ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Классификация процессов изменения свойств материалов деталей машин, предшествующих появлению отказов из "Повышение надежности машин Изд.2 " По наиболее существенному для ироцессов, 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 и ковалентные кристаллы. [c.36] Существование указанных классов твердых тел связано с особенностями их зонной энергетической структуры. Различие в величине электроироводности целиком определяется зонной структурой, свойственной данному типу кристалла. [c.36] Согласно зонной теории в кристаллической решетке твердого тела вследствие взаимодействия между электронами соседних атомов создается зона энергетических уровней электронов решетки. Зоны энергии в кристаллах твердого тела подразделяются на полностью занятые электронами — основные (валентные) зоны и частично или целиком не заполненные электронами — свободные зоны (зоны проводимости). Существенное различие между состояниями двух групп электронов ( в основной и свободной зонах) определяется различной степенью связи электронов с атомами в этих зонах. В отличие от валентной зоны в зоне проводимости электроны слабо связаны со своими атомами. В общем случае между основной и свободной зонами существует некоторое энергетическое расстояние АЕз — запрещенная зона, в отличие от которой основную и свободную зоны называют разрешенными. Для перехода электрона из основной зоны в свободную его энергия должка превысить верхний уровень основной зоны па величину, не меньшую ДБз переход из одной зоны в другую осуществляется путем поглощения или отдачи электроном этой энергии. [c.36] При температуре тела выше абсолютного нуля некоторое количество электронов, зависящее от температуры и величины запрещенной зоны, может обладать необходимой для перехода энергией и находиться в свободной зоне в основной зоне будет находиться равное количество незанятых уровней. Переход электронов из одной зоны в другую является непрерывным процессом, и состояние, характеризующееся наличием в среднем некоторого количества электронов в свободной зоне и равного ему количества незанятых уровней в основной зоне, является состоянием динамического равновесия, соответствующего данной температуре тела. Между указанными классами твердых тел нельзя провести резких границ некоторые кристаллические твердые тела проявляют свойства, характерные для нескольких типов связи. [c.36] Наряду с физико-химическими процессами, происходящими в твердых телах, 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. [c.37] Для классификации отказов и процессов их возникновения по виду энергии важнейшими являются механическая — энергия свободно движущихся отдельных микрочастиц и макросистем и энергия упругой деформации системы (тела) тепловая— энергия неупорядоченного, хаотического движения большого числа микрочастиц (атомов, молекул и др.) электрическая (электростатическая и электродинамическая) — энергия взаимодействия и движения электрических зарядов, электрически заряженных частиц химическая — энергия электронов в атоме, частично освобождаемая в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при их взаимодействии в процессе химических реакций электромагнитная—энергия движения фотонов электромагнитного поля аннигиляционная — полная энергия системы, вещества (энергия покоя и энергия движения), освобождаемая в процесе аннигиляции (превращения частиц вещества в кванты поля). [c.37] Каждый вид энергии имеет определенный характер взаимодействия между частицами и телами в соответствующих полях. Следует отметить некоторые особенности механической и тепловой энергии и их взаимодействия. Механическая энергия, т. е. энергия свободно движущейся частицы или системы, может возникать не только при механических, но и электрических, магнитных, гравитационных и других факторах. Тепловое взаимодействие хотя и представляет в своей основе как бы механическое взаимодействие между хаотически движущимися частицами (атомами, молекулами), однако, являясь результатом совокупного действия многих частиц, оно относится к качественно иному виду взаимодействия, осуществляемому как среднее статистическое взаимодействие систем, характеризующихся различным тепловым состоянием. [c.37] 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 и иногда решающую роль в изменении свойств и характеристик элементов, их разрушения и старения. [c.38] При классификации по признаку эксплуатационного воздействия надо иметь в виду, что действующие при эксплуатации факторы вызывают постепенное изменение параметров и в то же время при определенных значениях этих параметров изменение интенсивности воздействия до некоторого критического уровня может вызвать отказ изделия. [c.38] Факторы, действующие в процессе эксплуатации, можно классифицировать