КРАТКИЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНАШИВАНИЯ
Прозоров Я.С. (БГИТА, г. Брянск, РФ)
Prozorov Y. (BSEAT, Bryansk, RF)
В статье рассматриваются современные математические модели коррозионно-механического изнашивания. Проведен анализ моделей трибокоррозии, предложена их классификация, определены достоинства и недостатки каждого типа моделей.
This article is devoted by mathematical modeling of mechanochemical wear. The considered classification of tribocorrosion models includes empirical, kinetic and energy models. In this paper the advantages and disadvantages of each type of models are defined.
Ключевые слова: трибокоррозия, коррозионно-механическое изнашивание, математическая модель, моделирование изнашивания
Keywords: tribocorrosion, corrosion-mechanical wear, mathematical model, simulation of wear
Коррозионно-механический вид изнашивания, называемый также трибокоррозией, установлен как преобладающий для большого количества узлов трения оборудования химической, нефтяной, пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной и ряда других отраслей промышленности. Поэтому разработка хорошо согласующихся с экспериментальными и эксплуатационными данными прогностических моделей трибокоррозии является актуальной задачей.
Трибокоррозия - это явление разрушения поверхности материала при совместном действии механических нагрузок и химических реакций с агрессивной внешней средой в зоне контакта при трении. Для трибокоррозии характерен синергизм механических и химических явлений, т.е. эффект совместного влияния, который не может быть определен простым суммированием эффектов отдельных составляющих.
Электрохимический процесс при коррозионном воздействии среды может значительно повышать интенсивность изнашивания металлической поверхности. Это обусловлено тем, что непрерывное разрушение продуктов электрохимической коррозии обуславливает большую скорость взаимодействия металла с окружающей средой. Помимо этого, продукты коррозии в большинстве случаев оказываются менее прочными, чем основной металл, на котором они образуются, и имеют относительно слабую адгезию к основному металлу. С ростом интенсивности механического воздействия роль электрохимического фактора убывает и может сводиться к «разрыхлению» поверхности металла, то есть к уменьшению механической прочности и разрушению поверхностного слоя в отдельных микрообъемах[1].
Механическая нагрузка на поверхность трения в свою очередь может значительно повысить интенсивность коррозионных процессов в зоне фрикционного контакта. Как известно, коррозионная стойкость технических металлов и сплавов в электролитах определяется скоростью двух сопряженных процессов: анодного и катодного. Анодный процесс - переход ионов металла из кристаллической решетки в раствор, катодный — ассимиляция освободившихся при анодной реакции электронов. При трении коррозионные процессы ускоряются в тысячи раз, что обусловлено нижеследующим:
Механическое удаление образующихся продуктов коррозии при трении приводит к постоянной регенерации химического потенциала поверхности и замедлению процесса пассивации. На изменение потенциала влияет пластическая деформация, обусловленная наличием, движением и выходом на поверхность дислокаций. Таким образом, поверхность трения работает в условиях импульсного колебания химического потенциала[2].
Кроме того, большое значение имеет изменение в зоне трения энергии активации - избыточной энергии, которой должны обладать молекулы или атомы, чтобы их взаимодействие могло привести к образованию нового вещества. Для трибохимических процессов накопителем избыточной энергии является материал поверхности трения, а ее источником подводимая механическая энергия. Процесс трения является тем фактором, который способствует резкому снижению энергии активации. Так, для термохимической реакции окисления железа она составляет порядка 51 ...63 кДж/моль, а трибохимической - 0,7 кДж/моль [3].
Исходя из этого, можно заключить, что коррозионно-механическое изнашивание — это сложный процесс, в котором коррозионный и механический факторы взаимосвязаны. Следовательно, основной особенностью математического моделирования коррозионно-механического изнашивания является то, что полный трибокоррозионный износ (массовый или объемный) Jcw не является простой алгебраической суммой процессов механического изнашивания пассивирующей пленки Jw и анодного растворения оксидного слоя и свежеобразованной поверхности металла Jc, а представляет собой сложный процесс, в котором коррозионный и механический факторы взаимосвязаны:
;
(1)
Синергетическая составляющая износа ΔJs в свою очередь состоит из индуцированного коррозией износа ΔJw и индуцированной изнашиванием коррозии ΔJc. Поэтому математические модели трибокоррозии в формализованном виде обычно состоят из двух или трех компонент, соответственно описывающих вклад одного из факторов износа.
