Фазовые переходы между кинетическими режимами граничного трения

Abstract

У дисертацiї побудовано теорiю тертя атомарно-гладких твердих поверхонь, роздiлених межовим мастилом, плавлення i тверднення якого подано як фазовi переходи першого або другого роду. Описано переривчастий режим руху та ефекти пам’ятi, пов’язанi з релаксацiйними процесами. При врахуваннi залежностi ефективної в’язкостi вiд температури i градiєнта швидкостi описано статичну силу тертя. Можливий випадок, коли по площi контакту iснує доменна структура з рiдиноподiбними i твердоподiбними дiлянками. При просторово неоднорiдному розподiлi параметра порядку мастило швидко набуває однорiдного стану. При врахуваннi пружностi контактуючих поверхонь фронт плавлення поширюється вiд межi контакту до центра системи. Побудовано модель наноструктуруючого вигладжування, описано автоколивальний режим, що має мiсце в експериментах. При пiдвищеннi зовнiшнього навантаження фазовий перехiд першого роду стає неперервним фазовим переходом другого роду. Побудовано нерiвноважну термодинамiчну модель, що враховує передавання енергiї вiд мастила, яке розiгрiвається за рахунок виконання роботи, до поверхонь тертя. Описано тертя мiж зернами у фрагментованому металi у надпластичному станi.

В диссертации разработана теория граничного трения между атомарногладкими твердыми поверхностями, разделенными ультратонким слоем смазки. Плавление и затвердевание смазки представлены как фазовые переходы первого либо второго рода. Найдены аналитические выражения критических температур и скоростей, при которых происходят плавление и затвердевание. На примере простого механического аналога трибологической системы показано, что смазка в процессе трения либо всегда твердоподобна, либо находится в жидкоподобном состоянии, либо реализуются периодические переходы плавление/затвердевание. Рассмотрена трибологическая система, состоящая из контактирующих блоков, один из которых закреплен между двумя пружинами, а другой приводится в непрерывное периодическое движение. Установлено, что для псевдопластических жидкостей с ростом температуры упругие напряжения и сила трения уменьшаются. Проведен учет универсальной зависимости вязкости высокомолекулярных алканов (смазок) от температуры и градиента скорости. Описаны особенности ”стоп-старт“- экспериментов, когда система останавливается на определенное время, а затем продолжает движение. При низких температурах реализуется квазистатическая сила трения, что позволяет объяснить экспериментально наблюдаемые ”эффекты памяти“. Учет линейного слагаемого в разложении свободной энергии, возникающего за счет наличия электрического поля в случае дипольных смазочных молекул при их упорядочении в процессе трения, также позволяет описать статическую силу трения. Рассмотрено поведение смазки, зажатой между шероховатыми поверхностями. При этом по площади контакта присутствуют жидкоподобные и твердоподобные области. В пространственно неоднородном случае, для описания которого проведен учет градиентного слагаемого в разложении свободной энергии, смазка быстро релаксирует к однородному состоянию. Проведено моделирование с учетом упругих свойств контактирующих тел и показано, что плавление начинается на внешней границе контакта и распространяется внутрь к центру системы. Волна плавления сопровождается волной затвердевания. Проведено моделирование процесса наноструктурирующего выглаживания на основе динамической модели, описывающей движение индентора и учитывающей упругое и пластическое деформирование поверхностного слоя под действием внешней силы. В широком диапазоне параметров реализуется автоколебательный режим, наблюдаемый в экспериментах по выглаживанию цилиндра с просверленным углублением. Построена термодинамическая модель, явным образом учитывающая влияние внешней нагрузки. Показано, что увеличение давления приводит к вынужденному упорядочению и затвердеванию смазки. Рассмотрены симметричное и несимметричное разложения свободной энергии по степеням параметра порядка. В случае симметричного разложения упорядоченное состояние смазки отвечают нулевому значению избыточного объема, что соответствует кристаллическому состоянию при отсутствии структурных дефектов. Такая ситуация реализуется для систем, в которых смазочный слой состоит из квазисферических молекул, способных образовывать упорядоченные структуры. В случае несимметричного потенциала ненулевое значение параметра избыточного объема отвечает как жидкоподобной, так и твердоподобной смазке. Такое описание справедливо для смазочных материалов, выполненных на основе полимерных цепных молекул, которые неспособны полностью упорядочиваться при низких температурах либо больших нагрузках на поверхности трения. Модель показывает появление длинных кинетических участков на зависимости силы трения от времени с увеличением скорости сдвига, что наблюдается во многих экспериментах. Предложена неравновесная термодинамическая модель, учитывающая процессы теплопроводности, что позволяет представить затвердевание смазки за счет отдачи тепла поверхностям трения. Выделено две подсистемы: неравновесную, получающую теплоту при совершении над системой работы, и равновесную, в которую переходит эта теплота в результате внутренних процессов. Разработанная теория граничного трения применена к описанию процессов, происходящих в твердом теле при его интенсивном нагружении в режиме сверхпластичности. При этом рассматривается известная модель скольжения по границам зерен, где граница зерна представляет ультратонкую смазку, разделяющую соседние зерна. Рассмотрена кинетика процесса на основе системы, состоящей из двух трущихся кристаллических тел. Полученные в диссертации результаты качественно совпадают с экспериментальными данными других авторов.

In thesis a theory of friction of atomically smooth solid surfaces separated by boundary lubricant is constructed, whose melting and solidification are presented as the first- or second-order phase transitions. Stick-slip motion mode and memory effects associated with relaxation processes are described. Taking into account the effective viscosity dependence on the temperature and velocity gradient the static friction force is construed. The case when the contact area has domain structure with liquid- and solid-like sections is possible. At spatially inhomogeneous distribution of the order parameter lubricant quickly becomes homogeneous. When considering the elasticity of contact surfaces the front of melting extends from the boundary of the contact to the center of system. Nanostructuring burnishing model is proposed and auto-oscillatory mode is revealed which takes place in experiments. With external load increasing the firstorder phase transition transforms into continuous second-order phase transition. Nonequilibrium thermodynamic model is built that takes into account the transfer of energy from lubricant, that is heated due to the work execution, to the friction surfaces. Friction between the grains in fragmented superplastic metal is described