Невзоров В.Н., Сугак Е.В. Надежность машин и оборудования. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

õèìè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ (êîððîçèÿ, ýðîçèÿ, êàâèòàöèÿ, àäñîðáöèÿ è

äð.). Ìíîãèå âèäû ïîâðåæäåíèé íîñÿò ñìåøàííûé õàðàêòåð (íàïðèìåð,

ïðîöåññû èçíàøèâàíèÿ ìîãóò âêëþ÷àòü ÿâëåíèÿ ìåõàíè÷åñêîãî, ôèçè÷å-

ñêîãî, õèìè÷åñêîãî è ýëåêòðè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ).

×åì ãëóáæå èçó÷åíû çàêîíîìåðíîñòè, îïèñûâàþùèå ïðîöåññû èçìåíåíèÿ ñâîéñòâ è

ñîñòîÿíèÿ ìàòåðèàëîâ, òåì äîñòîâåðíåå ìîæíî ïðåäñêàçàòü ïîâåäåíèå ýëåìåíòà â äàí-

íûõ óñëîâèÿõ ýêñïëóàòàöèè è îáåñïå÷èòü ñîõðàíåíèå ïîêàçàòåëåé íàäåæíîñòè â òðå-

áóåìûõ ïðåäåëàõ. Èçó÷åíèå ôèçè÷åñêîé ïðèðîäû ïðîöåññîâ, âûçûâàþùèõ ïîòåðþ ðàáî-

òîñïîñîáíîñòè, îñóùåñòâëÿåòñÿ íà ñóáìèêðîñêîïè÷åñêîì (ìîëåêóëÿðíîì), ìèêðîñêîïè-

÷åñêîì è ìàêðîñêîïè÷åñêîì óðîâíÿõ.

Íà ñóáìèêðîñêîïè÷åñêîì óðîâíå íà îñíîâàíèè àíàëèçà ñòðîåíèÿ àòîìîâ, ìîëåêóë,

êðèñòàëëè÷åñêèõ ðåøåòîê è äðóãèõ ñòðóêòóðíûõ ñîñòàâëÿþùèõ âûÿâëÿþòñÿ îñíîâíûå

çàêîíîìåðíîñòè, îïèñûâàþùèå ñâîéñòâà è ïîâåäåíèå ìàòåðèàëîâ â ðàçëè÷íûõ óñëîâèÿõ

ýêñïëóàòàöèè. Ýòîò óðîâåíü èññëåäîâàíèé ïîçâîëÿåò ðàçâèâàòü ôóíäàìåíòàëüíûå ïðåä-

ñòàâëåíèÿ î ôèçè÷åñêîé ïðèðîäå íàäåæíîñòè (ïðî÷íîñòè, äîëãîâå÷íîñòè, ñîõðàíÿåìî-

ñòè è ò.ä.). Ïîëó÷åííûå çàêîíîìåðíîñòè ÿâëÿþòñÿ îñíîâîé äëÿ äàëüíåéøèõ èññëåäîâà-

íèé è ïîñòðîåíèÿ ìîäåëåé. Òàê, ôèçèêà òâåðäîãî òåëà, îïèðàÿñü íà àòîìíóþ ôèçèêó è

êâàíòîâóþ ìåõàíèêó, îïèñûâàåò ýëåêòðîííûå ñîñòîÿíèÿ òâåðäûõ òåë, ðàññìàòðèâàåò

ñâÿçè ìåæäó àòîìàìè è îáðàçîâàíèå êðèñòàëëè÷åñêèõ ðåøåòîê, èññëåäóåò íåðàâíîâåñ-

íûå ïîëîæåíèÿ àòîìîâ â ðåøåòêå. Íà áàçå ýòîãî ðàçâèâàþòñÿ ïðåäñòàâëåíèÿ î äåôåê-

òàõ êðèñòàëëè÷åñêèõ ðåøåòîê è äèñëîêàöèÿõ, îá èõ âçàèìîäåéñòâèè è äâèæåíèè, î ñè-

ëàõ óïðóãîñòè, î äèôôóçèè àòîìîâ, î òåïëî- è ýëåêòðîïðîâîäíîñòè è äðóãèõ ïðîöåññàõ

è ÿâëåíèÿõ.

Íà ìèêðîñêîïè÷åñêîì óðîâíå ðàññìàòðèâàþòñÿ ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â ìàëûõ

îáúåìàõ è îáëàñòÿõ, ýëåìåíòàõ ñòðóêòóðû ìàòåðèàëà. Ïîëó÷åííûå ïðè ýòîì ðåçóëüòàòû

çàòåì ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ íà âåñü îáúåì ýëåìåíòà. Íà ýòîì óðîâíå ó÷èòûâàåòñÿ ñòðîå-

íèå è ñòðóêòóðà ìàòåðèàëà. Òàêîé ïîäõîä õàðàêòåðåí äëÿ ìàòåðèàëîâåäåíèÿ, êîòîðîå

èçó÷àåò è óñòàíàâëèâàåò âçàèìîñâÿçü ìåæäó ñîñòàâîì, ñòðóêòóðîé, ñòðîåíèåì è ñâîé-

ñòâàìè ìàòåðèàëîâ.

Íà ìàêðîñêîïè÷åñêîì óðîâíå ðàññìàòðèâàåòñÿ èçìåíåíèå ñâîéñòâ èëè ñîñòîÿíèÿ

âñåãî ýëåìåíòà â öåëîì (íàïðèìåð, äåòàëè èëè óçëà). Íà áàçå òàêîãî àíàëèçà ðàçðàáà-

òûâàþòñÿ èíæåíåðíûå ìåòîäû ðàñ÷åòà è ïðîåêòèðîâàíèÿ ýëåìåíòîâ.

Ïðè èññëåäîâàíèè ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ è ÿâëåíèé, îáóñëàâëèâàþùèõ âîçíèêíîâå-

íèå îòêàçîâ, íåîáõîäèìî â êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå îïðåäåëèòü îïòèìàëüíóþ ñòåïåíü

äåòàëèçàöèè ôèçè÷åñêîãî àíàëèçà, ó÷èòûâàÿ, ÷òî â êîíå÷íîì ñ÷åòå åãî ðåçóëüòàòîì

äîëæíû áûòü ìàêðîñêîïè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ñîñòîÿíèÿ ìàòåðèàëîâ, ýëåìåíòîâ è

ñèñòåì. Öåëåñîîáðàçíàÿ ñòåïåíü äåòàëèçàöèè îïðåäåëÿåòñÿ íå ñòîëüêî âîçìîæíîñòüþ

íåïîñðåäñòâåííîãî èñïîëüçîâàíèÿ ôèçè÷åñêèõ çàêîíîìåðíîñòåé äëÿ ðàñ÷åòîâ íàäåæíî-

ñòè, ñêîëüêî íåîáõîäèìîñòüþ ãëóáîêîãî ôèçè÷åñêîãî àíàëèçà ïðîöåññîâ äëÿ ýôôåêòèâ-

íîãî ðåøåíèÿ çàäà÷ èññëåäîâàíèÿ è îáåñïå÷åíèÿ íàäåæíîñòè êîíêðåòíûõ îáúåêòîâ.

Ñëåäóåò, îäíàêî, èìåòü â âèäó, ÷òî â ñîâðåìåííîé òåõíè÷åñêîé ôèçèêå ìíîãèå ïðî-

öåññû (â òîì ÷èñëå ïðîöåññû ðàçðóøåíèÿ è ñòàðåíèÿ ìàòåðèàëîâ) åùå íå ïîëíîñòüþ

èçó÷åíû, îòíîñèòåëüíî ìåõàíèçìîâ íåêîòîðûõ èç íèõ ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ãèïîòåç.

Êðîìå òîãî, ÷èñëî ïàðàìåòðîâ, êîòîðûå íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïðè ïîñòðîåíèè ìîäå-

ëåé, ìîæåò áûòü î÷åíü âåëèêî.

