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