Конспект лекций Утверждено редакционно-издательским советом университета Омск 2002
| Вид материала | Конспект |
- Конспект лекций Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским, 1023.31kb.
- Рекомендовано в качестве конспекта лекций Редакционно-издательским советом Томского, 1088.59kb.
- Прокурор в уголовном процессе, 2839.04kb.
- Пособие подготовлено на кафедре экономической теории © Новосибирский государственный, 754.49kb.
- Методические указания к выполнению практических занятий по дисциплине "Осложнения, 1155.63kb.
- Учебно-методическое пособие по выполнению, структуре, оформлению и защите дипломной, 941.58kb.
- Нефтяное товароведение, 1449.59kb.
- Общая и, 861.29kb.
- Методические указания к оформлению курсовых и дипломных проектов (работ) для студентов, 364.72kb.
- Методические указания к курсовому и дипломному проектированию Москва 2007, 873.19kb.
3.7. Процессы теплового разрушения твердых тел Тепловая устойчивость твердых тел, так же как теоретическая механическая прочность, определяется энергией межмолекулярной, межатомной связи (энергией кристаллической решетки). Большая величина энергии связи характеризует способность к образованию решеток с высокой нагревостойкостью, механической и электрической прочностью. В зависимости от скорости нагревания тепловое разрушение представляет собой плавление или испарение (сублимацию) твердого тела. Медленное нагревание кристаллического твердого тела сопровождается его плавлением и испарением расплава; быстрое нагревание вызывает испарение твердого тела. Процесс плавления твердого тела характеризуется температурой и теплотой плавления (количеством энергии, необходимым для плавления одного моля вещества при постоянной температуре), значения которых возрастают с увеличением энергии связи. Наблюдаемая корреляция между плавлением и механическим разрушением соответствует связи между пластической деформацией и разрушением: элементарные акты при плавлении и пластической деформации полагаются одинаковыми (при пластической деформации наступает локальное плавление вследствие повышения температуры в узкой зоне вдоль плоскости скольжения за счет энергии внешнего источника). Во всяком случае, имеющиеся данные свидетельствуют о близкой природе физических процессов механического и теплового разрушения материала. На взаимную связь этих процессов указывает, в частности, то, что одновременное действие механической нагрузки и нагревания оказывает одинаковое совокупное действие, ускоряющее разрушение металла. Процессы сублимации (испарения, выгонки) твердых тел, происходящие 24 при любой температуре, имеют большое практическое значение при некоторых условиях эксплуатации. Так, в космических условиях (в глубоком вакууме) сублимация материалов оказывает непосредственное влияние на работоспособность устройств. Испарение твердого тела происходит в результате увеличения значения энергии теплового движения до величины, необходимой для преодоления сил связи между частицами твердого тела и для отрыва частиц с поверхности кристалла (теплота сублимации или теплота испарения). При испарении твердого тела кристаллическая решетка полностью разрушается; скорость теплового разрушения твердого тела зависит от подводимой энергии, давления, структуры тела и ее нарушений. При термическом разрушении (испарении) в вакууме чистых металлов, сплавов, окислов металлов, диэлектриков, полупроводников, так же как и при их механическом разрушении, наблюдаются одинаковые закономерности; температурно-временная зависимость механической и тепловой прочности твердого тела выражается аналогичными экспоненциальными зависимостями; время испарения уменьшается экспоненциально с повышением температуры тела и уменьшением теплоты испарения. 4. ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ  Процессы электрического разрушения диэлектрических материалов могут быть двух видов: пробой толщи диэлектрика и разряд по поверхности диэлектрика. Пробой диэлектрика происходит при наложении электрического поля, напряженность которого превышает определенное критическое значение пробивную напряженность Епр, характеризующую электрическую прочность диэлектрика. Для твердых диэлектриков характерны две основные формы пробоя: пробой, вызванный электрическим разрядом (чисто электрический пробой), и тепловой пробой.