Çàêîíîìåðíîñòè è ìåòîäû ðàñ÷åòîâ, ïðèìåíÿåìûå ïðè êîíñòðóèðîâàíèè

è èçãîòîâëåíèè òåõíè÷åñêèõ ñèñòåì, îáùèå ôèçè÷åñêèå çàêîíû è çàâèñè-

ìîñòè ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû è ïðè ðåøåíèè âîïðîñîâ íàäåæíîñòè. Îñ-

íîâíîé çàäà÷åé ïðè ýòîì ÿâëÿåòñÿ îöåíêà èçìåíåíèÿ ñâîéñòâ è ñîñòîÿíèÿ

ýëåìåíòîâ è ìàòåðèàëîâ â ôóíêöèè âðåìåíè èëè íàðàáîòêè, ïîýòîìó ïðå-

æäå âñåãî íåîáõîäèìî âûÿâèòü îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû, âëèÿþùèå

íà ïàðàìåòðû ýëåìåíòîâ, çàêîíîìåðíîñòè èõ ïðîòåêàíèÿ è ñâÿçàííûå ñ

íèìè èçìåíåíèÿ ðàáîòîñïîñîáíîñòè âî âðåìåíè.

Óñòàíîâëåíèå ñâÿçè ìåõàíèçìîâ è êèíåòèêè ìèêðîðàçðóøåíèé ñ âåðî-

ÿòíîñòüþ îòêàçîâ ìàêðîîáúåêòîâ è ïðåäñòàâëÿåò îñíîâíîé ïðåäìåò èññëå-

äîâàíèé ôèçè÷åñêîé òåîðèè íàäåæíîñòè, ðàññìàòðèâàþùåé ñëåäóþùèå

îñíîâíûå âîïðîñû [7,9]: îïðåäåëåíèå âèäîâ îòêàçîâ íà îñíîâå ìåõàíèçìîâ

ðàçðóøåíèÿ; ðàçðàáîòêà êëàññèôèêàöèè îòêàçîâ îáúåêòîâ ñî ñëîæíîé

âíóòðåííåé ñòðóêòóðîé è ñèñòåìû ïîêàçàòåëåé íàäåæíîñòè; îïðåäåëåíèå

óíèâåðñàëüíûõ êðèòåðèåâ ìèêðîðàçðóøåíèé ïðè âîçäåéñòâèÿõ ðàçëè÷íîé

ôèçè÷åñêîé ïðèðîäû; óñòàíîâëåíèå êèíåòè÷åñêèõ çàêîíîìåðíîñòåé ìèêðî-

ðàçðóøåíèé è çàêîíîâ íàêîïëåíèÿ ïîâðåæäåíèé; óñòàíîâëåíèå ñâÿçè êèíå-

òèêè ìèêðîðàçðóøåíèé è âåðîÿòíîñòè ìàêðîðàçðóøåíèÿ (ò.å. îòêàçà); óñ-

òàíîâëåíèå ñâÿçè íàãðóçî÷íîé ñïîñîáíîñòè è íàäåæíîñòè ýëåìåíòîâ; ðàç-

ðàáîòêà ìåòîäîâ ïðîãíîçèðîâàíèÿ è óïðàâëåíèÿ íàäåæíîñòüþ íà îñíîâå

ôèçè÷åñêèõ çàêîíîìåðíîñòåé ìèêðîðàçðóøåíèé.

Îñíîâíûìè èñòî÷íèêàìè èíôîðìàöèè äëÿ ïîñòðîåíèÿ ìîäåëåé íàäåæ-

íîñòè ÿâëÿþòñÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ è èñïûòàíèÿ, à òàêæå

ýêñïëóàòàöèîííûå äàííûå. Îäíàêî ñîâðåìåííûå ôèçè÷åñêèå òåîðèè, íå-

ñìîòðÿ íà ïðèñóùóþ èì íåçàâåðøåííîñòü è èäåàëèçàöèþ, ìîãóò èñïîëüçî-

âàòüñÿ äëÿ çíà÷èòåëüíîãî ñîêðàùåíèÿ íåîáõîäèìîãî îáúåìà ñòàòèñòè÷å-

ñêèõ äàííûõ îá èñïûòàíèÿõ îáúåêòîâ. Ôèçè÷åñêèé ïîäõîä ÿâëÿåòñÿ åäèí-

ñòâåííî âîçìîæíûì â òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà ñòàòèñòè÷åñêèé ìàòåðèàë äîñòà-

òî÷íîãî îáúåìà íå ìîæåò áûòü ïîëó÷åí â ïðèíöèïå èëè äëÿ ýòîãî òðåáóåò-

ñÿ ñëèøêîì ìíîãî âðåìåíè èëè ñðåäñòâ.

3.1.2. Процессы изменения свойств и работоспособности

элементов

Êëàññèôèêàöèÿ ïðîöåññîâ âîçíèêíîâåíèÿ îòêàçîâ ìîæåò áûòü ïðîâåäå-

íà ïî òèïó (êëàññó) ìàòåðèàëà ýëåìåíòà, ïî ìåñòó ïðîòåêàíèÿ ïðîöåññîâ,

âëèÿþùèõ íà ðàáîòîñïîñîáíîñòü îáúåêòà, ïî âèäó ýíåðãèè, îïðåäåëÿþùåé

õàðàêòåð ïðîöåññà, ïî òèïó ýêñïëóàòàöèîííîãî âîçäåéñòâèÿ è ïî õàðàêòåðó

(âíóòðåííåìó ìåõàíèçìó) ïðîöåññà [9,11].

Ìàòåðèàëû ýëåìåíòîâ òåõíè÷åñêèõ ñèñòåì ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé â

áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ òâåðäûå òåëà [11,12]: ìåòàëëû è ñïëàâû, èîííûå è êî-

âàëåíòíûå êðèñòàëëû èëè ðàçëè÷íûå ïîëèìåðû. Ôèçè÷åñêèå è ìåõàíè÷å-

ñêèå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ îáóñëîâëåíû, ïðåæäå âñåãî, ýíåðãèåé è ïðèðî-

äîé ñèë ñâÿçåé ìåæäó àòîìàìè èëè èîíàìè è ñòðóêòóðîé ìàòåðèàëà.

Â ìåòàëëàõ è ñïëàâàõ ñèëû ñâÿçè îáóñëîâëåíû âàëåíòíûìè ýëåêòðîíàìè, êîòîðûå

çàíèìàþò áîëåå íèçêèå ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè, ÷åì ýëåêòðîíû â ñâîáîäíîì àòîìå. Â

èîííûõ êðèñòàëëàõ, ê êîòîðûì îòíîñèòñÿ áîëüøèíñòâî äèýëåêòðèêîâ, ñèëû ñâÿçåé

îáóñëàâëèâàþòñÿ ñèëàìè âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó ïîëîæèòåëüíî è îòðèöàòåëüíî çàðÿ-

æåííûìè èîíàìè, ðàâíîâåñèå ìåæäó íèìè îïðåäåëÿåò ìåæèîííûå ðàññòîÿíèÿ â êðè-

ñòàëëàõ. Â êîâàëåíòíûõ êðèñòàëëàõ (â îñíîâíîì ïîëóïðîâîäíèêàõ) âçàèìîäåéñòâèå

ìåæäó àòîìàìè îáåñïå÷èâàåòñÿ íàëè÷èåì ñïàðåííûõ ("îáîáùåñòâëåííûõ") ýëåêòðîíîâ

íà ñâÿçûâàþùåé àòîìû ìîëåêóëÿðíîé îðáèòå. Â ïîëèìåðàõ ñèëû ñâÿçåé çàâèñÿò îò

ñòðóêòóðû ìàòåðèàëà: â öåïíûõ (ëèíåéíûõ) è ñëîèñòûõ (ïëîñêîñòíûõ) ïîëèìåðàõ ìàê-

ðîìîëåêóëû ìîãóò áûòü ñâÿçàíû ñëàáûìè ñèëàìè Âàí-äåð-Âààëüñà èëè èîííûìè ñâÿçÿ-

ìè, â ïðîñòðàíñòâåííûõ (òðåõìåðíûõ) ïîëèìåðàõ ìàêðîìîëåêóëû ñîåäèíåíû ïðî÷íûìè

êîâàëåíòíûìè èëè êîîðäèíàöèîííûìè ñâÿçÿìè.

