Старение материалов

Старением называются процессы изменения свойств материалов во времени при длительной эксплуатации или хранения.

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.

При старении может происходить как ухудшение, так и улучшение определенных свойств материалов или нередко – улучшение одних свойств при одновременном ухудшении других. Иногда применяют искусственное старение материалов с целью улучшения или стабилизации некоторых их характеристик.

Изменения свойств в процессе старения, как правило, обусловлены постепенными переходами от исходных нестабильности или неравновесного состояния к равновесному, которые сопровождаются структурными превращениями или релаксационными явлениями. Естественно, что на скорость старения влияют внешние условия (эксплуатации или хранения).

В металлах и сплавах процессы старения могут быть связаны с аллотропическими или мартенситными превращениями, упорядочением и разупорядочением твердых растворов, распадом мартенситной структуры, образованием твердых растворов и их распадом и др. все это сопровождается либо изменением кристаллической структуры, либо образованием фаз и изменением химического состава. Для металлов и сплавов наиболее существенны процессы распада пересыщенных твердых растворов и распада мартенситной структуры. Следствием старения металлов и сплавов является изменение прочности, твёрдости, коррозионной стойкости и т.д. Аллотропические изменения характерны для некоторых чистых металлов: железо, титан, цирконий, олово и др. В аллотропических превращениях возможны существенные изменения объема материала. Как правило, эти превращения развиваются автокаталитически.

Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых растворов, вызывает изменение механических и физических свойств сплава: прочности, твердости, электросопротивления, коэрцитивной силы, стойкости против коррозии и др. Процессы, протекающие на первых стадиях старения (появление субмикроскопической неоднородности в распределении атомов растворенного компонента, когерентная связь двух различных решеток, выпадение весьма дисперсных частиц), приводят к упрочнению сплава, увеличению его твердости, повышению сопротивления пластической деформации, связанному с тем, что изменения структуры сплавов на этих стадиях старения затрудняют перемещение дислокаций при пластической деформации.

Однако четвертая стадия - коагуляция дисперсных частиц - всегда связана со снижением прочности; наряду с коагуляцией частиц разупрочнение обусловлено потерей когерентности решеток новой фазы и твердого раствора, обеднением твердого раствора растворенным компонентом в процессе выделения. Вследствие этого изменение прочности, электросопротивления и коэрцитивной силы пересыщенного твердого раствора в процессе его старения характеризуется кривой с максимумом. При достаточно больших интервалах времени прочность снижается до значений, присущих сплаву до старения и меньших. Пониженная вследствие старения пластичность ведет к развитию межзеренного разрушения, что связано с присутствием локализованных выделений на границах зерен.

При распаде пересыщенных растворов снижается сопротивляемость сплава коррозии. В стареющих сплавах часто наблюдается коррозионное распределение под напряжением, связанное с локализованным выделением по границам зерен. Присутствие даже малых компонентов локализованных выделений может привести к возникновению растрескивания по границам зерен на участке детали, подвергнутом большим напряжениям.

Мартенситное превращениеимеет место в сплавах с мартенситной структурой - специфической игольчатой микроструктурой металлических сплавов (сталей, сплавов Cu - Al, Cu - Sn и др.), некоторых металлов и даже неметаллических материалов. К мартенситным превращениям относят и аллотропические превращения в безуглеродистых сплавах железа с хромом, никелем, марганцем, а также аллотропические превращения в кобальте, титане, цирконии и в сплавах на основе титана и циркония.

Мартенситное превращение состоит в перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные. По сравнению с другими структурами стали мартенситная структура отличается наибольшей твердостью (а также наибольшими коэрцитивной силой и электросопротивлением), но одновременно и повышенной хрупкостью.

Физико-механические свойства полимеров зависят от их химического состава и структуры. Старение полимеров в основном обусловлено процессами, вызывающими деструкцию, т.е. распад основных цепей макромолекул или изменение их строения. Отрицательно сказываются и обратные процессы образования новых связей и сшивка макромолекул. Макромолекулы полимеров в основном подвергаются термической, фотохимической и окислительной деструкции.

Предел прочности при растяжении, сопротивление пластической деформации, температура размягчения, эластичность и др. - определяются химическим составом полимеров и их структурой - областями кристаллического и аморфного строения, формой и степенью подвижности цепей, величиной и характером сил, действующих между цепями.

Процессы (реакции) деструкции делят на четыре группы, различающиеся механизмом и кинетикой:

1) реакции, индуцированные физическими факторами, протекающие: а) с разрывом цепи; б) без разрыва цепи;

2) реакции, индуцированные химическими агентами, протекающие: а) с разрывом цепи; б) без разрыва цепи.

При старении пластических материалов могут изменяться структура, молекулярный вес, химический состав, взаимодействие макромолекул, определяющие физико-механические свойства этих материалов. Происходящее часто при старении в результате деструкции уменьшение длины цепи и молекулярного веса полимеров существенно ухудшает их механические свойства: снижает прочность при растяжении, увеличивает хрупкость при низких температурах, снижает стойкость к истиранию. В результате процессов структурирования повышаются нерастворимость полимеров, их твердость и прочность; при этом увеличивается хрупкость и снижаются пластичность и эластичность. При длительной выдержке полимера в условиях постоянной достаточно высокой температуры его прочность может сначала уменьшиться вследствие деструкции цепи, а затем вновь увеличиться благодаря структурированию. В конце концов, прочность понижается в результате полного разложения полимера.

Старение полупроводников проявляется в деградации, дрейфе параметров, снижении пробивного напряжения, уменьшении пикового тока и т.д. В конечном итоге меняются вольт - амперные характеристики полупроводниковых приборов.

Ухудшение со временем параметров и характеристик полупроводниковых приборов обусловлено физико-химическими процессами в полупроводниках, механизм которых определяется главным образом двумя их особенностями:

- высокой чувствительностью поверхности полупроводников с (p-n)-переходами как к физическим условиям, так и к химической природе окружающей среды;

- высокой чувствительностью свойств полупроводников к примесям, неоднородностям и дефектам структуры полупроводников.

Процессы, вызывающие изменения параметров и характеристик приборов, в значительной степени зависят от внешних условий и режимов работы: окружающей температуры, влажности, давления, состава окружающей газовой среды, механических нагрузок, рассеиваемой мощности, вида электрической нагрузки, длительности работы и других факторов. Характер влияния ряда внешних воздействий показан в табл. 1. Во всех случаях окружающая температура и рассеиваемая мощность в наибольшей степени ускоряют процессы изменения параметров, определяющих отказы. Значительная зависимость параметров от температуры является принципиальной особенностью полупроводниковых приборов, связанной с физическими свойствами полупроводников.

Таблица 1