и совместное действие двух и более равных энергетических полей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Assenova E., Complexity of Contact Systems: Self-organization and Synergetic Approach in Tribology, Proc. of the 15th international conference on Tribology «SERBIATRIB'17» (17-19 May 2017), Kragujevac, Serbia, 2017, pp. 18-23.
2. Фёдоров С.В. Основы трибоэргодинамики и физико-химические предпосылки теории совместимости. Калининград: Изд-во КГТУ, 2003. 415 с.
3. Фёдоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твёрдых тел. Ташкент: Изд-во Фан, 1979. 186 с.
4. Фёдоров В.В. Основы эргодинамики и синергетики деформируемых тел. Часть 1. Основы физической механики деформируемых тел (состояние проблемы). Калининград: Изд-во КГТУ, 2012. 159 с.
5. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчётов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
6. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твёрдых тел. Москва: Машиностроение, 1968. 543 с.
7. Крагельский И.В., Щедров В.С. Развитие науки о трении. Москва: АН СССР, 1956. 235 с.
8. Lancaster I.K. Basic Mechanisms of Friction and Wear of Polimers. Plastics and Polymers, 1973. V. 41, pp. 296-306.
9. Поверхностная прочность материалов при трении / Под редакцией Костецкого Б.И. Киев: Технка, 1976. 276с.
10. Фёдоров С.В. Основы эргодинамики деформируемых тел и трибоэргодинамики // Приложение к журналу. Справочник. Инженерный журнал, 2010. № 8. 24 с.
11. Fedorov S.V. The Mechanical Quantum of Dissipative Friction Structures is the Elementary Tribonanostructure/ Proceedings of World Tribology Congress (6-11 September 2009): Japanese Society of Tribologists. Kyoto, Japan, 2009, p. 926.
12. Fedorov S.V. Generalized Energy Model of Sliding Friction Coefficient and Regularities of Tribosystem Evolution [Электронный ресурс]. V WTC2013. Turino, Italy, 2013
13. Fedorov S.V. Nano-Quantum Standard of Wear [Электронный ресурс]. VI WTC2017, Beijing, China, 2017.
REFERENCES
1. Assenova E., Complexity of Contact Systems: Self-organization and Synergetic Approach in Tribology, Proc. of the 15th international conference on Tribology «SERBIATRIB'17» (17-19 May 2017), Kragujevac, Serbia, 2017, pp. 18-23.
2. Fedorov S.V. Osnovy triboergodinamiki i fiziko-khimicheskie predposylki teorii sovmestimosti [Bases of triboengineering and physico-chemical preconditions of the theory of compatibility]. Kaliningrad: KGTU Publ., 2003. 415 p.
3. Fedorov V.V. Termodinamicheskie aspekty prochnosti i razrusheniya tverdykh tel [Thermodynamic aspects of strength and fracture of solids]. Tashkent: Fan Publ., 1979. 186 p.
4. Fedorov V.V. Osnovy ergodinamiki i sinergetiki deformiruemykh tel. Chast' 1. Osnovy fizicheskoy mekhaniki deformiruemykh tel (sostoyanie problemy) [Bases of ergodynamic and synergetics of deformable bodies. Part 1. Fundamentals of physical mechanics of deformable bodies (as problems).]. Kaliningrad: KGTU Publ., 2012. 159 p.
5. Kragel'skiy I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Osnovy raschetov na trenie i iznos [Fundamentals of calculations on friction and wear]. Moscow: Mashinostroenie, 1977. 526 p.
6. Bouden F.P., Teybor D. Trenie i smazka tverdykh tel [Friction and lubrication of solids]. Moscow: Mashinostroenie, 1968. 543 p.
7. Kragel'skiy I.V., Shchedrov V.S. Razvitie nauki o trenii [Geneously the science of friction]. Moscow: USSR SA Publ., 1956. 235 p.
8. Lancaster I.K. Basic Mechanisms of Friction and Wear of Polimers. Plastics and Polymers, 1973. V. 41, pp. 296-306.
9. Poverkhnostnaya prochnost' materialov pri trenii [Surface strength of materials in friction] / Edit. Kostetsky B.I. Kiev: Tekhnika Publ., 1976. 276 p.
10. Fedorov S.V. Osnovy ergodinamiki deformiruemykh tel i triboergodinamiki [Bases of ergodynamic deformable bodies and triboengineering] Prilozhenie k zhurnalu. Spravochnik. Inzhenernyy zhurnal, 2010. No 8. 24 p.
11. Fedorov S.V. The Mechanical Quantum of Dissipative Friction Structures is the Elementary Tribonanostructure Proceedings of World Tribology Congress (6-11 September 2009): Japanese Society of Tribologists. Kyoto, Japan, 2009, p. 926.
12. Fedorov S.V. Generalized Energy Model of Sliding Friction Coefficient and Regularities of Tribosystem Evolution [Electronic resource]. V WTC2013. Turino, Italy, 2013.
13. Fedorov S.V. Nano-Quantum Standard of Wear [Electronic resource]. VI WTC2017, Beijing, China, 2017.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Фёдоров Сергей Васильевич Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теории механизмов и машин и деталей машин,
E-mail: fedorov@klgtu.ru
Fedorov Sergey Vasilievich Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia, Chairman of Theory of Mechanisms and Machines and Machine Parts Department, Doctor of Technical Science, Professor, E-mail: fedorov@klgtu.ru
Ассенова Эмилия
Общество трибологов Болгарии, София, Болгария, доктор технических наук, профессор,
E-mail: emiass@abv.bg
Assenova Emilia
The Society of Bulgarian Tribologists, Sofia, Bulgaria, Doctor of Technical Science, Professor,
E-mail: emiass@abv.bg
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 236022, Калининград, Советский пр., 1, КГТУ, ГУК, каб. 310. Фёдоров С.В.
8(4012)99-53-45