Ñâÿçü ìåæäó àòîìàìè õàðàêòåðèçóåòñÿ ýíåðãèåé ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ -

ýíåðãèåé, êîòîðóþ íåîáõîäèìî çàòðàòèòü, ÷òîáû èõ ðàçúåäèíèòü (ðèñ.3.1). Äî ðàâíî-

âåñíîãî ðàññòîÿíèÿ r

ïðèòÿæåíèå ìåæäó íèìè óñèëèâàåòñÿ è óìåíüøàåòñÿ ïîòåíöè-

àëüíàÿ ýíåðãèÿ. Íà ðàññòîÿíèè r

ñèëû ïðèòÿæåíèÿ è îòòàëêèâàíèÿ óðàâíîâåøèâàþòñÿ,

ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ñòàíîâèòñÿ ìèíèìàëüíîé (E

). Ïðè äàëüíåéøåì ñáëèæåíèè ðåç-

êî óñèëèâàåòñÿ îòòàëêèâàíèå è, ñîîòâåòñòâåííî, ðàñòåò ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ. Íåçà-

âèñèìî îò ïðèðîäû ñèë ñâÿçåé êàðòèíà âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó àòîìàìè îñòàåòñÿ íåèç-

ìåííîé, õîòÿ êîíôèãóðàöèÿ êðèâîé E(r) è çíà÷åíèÿ âåëè÷èí E

è r

ìåíÿþòñÿ. Êîððå-

ëÿöèÿ õàðàêòåðèñòèê ìàòåðèàëîâ è ýíåðãèè ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ äàåò âàæíûå

çàêîíîìåðíîñòè äëÿ îïèñàíèÿ ñâîéñòâ ìàòåðèàëîâ è èõ èçìåíåíèÿ ïîä âîçäåéñòâèåì

ðàçëè÷íûõ ôàêòîðîâ (ñì. ðàçä.3.2).

Ïî ìåñòó ïðîòåêàíèÿ ïðîöåñ-

ñû ðàçäåëÿþòñÿ íà îáúåìíûå, ïî-

âåðõíîñòíûå è ïðîòåêàþùèå â ïîä-

âèæíûõ è íåïîäâèæíûõ ñî÷ëåíåíèÿõ

äåòàëåé (òàáë.3.1).

Èçìåíåíèå ñîñòîÿíèÿ, ñâîéñòâ è

õàðàêòåðèñòèê ýëåìåíòîâ, êàê ïðàâè-

ëî, îáóñëîâëåíî âîçäåéñòâèåì ýíåð-

ãèè è çàêëþ÷àåòñÿ â ïðåâðàùåíèè

îäíîãî âèäà ýíåðãèè â äðóãîé. Äëÿ

êëàññèôèêàöèè ïðîöåññîâ ïî âèäó

ýíåðãèè âàæíåéøèìè ÿâëÿþòñÿ ñëå-

äóþùèå åå âèäû [15,16]:

- ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ - ýíåðãèÿ ñâîáîäíî äâèæóùèõñÿ îòäåëüíûõ

ìèêðî÷àñòèö è ìàêðîñèñòåì è ýíåðãèÿ óïðóãîé äåôîðìàöèè;

- òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ - ýíåðãèÿ íåóïîðÿäî÷åííîãî õàîòè÷åñêîãî äâèæå-

íèÿ áîëüøîãî ÷èñëà ìèêðî÷àñòèö (àòîìîâ, ìîëåêóë è ò.ä.);

- ýëåêòðè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ - ýíåðãèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ è äâèæåíèÿ ýëåê-

òðè÷åñêèõ çàðÿäîâ (ýëåêòðè÷åñêè çàðÿæåííûõ ÷àñòèö);

- õèìè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ - ýíåðãèÿ ýëåêòðîíîâ â àòîìå, îñâîáîæäàåìàÿ

ïðè ïåðåñòðîéêå ýëåêòðîííûõ îáîëî÷åê â ïðîöåññå õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé;

- ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ - ýíåðãèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ;

- àííèãèëÿöèîííàÿ ýíåðãèÿ - ïîëíàÿ ýíåðãèÿ âåùåñòâà, îñâîáîæäàåìàÿ

ïðè ïðåâðàùåíèè åãî ÷àñòèö â êâàíòû ïîëÿ.

Ðèñ.3.1. Çàâèñèìîñòü ïîòåíöèàëüíîé

ýíåðãèè ìåæàòîìíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ

îò ìåæúÿäåðíîãî ðàññòîÿíèÿ

Òàáëèöà 3.1

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПО МЕСТУ ПРОТЕКАНИЯ [13,14]

Îáúåêò

Âíåøíèå

ïðîÿâëåíèÿ

ïðîöåññà

(âèä ïîâðåæäåíèÿ)

Ðàçíîâèäíîñòè

ïðîöåññà

Òåëî äåòàëè

(îáúåìíûå

Ðàçðóøåíèå Õðóïêîå ðàçðóøåíèå, âÿçêîå ðàçðó-

øåíèå

ÿâëåíèÿ)

Äåôîðìàöèÿ Ïëàñòè÷åñêàÿ äåôîðìàöèÿ, ïîëçó-

÷åñòü, êîðîáëåíèå

Èçìåíåíèå

ñâîéñòâ

ìàòåðèàëà

Èçìåíåíèå ñòðóêòóðû ìàòåðèàëà, ìå-

õàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ (ïëàñòè÷íîñ

òè),

õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà, ìàãíèòíû

ñâîéñòâ, ýëåêòðîïðîâîäíîñòè, ãàçî-

ïðîíèöàåìîñòè è äð.

Ïîâåðõíîñòü

(ïîâåðõíîñòíûå

Äåòàëè Ðàçúåäàíèå

Êîððîçèÿ, ýðîçèÿ, êàâèòàöèÿ, ïðîãàð,

òðåùèíîîáðàçîâàíèå

ÿâëåíèÿ)

Íàðîñò

Íàëèïàíèå (àäãåçèÿ, êîãåçèÿ, àäñîðá-

öèÿ, äèôôóçèÿ), íàãàð, çàðàùèâàíèå

òðåùèí

Èçìåíåíèå

ñâîéñòâ

ïîâåðõíîñòíîãî

ñëîÿ

Èçìåíåíèå øåðîõîâàòîñòè, òâåðäîñòè,

îòðàæàþùåé ñïîñîáíîñòè, íàïðÿæåí-

íîãî ñîñòîÿíèÿ

Ñîïðÿæåíèÿ

Èçíîñ

Èçíîñ, óñòàëîñòü ïîâåðõíîñòíûõ ñëî-

åâ, ñìÿòèå, ïåðåíîñ ìàòåðèàëà

Èçìåíåíèå

óñëîâèé

êîíòàêòà

Èçìåíåíèå ïëîùàäè êîíòàêòà, ãëóáè-

íû âíåäðåíèÿ, ìèêðîâûñòóïîâ, ñïëîø-

íîñòè ñìàçêè

Ñðåäè ïåðå÷èñëåííûõ âèäîâ ýíåðãèè â ôèçè÷åñêîé òåîðèè íàäåæíîñòè îñîáóþ ðîëü

èãðàþò ìåõàíè÷åñêàÿ è òåïëîâàÿ. Ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ìîæåò ïîääåðæèâàòüñÿ íå