по причинам возникновения (окружающая среда) по виду изменений, вызываемых в материале действующими факторами (например, в случае необратимых изменений при химическом растворении или коррозии, при образовании новых твердых растворов или химических соединений, при интенсивном радиоактивном облучении и т. д. и при обратимых изменениях, при физической адсорбции газов, когда устранение адсорбированных слоев вещества или десорбция восстанавливают свойства материала) по характеру изменения во времени различают два типа эксплуатационных воздействий (возмущения, которые после их возникновения остаются постоянными или закономерно изменяются во времени эксплуатации изделия, и воздействия, являющиеся случайными функциями времени). [c.38] Действие эксплуатационных факторов связано с режимом хранения или активной эксплуатацией. В устройствах, подвергающихся длительному хранению перед активной эксплуатацией, постепенное изменение свойств и характеристик изделий при хранении может иметь доминирующее значение, особенно для изделий, 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. [c.38] При классификации по характеру физико-химических процессов внутренний механизм процессов, предшествующих отказу и нарушению работоспособности изделия, может быть детально проанализирован только в каждом конкретном случае для данного типа изделия, заданных условий эксплуатации и режимов работы. [c.38] Однако отказы изделий определяются общими физико-хими-ческими 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 возникновения. [c.39] В качестве наиболее общих физико-химических процессов, протекающих в материалах и предшествующих отказу, необходимо указать следующие диффузионные процессы, протекающие в твердом теле и на его поверхности перемещение и скопление точечных дефектов и дислокаций в кристаллических твердых телах флуктуационный разрыв межатомных связей в металлах и сплавах разрыв химических связей цепей макромолекул полимерных материалов сорбционные процессы, электролитические процессы действие поверхностно-активных веществ сублимация материалов структурные превращения в сплавах металлов и др. [c.39] К общим физическим моделям отказов и процессов их возникновения относятся, например деформация и механическое разрушение различных материалов, электрическое разрушение (нарушение электрической прочности, электрический пробой) диэлектрических материалов, тепловое разрушение (нарушение тепловой устойчивости, перегорание, расплавление и т. п.) элементов, электрохимическая коррозия, электротермическая эрозия, радиационное разрушение, истирание (износ) поверхностей деталей, сцепление (схватывание) поверхностей соприкасающихся деталей, загрязнение поверхности и материала элементов и многие другие. [c.39] При рассмотрении физических явлений и процессов, обусловливающих возникновение отказов деталей и устройств, следует определить оптимальную степень детализации физического анализа, учитывая, что интерес представляют макроскопические характеристики состояния материалов, деталей и устройств. По-видимому, целесообразная степень детализации должна определяться не столько возможностью непосредственного использования физических закономерностей для инженерных расчетов надежности, сколько необходимостью глубокого физического анализа процессов для эффективного решения многих задач исследования и обеспечения надежности конкретных устройств. [c.39] Изучение физико-химических процессов, способных привести к отказам, создает возможность научно обоснованного выбора наиболее эффективных конструктивно-технологических путей повышения надежности деталей и устройств априорной оценки их надежности, отвечающей действительной природе явлений разработки научно обоснованных методов ускоренных испытаний на надежность, сокращения объема необходимых испытаний прогнозирования надежности каждого экземпляра элемента или устройства на основании исследования его определенных физических свойств. [c.40] В теории надежности иод отказом понимают событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия, т. е. такое состояние изделия, при котором полностью или частично утрачивается его работоспособность. В зависимости от признаков деления различаются следующие виды отказов. [c.40] По характеру изменения параметра до момента возникновения отказа могут быть отказы двух видов внезапный, возникающий в результате скачкообразного изменения значений одного или нескольких основных параметров изделия, и постепенный, возникающий в результате влияния другого отказа. [c.40] По возможности использования изделия после возникновения отказа имеют место отказы двух видов полный, при котором изделие использовать по назначению невозможно, и частичный, при котором можно частично использовать изделие. [c.40] Вернуться к основной статье