1. Классификация процессов изменения свойств материалов

За пять десятилетий с момента выделения надежности технических средств как самостоятельной прикладной науки существенное развитие получили математические системы теории надежности. Однако в последнее время, в том числе в связи с разработкой методов диагностирования, все большее внимание привлекают вопросы, связанные с физико-техническими аспектами, с физикой отказов [1].

Общепринятые показатели надежности могут быть представлены как функции физических характеристик и параметров элементов и скорости их изменения в зависимости от различных факторов, действующих при эксплуатации, ремонте и хранении. Так, вероятность возникновения отказов вследствие нарушения механической, электрической или тепловой прочности можно определить как

, (1)

где x – запас прочности (механической, электрической или тепловой);

–скорость изменения запаса прочности вследствие протекающих внутри или на поверхности веществ химических процессов;

–вероятностные прочностные характеристики материалов.

В общем случае необходимо рассматривать механическую, электрическую или тепловую прочность материала и действие различных факторов, вызывающих изменение запаса прочности, т. е.

. (2)

Вероятность безотказной работы определяется как p = 1  q, а интенсивность отказов

. (3)

6

Учитывая равенство (2), можно определить общую интенсивность отказов как сумму интенсивностей отказов под действием механических, электрических и тепловых факторов:

. (4)

В связи с этим основным направлением дальнейшего развития теории и практики надежности является сочетание статистических, вероятностных методов анализа надежности с глубоким проникновением в физическую (или физико-химическую) сущность процессов, протекающих в изделии. Для этого необходимо установление непосредственной зависимости основных показателей надежности от физических свойств и параметров материалов элементов, от физико-химических процессов их изменения и от интенсивности эксплуатационных воздействий с учетом случайного характера величин и процессов. Изучение физических закономерностей изменения свойств и параметров элементов, кинетики процессов, вызывающих эти изменения, представляется особенно важным, если иметь в виду, что существо проблемы надежности заключается в конечном счете в изменчивости материалов и элементов во времени при заданных условиях эксплуатации.

2. Классификация процессов изменения свойств работоспособности элементов

Изменения параметров и характеристик элементов во времени, обусловленные происходящими в них физико-химическими процессами, являются наиболее общей причиной отказов элементов. Процесс возникновения отказа представляет собой, как правило, некоторый временной процесс, внутренний механизм и скорость которого определяются структурой и свойствами материала, напряжениями, вызванными нагрузкой, и температурой. Вследствие этого классификация отказов технических устройств по их физической природе должна представлять собой прежде всего классификацию физико-химических процессов, непосредственно или косвенно влияющих на работоспособность элементов и возникновение отказов, а также классификацию условий протекания процессов. Такая классификация процессов может быть проведена по следующим признакам:

 по типу (классу) материала элемента;

 месту протекания процессов, влияющих на работоспособность

элемента;

7

 виду энергии, определяющей характер процесса;

 типу эксплуатационного воздействия;

 характеру (внутреннему механизму) процесса.

Материалы элементов технических устройств представляют собой в большинстве случаев кристаллические твердые тела. По наиболее существенному для процессов, связанных с изменением свойств материалов, критерию природе сил связи между атомами (или ионами) и соответствующей кристаллической структуреразличают три основных класса кристаллических твердых тел: металлы, ионные кристаллы, ковалентные кристаллы. Основные физические характеристики указанных классов твердых тел приведены в табл. 1 [1].

Как следует из данных табл.1, существует определенная корреляция между природой сил связи и структурой твердых тел, с одной стороны, и их макроскопическими физическими и механическими свойствами – с другой. Связь между атомами характеризуется энергией, которую нужно затратить, чтобы полностью их разъединить  энергией межатомной связи. Корреляция различных характеристик твердых тел и энергии связи между частицами дает важные закономерности для описания свойств материалов и для их классификации.

С позиций анализа причин отказов и учета взаимного влияния элементов следует различать процессы, происходящие:

 в объеме материала элементов;

 на поверхности элементов;

– в сочленениях деталей (неподвижных и подвижных);

– в электрических цепях.