Некоторые особенности чисто электрического и теплового пробоя многих твердых диэлектриков показаны на графике зависимости пробивного напряжения при данной толщине диэлектрика (или пробивной напряженности) от температуры (рисунок). Существуют две температурные области, в которых диэлектрик ведет себя по-разному. В области I более низких температур, соответствующей чисто электрическому пробою, пробивная напряженность не зависит от температуры (так же, как и от времени воздействия напряжения, если оно не мало). В области II, соответствующей тепловому пробою, пробивная напряженность зависит как от температуры, так и от длительности воздействия напряжения: чем меньше время воздействия, тем выше пробивная напряженность. Пробивная напряженность при электрическом пробое различных твердых диэлектриков составляет 106107 В/см; тепловой пробой в обычных условиях происходит в большинстве случаев при напряженности поля 104105 В/см. Иногда выделяются как отдельные формы пробоя химический (электрохимический) пробой и пробой, вызываемый физическими дефектами диэлектрика. Под химической формой пробоя понимается пробой, связанный со снижением электрической прочности диэлектрика вследствие химических изменений, происходящих в диэлектрике при длительном воздействии высокого напряжения. При этом по существу происходят два последовательных процесса: процесс физико-химического изменения диэлектрика (старения), снижающий его электрическую прочность, и собственно пробой, который может быть тепловым (чаще всего) и чисто электрическим. Ухудшение свойств диэлектрика в процессе старения, особенно при повышенной температуре, может создать такие условия, когда последняя фаза длительного процесса примет форму пробоя (теплового или электрического), характерную для кратковременного воздействия напряжения. Обычно разрушение изоляции при эксплуатации происходит в результате комбинированного воздействия ряда факторов: термического воздействия при повышенных температурах, воздействия электрического напряжения, механического воздействия, влияния влаги и загрязнений и др. Полупроводники, так же как диэлектрики, обладают определенной электрической прочностью, характеризуемой критической напряженностью элек- трического поля (пробивной напряженностью), при которой начинается резкий рост электропроводимости. Различия объясняются, главным образом, разной 26 шириной полосы запрещенных энергий между валентной зоной и зоной проводимости: в диэлектриках она больше 3 эВ, в полупроводниках меньше 2 эВ. Потеря электрической прочности и пробой полупроводников под действием электрического поля в зависимости от ряда условий могут быть вызваны раз- личными физическими процессами. В связи с этим различают, так же как для твердых диэлектриков, электрический, тепловой и комбинированный механизмы пробоя полупроводников. Электрический пробой твердых диэлектриков представляет собой сложный комплекс разнообразных физических процессов и явлений: электрических, механических, тепловых. Характерной особенностью электрического пробоя, который возникает в чистом виде в достаточно однородном поле, в отсутствие краевых разрядов, при кратковременном приложении напряжения, является возрастание тока перед пробоем с увеличением напряжения приблизительно по экспоненциальному закону и почти скачкообразное увеличение тока при достижении определенной напряженности поля (при пробое); образующийся большой ток способен расплавить, обуглить или сжечь диэлектрик, при небольшом токе в месте пробоя остается след в виде прокола или прорыва. Наиболее вероятным механизмом электрического пробоя твердых диэлектриков является ударная ионизация электротоками или ионами. При движении в решетке твердого тела электроны проводимости отдают энергию, полученную от электрического поля, атомам или ионам кристалла, вызывая ионизацию. Разрушение диэлектрика в стадии завершения разряда и послепробойной стадии значительно больше, чем в стадии формирования разряда. В стадии завершения разряда (стадии разрушения) выделяется энергия, по крайней мере на три порядка большая, чем в стадии формирования разряда. Различают два основных вида электрического разряда по поверхности диэлектрика и соответствующего им электрического повреждения: 1) поверхностное (дуговое) перекрытие, характеризующееся тем, что электрическая дуга начинается и проходит в основном в газе, находящемся над поверхностью изоляционного материала; 2) прогрессирующее поверхностное повреждение, при котором повреждение происходит под разрушающим влиянием поверхностных дуговых разрядов или искрения. При прогрессирующем повреждении при каждом разряде на поверхности диэлектрика появляется неисчезающий дефект (проводящий след или проводящая дорожка), имеющий обычно древовидную форму и способный вызывать 27 сильную эрозию поверхности. Влияние дуги и проводящего следа является в основном термическим, т. е. они вызывают высокотемпературные реакции, такие как разложение или горение. Поверхностное перекрытие изоляционных конструкций зависит от большого числа факторов, к которым относятся: пло- щадь и состояние поверхности диэлектрика, расположение поверхности диэлектрика относительно электродов, относительные значения диэлектрической проницаемости двух сред (твердого диэлектрика и газовой среды), электрическая прочность газа, контакт между электродом и изоляционным материалом, форма приложенного напряжения, продолжительность его действия, толщина