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.
В. А. ЧЕТВЕРГОВ, С. М. ОВЧАРЕНКО
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ
ОМСК 2002
Министерство путей сообщения Российской Федерации
Омский государственный университет путей сообщения
_______________
В. А. ЧЕТВЕРГОВ, С. М. ОВЧАРЕНКО
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ
Конспект лекций
Утверждено редакционно-издательским советом университета
Омск 2002
УДК 629.424.01
Физические основы надежности: Конспект лекций / В. А. Четвергов,
С. М. Овчаренко. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002. 37 с.
В конспекте лекций изложены вопросы, посвященные взаимосвязи надежности и долговечности технических систем с физико-химическими процессами, протекающими в материалах деталей в процессе эксплуатации. Рассмотрены общие вопросы механического разрушения металлов и полимерных материалов, процессы механического образования трещин, теплового и электрического разрушения тел.
Цель конспекта лекций – самостоятельное закрепление знаний, полученных студентами в процессе изучения курса «Надежность и диагностика локомотивов».
Предназначены для студентов 5-го курса очной и заочной форм обучения по специальности «Локомотивы».
Библиогр.: 3 назв. Табл. 2. Рис. 1.
Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. Г. Григоренко;
доктор техн. наук, профессор В. В. Лукин.
________________________
Омский гос. университет
путей сообщения, 2002
| СОДЕРЖАНИЕ | |
| Введение……………………………………………………………………... | 5 |
| 1. Классификация процессов изменения свойств материалов…………… | 6 |
| 2. Классификация процессов изменения свойств работоспособности элементов………………………………………………………………….. | 7 |
| 3. Закономерности физико-химических процессов в материалах элемен- тов и процессов механического разрушения твердых тел……………... | 14 |
| 3.1. Общие закономерности процессов механического разрушения…….. | 14 |
| 3.2. Процессы механического разрушения металлов и сплавов…………. | 17 |
| 3.3. Процессы механического разрушения полимерных материалов……. | 18 |
| 3.4. Механизм образования и развития трещин…………………………... | 19 |
| 3.5. Влияние характера изменения нагрузки на разрушение материалов.. | 20 |
| 3.6. Адсорбционное понижение прочности под действием поверхност – но-активных веществ…………………………………………………... | 22 |
| 3.7. Процессы теплового разрушения твердых тел……………………….. | 24 |
| 4. Процессы электрического разрушения твердых диэлектриков и полу- проводников………………………………………………………………. | 25 |
| 5. Старение материалов……………………………………………………... | 29 |
| 5.1. Старение материалов и сплавов……………………………………….. | 29 |
| 5.2. Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых раство- ров……………………………………………………………………….. | 30 |
| 5.3. Старение полимерных материалов……………………………………. | 32 |
| 5.4. Старение полупроводников и полупроводниковых приборов………. | 33 |
| Заключение…………………………………………………………………… | 35 |
| Библиографический список………………………………………………… | 36 |
ВВЕДЕНИЕ
Современная наука характеризуется процессами дифференциации и интеграции, появлением так называемых стыковых областей человеческих знаний. Последние десятилетия ознаменовываются возникновением наук, представляющих собой комплексы научных знаний. Так возникла кибернетика, формируются законы управления и целый ряд других наук.
К категории основных и очень важных направлений в современной науке относится проблема надежности и долговечности, включающая в себя комплекс сложных и многогранных по своему содержанию вопросов.
Наука о надежности и долговечности базируется на целом ряде отраслей человеческих знаний, таких как теория вероятностей, физические закономерности, в частности та отрасль физики, которая имеет условное название «Физика отказов», на научных основах современной технологии.
Эта наука является комплексной, и успешное решение ее проблем возможно на основе учета методологических аспектов и использования достижений современных технических и естественных наук.
В конспекте лекций в общем виде рассмотрено развитие процессов, приводящих к возникновению отказов, что является важным при решении многих задач надежности. Осмысление физических процессов, происходящих в материалах работающих деталей, позволяет инженеру профессионально подойти к разработке математических моделей надежности работы технических систем, в частности локомотивов.
5
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
3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В МАТЕРИАЛАХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПРОЦЕССОВ
МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Закономерности протекания физико-химических процессов, оказывающих влияние на работоспособность элементов технических устройств, определяются, как правило, тем, что в этих процессах участвуют только те частицы вещества (молекулы, атомы, электроны), которые обладают энергией, не меньшей некоторого значения, необходимого для преодоления энергетического барьера, препятствующего течению процесса. Перемещения и перегруппировки элементарных частиц, изменение их положения в кристаллической решетке, обусловливающие многие эти процессы, могут происходить лишь в том случае, когда энергия частиц превышает определенный для данного материала уровень, достаточный для преодоления связей между частицами.
Минимальное значение энергии частиц (свободной энергии, которая может быть принята равной внутренней энергии или энтальпии), необходимое для преодоления барьера, называют энергией активации данного процесса. Скорость рассматриваемых процессов зависит от той небольшой доли частиц, которые обладают энергией, превышающей энергию активации процесса. Доля (относительное количество) таких частиц определяется законами распределения частиц по состояниям распределения МаксвеллаБольцмана для молекул и атомов и квантовых распределений БозеЭйнштейна и ФермиДирака для электронов, протонов, фотонов и т. п. Эти законы статистической физики носят вероятностный характер, что предопределяет вероятностно-статистическую форму описания моделей отказов.