òîëüêî ìåõàíè÷åñêèìè, íî è ýëåêòðè÷åñêèìè, ìàãíèòíûìè, ãðàâèòàöèîííûìè è äðóãèìè

âçàèìîäåéñòâèÿìè è, ñ äðóãîé ñòîðîíû, âñå âèäû ýíåðãèè ìîãóò ïðåâðàùàòüñÿ (íåïîñ-

ðåäñòâåííî èëè êîñâåííî) â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíàìè òåðìîäèíàìèêè è ñòàòèñòè÷åñêîé

ôèçèêè â òåïëîâóþ ýíåðãèþ. Êðîìå òîãî, ìíîãèå ôèçèêî-õèìè÷åñêèå ïðîöåññû, ñâÿ-

çàííûå ñ âîçíèêíîâåíèåì îòêàçîâ, ÿâëÿþòñÿ òåðìè÷åñêè àêòèâèðóåìûìè ïðîöåññàìè,

ò.å. ìîãóò íà÷èíàòüñÿ è ïðîòåêàòü òîëüêî ïðè îïðåäåëåííîì óðîâíå òåïëîâîé ýíåðãèè

(ñì.ðàçä. 3.2.1), ïðè÷åì èíòåíñèâíîñòü òàêèõ ïðîöåññîâ óâåëè÷èâàåòñÿ ïðè íàãðåâàíèè.

Òåïëîâûå ïðîöåññû èãðàþò çíà÷èòåëüíóþ ðîëü â èçìåíåíèè ñâîéñòâ è õàðàêòåðèñòèê

ýëåìåíòîâ è ñèñòåì, ïðîöåññàõ èõ ðàçðóøåíèÿ è ñòàðåíèÿ (ñì.ðàçä.3.3-3.6).

Ýêñïëóàòàöèîííûå âîçäåéñòâèÿ, âëèÿþùèå íà ïðîöåññû âîçíèêíî-

âåíèÿ îòêàçîâ, ìîæíî êëàññèôèöèðîâàòü ïî íåñêîëüêèì ïðèçíàêàì [9].

Ïî óñëîâèÿì âîçíèêíîâåíèÿ âîçäåéñòâóþùåãî ôàêòîðà ðàçëè÷àþòñÿ

[17] âîçäåéñòâèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû, âëèÿþùèå íà ýëåìåíòû íåçàâèñèìî

îò òîãî, ðàáîòàþò îíè èëè âûêëþ÷åíû (òåìïåðàòóðà, äàâëåíèå, âëàæíîñòü,

õèìè÷åñêèé ñîñòàâ, ýëåêòðîìàãíèòíûå èçëó÷åíèÿ è ò.ä.), è âîçäåéñòâèÿ,

âîçíèêàþùèå òîëüêî ïðè ðàáîòå ýëåìåíòîâ (òðåíèå, ýëåêòðè÷åñêèé òîê,

íàãðåâ ïðè ðàáîòå è ò.ä.), âëèÿíèå êîòîðûõ, êàê ïðàâèëî, çàâèñèò îò ðå-

æèìà ýêñïëóàòàöèè (èíòåíñèâíîñòè, öèêëè÷íîñòè, ñòàáèëüíîñòè è ò.ä.).

Ïî õàðàêòåðó âëèÿíèÿ íà ìàòåðèàëû îêðóæàþùåé èëè ðàáî÷èõ ñðåä

ðàçëè÷àþòñÿ àäñîðáöèîííûå, äèôôóçèîííûå, õèìè÷åñêèå, êîððîçèîííûå,

ðàäèàöèîííûå, êàâèòàöèîííûå, ýðîçèîííûå ïðîöåññû.

Ïî õàðàêòåðó èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè ýêñïëóàòàöèîííûå âîçäåéñòâèÿ

ìîæíî ðàçäåëèòü íà âîçìóùåíèÿ, êîòîðûå ïîñëå èõ âîçíèêíîâåíèÿ îñòà-

þòñÿ ïîñòîÿííûìè èëè çàêîíîìåðíî èçìåíÿþòñÿ, è ñëó÷àéíûå âîçäåéñòâèÿ

(ñòàöèîíàðíûå, êâàçèñòàöèîíàðíûå èëè íåñòàöèîíàðíûå).

Ïî âèäó èçìåíåíèé, ïðîèñõîäÿùèõ â ìàòåðèàëå, ðàçëè÷àþòñÿ îáðàòè-

ìûå (íàïðèìåð, ôèçè÷åñêàÿ àäñîðáöèÿ ãàçîâ) è íåîáðàòèìûå (êîððîçèÿ,

ðàñòâîðåíèå è ò.ä.) ïðîöåññû. Ñîîòâåòñòâåííî ôèçè÷åñêèå çàêîíû, îïèñû-

âàþùèå èçìåíåíèå ñâîéñòâ è ñîñòîÿíèå ìàòåðèàëîâ, ìîæíî ðàçäåëèòü

òàêæå íà äâå îñíîâíûå ãðóïïû (ðèñ.3.2): çàêîíû ñîñòîÿíèÿ è çàêîíû

ñòàðåíèÿ [13].

Âíóòðåííèé ìåõàíèçì ïðîöåññîâ, ïðåäøåñòâóþùèõ îòêàçó, è åãî çàêîíîìåðíîñòè

ìîãóò áûòü óñòàíîâëåíû è ïðîàíàëèçèðîâàíû òîëüêî â êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå äëÿ

êîíêðåòíîãî òèïà ýëåìåíòîâ è çàäàííûõ óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè è ðåæèìîâ ðàáîòû. Ïðè

ýòîì íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü, ÷òî äàæå â ïðîñòûõ ïî íàçíà÷åíèþ è ñòðóêòóðå ýëåìåíòàõ

ìîãóò îäíîâðåìåííî ïðîòåêàòü ìíîãèå ôèçè÷åñêèå è ôèçèêî-õèìè÷åñêèå ïðîöåññû, ñïî-

ñîáíûå â ñîâîêóïíîñòè èëè êàæäûé ïî îòäåëüíîñòè ïðèâåñòè ê îòêàçó. Íà ïðàêòèêå,

î÷åâèäíî, â êàæäîì ñëó÷àå íåîáõîäèìî âûäåëèòü îñíîâíûå ïðîöåññû è ÿâëåíèÿ, îïðå-

äåëÿþùèå íàäåæíîñòü ðàññìàòðèâàåìîãî ýëåìåíòà. Íåñìîòðÿ íà áîëüøîå ðàçíîîáðàçèå,

êîíêðåòíûå ìåõàíèçìû

âîçíèêíîâåíèÿ îòêàçîâ

îïðåäåëÿþòñÿ îáùèìè

ôèçè÷åñêèìè èëè ôèçè-

êî-õèìè÷åñêèìè ïðîöåñ-

ñàìè èçìåíåíèÿ ñòðóêòó-

ðû, ñâîéñòâ è ïàðàìåòðîâ

ýëåìåíòîâ, ïðè÷åì çàêî-

íîìåðíîñòè, îïèñûâàþ-

ùèå ýòè ïðîöåññû, ìîãóò

íåïîñðåäñòâåííî ñëóæèòü

ìîäåëÿìè âîçíèêíîâåíèÿ

îòêàçîâ èëè îñíîâîé äëÿ

èõ ïîñòðîåíèÿ.

