- •Лекции по курсу «основы надежности»
- •Тема 1. Значение, методы и основные понятия теории надёжности
- •Тема 2. Модели отказов.
- •Тема 3. Физика отказов.
- •3.2. Классификация типовых процессов старения
- •3.3 Некоторые виды процессов старения, протекающих в поверхностных слоях деталей.
- •3.4. Коррозионное разрушение
- •3.5. Оценка степени повреждения.
- •3.7. Процессы старения, протекающие в поверхностных слоях сопряжений
- •3.7.1.Трение в машинах.
- •3.7.2 Выбор смазки.
- •3.11. Виды и механизмы разрушения.
- •3.11.2 Структура и усталостное разрушение изделий.
- •Тема 4. Прогнозирование долговечности и эксплуатационной надёжности нефтезаводского оборудования.
- •4.2.Надёжность сложных систем.
- •4.3. Резервирование.
- •4.4. Резервирование надёжных элементов.
- •4.7. Прогнозирование долговечности оборудования, работающего в активных и эрозийных средах.
- •4.8. Прогнозирование показателей надёжности при длительном статическом нагружении
- •4.10 Прогнозирование показателей надёжности по критерию износа.
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 Rz или средним арифметическим отклонением профиля от средней линии Rа 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 Нмах/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.