Наряду с физико-химическими процессами, происходящими в объеме твердых тел, во многих случаях решающее влияние на работоспособность элементов и возникновение отказов оказывают процессы на поверхности тела, которая подвергается непосредственному воздействию окружающей или рабочей агрессивной среды, влаги, загрязнений.

Процессы в объеме твердого тела и на его поверхности, способствующие нарушениям работоспособности и появлению отказов, обычно возникают и развиваются как локальные. К процессам, предшествующим появлению отказов, протекающим в местах подвижного и неподвижного соединения деталей устройств, относятся различные виды механического и электроэрозионного изнашивания, контактной коррозии и др.

Изменение фактического состояния, свойств и характеристик элементов обычно обусловлено воздействием энергии и заключается в превращениях од-

8

ного вида энергии в другой. Для классификации отказов и процессов их возникновения важнейшими являются следующие виды энергии:

механическая, т. е. энергия свободно движущихся отдельных микрочастиц и макросистем и энергия упругой деформации системы (тела);

тепловая, т. е. энергия неупорядоченного, хаотического движения большого числа атомов, молекул;

электрическая (электростатическая и электродинамическая), т. е. энергия взаимодействия и движения электрических зарядов, электрически заряженных частиц;

химическая, т. е. энергия электронов в атоме, частично освобождаемая в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при их взаимодействии в процессе химических реакций;

электромагнитная, т. е. полная энергия системы, вещества (энергия покоя и энергия движения), освобождаемая в процессе аннигиляции (превращения частиц вещества в кванты поля).

Каждому виду энергии соответствует определенный характер взаимодействия между частицами и телами в соответствующих полях. Следует отметить некоторые особенности механической и тепловой энергии и соответствующего им взаимодействия. Механическое взаимодействие представляет собой непосредственное взаимодействие (путем соприкосновения) между механическими системами. Механическая энергия, т. е. энергия свободно движущейся частицы или системы, может поддерживаться не только механическими, но и электрическими, магнитными, гравитационными и другими взаимодействиями.

Тепловое взаимодействие, хотя и представляет собой как бы механическое взаимодействие между хаотически движущимися частицами (молекулами, атомами), однако, являясь результатом совокупного действия многих частиц, оно относится к качественно иному виду взаимодействия, осуществляемому как среднее статистическое взаимодействие систем, характеризующихся различным тепловым состоянием. Среди перечисленных видов энергии (которые могут сравниваться по упорядоченности, т. е. направленности движения, концентрации, способности к превращению и скорости превращения в другие виды энергии, способности к накоплению) тепловая энергия занимает особое место. Все виды энергии могут превращаться непосредственно или косвенно в тепловую энергию. Закономерности превращения одних видов энергии в другие в наиболее общей форме устанавливаются основными законами термодинамики и статистической физики. В термодинамике и статистической физике рассмат-

10

риваются следующие важнейшие характеристики энергии вещества, являющиеся термодинамическими функциями его состояния: внутренняя энергия E, свободная энергия G, энтальпия Н, термодинамический потенциал Ф, энтропия S, которые связаны между собой соотношениями:

G = E  TS; (5)

H = E + PV; (6)

Ф = G + PV = H  TS, (7)

где P,V,T  давление, объем и абсолютная температура системы.

Многие физико-химические процессы, связанные с возникновением отказов, являются термически активируемыми процессами, т.е. могут протекать только при определенном уровне тепловой энергии, причем интенсивность процессов увеличивается при нагревании тела. Тепловые процессы играют значительную, порой решающую роль в изменении свойств и характеристик элементов и их материалов, в процессах их разрушения и старения.

Воздействующие при эксплуатации факторы вызывают постепенное изменение характеристик и параметров элементов. При определенных значениях этих характеристик и параметров, т. е. при их изменении до некоторого критического уровня может произойти отказ элемента. Эксплуатационные воздействия можно классифицировать по нескольким признакам.

По условиям возникновения воздействующего фактора различают воздействия, определяемые окружающей средой и влияющие на элементы независимо от того, работают они или выключены, и воздействия, возникающие только в условиях активной работы элемента. К первым относятся влажность, атмосферное давление и его изменения, температура окружающей среды и ее изменения, химический состав и загрязнение среды, радиация, электромагнитное поле, гравитационное поле, микроорганизмы, а также механические нагрузки, возможные при эксплуатации (вибрация, удары). Ко вторым относятся напряжение и ток установившихся и переходных режимов, выделяющееся в элементе тепло, механические нагрузки, возникающие в самом рабочем элементе (трение, давление).

