3.9. Воздействие биологических факторов

Большое воздействие на конструкционные материалы оказывают биологические факторы. Наиболее опасными являются плесневые грибы, споры которых находятся в воздухе. Грибковые образования относятся к низшим растениям, не обладающим свойством фотосинтеза. Взаимодействуя с материалами, грибковые образования выделяют продукты обмена веществ, состоящие главным образом из различного вида кислот, вызывающих разложение изоляционных материалов и пластмасс.

Под действием плесневых грибов ухудшается механическая прочность материалов и изделий. В электронных приборах под действием плесневых грибов нарушаются электрические соединения, и ускоряется коррозия контактов.

Следует отметить большую скорость распространения плесени и огромную (до 40000) разновидность плесневых грибков. Для ее образования необходимы питательная среда, тепло и малая вентиляция (ее отсутствие) воздуха. Особенно благоприятные условия для образования плесени возникают при функционировании систем в районах с повышенной влажностью и температурой (тропики, субтропики, районы южных морей и крупных озер). Особенно подвержены действию грибковой плесени пластмассы на целлюлозной основе. Плесень появляется и на неорганических изоляционных материалах, стекле и металле.

Защита от грибковой плесени заключается в создании конструкций, препятствующих проникновению влаги, в обеспечении хорошей вентиляции и покрытии уязвимых элементов специальными защитными лаками.

3.10. Старение материалов

Анализ физических процессов, происходящих в материалах элементов систем, показывает, что их состояние и надежность полностью определяются свойствами материалов, комплексным характером внешних воздействий и факторов нагрузки.

Для основных материалов имеются зависимости протекания физико-химических процессов, вызывающих старение и изменение механических, электрических и магнитных свойств материалов, от характера и количественных показателей воздействующих факторов.

Старение материалов обусловлено в основном рекристаллизацией материалов, диффузией, хемосорбцией, химическими реакциями, коррозионными процессами и увлажнением, вызывающих изменение начальных свойств материалов, из которых изготовлены элементы. Эти изменения могут привести к повреждению элемента и к опасности возникновения критического отказа системы.

Старение материалов вызывает снижение значений их характеристик во времени. Характер этого снижения определяется начальными свойствами, напряженным состоянием материала, интенсивностью воздействия внешних факторов. Во всех случаях старение материалов представляет собой необратимый процесс.

В общем виде процесс снижения свойств материалов может быть представлен некоторыми кривыми (рис. 3.10.1). В зависимости от назначения материала снижение его свойств допустимо до некоторых предельных значений Хпр, это и определяет продолжительность использования материала.

Рис. 3.10.1. Схема снижения свойств материалов в процессе старения

Протекание процесса старения. Для расчета надежности необходимо знать скорость протекания процесса повреждения f или степень данного повреждения U(t) в функции времени.

Такие зависимости могут быть получены на основе рассмотрения физики процесса или экспериментальным путем.

В табл. 3.10.1 для металлов представлены типовые закономерности протекания процессов старения во времени. Они относятся к одностадийным процессам, когда в течение рассматриваемого периода не происходит изменения физико-химической картины процесса.

В табл. 3.10.2 дана классификация процессов старения по месту их протекания и внешнему проявлению и указаны основные разновидности каждого процесса. Наиболее просто протекают стационарные процессы, когда скорость процесса постоянна или колеблется относительно среднего значения. Это происходит в том случае, если факторы, влияющие на скорость процесса, стабилизировались и нет причин, изменяющих интенсивность процесса. Зависимость U(t) имеет обычно линейный или близкий к нему характер. Такая закономерность характерна для установившегося периода изнашивания, для некоторых видов коррозии и других процессов. Если при старении возникают факторы, которые интенсифицируют или, наоборот, замедляют скорость его протекания, т.е. скорость процесса ? изменяется монотонно, функция U(t) будет иметь нелинейный вид и соответственно описывать ускорение или затухание процесса повреждения материала. Ход процесса в этом случае связан с тем, что его скорость зависит не только от внешних факторов, но и от степени повреждения U. Поэтому сам процесс (его результат) влияет на интенсивность дальнейшего его протекания. Это условие можно записать как:

dU/dt = f(U). 

В некоторых случаях, когда на скорость процесса одновременно действует ряд равноценных факторов, которые претерпевают изменение во времени, зависимость ?(t) может иметь экстремум (максимум или минимум). В этом случае функция U(t) имеет точку перегиба. Такая зависимость характерна, например, для перераспределения внутренних напряжений и деформаций в отливках в процессе их эксплуатации.

Таблица 3.10.1

Типовые закономерности протекания во времени процессов старения

Таблица 3.10.2

Существует определенная категория процессов, для которых вначале происходит накопление каких-то внутренних повреждений, а затем с некоторым запаздыванием начинается сам процесс.

Если в процессе с запаздыванием время до начала процесса (порог чувствительности) является основным периодом эксплуатации элемента, а сам процесс протекает с большой интенсивностью, то такое явление воспринимается обычно как спонтанный (самопроизвольно возникающий) процесс. Так, хрупкое разрушение металлов носит лавинообразный характер и возникает после накопления внутренних напряжений или при неблагоприятном сочетании внешних воздействий.

Если скорость процесса меняет знак, что характерно для сложных физико-химических процессов, протекающих в материале, функция U(t), характеризующая степень повреждения, будет иметь экстремум.

При протекании различных процессов старения могут быть случаи, когда изменяется физическая сущность процессов и, соответственно, меняется и закономерность, описывающая данные явления. Такие процессы называются многостадийными. Для их описания, как правило, применяют законы для каждой стадии процесса γ(t) и U(t).

Все рассмотренные функциональные зависимости, определяющие протекание процесса старения, проявляются при эксплуатации систем как случайные процессы. Это связано с двумя основными причинами. Во-первых, начальные свойства материала и параметры элемента имеют рассеяние, так как являются продуктом некоторого технологического процесса, который может функционировать лишь с определенной точностью и стабильностью. Во-вторых, стохастическая природа процесса старения связана с широкой вариацией режимов работы и условий эксплуатации. В результате, зависимости, описывающие процессы старения, становятся функциями случайных аргументов - нагрузок, скоростей, температур и т.п.

Поэтому скорость процесса старения γявляется случайной величиной и ее полной характеристикой будет закон распределенияf(γ). Для полученияf(γ)экспериментальным методом применяется физико-статистическое моделирование, при котором испытание производят при различных значениях внешних факторов, а значения этих факторов принимают в соответствии с законом их распределения, отражающим условия эксплуатации. Применяя метод статистического моделирования (метод Монте-Карло), определяют закон распределения и его характеристики для искомой величины - скорости процесса повреждения.