Законы изменения

свойств и состояния материалов

Законы состояния

(обратимые процессы)

Законы старения

(необратимые процессы)

Статические

законы

Переходные

процессы

Законы

превращения

Основные

законы старения

Ðèñ.3.2. Êëàññèôèêàöèÿ çàêîíîâ èçìåíåíèÿ ñâîéñòâ

è ñîñòîÿíèÿ ìàòåðèàëîâ

[

]

Çàêîíû ñîñòîÿíèÿ îïèñûâàþò îáðàòèìûå ïðîöåññû, ïðè êîòîðûõ ìà-

òåðèàë ïîñëå ïðåêðàùåíèÿ äåéñòâèÿ âíåøíèõ ôàêòîðîâ âîçâðàùàåòñÿ â

èñõîäíîå ñîñòîÿíèå. Çàêîíû ñîñòîÿíèÿ ìîæíî ðàçäåëèòü íà ñòàòè÷åñêèå è

ïåðåõîäíûå (ðèñ.3.2).

Ôóíêöèîíàëüíûå çàâèñèìîñòè, îïèñûâàþùèå ñòàòè÷åñêèå çàêîíû ñî-

ñòîÿíèÿ, íå âêëþ÷àþò ôàêòîð âðåìåíè â ÿâíîì âèäå. Îíè ìîãóò áûòü èñ-

ïîëüçîâàíû äëÿ ïðîãíîçèðîâàíèÿ íàäåæíîñòè â ñëó÷àÿõ, êîãäà èçâåñòíû

çàêîíîìåðíîñòè èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ è õàðàêòåðèñòèê îáúåêòîâ âî âðå-

ìåíè â ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè.

Íàïðèìåð, åñëè â ìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìå ñ òå÷åíèåì âðåìåíè èç-çà èçíîñà îòäåëü-

íûõ ñîïðÿæåíèé ïîâûøàþòñÿ ìåõàíè÷åñêèå íàãðóçêè è óâåëè÷èâàåòñÿ âûäåëåíèå òåïëà

(ò.å. ðàñòåò òåìïåðàòóðà), òî, ñîîòâåòñòâåííî, áóäóò óâåëè÷èâàòüñÿ è äåôîðìàöèè ýëå-

ìåíòîâ ïîä èõ âîçäåéñòâèåì è íà îñíîâàíèè ñîîòâåòñòâóþùèõ çàêîíîâ ìîæíî ïðîãíî-

çèðîâàòü íàðàáîòêó ýëåìåíòîâ íà îòêàç.

Çàêîíû ñîñòîÿíèÿ, îïèñûâàþùèå ïåðåõîäíûå ïðîöåññû, âêëþ÷àþò

ôàêòîð âðåìåíè (íàïðèìåð, êîëåáàíèÿ óïðóãèõ ìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì, ïðî-

öåññû òåïëîïåðåäà÷è è äð.), íî, êàê ïðàâèëî, íå ó÷èòûâàþò èçìåíåíèÿ,

ïðîèñõîäÿùèå â ìàòåðèàëàõ â ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè. Ïåðåõîäíûå çàêîíû

ñîñòîÿíèÿ ìîæíî èñïîëüçîâàòü äëÿ ïðîãíîçèðîâàíèÿ íàäåæíîñòè ýëåìåí-

òîâ ïðè èçâåñòíîì õàðàêòåðå èçìåíåíèÿ âíåøíèõ âîçäåéñòâèé.

Îñíîâíîå çíà÷åíèå äëÿ îöåíêè ïîòåðè èçäåëèåì ðàáîòîñïîñîáíîñòè

èìååò èçó÷åíèå çàêîíîâ ñòàðåíèÿ, êîòîðûå ðàñêðûâàþò ôèçè÷åñêóþ ñóù-

íîñòü íåîáðàòèìûõ èçìåíåíèé, ïðîèñõîäÿùèõ â ìàòåðèàëàõ.

Õîòÿ çàêîíû ñòàðåíèÿ âñåãäà ñâÿçàíû ñ ôàêòîðîì âðåìåíè, â íåêîòî-

ðûõ èç íèõ (çàêîíàõ ïðåâðàùåíèÿ) âðåìÿ íåïîñðåäñòâåííî íå ôèãóðèðó-

åò, îäíàêî â ñîîòâåòñòâóþùèõ çàâèñèìîñòÿõ ó÷èòûâàþòñÿ íåêîòîðûå äðó-

ãèå ôàêòîðû (íàïðèìåð, ýíåðãèÿ), êîòîðûå ïðîÿâëÿþòñÿ âî âðåìåíè.

Îñíîâíûå çàêîíû ñòàðåíèÿ ó÷èòûâàþò ôàêòîð âðåìåíè íåïîñðåäñò-

âåííî è â ÿâíîì âèäå. Îñíîâíûå çàêîíû ñòàðåíèÿ ïîçâîëÿþò ïðîãíîçèðî-

âàòü äèíàìèêó ïðîöåññîâ, îöåíèâàòü âîçìîæíûå îòêàçû è âûÿâëÿòü íàèáî-

ëåå ñóùåñòâåííûå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà èíòåíñèâíîñòü ïðîöåññîâ. Çàêî-

íû ñòàðåíèÿ îïèñûâàþò íåîáðàòèìûå ïðîöåññû èçìåíåíèÿ ñâîéñòâ ìàòå-

ðèàëà, êîòîðûå ïðîèñõîäÿò â ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè.

Â çàâèñèìîñòè îò âèäà ýëåìåíòà, ïðèíöèïà åãî äåéñòâèÿ è êîíñòðóêöèè

îïðåäåëÿþùåå âëèÿíèå íà ñòàðåíèå (èëè èçíîñ) îêàçûâàþò ðàçëè÷íûå ôè-

çèêî-õèìè÷åñêèå ïðîöåññû è ÿâëåíèÿ. Ïðè ðàñ÷åòå êîíñòðóêòèâíûõ è

ôóíêöèîíàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ýëåìåíòîâ, â òîì ÷èñëå ïîêàçàòåëåé íà-

äåæíîñòè, äîëæíî îöåíèâàòüñÿ âëèÿíèå ðàçëè÷íûõ ôàêòîðîâ (ìåõàíè÷åñ-

êèõ óñèëèé, òåìïåðàòóðû, äàâëåíèÿ, âëàæíîñòè, ñîñòàâà è ò.ä.) è ïðîöåñ-

ñîâ, âûçûâàþùèõ èçìåíåíèå ïàðàìåòðîâ ìàòåðèàëîâ è, êàê ñëåäñòâèå, èç-

ìåíåíèå ôóíêöèîíàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ýëåìåíòà.

3.2. Физико-химические процессы в материалах

Äëÿ îïðåäåëåíèÿ êîíêðåòíîãî âèäà çàâèñèìîñòè (3.1) íåîáõîäèìî â

ïåðâóþ î÷åðåäü ðàññìîòðåòü ôèçè÷åñêóþ ñóùíîñòü ïðîöåññîâ è ÿâëåíèé,

îêàçûâàþùèõ âëèÿíèå íà íàäåæíîñòü è ïðèâîäÿùèõ ê îòêàçàì òåõíè÷å-

ñêèõ îáúåêòîâ. Òàê êàê áîëüøèíñòâî ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ è ÿâëåíèé

èìååò ñòàòèñòè÷åñêóþ ïðèðîäó, òî ïðè óñòàíîâëåíèè ôóíêöèîíàëüíûõ çà-

âèñèìîñòåé îñíîâíûõ (îïðåäåëÿþùèõ) ïàðàìåòðîâ îáúåêòà îò âðåìåíè è

âõîäíûõ ïàðàìåòðîâ ðàññìàòðèâàþòñÿ, êàê ïðàâèëî, ìàòåìàòè÷åñêèå îæè-

äàíèÿ èëè ñðåäíèå çíà÷åíèÿ âõîäÿùèõ â ýòè çàâèñèìîñòè âåëè÷èí.

