Изменение свойств и состояния материалов как причина потери изделием работоспособности.

Изменение начальных свойств и состояния материалов, из которых выполнено изделие, является первопричиной потери им работоспособности, так как эти изменения могут привести к повреждению изделия и к опасности возникновения отказа.

Чем глубже изучены закономерности, описывающие процессы изменения свойств и состояния материалов, тем достовернее можно предсказать поведение изделия в данных условиях эксплуатации и обеспечить сохранение показателей надежности в требуемых пределах.

Пусть скорость некоторого процесса повреждения материала γ есть функция ряда входных параметров Z₁; Z₂; …; Z_n и времени t, причем данная зависимость получена на основе физико-химических законов:

γ = dU/dt = γ (Z₁; Z₂; …; Z_n; t)

Параметры Z_i характеризуют условия эксплуатации (нагрузки, скорости, температура и др.), состояние материала (твердость, прочность, качество поверхности и т. д.) и другие факторы, влияющие на протекание процесса повреждения материала. Однако при наличии только функциональной зависимости, достаточно достоверно описывающей данное явление, нельзя еще точно предсказать, как будет протекать данный процесс, так как сами аргументы Z₁; …; Z_n являются случайными величинами.

 

Три уровня изучения поведения материалов.

1. Субмикроскопический уровень, когда на основании рассмотрения строения атомов и молекул и образования из них кристаллических решеток твердых тел или иных структур выявляются закономерности, которые служат базой для объяснения свойств и поведения материалов в различных условиях. Эти закономерности являются основой для дальнейших исследований и разработок частных зависимостей. Этот уровень исследований позволил развить фундаментальные представления о несовершенстве в кристаллах и особенно о дислокациях, их взаимодействиях и движении, о силах упругости с точки зрения квантовой механики, о диффузии атомов в твердых телах и т. д.,

2. Микроскопический уровень рассмотрения свойств материалов исходит из анализа процессов, происходящих в небольшой области. Полученные при этом закономерности в дальнейшем распространяются на весь объем тела.

Классический пример - теория напряжений и деформаций в идеальном однородном теле, когда в точке тела выделяется бесконечно малый элемент в виде параллелепипеда и рассматривается его напряженное состояние. Связь между деформациями и напряжениями описывает закон Гука.

3. Макроскопический уровень рассматривает изменение начальных свойств или состояния материала всего тела (детали).

 

Законы состояния.

Законы состояния - закономерности, описывающие взаимосвязи обратимых процессов, когда после прекращения действия внешних факторов материал (и соответственно деталь) возвращается в исходное состояние.

Законы состояния можно разделить на статические, когда в функциональную зависимость, описывающую связь между входными и выходными параметрами, фактор времени не входит, и на переходные процессы, где учитывается изменение выходных параметров во времени.

Типичными примерами статических законов состояния могут служить закон Гука, закон теплового расширения твердых тел и др.

Статические законы, описывающие изменения состояния изделия, хотя и не включают фактор времени, но могут быть использованы для расчетов надежности, если известны изменения характеристик изделия в процессе эксплуатации. Обычно они относятся к категории быстропротекающих процессов или процессов средней скорости. Лишь при известном изменении ур-ня внеш. воздействий их можно использ. для решения задач надежности.

Так, если из-за износа отдельных сопряжений машины в ней с течением времени повышается тепловыделение и растут нагрузки в отдельных звеньях, т. е. Q = Q(t) и Р = Р(t), то соответств. будет изменяться и деформация Δ l (t).

 

Законы старения.

Законы старения всегда связаны с фактором времени, в некоторых из них время непосредственно не фигурирует, так как в полученных зависимостях отыскивается связь с другими факторами (например, энергией), которые, в свою очередь, проявляются во времени. Такие зависимости называются законами превращения.

Типичным примером законов превращения могут служить зависимости, описывающие процессы коррозии. Вывести закономерности, непосредственно отражающие изменение величины коррозии во времени, как правило, трудно в результате следующих причин:

1) из-за поливариантности коррозийных процессов, когда большое число факторов оказывает одновременно и часто противоположное действие на интенсивность повреждения;

2) коррозия может быть не только равномерно распределенной по поверхности металла (например, в виде окисной пленки), но и носить локальный характер (местная коррозия) или проявляться в виде межкристаллитной коррозии.

Например, при химической коррозии металлов и сплавов, которая возникает при контакте с сухими газами или некоторыми неэлектролитами (смазками) и протекает наиболее интенсивно в условиях повышенных температур.

Для оценки возможности возникновения и интенсивности коррозионного процесса применяют законы химической термодинамики. Поскольку при окислительно-восстановительных коррозионных реакциях совершается работа химического процесса, то фактором, характеризующим интенсивность процесса, может служить величина одной из термодинамических функций.