Кинетические зависимости

Разработанные модели массопереноса для плоских слоев покрытий используют феноменологический аппарат диффузии, позволяющий моделировать кинетические закономерности массопереноса на движущихся межфазных границах, начиная со стадии смачивания (граничная кинетика растворения) и до полного исчезновения расплава ив зазора (изотермическая кристаллизация), включая кинетические особенности контактного плавления. В моделях применен метод интегрального решения уравнений диффузии для твердой и жидкой фаз при соответствующих начальных, граничных условиях и условии мас-собаланса на движущихся границах в полиномиальном приближении. Расхождение аналитических расчетов с численным моделированием не превышает 1—2%, а с экспериментом 5—10%.

Рис. 4.1. Кинетические закономерности изнашивания 1-111. 1-5 - см. пояснения в тексте

В настоящей работе сообщаются данные о некоторых особенностях реакционной диффузии при насыщении поверхности тугоплавких металлов бериллием из паровой фазы в интервале температур 1000—1200° С. Определены природа фаз и последовательность их возникновения в процессе отжига. Установлены кинетические закономерности роста реакционного слоя и каждой фазы. Высказывается предположение об участии компонентов в процессе диффузии через реакционный слой.

Реализованный процесс уже несет в себе информацию о многопараметрическом внешнем воздействии через интегрально реализованную реакцию на это воздействие в виде процесса роста трещины. Если он может быть восстановлен из анализа созданной свободной поверхности — излома, то он может быть охарактеризован через механические характеристики простого тестового опыта. Через тестовый (стандартный) опыт, в котором установлены кинетические закономерности роста усталостных трещин, может быть полностью смоделирован (прогнозируем) или восстановлен (экспертиза разрушения) процесс реализованного разрушения путем введения эквивалентных характеристик или параметров механики разрушения. Такое представление может быть осуществлено на основе принципов синергетики в физике и меха-

ния в развитии усталостной трещины связан с понижением ускорения утраты устойчивости материала. Сохранение предыдущего масштабного уровня процессов деформации и разрушения приводит к быстрому разрушению. Далее будет показано, как такие ситуации могут быть реализованы на практике при нагружении элементов конструкций и что нужно предпринимать для предотвращения такой драматической ситуации. Второй переход отвечает нарушению принципа однозначного соответствия, и он также может быть предотвращен, если будут изменены условия нагружения. Наконец, наступает последняя точка бифуркации, когда начинается нестабильное разрушение. Ее нельзя избежать при росте трещины в случае постоянного нагружения элемента конструкции неизменной нагрузкой. Однако при создании конструкций с перераспределяющейся нагрузкой на другие элементы по мере роста трещины можно существенно отодвинуть момент (во времени и по длине трещины) наступления коллапса — окончательного разрушения элемента конструкции. Чтобы реализовать это на практике, необходимо представлять себе каковы именно кинетические закономерности развития усталостных трещин и каким образом они могут быть представлены математически с единых позиций на основе синергетического подхода в анализе эволюции открытых систем.

Далее последовательно рассматривается влияние на развитие усталостных трещин асимметрии одноосного цикла, затем двухосного нагружения и, наконец, совместное их влияние. Во всех случаях сопоставляются два процесса развития разрушения материала — у поверхности анализируются кинетические закономерности, оцениваемые по скорости ее роста, а в срединных слоях анализируются механизмы роста трещины и закономерность изменения параметров рельефа, преимущественно усталостных бороздок, в результате изменения условий внешнего воздействия.

Процессы разрушения и деформирования при ползучести являются термоактивированными кинетическими процессами и происходят одновременно в течение практически всего времени пребывания материала под нагрузкой. Изучение процесса разрушения должно происходить в тесной связи с изучением процессов деформирования при ползучести. Поэтому прежде, чем рассматривать морфологические особенности разрушения, рассмотрим различные температурно-силовые области, в которых в основе процессов ползучести и разрушения лежат разные механизмы, вызывающие кинетические закономерности накопления деформации и несплошностей при ползучести. Этой цели служат так называемые карты механизмов ползучести и разрушения.

Для построения таких карт были изучены кинетические закономерности ползучести, дислокационная структура стали и морфология разрушения в области температур ее эксплуатации. Эта область температур является переходной от низкотемпературной к высокотемпературной ползучести.

