Физико-химическая механика старения технических устройств

Любое изделие, техническое устройство, машина и т.д. уже в процессе его изготовления начинает стареть.

Старением называется необратимое изменение свойств элементов, узлов и устройств в целом в сторону их ухудшения по сравнению с первоначальными, либо установленными требованиями технической документации.

Различают два вида старения: моральное и физическое.

Моральное старение заключается в том, что наряду с рассматриваемым изделием появляются изделия подобного же назначения, но с более высокими качественными показателями. Это приводит к тому, что изделие старой конструкции по показателям работоспособности становится неудовлетворительным, хотя и находится в исправном состоянии. В рамках нашего курса этот вопрос не рассматривается.

Физическое старение, как уже указывалось, заключается в потере первоначальных свойств: например, прочности для деталей машин, электрических свойств у электроизделий, прозрачности у стекол оптических приборов и т.д.

Когда величина ухудшения свойств достигнет критического значения, наступает отказ — явление, выражающееся в том, что изделие прекращает частично или полностью выполнять свои основные функции.

Старение деталей, узлов и изделий происходит под действием внутренних и внешних факторов. Некоторые из них имеют достаточно строгий детерминированный характер проявления. Другие воздействия носят случайный характер и либо труднопредсказуемы, либо вообще непредсказуемы. В настоящее время еще не создано единой, всеохватывающей теории старения технических устройств.

В ряде наук рассматриваются отдельные группы необратимых и обратимых процессов, протекающих в материалах, деталях, узлах и устройствах в процессе их эксплуатации (например, износ, циклическая усталость, коррозионное разрушение и другие).

Рассмотрим в общих чертах причины, вызывающие возникновение и протекание явлений старения. В процессе эксплуатации и хранения устройств они подвергаются воздействию различного рода энергий.

Механическая энергия. Механическая энергия в устройствах и элементах машин проявляется самым различным образом. Во-первых, элементы и детали устройств подвергаются воздействию статических и динамических усилий сосредоточенных и распределенных. Во-вторых, быстродвигающиеся элементы машин испытывают существенные инерционные нагрузки. Весьма неприятными являются различного вида циклические (вибрационные) явления, удары и т.д.

Величина и характер приложенной энергии к тем или иным элементам определяются рабочим процессом, протекающим в машине, внешней средой, в которой работает машина, и конструктивными особенностями машины.

Тепловая энергия. Тепловое воздействие на элементы и узлы машины бывает двух видов: воздействие от внутренних источников тепла, — чаще всего от рабочих процессов и воздействие от внешних источников тепла. Тепловое поле может быть стационарным, обеспечивающим постоянное воздействие, может быть импульсным (периодическим). Особенно вредны для машин частые и большие колебания температур.

Химическая энергия. Воздействию химических и электрохимических процессов подвергаются все устройства, работающие в воздушной среде. Особенно сильно воздействию химической энергии подвергаются машины, работающие в так называемой агрессивной среде: кислотной, щелочной и т.д.

Электромагнитная и радиационная энергия. Все устройства непрерывно подвергаются воздействию электромагнитных колебаний, светового потока и другого вида излучениям, которые могут нарушить работу электронных систем, входящих в оснащение машины, и нередко вывести из строя и основные устройства и детали.

Изменение свойств изделия под воздействием времени хранения. Ряд изделий изменяют свои свойства просто под воздействием времени, т.е. имеют ограниченный срок хранения. В этом смысле большая номенклатура — это пищевые продукты. В машиностроении число таких изделий также значительно. Примером могут служить боеприпасы: снаряды, патроны, бомбы, — они имеют ограниченный срок хранения из-за порчи взрывчатого вещества. Некоторые марки металла в результате старения теряют свои первоначальные механические свойства. То же можно сказать и о ряде радиодеталей и т.д.

Воздействия энергии на устройство приводят к протеканию в нем определенных процессов, которые можно подразделить на необратимые и обратимые.

Обратимыми процессами называются такие, при которых после снятия энергетического поля изделие полностью восстанавливает свои первоначальные свойства. В качестве примера можно привести воздействие механической энергии в пределах действия закона Гука (в упругой области нагрузок). Не приводят к необратимым последствиям малые тепловые и электрические нагрузки.

Все воздействия, результатом которых является необратимое изменение свойств изделия, приводят к необратимым процессам. Необратимые процессы приводят к прогрессивному ухудшению рабочих характеристик изделия. Когда изменение свойств изделия достигнет опасных величин наступает отказ — поломка машины.

Основными необратимыми процессами в машинах и изделиях машиностроения являются:

1.Трение и изнашивание.

2.Усталостное старение.

3.Физико-химико-механические контактные явления.

4.Различные виды коррозии.

5.Прогрессивное ухудшение рабочих свойств: например, электропроводимости, емкости, предела текучести, вязкости и т. д.

6. Потеря правильной геометрической формы.

Мы ограничимся приведенным перечнем, полагая, что он охватывает основные виды старения деталей и узлов машин.

В данном разделе будут рассмотрены основные закономерности старения машин, виды и причины появления отказов, а также детерминистические расчеты ожидаемых сроков службы элементов машин.