Äëÿ íà÷àëà ïðîöåññà îáû÷íî äîëæåí áûòü ïðåâûøåí îïðåäåëåííûé

óðîâåíü íàãðóçîê, òåìïåðàòóð, ñêîðîñòåé èëè äðóãèõ ïàðàìåòðîâ, îïðåäå-

ëÿþùèõ åãî òå÷åíèå (ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè). ×àñòî ïîðîã ÷óâñòâè-

òåëüíîñòè ñâÿçàí ñ îïðåäåëåííûì ýíåðãåòè÷åñêèì óðîâíåì, êîòîðûé îïðå-

äåëÿåò íà÷àëî åãî ðàçâèòèÿ. Íàïðèìåð, çàêîíîìåðíîñòè òå÷åíèÿ ìíîãèõ

ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ è, ñîîòâåòñòâåííî, çàâèñèìîñòè ïàðàìåòðîâ

ìàòåðèàëîâ îò âðåìåíè ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû íà îñíîâàíèè àíàëèçà êèíå-

òèêè òåðìîàêòèâàöèîííûõ ïðîöåññîâ. Èçìåíåíèå ñâîéñòâ òâåðäûõ òåë ïðî-

èñõîäèò â ðåçóëüòàòå ïåðåìåùåíèé è ïåðåãðóïïèðîâîê ýëåìåíòàðíûõ ÷àñ-

òèö (ìîëåêóë, àòîìîâ, èîíîâ, ýëåêòðîíîâ) èëè èçìåíåíèÿ èõ ïîëîæåíèÿ â

êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêå.

3.2.1. Термоактивационные процессы

Ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü, ñ êîòîðîãî íà÷èíàåòñÿ òåðìîàêòèâàöèîííûé

ïðîöåññ èçìåíåíèÿ ñâîéñòâ ìàòåðèàëà, îïðåäåëÿåòñÿ çíà÷åíèåì ýíåðãèè

àêòèâàöèè E

. Ñêîðîñòü ïðîöåññà òåì áîëüøå, ÷åì áîëüøå ÷èñëî ÷àñòèö,

îáëàäàþùèõ ýíåðãèåé âûøå ýíåðãèè àêòèâàöèè.

Çàêîíû ñòàòèñòè÷åñêîé ôèçèêè îïðåäåëÿþò âåðîÿòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòè

(è, ñîîòâåòñòâåííî, ýíåðãèè) ÷àñòèö, âåðîÿòíîñòü èõ îïðåäåëåííîãî ïîëîæåíèÿ â ïðî-

ñòðàíñòâå. Íàïðèìåð, ðàñïðåäåëåíèå Ìàêñâåëëà-Áîëüöìàíà îïèñûâàåò çàêîí ðàñïðåäå-

ëåíèÿ ñêîðîñòåé ìîëåêóë è àòîìîâ [18] (ðèñ.3.3)

1 4

2 2

4 1

2 2

v m

p p

exp exp

, (3.2)

ãäå N - ÷èñëî ìîëåêóë èëè àòîìîâ; m è v - ìàññà è ñêîðîñòü ìîëåêóëû èëè àòîìà; R -

ãàçîâàÿ ïîñòîÿííàÿ; T - àáñîëþòíàÿ òåìïåðàòóðà; k = 1,38×10

-23

Äæ/Ê - ïîñòîÿííàÿ

Áîëüöìàíà.

Â ñòàòèñòè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêå, ôèçè÷åñêîé õèìèè, ôèçèêå òâåðäîãî òåëà è êâàí-

òîâîé ôèçèêå òàêæå èçâåñòíû âûðàæåíèÿ, îïðåäåëÿþùåå âåðîÿòíîñòü ñîñòîÿíèÿ ÷àñòè-

öû, àíàëîãè÷íûå ïî ñòðóêòóðå âûðàæåíèþ (3.2).

Ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ ÷àñòèö ïî âåëè÷èíå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè Å

( )

fE kT E

ê ê

= -

exp

. (3.3)

1 dN

N dv

(

)

(

)

(

)

Ðèñ.3.3. Ðàñïðåäåëåíèå ìîëåêóë (àòîìîâ) Ðèñ.3.4. Ðàñïðåäåëåíèå âåðîÿòíîñòåé

ïî ñêîðîñòÿì (

) ýíåðãèè ìî

ëåêóë (àòîìîâ) (

)

Êîëè÷åñòâî ÷àñòèö, ýíåðãèÿ êîòîðûõ áîëüøå íåêîòîðîãî êðèòè÷åñêîãî óðîâíÿ

(ýíåðãèè àêòèâàöèè) E

èëè âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî ýíåðãèÿ ÷àñòèöû ïðåâûñèò âåëè÷èíó

(ðèñ.3.4) ïðè E

>> kT ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà èç ïðèáëèæåííîãî âûðàæåíèÿ [19]

( )

(

)

pE E

nE E

ê a

a a

³ =

» -

exp

. (3.4)

Ñêîðîñòü òåðìîàêòèâàöèîííîãî ïðîöåññà (ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ) ïðîïîð-

öèîíàëüíà ÷èñëó àêòèâíûõ ìîëåêóë (g = dX/dt ~ n(E

)/N) è, ñëåäîâàòåëüíî,

( )

g= = × -

exp

, (3.5)

ãäå C(T) - êîýôôèöèåíò, çàâèñÿùèé îò ìåõàíèçìà ïðîöåññà è òåìïåðàòóðû.

Çàâèñèìîñòü (3.5) ïîêàçûâàåò, ÷òî ñêîðîñòü òåðìîàêòèâàöèîííûõ ïðîöåññîâ ñóùå-

ñòâåííî âîçðàñòàåò ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû. Íàïðèìåð, äëÿ ðåàêöèè, ýíåðãèÿ àêòè-

âàöèè êîòîðîé E

= 24 000 êàë/ìîëü, ïðè òåìïåðàòóðå 300 Ê äîëÿ àêòèâíûõ ìîëåêóë

ñîñòàâëÿåò 4,25×10

-18

, à ïðè 400 Ê óâåëè÷èâàåòñÿ äî 9,37×10

-14

, ò.å. ïðèìåðíî â 20 òû-

ñÿ÷ ðàç [20]. Ñëåäîâàòåëüíî, âî ñòîëüêî æå ðàç óâåëè÷èâàåòñÿ è ñêîðîñòü ïðîöåññà.

Ýêñïîíåíöèàëüíàÿ çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ âèäà (3.5) îò ýíåð-

ãèè àêòèâàöèè è òåìïåðàòóðû õàðàêòåðíà äëÿ ìíîãèõ ïðîöåññîâ èçìåíåíèÿ õàðàêòåðè-

ñòèê ìàòåðèàëà è ñòàðåíèÿ. Àíàëîãè÷íûìè âûðàæåíèÿìè îïèñûâàþòñÿ ïðîöåññû, ñâÿ-

çàííûå ñ òåêó÷åñòüþ, ïîëçó÷åñòüþ, óñòàëîñòüþ, ïëàñòè÷åñêèì òå÷åíèåì è ðàçðóøåíèåì

òâåðäûõ ìàòåðèàëîâ [8,11,21], òðåíèåì è èçíîñîì ïîëèìåðîâ [22] è äð. [23].

Âûðàæåíèå (3.5) òàêæå ïîêàçûâàåò, ÷òî ñêîðîñòü òåðìîàêòèâàöèîííûõ ïðîöåññîâ

ïîñòîÿííà ïðè çàäàííûõ óñëîâèÿõ è íå çàâèñèò îò âðåìåíè. Ñëåäîâàòåëüíî, ìîæíî ñ÷è-

òàòü, ÷òî îïðåäåëÿþùèé ïàðàìåòð X ïðè íåèçìåííûõ íàãðóçêàõ è âíåøíèõ óñëîâèÿõ

èçìåíÿåòñÿ âî âðåìåíè ïî ëèíåéíîìó çàêîíó

( )

X X t X CT

= + = + × -

0 0

g exp

, (3.6)

ïðè÷åì ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðà çàâèñèò îò ìåõàíèçìà ïðîöåññà è òåìïåðàòóðû.

