1.5. Зміна властивостей та стану матеріалів, як причина втрати машиною працездатності

Зміна первісних властивостей — втрати машиною працездатності та стану матеріалів, з яких зроблено виріб, є першопричиною втрати ними працездатності, оскільки ці зміни можуть привести до пошкодження виробу та небезпеки виникнення відмови. Чим глибше вивчені закономірності, які описують процеси зміни властивостей та стану матеріалу, тим вірогідніше можна передбачити поведінку виробів у даних умовах експлуатації та забезпечити значення показників надійності в потрібних межах.

Незважаючи на те, що для оцінки надійності, як правило,, використовують імовірнісні характеристики, це не означає, що висновок про поведінку виробу можна зробити лише на основі статистичних досліджень. Навпаки, в основі втрат машиною працездатності завжди знаходяться фізичні закономірності, але завдяки різноманітності та змінності діючих факторів, ці залежності мають імовірнісний характер, тому знання фізичних закономірносей протікання процесу докорінно змінюють можливості підтримання машини в працездатному стані, в порівнянні з тим, коли цей процес оцінюють лише статистично.

Функціональна залежність, хоча й абстрагує дійсність (лише в певній мірі наближення відображає фізичну суть процесу), але надає можливість передбачити можливий перебіг процесу старіння при різних експлуатаційних ситуаціях. Тому «фізика відмов», яка вивчає закономірності змін властивостей матеріалів в експлуатаційних умовах та, як наслідок, виникнення відмов, є основою для вивчення і оцінки експлуатаційної надійності машин.

Треба мати на увазі, що зміна вихідних параметрів складних виробів, якими є результат багаторазових змін в окремих ланках систем в різні періоди часу. Тому при вивченні надійності завжди потрібно поєднувати дослідження функціональних зв'язків та фізичних закономірностей з оцінкою статистичних процесів, які характеризують зміну первісного стану виробів. А для вирішення інженерних завдань надійності необхідно знати закономірності змін в часі вихідних параметрів машин та її елементів.

Головне значення для оцінки втрати виробом працездатності мають закони старіння. Саме ці закони розкривають фізичну суть незворотних змін, які відбуваються в матеріалах виробів при експлуатації машин та механізмів. Закони старіння, які оцінюють ступінь пошкодження матеріалів у функції часу, дають можливість прогнозувати хід процесу старіння, оцінювати можливі його реалізації та виявляти найбільш суттєві фактори, які впливають на інтенсивність діючого процесу.

Типовими для таких залежностей є закони зношування матеріалів, які на основі розкриття фізичної суті взаємодії поверхонь дають необхідні методи для розрахунку інтенсивності процесу зношування чи величини зношування в функції часу і дають оцінку параметрам, які впливають на хід процесу.

Встановлено, що будь-який процес старіння виникає і розвивається при певних зовнішніх умовах. Тому необхідно встановити межі існування процесу старіння і в першу чергу умови його виникнення. Для виникнення процесу, як правило, повинен бути перевищений певний рівень навантажень, швидкостей, температур чи інших параметрів, які визначають їх проходження. Цей початковий рівень, котрий отримав назву «поріг чутливості», особливо важливо знати для вивчення процесів старіння, які проходять швидко, коли після виникнення процесу відбувається його інтенсивний лавиноподібний розвиток.

Часто поріг чутливості пов'язаний з деяким енергетичним рівнем, який і визначає початок даного процесу. Типовим прикладом наявності енергетичного бар'єру є схоплювання матеріалів та розвиток тріщин при крихкому руйнуванні. При схоплюванні двох контактуючих поверхонь виникає створення металевих зв'язків і з'єднання кристалічних решіток, як наслідок спільної пластичної деформації матеріалів. При терті деталей машин без мастильного матеріалу цей процес практично миттєво призводить до різкої зміни умов тертя, що може викликати заїдання та відмову даної пари. При малих швидкостях ковзання полегшується взаємодія решіток кристалів, а при великих — виникають теплові явища, інтенсифікуючі процеси взаємної дифузії металів та їх термічного охоплення. Для багатьох процесів старіння характерна одночасна дія деформаційних, теплових, хімічних та інших процесів, які призводять до складної фізико-хімічної картини змін первісних властивостей та стану металів. Відмови будь-яких машин частіше за все пов'язані з руйнуванням (зношуванням) поверхневого шару деталей, які труться, тому на цих процесах зупинимося більш детально.