Тема 3. Физика отказов.

Вскрытию сущности физико-химических процессов, которые приводят к отказу изделия и математическому описанию этих явлений в функции времени посвящен раздел науки о надёжности - физика от­казов.

Как было отмечено выше, для оценки надёжности в основном используются вероятностные характеристики. Однако это не значит, что о процессах происходящих на поверхности или в теле изделий, можно делать выводы о их работоспособности лишь на основании статистических исследований.

В любом случае в основе потери работоспособности изделия ле­жат физические явления, но в силу их сложности и переменности действующих факторов, физические закономерности не всегда удаёт­ся раскрыть и описать с количественной стороны. Можно отметить, что в настоящее время уже накоплен значительный объём знаний, по­зволяющих раскрыть изменения свойств материалов в условиях экс­плуатации, что является основой для оценки надёжности и прогнози­рования надёжности на этапе конструирования и изготовления. Эти изменения могут иметь либо монотонный, либо резко выраженный скачкообразный характер и охватывать различные объёмы.

Современная наука изучает закономерности изменения свойств материалов на следующих уровнях:

1)субмикроскопический - это изучение закономерностей на ос­новании рассмотрения строения атомов и молекул и образования из них кристаллических решеток твёрдых тел и иных структур. Этот уро­вень исследований позволил развить фундаментальные представления о несовершенстве кристаллов и особенно о дислокациях, их взаимо­действиях и движении, о силах упругости с точки зрения квантовой механики, о диффузии атомов в твёрдых телах и т.д., которые явля­ются физической основой для решения основных задач прочности и долговечности материалов.

2)микроскопический - это рассмотрение свойств материалов ис­ходя из анализа процессов, происходящих в небольшой области (вы­деляется бесконечно малый элемент, а затем переносится на большую область).

Классическим примером в этом отношении может служить тео­рия напряжений и деформаций в идеальном однородном теле, когда в точке тела выделяется бесконечно малый элемент в виде параллеле­пипеда и рассматривается его напряжённое состояние. Связь между деформациями и напряжениями описывает закон Гука.

,

где έ - деформация, σ - напряжение; Е - модуль упругости.

3) макроскопический - это рассмотрение изменения свойств ма­териалов, исходя из анализа процессов, происходящих во всём боль­шом объёме или на поверхности тела (например, теория упругости на основе закона Гука рассматривает деформации и напряжения в систе­мах и деталях различной конфигурации работающих на растяжение, изгиб и другие виды деформации.

3.1. Поверхностный слой и его параметры.

Строение поверхностного слоя твёрдых тел и происходящие в нём явления играют особую роль для протекания большинства про­цессов старения и разрушения материалов. Состояние поверхностно­го слоя определяет процессы, возникающие при взаимодействии с другим телом или с окружающей средой, например, при износе, кон­тактной деформации, усталости, коррозии и др.

Особое влияние поверхностного слоя материала на работоспо­собность изделий связано со следующими причинами.

Во-первых, поверхностные слои твёрдого тела наделены избыт­ком энергии, молекулы, атомы, находящиеся у поверхности имеют свободные связи, которые способствуют возникновению таких явле­ний, как поглощение (адсорбция), сцепление (когезия), прилипа­ние (адгезия), смачивание и другие виды взаимодействия с вещест­вами внешней среды, когда поверхностный слой приобретает своеоб­разное строение.

Во-вторых, поверхностный слой формируется в результате разнообразных технологических процессов, которые не только образуют необходимую форму поверхности, и изменяют свойства материала, но и вызывают ряд побочных явлений, изменяющих свойства твёрдо­го тела у его поверхности. Физико-химические параметры поверхно­стного слоя, его структура и напряжённое состояние, сильно отлича­ются от свойств всего объёма материала.

В-третьих, в процессе эксплуатации идёт непрерывное измене­ние параметров поверхностного слоя в значительно большей степени, чем изменения, происходящие по всему объёму тела.

Прежде чем рассматривать процессы, протекающие в поверхностных слоях, необходимо оценить параметры, которые характеризу­ют их состояние и по изменению которых можно судить о происхо­дящих явлениях.

Эти параметры должны характеризовать:

1) геометрические - микро и макроисправности, формирую­щиеся в результате различных технологических процессов обработки изделия.

Макрогеометрия поверхности, т.е. характеристики её формы – овальность, огранка, конусность и т.п. Для различных поверхностей допустимые отклонения формы оговорены соответствующими стан­дартами.

Микрогеометрия, характеризуется шероховатостью (высотой неровностей R_z или средним арифметическим отклонением профиля от средней линии R_а и рядом других параметров по ГОСЬТ 2789 - 73) и волнистостью (совокупность периодически повторяющихся высту­пов и впадин в шагом, превышающим базовую длину).

На работоспособность изделия влияют не только основные ха­рактеристики волнистости и шероховатости, но и форма микроне­ровностей, их направление, форма волнистости и другие параметры микрорельефа.

2) напряжённое состояние поверхностного слоя - напряжения, возникающие в процессе нагрева и охлаждения изделия, образующих равновесную систему, которые проявляются в виде макро-, микро- и субмикроскопическими напряжениями.

Внутренние напряжения, как правило, являются следствием оп­ределённого технологического процесса, поэтому различают литей­ные, сварочные, заколочения, шлифованные и другие остаточные напряжения.

Остаточные напряжения, которые сохраняются в детали дли­тельное время, алгебраически складываясь с рабочими (внешними) напряжениями, могут их усиливать или ослаблять.

3) строение поверхностного слоя - изменение твёрдости и структуры по глубине слоя (обычно поверхностные слой состоит из следующих характерных участков:

1-й слой - повышенной твёрдости, содержащий описанные плёнки;

2-й слой, наклёпанный с сильно деформированной кристалличе­ской решёткой;

3-й слой, наклёпанный, с искажённой кристаллической решёт­кой, с увеличенным числом дислокаций и вакансий;

4-й слой - металл с исходной структурой.

Наклёп приводит к уменьшению плотности металла пропорцио­нально степени пластической деформации, происходит так же изме­нение свойств металла: повышается сопротивление деформации и твёрдость, понижается пластичность. О степени наклёпа можно су­дить по отношению твёрдости поверхностных слоев и исходного ме­талла Н_мах/Н₀.

Стремление получить поверхностный слой с наилучшими экс­плуатационными характеристиками привело к применению различных технологических процессов финишной обработки, таких как шлифование, полирование, абразивная доводка и т.д.

4) Поверхностные плёнки - обусловленные свободной по­верхностной энергией слоев молекул (молекула в слое окружена 12-ю молекулами, а на поверхности - 6-ю), в результате происходит адсорбция газов, паров, жидкостей.