Механизма диссипации

С позиции синергетики как пластическая деформация, так и разрушение являются способом реализации диссипации энергии, а значит, являясь механизмами диссипации энергии, они должны быть взаимосвязаны. Но вопрос сводится к тому, какой из указанных механизмов является контролирующим при данном температурно-силовом воздействии. Выделение контролирующего механизма диссипации энергии требует анализа энергии активации элементарного механизма деформации и разрушения. В главе 3 уже отмечалось, что параметром порядка при перестройках структур из неустойчивого состояния в устойчивое является энергия активации элементарного процесса. С учетом того, что существует иерархия спектров элементарных механизмов деформации и разрушения, следует выделять и соответствующий спектр энергии активации элементарных процессов, который можно описать с помощью функции самоподобия (см. главу 3)

Переход от одного механизма деформации к другому отвечает точкам бифуркации, при которых смена механизма может происходить при о=ас, К-Кмш! либо Кмахс (рисунок 4.35). Поскольку в данном анализе важен финал -самоорганизованная перестройка системы на новый механизм диссипации энергии, рассмотрим финальную стадию повреждаемости, которой предшествуют зарождение межзеренных пор и их рост.

Прочность. Поломки и большие остаточные деформации деталей из-за их недостаточной прочности могут стать причинами отказа в работе и потери точности механизма. Опасные напряжения в деталях, приводящие к разрушению, могут возникнуть не только от рабочих усилий, но и от сил, обусловленных вибрацией, тряской при эксплуатации (например, в авиационных приборах) и транспортировке.

Жесткость. Рациональная жесткость достигается подбором таких размеров и материалов деталей и узлов, при которых деформации их ограничиваются пределами, обеспечивающими нормальные условия работы механизма. Деформации деталей механизмов возникают из-за действия сил, изменения температуры, наличия остаточных напряжений и приводят к изменению размеров и формы деталей, характера их сопряжения и существенно влияют на работоспособность механизма. Так, например, изгиб валов вызывает неравномерный износ, увеличение сил трения и даже заедание в подшипниках скольжения, ухудшает условия работы подшипников

3) изменением механизма деформации.

Рассмотрим уравнения для каждого механизма деформации в изложении Эшби [31, 32]. Необходимо отметить, что эти уравнения в некоторых случаях, например для дислокационного скольжения, существенно отличаются от известных зависимостей, полученных в физике прочности. Обусловлено это тем, что основная задача обобщения данных по многим материалам и методическая задача получения уравнений для скорости деформации у, удобных для машинного расчета, заставили авторов [31, 32] пойти по пути существенных упрощений, заменяя некоторые переменные физические параметры из моделей пластического течения на константы, которые подбирались с учетом экспериментальных данных, полученных на конкретных материалах. В данном случае такой подход можно считать оправданным, поскольку при логарифмической шкале координаты напряжения (см. рис. 1.9) он не вносит сколько-нибудь заметной ошибки.

Из рассмотренных механизмов деформации определяющим будет тот, который оказывает наибольшее влияние на скорость деформации. Понятно также, что границей той или иной области на карте механизмов деформации будет геометрическое место точек os и Т, при которых происходит смена определяющего механизма деформации. Линии одинакового уровня скоростей деформации находятся путем численного решения уравнения (1.31) относительно os как функции температуры. Эти линии в дальнейшем становятся исходными данными для решения многих практических задач. Например, если конструкция или деталь работают при повышенных температурах, то срок их службы определяется, исходя из известных значений действующих напряжений и некоторой максимально допустимой для данного изделия степени деформации. Или решается обратная задача: по рабочей температуре и заданному сроку службы изделия находятся максимально допустимые напряжения, т. е. фактически определяются размеры той или иной детали [32].

В отличие от монокристаллов механическое двойникование в поликристаллах играет, согласно современным представлениям [22], роль только дополнительного механизма деформации, который не вносит заметного вклада в пластичность материала, однако существенно влияет на протекание скольжения при низких температурах, как бы моделируя скольжение за счет локальных концентраций напряжения. Важно отметить при этом двойственную роль механического двойникования, которое из-за пониженной релаксационной способности материала, связанной с высокими значениями сопротивления движению дислокаций при низких температурах, может вызывать раскрытие хрупких микротрещин и последующее разрушение без заметной пластической деформации (особенно в жестких схемах нагружения с элементами растяжения).

Экспериментальные и расчетные данные по температурной зави-' симости сопротивления движению двойникующих дислокаций 0$ и параметра /Су для двойникования [22] позволяют уточнить предложенную в работах [121, 122] схему изменения механизма деформации (скольжение <5: двойникование) в поликристаллических металлах с ОЦК-решеткой.

132. Мильман Ю. В.. Рачек А. П., Трефилов В. И. Исследование механизма деформации и хрупкого разрушения сплавов переходных металлов / Вопросы физики металлов и металловедения.— Киев : Изд-во АН УССР, 1964.— С. 3—24.

