Раздел 2. Физические основы надежности

Лекция 9. Старение и износ. Модель старения. Область существования старения

Старение и износ

Среди причин возникновения отказов большое место занимают старение и износ.

С течением времени материалы, из которых изготовляют узлы машины, претерпевают необратимые изменения, порождения:

- накоплением деформаций;

- межкристаллическими явлениями и другими причинами.

В конечном результате происходит отказ.

Старение - это естественный процесс изменения во времени физико-химических свойств материала, проявляющееся в виде необратимых структурных изменений, распада, окисления и других явлений.

Старение происходит под влиянием окружающей среды (нагрев, охлаждение, влажность), механических воздействий (вибрация, удары), абразивного действия и т. д.

Одной из основных причин старения является остаточные деформации, которые возникают при больших нагрузках, вызывающие кратковременные напряжения в материале выше допустимых.

В условиях эксплуатации возникают кратковременные нагрузки, превышающие предел упругости.

При напряжениях превышающих предел упругости полная деформация _n состоит из упругой деформации, которая исчезает при снятии нагрузки, и остаточной, остающейся после снятия нагрузки (рисунок 9.1):

, (9.1)

Рисунок 9.1 – Зависимость деформации от напряжения

Вследствие этого при многократном нагружении в материале накапливаются остаточные деформации, которые при достижении определенного уровня могут привести к разрушению (зарождению, образованию и развитию трещин).

Согласно энергетической концепции критическое напряжение, при котором происходит переход развития трещины в неустойчивое состояние:

, (9.2)

где 2 - длина трещины;

Е - модуль упругости;

W_н. - энергия поверхностного натяжения трещины;

W_п – работа, идущая на пластическую деформацию при распространении трещины.

Модель старения. Законы старения. Законы превращения

Основное значение для оценки потери изделием работоспособности имеет изучение законов старения. Для прогноза поведения изделия при эксплуатации и для выбора оптимальных решений сложно получить непосредственные зависимости протекания процессов старения во времени.

Поэтому используются физические и химические законы, отражающие наиболее существенные стороны процесса и показатели, по которым можно косвенно судить об интенсивности процесса. Фактор времени здесь фигурирует в неявном виде и для получения закона старения в чистом виде необходимо дальнейшее раскрытие механизма данного процесса изменения свойств и состояния материалов.

Законы старения – законы, которые раскрывают физическую сущность необратимых изменений, происходящих в материалах изделия.

Зависимости, в которых время непосредственно не фигурирует, а отыскивается связь с другими факторами (например, энергией), которые, в свою очередь, проявляются во времени, называются законами превращения.

Законы старения всегда связаны с фактором времени. Они оценивают степень повреждения материала в функции времени.

Исследования последних лет позволили выявить зависимости, оценивающие:

- процесс износа материалов;

- процессы коррозии как функции времени;

- скорость развития усталостных трещин;

- протекание процессов ползучести;

- изменения свойств масел в процессе их эксплуатации;

- изменения коэффициента трения при работе сопряжения и др.