УДК 531:115
© 2006 г., П.Д. Кравченко
Об одном подходе к экспериментальной проверке
влияния феномена времени на материалы
Одной из основных проблем исследования феномена времени является определение степени валидности предлагаемых исследователями гипотез и теорий. Принятие скорости света за конечную величину упрощает картину окружающей Природы, однако с принятием гипотезы постоянного изменения в самой Природе такое положение становится спорным.
Ориентировочная величина 300 тыс. км/с распространения скорости светового потока может быть определена только приближенно, т.к. величина 1 с времени при линейной мере пространства в сотни тысяч километров не может быть определена с высочайшей точностью, так же как и указанное расстояние; это невозможно даже при современных технических средствах. Данное положение подтверждается постоянными сообщениями о нахождении уточненных величин скорости света.
С другой стороны, принятый постулат E=mc2 включает в себя элементы: энергия, масса, скорость; скорость определяется приближенно за конкретный промежуток времени. Это определение принято при исследованиях сверхвысоких скоростей, сверхвысоких энергий и полей различной природы, что было успешно доказано и применено в ядерной физике, космических и информационных технологиях.
Идея оказалась плодотворной даже при использовании приближенных значений основных параметров процесса. Попробуем оценить влияние феномена времени на изменения в материальном объекте за легко наблюдаемый промежуток текущего времени.
Причинная механика Козырева справедлива и доказательна только в одном: после причины наступает следствие, а между ними всегда существует определенный промежуток времени, и он тоже может влиять на изменения в соответствии связи «причина – следствие». Определить степень влияния этого промежутка – вот в чем проблема.
Многие исследования, направленные на решение этой проблемы, как теоретические, так и экспериментальные пока не показали удовлетворительной сходимости результатов сравнения теоретических предпосылок и экспериментов. Большинство исследований проводилось в области физики как теоретической, так и экспериментальной, причем скорости изменений состояния материи во времени были весьма высокими.
Обратимся к реологии, т.е. изучению процессов, связанных с необратимыми остаточными деформациями и течением различных вязких и пластичных материалов. В общем виде реология представляет науку об изменениях свойств материалов с течением времени.
Рассмотрим реологические процессы старения чугуна, весьма распространенного материала в машиностроении.
На практике многие машиностроительные предприятия используют естественное старение чугунных изделий для получения заготовок, а в дальнейшем – изделий со стабильными свойствами, например стабильными размерами в течение последующего весьма длительного периода эксплуатации (использования). Это главная отличительная особенность чугуна, сплава железа с углеродом при наличии незначительного количества кремния, марганца, серы, фосфора и других примесей.
Обычно дворы металлургических производств черных металлов заполнены множеством чугунных отливок, проходящих в течение двух, трех и более лет естественное старение на открытом воздухе, т.е. процесс стабилизации размеров и свойств вследствие изменения структуры сплава. Обычно старение приводит к увеличению прочности и твердости при уменьшении пластичности и ударной вязкости. Отметим основную особенность результата старения чугуна – стабилизация размеров; эта особенность объясняет традиционно принятый обычай изготовления из чугуна станин металлообрабатывающего оборудования, мерительных приборов, рам роялей и других стационарно установленных объектов, обеспечивающих сохранность размеров при различных внешних воздействиях.
Чугун обладает и другими «странными» особенностями – при охлаждении его размеры увеличиваются. Он не подчиняется закону Гука и считается хрупким материалом, несмотря на то, что в области низких значений механических напряжений он не уступает механическим характеристикам пластичных сталей, а по некоторым параметрам их превосходит. Чугун практически не ржавеет, покрываясь на естественном воздухе только тонким слоем окисной пленки.
Процесс естественного старения чугуна детально не исследован. С точки зрения влияния феномена времени на реологический процесс старения чугуна интересно проследить изменение его физических свойств и структуры за длительное время – до 3 лет или более, измеряя через определенные промежутки времени размеры испытываемых образцов, твердость и наблюдая изменения в структуре сплава.
Постановка эксперимента такого типа является одновременно и простой, и сложной проблемой.
