Анализ закономерностей, описывающих изменения свойств и состояния материалов изделия
При работе машины на нее действуют все виды энергии, которые вызывают различные процессы, изменяющие ее начальное состояние.
Особую роль играют процессы старения, которые приводят к необратимому изменению свойств или состояний материалов, из которых создана машина, и являются основной причиной изменения во времени ее выходных параметров.
Для решения задач надежности необходимо моделировать процессы старения, представляя их в виде аналитических или эмпирических зависимостей.
Современная наука изучает свойства материалов на следующих уровнях.
Субмикроскопический уровень, когда на основании рассмотрения строения атомов и молекул и образования из них кристаллических решеток твердых тел или иных структур выявляются закономерности, которые служат базой для объяснения свойств и поведения материалов в различных условиях. Эти законы, несмотря на сложность их получения , как правило, закладывают фундаментальные основы для дальнейших исследований, так как отражают первопричины многих сложных явлений.
Микроскопический уровень рассмотрения свойств материалов исходит из анализа процессов, происходящих в небольшой области, как основы для распространения полученных закономерностей на весь объем тела или его поверхность.
Макроскопический уровень рассматривает изменение начальных свойств или состояний материала всей детали.
Для решения задач надежности необходимо знать закономерности, описывающие изменения, происходящие в материалах с течением времени.
Физические законы и полученные на их основе частные зависимости для оценки изменения свойств и состояния материалов можно разделить на две основные группы.
Законы состояния, которые описывают взаимосвязи обратимых процессов, когда после прекращения действия внешних факторов материал (и соответственно деталь) возвращается в исходное состояние, и законы старения, которые описывают необратимые процессы и позволяют оценить те изменения начальных свойств материалов, которые происходят или могут происходить в процессе эксплуатации изделия.
Законы состояния можно разделить на статические, когда в функциональную зависимость, описывающую связь между входными и выходными параметрами, фактор времени не входит, и на переходные процессы, где учитывается изменение выходных параметров во времени.
Примером статического закона состояния служит закон Гука, устанавливающий прямую пропорциональность между напряжением и деформацией упругого твердого тела. Законы состояния, описывающие переходные процессы, например, процессы теплопередачи, хотя и включают фактор времени, но не учитывают изменений, происходящих при длительной эксплуатации изделий.
Основное значение для оценки потери изделием работоспособности имеет изучение законов старения, которые раскрывают физическую сущность необратимых изменений, происходящих в материалах изделия. Хотя законы старения всегда связаны с фактором времени, в некоторых из них время непосредственно не фигурирует, и в полученных зависимостях либо устанавливается связь с другими показателями (например, энергией), которые, в свою очередь, проявляются во времени, либо отражаются иные взаимосвязи. Таки зависимости называются законами превращений.
Типичным примером законов превращения могут служить зависимости, оценивающие процессы коррозии. Вывести закономерности, непосредственно отражающие изменение величины коррозии во времени, как правило, весьма сложно из-за поливариантности коррозионных процессов, когда большое число факторов оказывает одновременно и часто противоположное действие на интенсивность процесса.
Кроме того, коррозия может быть не только равномерно распределенной по поверхности металла, но и носить локальный характер или проявляться в виде межкристаллитной коррозии.
Законы старения, оценивающие изменение свойств и состояния материала в функции времени, являются основой для решения задач надежности. Они позволяют прогнозировать ход процесса старения, оценивать возможные его реализации и выявлять наиболее существенные факторы, влияющие на интенсивность процесса. Типичным примером таких зависимостей являются закономерности изнашивания материалов.
Для закономерностей любого процесса старения должны быть определены границы их применения, т.е. область существования данного процесса. При этом необходимо иметь в виду, что в одних и тех же объемах материала или на поверхности могут одновременно протекать различные процессы старения, которые либо не оказывают взаимного влияния, либо взаимодействуют друг с другом, и тогда возникает новый более сложный процесс.
Одновременное действие механических, температурных, химических и других процессов, приводящих к возникновению сложной физико-химической картины изменения начальных свойств и состояний материалов, характерно для многих процессов старения.
Типичным примером могут служить процессы коррозионно-усталостного разрушения металлов и сплавов, когда результат не является простым сложением коррозии и механического разрушения, а представляет собой более сложный физико-химический процесс, интенсивность которого выше суммы интенсивности при действии каждого фактора в отдельности. В некоторых случаях существует ведущий процесс, особенности которого оказывают основное влияние на выходные параметры изделия.