изоляции и изоляционные расстояния и др. Тепловой пробой твердых диэлектриков происходит обычно при длительном воздействии электрического напряжения и является следствием нарушения теплового равновесия диэлектрика (когда подвод тепла к диэлектрику превышает отвод тепла путем теплопроводности, излучения и конвенции). Нарушение теплового равновесия приводит к катастрофическому нарастанию количества тепла, выделяемого в диэлектрике, и к термическому его разруше- нию прожиганию, плавлению или разложению. Тепловой пробой имеет место в случае, когда приложенное напряжение недостаточно для того, чтобы вызывать электрический пробой при данной температуре, и когда вследствие выделения тепла происходит такое повышение температуры в диэлектрике, что снижаются его электрическое сопротивление и электрическая прочность до значений, соответствующих приложенному напряжению. Возникновение электрического пробоя полупроводников в сильном электрическом поле обусловлено резким увеличением концентрации носителей зарядов вследствие генерации электронно-дырочных пар электрическим полем. В полупроводниковых приборах с увеличением обратного напряжения, приложенного к электронно-дырочному (pn)-переходу, по достижении некоторого напряжения происходит резкое возрастание обратного тока и, если не принять мер к его ограничению, возникает пробой (pn)-перехода прибора. Существуют следующие механизмы электрического пробоя в объеме полупроводников: электрический пробой, вызываемый электростатической ионизацией (электростатический, туннельный, зинеровский пробой); электрический пробой, вызываемый ударной ионизацией (ударный, или лавинный пробой). Пробой может наступить в результате совместного действия ударной и электростатической ионизации. Наряду с пробоем в объеме полупроводника 28 наблюдается поверхностный пробой. В ряде случаев выход полупроводниковых приборов из строя происходит вследствие их теплового пробоя, что влияет на их тепловую устойчивость. Исследования показывают, что практически во всех случаях теплового пробоя транзисторов происходят следующие явления: а) выход транзисторов из строя сопровождается возникновением необратимого короткого замыкания между коллектором и эмиттером либо, что наблюдается значительно реже, – между коллектором и базой; б) выход транзисторов из строя происходит при напряжениях, значительно меньших, чем предусмотренное ТУ предельное напряжение для транзисторов данного типа; в) вероятность отказа транзисторов быстро возрастает с повышением температуры (рn)-перехода и приложенного к нему напряжения; г) вероятность отказа больше для транзисторов с большим обратным током коллекторного перехода, особенно если наблюдается возрастание этого параметра в процессе работы. 5. СТАРЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ 5.1. Старение материалов и сплавов Старением материалов называют процессы изменения их физико-механических свойств во времени в условиях длительного хранения и эксплуатации. Обычно старение обусловлено недостаточно стабильным (неравновесным) состоянием материала и переходом его в стабильное (равновесное) состояние. Этот переход может быть связан со структурными превращениями или представляет собой релаксационной процесс. При старении может происходить как ухудшение, так и улучшение определенных свойств материалов или нередко – улучшение одних свойств при одновременном ухудшении других. Иногда применяют искусственное старение материалов с целью улучшения или стабилизации некоторых их характеристик. Металлические сплавы могут представлять собой химические соединения, твердые растворы внедрения или замещения и металлические соединения, являющиеся благодаря особенности металлического состояния вещества (час-тичному обезличиванию атомов различных металлических элементов при их 29 взаимодействии) промежуточной фазой между химическими соединениями и твердыми растворами. К основным видам превращений в твердом состоянии относятся: аллотропическое превращение; мартенситное превращение и распад мартенситной структуры; растворение в твердом состоянии и распад пресыщенных твердых растворов; упорядочение и разупорядочение твердых растворов; образование твердого раствора из эвтектоидной смеси и эвтектоидный распад. Перечисленные виды превращений могут быть разделены на две группы: превращения, протекающие без изменения химического состава образующихся при превращениях фаз (связанные только с изменениями кристаллической структуры), и превращения, сопровождающиеся образованием фаз с измененным химическим составом. Некоторые из указанных превращений могут происходить в широком диапазоне температур, включая температуры, характерные для обычных условий эксплуатации; другие виды превращений происходят при определенных очень высоких или низких температурах, достигаемых не только при специальной термической обработке, но и при эксплуатации многих современных технических устройств: реактивных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, космических аппаратов и т. д. Наибольшее практическое значение имеют процессы старения, связанные с распадом пересыщенных твердых растворов (процессы выделения). 