Êðîìå ïîâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû â ðåçóëüòàòå íàãðåâà ìàòåðèàëà îáðàçî-

âàíèå àêòèâíûõ ÷àñòèö ìîæåò ïðîèñõîäèòü òàêæå çà ñ÷åò èîíèçàöèè, äèñ-

ñîöèàöèè, îáðàçîâàíèÿ ðàäèêàëîâ, ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ,

ýëåêòðè÷åñêîãî ðàçðÿäà, óëüòðàçâóêîâîãî èçëó÷åíèÿ è äðóãèõ ôàêòîðîâ.

3.2.2. Кинетика химических реакций

Â ðÿäå ñëó÷àåâ ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ îáúåêòà â ïðîöåññàõ

ñòàðåíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ñêîðîñòüþ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé. Â äàííîì ñëó÷àå

ïîä õèìè÷åñêîé ðåàêöèåé ìîæíî ïîíèìàòü îáîáùåííûé àêò ïåðåõîäà ÷àñ-

òèö âåùåñòâà (àòîìîâ, ìîëåêóë, èîíîâ, äèñëîêàöèé, äèñïåðñíûõ ÷àñòèö è

ò.ä.) èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå, ñâÿçàííûé ñ ðàçðóøåíèåì èëè îáðàçî-

âàíèåì íîâûõ ñâÿçåé, - ïðîöåññû õèìè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, ïåðåìåùå-

íèÿ òî÷å÷íûõ è ëèíåéíûõ äåôåêòîâ â êðèñòàëëè÷åñêèõ òâåðäûõ òåëàõ,

äèôôóçèîííûå ïðîöåññû â îáúåìå è íà ïîâåðõíîñòè òåëà è äð. [20,24].

Â íàèáîëåå ïðîñòûõ ñëó÷àÿõ (íàïðèìåð, ðåàêöèè âèäà A®B) ñêîðîñòü

ðåàêöèè (ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ êîíöåíòðàöèè ïðîäóêòà B) ïðîïîðöèîíàëüíà

÷èñëó ýëåìåíòàðíûõ àêòîâ âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö äðóã ñ

äðóãîì è, ñëåäîâàòåëüíî, êîíöåíòðàöèè ðåàãèðóþùåãî âåùåñòâà A:

/dt =

/dt = kc

, (3.7)

ãäå c

è c

- êîíöåíòðàöèè èñõîäíîãî âåùåñòâà è ïðîäóêòà; k - êîíñòàíòà ñêîðîñòè

(óäåëüíàÿ ñêîðîñòü ðåàêöèè), íå çàâèñÿùàÿ îò êîíöåíòðàöèè.

Íà îñíîâàíèè óðàâíåíèÿ (3.7) ìîæíî ïîëó÷èòü çàâèñèìîñòè êîíöåí-

òðàöèé èñõîäíîãî âåùåñòâà A è ïðîäóêòà ðåàêöèè B îò âðåìåíè (ðèñ.3.5)

= c

exp(-kt), c

= c

[1 - exp(-kt)], (3.8)

ãäå c

= c

+ c

- íà÷àëüíàÿ êîíöåíòðàöèÿ ðåàãèðóþùåãî âåùåñòâà.

Åñëè îïðåäåëÿþùèé ïàðàìåòð X ïðîïîðöèîíàëåí êîíöåíòðàöèè èñõîä-

íîãî âåùåñòâà A èëè ïðîäóêòà B, òî íà îñíîâàíèè âûðàæåíèé (3.8) ìîæíî

ïîëó÷èòü çàâèñèìîñòè, õàðàêòåðèçóþùèå åãî èçìåíåíèå âî âðåìåíè:

= X

exp(–kt), X

= X

[1 – exp(–kt)]. (3.9)

Åñëè ðåàêöèÿ ïðîèñõîäèò â íåñêîëüêî ñòàäèé ñ îáðàçîâàíèåì ïðîìåæóòî÷íûõ ïðî-

äóêòîâ (íàïðèìåð, äëÿ äâóõñòàäèéíîãî ïðîöåññà A®B®C), òî ñêîðîñòü ïåðâîé ðåàêöèè,

òåêóùàÿ êîíöåíòðàöèÿ èñõîäíîãî âåùåñòâà è óäåëüíîå êîëè÷åñòâî îáðàçîâàâøåãîñÿ

ïðîìåæóòî÷íîãî ïðîäóêòà B îïðåäåëÿþòñÿ àíàëîãè÷íî îäíîñòàäèéíîìó ïðîöåññó:

/dt =

/dt = k

, c

= c

exp(–k

t), c

= c

[1–exp(–k

t)]. (3.10)

Ñêîðîñòü îáðàçîâàíèÿ ïðîäóêòà ðåàêöèè C ïðîïîðöèîíàëüíà êîíöåíòðàöèè ïðîìå-

æóòî÷íîãî ïðîäóêòà B ñ ó÷åòîì òîãî, ÷òî ÷àñòü ïðîìåæóòî÷íîãî ïðîäóêòà óæå âñòóïèëà

â ðåàêöèþ ñ îáðàçîâàíèåì ïðîäóêòà ðåàêöèè:

/dt = k

– c

) = k

[1–exp(–k

t)] – k

. (3.11)

Ðåøàÿ äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå (3.11), ïîëó÷èì çàâèñèìîñòü êîíöåíòðàöèè ïðî-

äóêòîâ ðåàêöèè îò âðåìåíè â âèäå [24]

( ) ( )

c c

k k

= -

- +

2 1

1 exp exp

. (3.12)

Ãðàôèêè èçìåíåíèÿ êîíöåíòðàöèé èñõîäíîãî, ïðîìåæóòî÷íîãî è êîíå÷íîãî âåùåñò-

âà âî âðåìåíè ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ.3.6.

Â ïðîöåññàõ õèìè÷åñêîãî ïðåâðàùåíèÿ, ïðîèñõîäÿùåãî òîëüêî ïðè

ñòîëêíîâåíèè ìîëåêóë, ó÷àñòâóþò íå âñå ÷àñòèöû, à òîëüêî òå èç íèõ, êî-

òîðûå îáëàäàþò êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé, áîëüøåé íåêîòîðîãî ïðåäåëüíîãî

çíà÷åíèÿ - ýíåðãèè àêòèâàöèè E

, ìèíèìàëüíî íåîáõîäèìîé äëÿ ðàçðûâà è

îáðàçîâàíèÿ ñâÿçåé. Ñëåäîâàòåëüíî, õèìè÷åñêèå ïðåâðàùåíèÿ - òèïè÷íûå

òåðìîàêòèâàöèîííûå ïðîöåññû è äîëÿ àêòèâíûõ, ñïîñîáíûõ ê ðåàêöèè, ìî-

ëåêóë îïðåäåëÿåòñÿ óðàâíåíèåì (3.4).

Ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ ïðîõîäèò â äâà ýòàïà - àêòè-

âàöèÿ ìîëåêóë è õèìè÷åñêîå ïðåâðàùåíèå. Îáû÷íî ïðîöåññ àêòèâàöèè

ïðîòåêàåò çíà÷èòåëüíî áûñòðåå ïðîöåññà õèìè÷åñêîãî ïðåâðàùåíèÿ, ñëå-

äîâàòåëüíî, îáùàÿ ñêîðîñòü ïðîöåññà ëèìèòèðóåòñÿ, â ïåðâóþ î÷åðåäü,

ñêîðîñòüþ õèìè÷åñêîãî ïðåâðàùåíèÿ. Ïðè ýòîì óñëîâèè ñïðàâåäëèâî

óðàâíåíèå Àððåíèóñà, óñòàíàâëèâàþùåå çàâèñèìîñòü êîíñòàíòû ñêîðîñòè

ðåàêöèè k îò òåìïåðàòóðû è ýíåðãèè àêòèâàöèè:

k = Bexp(E

/RT), (3.13)

ãäå Â - êîýôôèöèåíò, õàðàêòåðèçóþùèé îáùåå ÷èñëî ñòîëêíîâåíèé ÷àñòèö â åäèíèöó

âðåìåíè; exp[E

/(RT)] - äîëÿ àêòèâíûõ ñòîëêíîâåíèé.