Окружающая или рабочая среда оказывает значительное влияние на процессы разрушения материалов элементов, их прочность, долговечность и стабильность. Развившаяся в последние годы область технической физики  физико-техническая механика материалов  устанавливает количественные законо-

11

мерности этого влияния, закономерности физико-химического взаимодействия материалов с окружающей средой, исследует процессы деформации и разрушения реальных твердых тел в условиях воздействия нагрузок и рабочих сред, высоких и низких температур и давлений, электромагнитных полей и радиацион-

ных излучений.

По характеру влияния на материалы окружающей или рабочей среды различают адсорбционный, диффузионный, химический, коррозионный, радиационный, кавитационный, эрозионный механизмы влияния; в случае кавитации и эрозии дополнительное влияние среды на разрушение поверхности материала связано с движением среды.

По виду изменений, вызываемых в материале воздействующими факторами, различают необратимые изменения (например, при химическом растворении или коррозии, при образовании новых твердых растворов или химических соединений и т. д.) и обратимые изменения (наблюдаемые, например, при физической адсорбции газов, когда устранение адсорбированных слоев вещества или десорбция восстанавливают свойства материалов).

По характеру изменения во времени различают два типа эксплуатационных воздействий: к первому относят возмущения, которые после их возникновения остаются постоянными или закономерно изменяются (например, по синусоидальному закону) во время эксплуатации устройства; ко второму относят воздействия, являющиеся случайными функциями времени  стационарными, квазистационарными или нестационарными.

Воздействие эксплуатационных факторов связано с режимом хранения или активной эксплуатацией. В устройствах, подвергающихся длительному хранению перед активной эксплуатацией, постепенное изменение свойств и характеристик элементов при хранении может иметь доминирующее значение, особенно для элементов, чувствительных к влиянию таких внешних факторов, как влажность, атмосферное давление, облучение, состав и загрязнение атмосферы, окружающая температура. Влияние факторов, действующих при активной эксплуатации, зависит от режима активной эксплуатации  от того, является ли этот режим непрерывным, циклическим, случайным повторно-прерывистым или одноразовым, установившимся или переходным.

Внутренний механизм процессов, предшествующих отказу, нарушению работоспособности элементов технических устройств, может быть исчерпывающе проанализирован только в каждом конкретном случае для данного типа элемента и устройства, заданных условий эксплуатации и режимов работы.

12

Однако конкретные механизмы нарушений определяются общими физико-экономическими процессами изменений структуры, свойств и параметров элементов, причем закономерности, характеризующие эти процессы, могут непосредственно служить моделями отказов или являются основой для построения некоторых общих физических моделей отказов и процессов их возникнове-

ния. В качестве наиболее общих физико-химических процессов в материалах, которые могут быть связаны в той или иной степени с возникновением нарушений работоспособности и отказов, необходимо указать следующие:

 диффузионные процессы в объеме и на поверхности твердых тел;

 перемещение и скопление точечных дефектов и дислокаций в кристаллических твердых телах;

 функциональный разрыв межатомных связей в металлах и сплавах;

 разрыв химических связей цепей макромолекул полимерных

материалов;

 сорбционные процессы;

 действие поверхностно-активных веществ;

 сублимация материалов;

 структурные превращения в сплавах металлов и др.

К общим физическим моделям отказов и процессов их возникновения относятся:

 деформация и механическое разрушение различных материалов элементов (деталей);

 электрическое разрушение (нарушение электрической прочности, электрический пробой) диэлектрических материалов;

 тепловое разрушение (нарушение тепловой устойчивости, перегорание, расплавление и т. п.) элементов;

 электрохимическая коррозия;

 электротермическая эрозия;

 истирание (изнашивание) поверхностей деталей;

 сцепление (схватывание) поверхностей соприкасающихся деталей;

 загрязнение поверхности и материала элементов и многие другие.

13