5.2. Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых растворов Старение имеет особое значение для многих термически обрабатываемых сплавов на железной, алюминиевой, медной, магниевой, никелевой и кобальтовой основе. Способность к старению определяется увеличивающейся с температурой растворимостью компонента сплава в основном металле сплава, т. е. изменением предельного насыщения твердого раствора с изменением температуры. В процессе старения сплав, однофазный при высокой температуре, при более низкой температуре распадается на две (или более) фазы в соответствии с диаграммой состояний; при этом вторая фаза (выделение) может быть метал- 30 лическим соединением или новым твердым раствором с другим содержанием растворенного компонента. Для скорости распада в большинстве случаев справедливы следующие качественные закономерности: скорость распада (выделения) тем больше, чем выше температура старения сплава; при данной температуре в сплавах с низкой температурой плавления выделение идет быстрее, чем в тугоплавких сплавах; нарушения кристаллической решетки исходного твердого раствора (матрицы) вследствие облучения и холодной деформации ускоряют процесс выделения; присутствие растворимых или нерастворимых включений ускоряет процесс выделения. Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых растворов, вызывает изменение механических и физических свойств сплава: прочности, твердости, электросопротивления, коэрцитивной силы, стойкости против коррозии и др. Процессы, протекающие на первых стадиях старения (появление субмикроскопической неоднородности в распределении атомов растворенного компонента, когерентная связь двух различных решеток, выпадение весьма дисперсных частиц), приводят к упрочнению сплава, увеличению его твердости, повышению сопротивления пластической деформации, связанному с тем, что изменения структуры сплавов на этих стадиях старения затрудняют перемещение дислокаций при пластической деформации. Однако четвертая стадия коагуляция дисперсных частиц всегда связана со снижением прочности; наряду с коагуляцией частиц разупрочнение обусловлено потерей когерентности решеток новой фазы и твердого раствора, обеднением твердого раствора растворенным компонентом в процессе выделения. Вследствие этого изменение прочности, электросопротивления и коэрцитивной силы пересыщенного твердого раствора в процессе его старения характеризуется кривой с максимумом. При достаточно больших интервалах времени прочность снижается до значений, присущих сплаву до старения и меньших. Пониженная вследствие старения пластичность ведет к развитию межзеренного разрушения, что связано с присутствием локализованных выделений на границах зерен. При распаде пересыщенных растворов снижается сопротивляемость сплава коррозии. В стареющих сплавах часто наблюдается коррозионное рас- 31 пределение под напряжением, связанное с локализованным выделением по границам зерен. Присутствие даже малых компонентов локализованных выделений может привести к возникновению растрескивания по границам зерен на участке детали, подвергнутом большим напряжениям. Мартенситное превращение имеет место в сплавах с мартенситной структурой специфической игольчатой микроструктурой металлических сплавов (сталей, сплавов Cu Al, Cu Sn и др.), некоторых металлов и даже неметаллических материалов. К мартенситным превращениям относят и аллотропические превращения в безуглеродистых сплавах железа с хромом, никелем, марганцем, а также аллотропические превращения в кобальте, титане, цирконии и в сплавах на основе титана и циркония. Мартенситное превращение состоит в перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные. По сравнению с другими структурами стали мартенситная структура отличается наибольшей твердостью (а также наибольшими коэрцитивной силой и электросопротивлением), но одновременно и повышенной хрупкостью. 5.3. Старение полимерных материалов Физико-механические свойства полимеров предел прочности при растяжении, сопротивление пластической деформации, температура размягчения, эластичность и др. определяются их химическим составом и структурой областями кристаллического и аморфного строения, формой и степенью подвижности цепей, величиной и характером сил, действующих между цепями. Старением полимеров (и пластических масс на их основе) называют зависящее от времени изменение их свойств в условиях хранения или эксплуатации. Старение технических полимерных материалов обусловлено в основном процессами, приводящими к деструкции полимеров, т. е. к распаду основных цепей макромолекул на осколки более простого строения, или к изменению строения макромолекул и взаимодействию между ними. Процессы деструкции, имеющие непосредственное техническое значение, могут происходить под влиянием физических (тепло, свет) или химических (кислород, вода) факторов. Таким образом, все процессы (реакции) деструкции можно разделить на следующие четыре группы, различающиеся механизмом и кинетикой:
32 а) с разрывом цепи; б) без разрыва цепи;
а) с разрывом цепи; б) без разрыва цепи. При старении пластических материалов могут изменяться структура, мо- лекулярный вес, химический состав, взаимодействие макромолекул, определяющие физико-механические свойства этих материалов. Происходящее часто при старении в результате деструкции уменьшение длины цепи и молекулярного веса полимеров существенно ухудшает их механические свойства: снижает прочность при растяжении, увеличивает хрупкость при низких температурах, снижает стойкость к истиранию. В результате процессов структурирования повышаются нерастворимость полимеров, их твердость и прочность; при этом увеличивается хрупкость и снижаются пластичность и эластичность. При длительной выдержке полимера в условиях постоянной достаточно высокой температуры его прочность может сначала уменьшиться вследствие деструкции цепи, а затем вновь увеличиться благодаря структурированию. В конце концов прочность понижается в результате полного разложения полимера. 5.4. Старение полупроводников и полупроводниковых приборов Возникновение отказов и ухудшение работоспособности полупроводниковых приборов при эксплуатации связано во многих случаях с их старением, т. е. зависящим от времени изменением свойств, которое проявляется в деградации, дрейфе основных параметров и характеристик приборов: увеличении обратного тока диодов и неуправляемых обратных токов коллекторного и эмиттерного переходов транзисторов, дрейфе коэффициентов передачи тока транзисторов, снижении пробивных напряжений (pn)-переходов, уменьшении пикового тока туннельных диодов и т. д. Процессы старения приводят к отклонению вольт-амперной характеристики (pn)-перехода прибора от нормальной. Ухудшение со временем параметров и характеристик полупроводниковых приборов обусловлено физико-химическими процессами в полупроводниках, механизм которых определяется главным образом двумя их особен-ностями: высокой чувствительностью поверхности полупроводников с (pn)-пере- 33 ходами как к физическим условиям, так и к химической природе окружающей среды; высокой чувствительностью свойств полупроводников к примесям, неоднородностям и дефектам структуры полупроводников. Процессы, вызывающие изменения параметров и характеристик прибо- ров, в значительной степени зависят от внешних условий и режимов работы: окружающей температуры, влажности, давления, состава окружающей газовой среды, механических нагрузок, рассеиваемой мощности, вида электрической нагрузки, длительности работы и других факторов. Характер влияния ряда внешних воздействий указан в табл. 2 [3]. Во всех случаях окружающая температура и рассеиваемая мощность в наибольшей степени ускоряют процессы изменения параметров, определяющих отказы. Значительная зависимость параметров от температуры является принципиальной особенностью полупроводниковых приборов, связанной с физическими свойствами полупроводников. Т а б л и ц а 2 Влияние некоторых внешних воздействий на полупроводниковые приборы
34 О к о н ч а н и е т а б л. 2
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключение следует отметить, что надежность технических систем напрямую связана с физико-химическими свойствами конструкционных материалов. 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; 35 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. Возникновение отказов зарождается в результате протекания физико-химических процессов, подверженных множеству случайных факторов. Знание и прогнозирование протекания этих процессов позволят повысить надежность технических систем. Библиографический список 1. М е л а м е д о в И. М. Физические основы надежности. Л.: Энергия, 1970. 152 с. 2. Ж у р к о в С. Н., Б е х т и н В. И., П е т р о в А. И. Температурно-временная зависимость прочности металлов и сплавов в неравновесном состоянии// Физика металлов и металловедение. 1967. Вып. 1,2. 98 с. 3. Транзисторы: параметры, методы измерений и испытаний/ Под ред. И. Г. Б е р г е н с о н а. М.: Советское радио, 1968. 129 с. ЧЕТВЕРГОВ Виталий Алексеевич, ОВЧАРЕНКО Сергей Михайлович ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ Конспект лекций _________________________ Редактор Н. А. Майорова * * * Лицензия ИД № 01094 от 28.02.2000. Подписано в печать . . . Формат 6084  .Плоская печать. Бумага газетная. Усл.-печ. л. 2,3. Уч.-изд. л. 2,2. Тираж 230 экз. Заказ .  * * Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа Типография ОмГУПСа * 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35 |