Существующие расчетные модели коррозионно-механического изнашивания можно условно разделить на три типа: эмпирические (и полуэмпирические), усталостные и кинетические [4].
Эмпирические модели [5,6] представляют собой простейшую математическую аппроксимацию экспериментальных результатов. В них механические характеристики связываются с характеристиками процесса изнашивания (износостойкостью, скоростью изнашивания) через безразмерные эмпирические коэффициенты, не имеющие четкого физического смысла. Полуэмпирические модели включают параметры, для каждого из которых установлена связь с физико-механическими свойствами материалов, характеристиками процессов и т.д. Экспериментальная оценка этих параметров позволяет производить анализ реальных физических явлений. Расчетные зависимости в полуэмпирических моделях строятся из физических соображений, с учетом размерностей параметров.
В усталостных моделях [7] изнашивание рассматривается как диссипативный фазовый переход от стадии накопления микроповреждений к стадии развития микро- и мезотрещин, вызывающих лавинообразное диспергирование поверхностного слоя. Для моделирования трибокоррозии дополнительно вводятся компоненты, характеризующие влияние химических реагентов в зоне контакта на частоту возникновения микроповреждений и рост микротрещин.
Кинетические модели изнашивания [8,9,10] построены на базе термофлуктуационной концепции прочности твердых тел. Характерной особенностью этих моделей является использование ля связи скорости изнашивания с внешними факторами и описанием свойств материала через его активационные характеристики: энергию активации и структурно-чувствительный коэффициент.
Базовая концепция кинетических моделей для трибокоррозии имеет феноменологический характер и опирается на окислительную форму износа, в частности рассматриваемая ниже модель из работы [9] основана на представлении цикличности процессов удаления и восстановления оксидных слоев при трении.
Исследованию механизмов коррозионно-механического изнашивания посвящены некоторые работы советских и российских ученых Б.И.Костецкого, А.В.Чичинадзе, Г.М. Сорокина, Д.Г. Громаковского, И.Д.Ибатуллина, однако в большинстве из них математическое моделирование указанных процессов не рассматривается. Развитие прогностического аппарата трибокоррозии связано в основном с деятельностью зарубежных ученых: S. Mischler, D. Landolt, M. Stemp, R. J. K.Wood, P. Ponthiaux, J.-P. Celis, M. M. Stack, M.T.Mathew, A. Neville и др. В 2000 году на базе университета Стратклайда (University of Strathclyde) для координации действий и выработки направлений для исследований было создано научное сообщество Tribo-Corrosion Network, которое объединяет специалистов в области трибокоррозии по всему миру [11,12].
В настоящее время ведется работа по унификации расчета синергизма коррозионно-механического изнашивания — опубликованный в 1995 году американский стандарт ASTM G119 (для 2011 года актуальным является версия ASTM G119 - 09 Standard Guide for Determining Synergism Between Wear and Corrosion) взят за основу для большинства зарубежных экспериментальных трибокоррозионных исследований, однако общепринятая методика математического описания взаимного влияния коррозионных и механических процессов при трении пока не разработана.
Проведенный анализ предлагаемых исследователями математических моделей коррозионно-механического изнашивания позволил выделить ряд специфических черт:
· Для математического описания компоненты, отвечающей за механическую составляющую износа, в зависимости от вида воздействия используются традиционные модели абразивного, усталостного, кавитационного или иного предполагаемого изнашивания.
· Коррозионная составляющая износа описывается в основном известными уравнениями химической кинетики и анодного тока растворения металла. Как правило, выражение для расчета этой компоненты слабо изменяется в разных моделях коррозионно-механического изнашивания.