повреждения материала при росте трещины и возрастании масштабного уровня реализуемых процессов эволюции открытой системы. Поэтому с точки зрения управления процессом разрушения материала и поиска возможных путей рассеивания подводимой извне к вершине трещины энергии необходимо создавать специальные условия, которые способствуют возникновению указанного механизма деформации и разрушения материала. Очевидно, что чем выше по величине компонента сжатия материала вдоль фронта трещины, тем вероятнее возникновение ротационных эффектов. Именно поэтому, как было указано выше, создание напряжения сжатия перпендикулярно направлению роста трещины приводит к интенсивному формированию сферических частиц [91]. Напротив, дополнительное растяжение в плоскости роста трещины, перпендикулярно направлению роста трещины, способствует облегченному скольжению материала в перемычках между мезотуннелями, а следовательно, подавляет процесс формирования сферических частиц и способствует более быстрому росту трещины.

Выявляются границы реализации ТС и точки структурной бифуркации: переходы ТС-»ДС-»ТС. Видно, что в точках 2-5 (см. рисунок 3.34) происходит спонтанное изменение вида зависимости %Cr-ln(t), обусловленное спонтанным изменением механизма диссипации энергии при ТС—>ДС—>ТС переходах. Черные кружки отвечают экспериментальным данным, а светлые - расчетным значениям координат точек структурной бифуркации.

При анализе поведения фрактальных структур под нагрузкой целесообразно использовать представления о фрактальных кластерах, что позволяет выделять в деформируемом металле объекты (локальные области), обладающие свойствами фрактальных структур. Деформируемое твердое тело - открытая система, обменивающаяся энергией и веществом с окружающей средой. Результатом этого обмена является самоорганизация фрактальных структур. Образующиеся при деформации металлов и сплавов фрактальные кластеры в зоне предразрушения в зависимости от механизма диссипации энергии связаны либо с кристаллографическими на фоне пор микротрещинами (квазихрупкий отрыв), либо с порами (вязкий отрыв).

С позиции синергетики как пластическая деформация, так и разрушение являются способом реализации диссипации энергии, а значит, являясь механизмами диссипации энергии, они должны быть взаимосвязаны. Но вопрос сводится к тому, какой из указанных механизмов является контролирующим при данном температурно-силовом воздействии. Выделение контролирующего механизма диссипации энергии требует анализа энергии активации элементарного механизма деформации и разрушения. В главе 3 уже отмечалось, что параметром порядка при перестройках структур из неустойчивого состояния в устойчивое является энергия активации элементарного процесса. С учетом того, что существует иерархия спектров элементарных механизмов деформации и разрушения, следует выделять и соответствующий спектр энергии активации элементарных процессов, который можно описать с помощью функции самоподобия (см. главу 3)

кДж/моль до значения 125,7 кДж/моль при достижении управляющим параметром порогового значения Tm^/amax^max/cw)* характеризует структурную бифуркацию, при которой происходит смена механизма диссипации энергии, а, следовательно, и смена энергии активации элементарного процесса, контроли-

5) механизма диссипации энергии;

динаты точек бифуркаций, отвечающих смене механизма диссипации энергии.

В условиях ионно-плазменных технологий для достижения критических параметров (при воздействии электронного и ионного пучков, вытянутых из плазм газового и электродугового разрядов) происходит емена механизма диссипации энергии — переход от диссипации энергии по механизму теплопроводности к конвективным потокам, исследование формирования износостойких покрытий системы Ti(N, С) при ионно-плазменной технологии показали, что смена механизма диссипации энергии при фиксированных параметрах ионного и электронного пучков отвечает установлению изотермических условий на поверхности изделия, т. е. постоянство температуры.

Хотя результаты первых попыток исследования распространения пограничной трещины были не вполне понятны, они позволили обнаружить наиболее простой способ непосредственного экспериментального определения энергии адгезии ^а- Дальнейшее развитие этих методов могло бы дать способ независимого определения затраченной энергии и механизма диссипации в композитах. Помимо этого существуют другие оценки прочности при разрушении адгезионных слоев, основанные на измерении вязкости распространения трещины в полимерном клее между двумя твердыми телами. Чтобы обеспечить распространение трещины по центру связующего слоя на конечном расстоянии от границы раздела, особое внимание в таких исследованиях (например, в работах [44, 53, 63]) было уделено частным видам геометрии, толщине связующего слоя^ условиям отверждения и скорости распространения трещины. Ясно, что при таких условиях происходит разрушение связующего слоя, а не границы раздела, поэтому разрушение композита следует рассматривать как разрушение полимера при наложенных механических ограничениях.

5) механизма диссипации энергии (переход от микроразрушения к пластической деформации);

ре обозначены ре, ре и т.д. Таким образом, ре и о е характеризуют координаты точек бифуркаций, отвечающих смене механизма диссипации энергии. На диаграмме (карте) выделены области I—IV, соответствующие реализации различных механизмов.

обеспечивает активацию наиболее эффективного механизма диссипации энергии при переходе от N — 1-го уровня к ЛГ-му, определяет последовательность лидеров-дефектов и иерархию уровней неравновесности исходной структуры (рис. 145).