Рассмотрим кинетические закономерности без учета диффузионных ограничений, что справедливо, например, для коррозионно-усталостных процессов при циклическом нагружении.'

Рассмотрим кинетические закономерности без учета диффузионных ограничений, что справедливо, например, для коррозионно-усталостных процессов при циклическом нагружении.

4. КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ВОДОРОДНОЙ КОРРОЗИИ СТАЛИ

Рис. 1.4. Кинетические зависимости массового износа композиций на основе ДВ (/' = = 0,06 МПа; V = 1 м/с)

Найденные кинетические зависимости (158), (159) и (160) удовлетворяют известным экспериментальным данным о порядке реакций по ионам ОН~, ионам SO^ и величине наклона анодной кривой Ъа. Действительно, для реального металлического кристалла железа при рН > 1,5 имеем г0н- — 2, г 2- = 1, Ьа = 30 мВ,

Найденные кинетические зависимости (170), (171) и (172) удовлетворяют известным экспериментальным данным о порядке реакций по ионам ОН", ионам SO" и величине наклона анодной кривой Ьа. Действительно, для реального металлического кристалла железа при рН > 1,5 имеем гон- = 2, Zso%- =1. ba — = 30 мВ, что соответствует экспериментальным данным [99]; при рН < 1,5 имеем ZOH- = 1, zs02~ — I, ba — 30 мВ, что также соответствует экспериментальным данным. Для «бездефектного» кристалла получаем гОн- = 1, Ьа = 40 мВ (при а = 0,5). Это согласуется с данными работы [89].

С целью проверки разработанного метода рассчитывались пределы выносливости жаропрочных никелевых сплавов ЭИ867, ЭП109, ЖС6К для различных условий нагружения — изгиба с вращением, растяжения — сжатия при симметричном и асимметричном циклах нагружения Предварительно на основе литературных данных либо материалов выполненных исследований структуры сплавов в исходном состоянии и после усталостных испытаний на органичен-пой базе строились кинетические зависимости размера частиц от длительности воздействия нагрузок и температур в соответствии с теорией диффузионного роста.

Нами были получены токовые кинетические зависимости для короткозамкнутой гальванбпары СОП — „старая" поверхность в системе углеродистая сталь — 3 %-й водный нейтральный (рН = = 7) раствор NaCl и, для сравнения, данные по скорости общей коррозии тех же сталей, найденные весовым методом. Токовые характеристики гальванопар снимались при условии превышения площади катода над площадью анода (СОП) в 1000 раз (наиболее характерные приведены на рис. 4). В этих условиях исходная поверхность служит уже практически неполяризуемым катодом [57]. .

В работе [134] получены кинетические зависимости'субкритического роста трещины в сплаве Ti — 6А1 — 4V во фреоне марки TF, которые представлены на рис. 49, в в виде зависимости v от К. Несмотря на значительный разброс данных, область / наблюдалась

По результатам массовых испытаний обычно получают кинетические зависимости интенсивности роста термоусталостных трещин Ь = /(М) в достаточно широком интервале изменения максимальной температуры Тшах термоцикла. В случае необходимости испытания проводят с варьированием длительности выдержки при Ттах (обычно до 1 ч). При этом наряду с интенсивностью распространения трещин приобретает существенное значение скорость роста термоусталостных трещин 1^ = <р(ЛЛгв).

Как показано выше, кинетические зависимости, особенно для реальных систем, очень сложны. Поэтому для решения практических задач используют более простые эмпирические или полуэмпирические выражения [5, 9, 36].

Рис. 1.4. Кинетические зависимости массового износа композиций на основе ДВ (Р = = 0,06 МПа; V - \ м/с)

Знание величин AG° и Кх не дает возможности судить о скорости протекания реакции, для этого нужны данные о кинетике процесса. Кинетические зависимости в общем случае определяются экспериментальным путем, они учитывают влияние различных тормозящих и стимулирующих факторов на ход реакции (строение и структура взаимодействующих веществ, взаимная проницаемость, масштабный фактор и др.).

Используя кинетические зависимости для катодной и анодной реакций, Штерн и Жири [61] вывели уравнение, которое позволяет по наклону поляризационных кривых и поляризационному сопротивлению рассчитать скорость коррозии и влияние, оказываемое