· Наибольшие затруднения у исследователей вызывает детерминирование синергетической компоненты трибокоррозии. В ряде моделей она введена в общую формулу прогнозирования износа на основании экспериментальных данных и собственных предположений авторов; в других моделях ее нет вовсе, а влияние синергизма замещают добавлением поправочных коэффициентов к формульным выражениям рассмотренных выше компонент трибокоррозии.
При разработке оборудования для перечисленных выше отраслей промышленности рекомендуется расчет на основе рассмотренных в статье моделей ожидаемого износа пар трения, работающих в условиях коррозионно-механического изнашивания. Осуществление подобного расчета требует определения некоторых зависимых от условий эксплуатации коэффициентов и параметров моделей.
Однако для многих предприятий процесс идентификации указанных параметров зачастую экономически нецелесообразен, поскольку связан с проведением затратных стендовых или лабораторных испытаний. Справочные данные, способные заменить экспериментальные исследования, почти полностью отсутствуют.
Очевидно, повсеместное использование рассмотренных моделей в инженерных расчетах пока преждевременно, на текущем этапе развития научных представлений о трибокоррозии наиболее актуальным представляется сбор первичной информации и накопление справочных баз.
Список использованных источников
1. Сорокин, Г.М. Коррозионно-механическое изнашивание сталей и сплавов [Текст]/ Г.М. Сорокин, А.П. Ефремов, Л.С. Саакян - М.: Нефть и газ, 2002.- 424 с.
2. Чичиндзе, А.В. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для технических вузов. -2-е изд.,перераб. и доп. [Текст]/ А.В.Чичинадзе, Э.Д.Браун, Н.А.Буше и др.; Под общей редакцией А.В.Чичинадзе. –М.:Машиностроение,2001. – 664 с..
3. Шевеля, В.В. Трибохимия и реология износостойкости: [Монография] / В.В. Шевеля. В.П. Олександренко. - Хмельницкий: ХНУ, 2006. -278 с.
4. Беркович, И.И. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения [Текст] /И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский, Учебник для вузов. - Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. -268 с
5. Stolarski, T.A. Tribology in machine design [Текст] / T.A.Stolarski – UK, Oxford, Butterworth-Heinemann, 2000. – 310 p.
6. Diomidis, N. Tribocorrosion of stainless steel in sulfuric acid: Identification of corrosion–wear components and effect of contact area [Электронный ресурс]. /N.Diomidis, J.-P. Celis, P. Ponthiaux, F.Wenger // Электронная библиотека ScienceDirect - Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2010.03.010 -–Загл. с экрана
7. Jiang, J. Modelling the tribo-corrosion interaction in aqueous sliding conditions [Электронный ресурс]/ J. Jiang, M.M. Stack, A. Neville // Электронная библиотека ScienceDirect - Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1016/S0301-679X(02)00058-0 –Загл. с экрана
8. Mischler, S. Wear-accelerated corrosion of passive metals in tribocorrosion systems [Текст] / S. Mischler, S. Debaud, D. Landolt // Electrochem Soc. 1998;145:750–8.
9. Bayer, G. Mechanical Wear Fundamentals and Testing [Текст] / G.Raimond Bayer – USA, New York, Marcel Dekker, 2004 – 396 p.
10. Stachowiak, W.G. Engineering Tribology [Текст] / W.G. Stachowiak, A.W. Bachelor – Butterworth-Heinemann, 2001 – 765 p.
11. Wood, R. J. Tribo-corrosion of coatings: a review[Текст] / R.J. Wood // Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 5502–5521
12. Mathew, M. T. Significance of Tribocorrosion in Biomedical Applications: Overview and Current Status [Электронный ресурс]/ Mathew M. T., P. Srinivasa Pair R. Pourzal, A. Fischer, and M. A.Wimmer // Электронная библиотека издательства Hindawi - Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1155/2009/250986 –Загл. с экрана