Простота заключается в том, что для исследований достаточно выбрать несколько образцов – чугунных отливок, полученных в одинаковых условиях, одновременно обработанных механическим способом в одинаковых условиях – для получения контрольных поверхностей, предназначенных для проведения измерения изменений отдельных размеров, испытаний механических свойств и изменения структуры сплава.
Сложность заключается в определении условий одинаковости, определяющей чистоту эксперимента:
– при отливке: обеспечить одновременное заполнение жидким расплавом объемов и режим последующего охлаждения заготовок, которые в дальнейшем будут испытываться;
– при механической обработке: получение одинакового качества испытуемых поверхностей (шлифов), особенно для изучения структуры;
– при испытаниях на твердость: обеспечение необходимой величины плоских площадок контакта образца с индентором измерительного прибора и определение их местоположения на образце при многочисленных операциях измерения твердости;
– при контроле изменения размеров: обеспечение постоянства базы и чистоты места контакта образца с конечным элементом измерительного устройства;
– при изучении структуры в сечении каждого образца: на какую глубину шлифовать и полировать контрольную площадку, какие режимы шлифования и полирования назначать;
– при назначении частоты контрольных измерений: ежедневный контроль даст наиболее качественные результаты, однако подготовка площадок для выполнения более 1000 контрольных измерений требует изготовления крупных заготовок;
– при назначении регламента термообработки при искусственном старении: одну партию образцов следует подвергнуть естественному старению на открытом воздухе, другую – естественному старению при температуре 20 ºС (комнатной), третью и четвертую – искусственному старению при нагреве и выдержке в печи и последующем охлаждении образцов вместе с печью и на открытом воздухе, пятую – с повторным нагревом и охлаждением.
Естественно, возникнут и другие сложности, в частности отработка технологии контрольных замеров. Планируя эксперимент, заметим, что простота его осуществления является только кажущейся. Абсолютно одинаковые образцы и условия проведения эксперимента создать не удастся согласно постулатам причинной механики. Однако приближение к адекватности в различной мере можно обеспечить, анализируя предпроектные условия проведения эксперимента.
Необходимо всегда учитывать, что в эксперименте участвуют элементы: энергия, масса, скорость протекания процессов в реальном времени, изменение пространственных элементов – размеров образцов и структурных составляющих материи – образца.
Процессы получения образцом энергии в виде теплоты при нагревании в термопечи и последующая ее передача от образца в окружающее пространство как при естественном, так и при искусственном старении можно объяснить с использованием показаний термометров и известных коэффициентов теплопередачи; сложность заключается в определении точности показаний термометров и точности коэффициентов теплопередачи при различных температурных состояниях. Особый интерес представляет изучение физики реологического процесса естественного старения чугуна на открытом воздухе, где пределы колебаний температур суточных и сезонных весьма существенны.
Определение процесса получения и отдачи энергии – весьма сложная проблема, т.к. здесь необходимо изучать энтропийные процессы при неизвестной границе замкнутой системы. Возможно, потребуются точнейшие приборы для измерения масс образцов.
Предварительно анализируя условия будущего эксперимента, мы будем оценивать важность его результатов, отвечая на главный вопрос: Реологический процесс как процесс изменения размеров и структуры объекта с течением времени показывает влияние только времени на этот процесс, или влияние только энергетических процессов, или влияние совместное, и какие параметры определяют влияние времени?
В процессе подготовки к эксперименту требуется уточнение и других положений.
Ориентировочно для проведения экспериментов потребуется изготовление, например,15 образцов для пяти партий по 3 в каждой для различных регламентов термообработки.
Частота контрольных измерений за время снижения температуры от верхней точки при нагреве перед охлаждением до комнатной должна быть значительно выше, чем средняя за время длительного эксперимента; средняя частота может составлять 1 месяц. В соответствии с этим для проведения эксперимента вполне достаточно изготовления указанных 15 образцов в виде кубиков с размерами ребер 50 мм; в этом случае вес каждого образца составит менее 1 кгс, что удобно для измерений, а контрольные площадки 6´2500 мм2 позволяют обеспечить адекватность условий измерения для всех образцов.
Настоящие заметки являются только реперными ориентирами для разработки конкретного плана экспериментальных исследований влияния феномена времени на материалы в реологическом процессе.