Физико-химические процессы, влияющие на надежность

Выработка ресурса объектов и возникновение отказов связаны, главным образом, с накоплением необратимых изменений в их узлах и деталях, сопровождаемых ухудшением их рабочих свойств. Эти изменения обусловлены процессами, происходящими как на микро, так и на макро - уровнях. Основная цель физической теории отказов как раз и заключается в том, чтобы установить роль и влияние различных процессов на служебные (выходные) характеристики и, следовательно, на надёжность объекта.

В анализе надежности различают внешние и внутренние факторы, оказывающие влияние на работоспособность технического устройства. Внешние физические факторы являются совокупностью свойств внешней окружающей среды. К ним относятся: температура, осадки, влажность воздуха, атмосферное давление, запыленность, электромагнитные поля, радиационные воздействия и др.

Внутренние физические факторы представляют собой явления и процессы, протекающие в процессе функционирования устройства и влияющие на состояние и рабочие режимы устройства и его составных частей: вибрация, механические нагрузки, нагрев и др.

В качестве наиболее общих физико-химических процессов в материалах, которые могут быть связаны с возникновением нарушений работоспособности и отказов, необходимо указать следующие:

- диффузионные процессы в объеме и на поверхности твердых тел;

- перемещение и скопление точечных дефектов и дислокаций в кристаллических твердых телах;

- функциональный разрыв межатомных связей в металлах и сплавах;

- разрыв химических связей цепей макромолекул полимерных материалов;

- сорбционные процессы;

- действие поверхностно-активных веществ;

- сублимация материалов;

- структурные превращения в сплавах металлов и др.

К общим физическим моделям отказов и процессов их возникновения относятся:

- деформация и механическое разрушение различных материалов элементов (деталей);

- электрическое разрушение (нарушение электрической прочности, электрический пробой) диэлектрических материалов;

- тепловое разрушение (нарушение тепловой устойчивости, перегорание, расплавление и т. п.) элементов;

- электрохимическая коррозия;

- электротермическая эрозия;

- истирание (изнашивание) поверхностей деталей;

- сцепление (схватывание) поверхностей соприкасающихся деталей;

- загрязнение поверхности и материала элементов и многие другие.

В теории надёжности принята «энергетическая концепция» воздействий. Суть ее заключается в том, что происходящие в процессе эксплуатации изменения состояния, свойств и характеристик элементов технического устройства и последующая потеря им работоспособности обусловлены энергетическими воздействиями, природа и источники которых различны.

Все виды энергии могут превращаться непосредственно или косвенно в тепловую энергию. Закономерности превращения одних видов энергии в другие в наиболее общей форме устанавливаются основными законами термодинамики и статистической физики. В термодинамике и статистической физике рассматриваются следующие важнейшие характеристики энергии вещества, являющиеся термодинамическими функциями его состояния: которые связаны между собой соотношениями:

G = E - TS;

H = E + PV;

Ф = G + PV = H - TS,

где E - внутренняя энергия, G - свободная энергия, Н - энтальпия, Ф - термодинамический потенциал, S - энтропия, P, V, T - давление, объем и абсолютная температура.

Механическая энергия – наиболее распространённый вид энергии, передаваемый всем звеньям и элементам устройства в виде статических и динамических нагрузок. Эти нагрузки вызывают повышенный износ в кинематических цепях, узлах трения, приводят к деформированию, перекосам и заклиниванию деталей. В большинстве случаев именно механические воздействия приводят к износу и усталостным повреждениям.

Тепловая энергия, передаваемая элементам устройства от внешних источников тепла или путём внутреннего разогрева вследствие поглощения каких-либо излучений, приводит к повышению температуры, в результате чего могут, например, смещаться настройки прибора, изменяться его характеристики, возникать сбои в его микроэлектронных элементах, а также ухудшаться работа механических элементов (толкатели, направляющие, штоки, плунжеры и др.).

Химическая энергия преобразуется в процессе химических взаимодействий, приводящих к коррозии элементов прибора. Причина этих воздействий – агрессивная окружающая среда. Коррозия может приводить к повреждениям механических, электротехнических и электронных элементов устройства. К источнику химической энергии относят энергию электронов атомных оболочек, освобождаемую в химических реакциях.

Электромагнитная энергия в виде электромагнитных излучений вызывает сбои в элементах электроники и, в виде помехи, влияет на характеристики прибора (измерительного преобразователя).

Энергия ионизирующих излучений поглощается в элементах устройств, работающих в условиях повышенного радиационного воздействия. Взаимодействие этих излучений с веществом зависит от вида излучения: нейтронное, рентгеновское, жесткое гамма-излучение, высокоэнергетические ионы тяжёлых элементов, электроны и бета-частицы, и может привести к самым разным последствиям: разогрев, ионизация, повреждения структуры, например, полупроводника, изменение электрических и механических свойств, изменение элементного состава и др.

О биоэнергетических воздействиях, по - видимому тоже не следует забывать, поскольку даже обычный контакт может привести в выходу из строя элемента микроэлектроники (например, вследствие обмена электростатическими зарядами), не говоря уже о неквалифицированных действиях оператора.

Превращения и преобразования перечисленных выше видов энергии в материале происходят в процессах, отличающихся физической и химической природой, инициирующими факторами, местом протекания и т.д. Основные процессы кратко рассмотрены ниже.