(

)

(

)

Ðèñ.3.5. Èçìåíåíèå êîíöåíòðàöèè Ðèñ.3.6. Èçìåíåíèå êîíöåíòðàöèè

èñõîäíîãî âåùåñòâà (1) è ïðîäóêòà èñõîäíîãî (1), ïðîìåæóòî÷íîãî (2)

ðåàêöèè (2) [

] è êîíå÷íîãî (3) âåùåñòâ [

]

Íàðÿäó ñ òèïè÷íîé çàâèñèìîñòüþ (3.13), õàðàêòåðíîé äëÿ áîëüøèíñòâà ïðîñòûõ

õèìè÷åñêèõ ïðåâðàùåíèé, âñòðå÷àþòñÿ òàêæå è äðóãèå ôîðìóëû äëÿ ïðîöåññîâ, îñëîæ-

íåííûõ êàêèìè-ëèáî ôèçèêî-õèìè÷åñêèìè ÿâëåíèÿìè, êîòîðûå èçìåíÿþò ñêîðîñòü ðå-

àêöèè (äèôôóçèåé, àäñîðáöèåé è äð.) [24,25].

Â ñëó÷àå îáðàòèìîé õèìè÷åñêîé ðåàêöèè, åñëè íè îäèí èç åå ïðîäóêòîâ íå óäàëÿåò-

ñÿ, òî ÷åðåç íåêîòîðîå âðåìÿ ïîñëå íà÷àëà ïðîöåññà óñòàíàâëèâàåòñÿ ñîñòîÿíèå äèíà-

ìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ: ñêîðîñòè ïðÿìîé è îáðàòíîé ðåàêöèé óðàâíèâàþòñÿ, êîíöåíòðà-

öèè âñåõ êîìïîíåíòîâ íå èçìåíÿþòñÿ. Ðàâíîâåñíîå ñîñòîÿíèå ïðîöåññà õàðàêòåðèçóåò-

ñÿ êîíñòàíòîé ðàâíîâåñèÿ, ïðåäñòàâëÿþùåé ñîáîé îòíîøåíèå êîíñòàíò ñêîðîñòè ïðÿ-

ìîé è îáðàòíîé ðåàêöèé:

ññ

îá

= =

¢¢

...

, (3.14)

ãäå ñ

è c

¢ - ðàâíîâåñíûå êîíöåíòðàöèè èñõîäíûõ âåùåñòâ è ïðîäóêòîâ ðåàêöèè.

Èñõîäÿ èç ôîðìóëû (3.13), ìîæíî ïîëó÷èòü:

exp

, (3.15)

ãäå DE = E

- E

= E

êîí

- E

èñõ

- èçìåíåíèå ýíåðãèè â ïðîöåññå ðåàêöèè, E

èñõ

è E

êîí

ýíåðãèÿ èñõîäíûõ âåùåñòâ è ïðîäóêòîâ ðåàêöèè.

Ôîðìóëà (3.15) ïîêàçûâàåò, ÷òî ïàðàìåòðû ðàâíîâåñíîãî ñîñòîÿíèå çàâèñÿò îò òåì-

ïåðàòóðû è îáùåãî èçìåíåíèÿ ýíåðãèè ïðè ðåàêöèè.

3.2.3. Элементы теории дефектов в твердых телах

Äåôåêòû êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû òâåðäûõ òåë îêàçûâàþò ñóùåñò-

âåííîå âëèÿíèå íà èõ ìàêðîñêîïè÷åñêèå ñâîéñòâà è ñîñòîÿíèå. Â ðåçóëü-

òàòå âëèÿíèÿ ðàçëè÷íûõ âíåøíèõ è âíóòðåííèõ ôàêòîðîâ è ñ òå÷åíèåì

âðåìåíè êîëè÷åñòâî äåôåêòîâ èçìåíÿåòñÿ è, ñîîòâåòñòâåííî, èçìåíÿþòñÿ

ïàðàìåòðû ýëåìåíòîâ, ÷òî ìîæåò ïîâëèÿòü íà õàðàêòåðèñòèêè èõ íàäåæíî-

ñòè.

Äåôåêòû êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû ðàçäåëÿþòñÿ íà íåñêîëüêî âèäîâ

[11]: òî÷å÷íûå (âàêàíñèè, ìåæóçåëüíûå àòîìû è äð.), îäíîìåðíûå èëè

ëèíåéíûå (äèñëîêàöèè), äâóìåðíûå èëè ïîâåðõíîñòíûå (ãðàíèöû çåðåí,

äåôåêòû óïàêîâêè è äð.), òðåõìåðíûå èëè îáúåìíûå (ïóñòîòû, âêëþ÷åíèÿ

è äð.). Äëÿ ïðîöåññîâ âîçíèêíîâåíèÿ îòêàçîâ íàèáîëüøåå çíà÷åíèå èìåþò

ìåõàíèçìû è êèíåòèêà îáðàçîâàíèÿ, ðàçâèòèÿ, ïåðåìåùåíèÿ è ñêîïëåíèÿ

ýëåìåíòàðíûõ ñòðóêòóðíûõ äåôåêòîâ - òî÷å÷íûõ äåôåêòîâ è äèñëîêàöèé,

èõ âëèÿíèå íà ìàêðîñêîïè÷åñêèå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ [9,24].

Ïîä òî÷å÷íûìè äåôåêòàìè ïîíèìàþòñÿ: âàêàíñèè - óçëû êðèñòàë-

ëè÷åñêîé ðåøåòêè, â êîòîðûõ îòñóòñòâóþò àòîìû èëè èîíû (íåçàïîëíåí-

íûå óçëû); ñïàðåííûå âàêàíñèè - äâå èëè áîëåå âàêàíñèè â ñîñåäíèõ óç-

ëàõ; ìåæóçåëüíûå àòîìû - àòîìû îñíîâíîãî ìàòåðèàëà èëè ïîñòîðîííèå

àòîìû, îáðàçóþùèå ðàñòâîðû çàìåùåíèÿ èëè âíåäðåíèÿ.

Ñàìûì ÷àñòî âñòðå÷àþùèìñÿ òèïîì òî÷å÷íûõ äåôåêòîâ ÿâëÿþòñÿ âà-

êàíñèè, êîòîðûå îêàçûâàþò íàèáîëüøåå âëèÿíèå íà ìåõàíèçì è êèíåòèêó

ïðîöåññîâ, ñâÿçàííûõ ñ ïåðåíîñîì àòîìîâ: ïîëçó÷åñòüþ, óñòàëîñòíûì ðàç-

ðóøåíèåì, îáðàçîâàíèåì äèôôóçèîííîé ïîðèñòîñòè, îáåçóãëåðîæèâàíèåì,

ãðàôèòèçàöèåé è äðóãèìè. Íàïðèìåð, äëÿ ìåòàëëîâ èçìåíåíèå êîíöåíòðà-

öèè âàêàíñèé íà 1% ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ïðåäåëà òåêó÷åñòè ïðèìåðíî

íà 100 Í/ìì

Âàêàíñèè â êðèñòàëëàõ ïîñòîÿííî çàðîæäàþòñÿ è èñ÷åçàþò ïîä äåéñòâèåì òåïëîâûõ

ôëóêòóàöèé. Âîçíèêíîâåíèå âàêàíñèé ïðîèñõîäèò ïî äâóì ìåõàíèçìàì [11]: ïðè âûõîäå

àòîìà íà âíåøíþþ ïîâåðõíîñòü êðèñòàëëà èëè ïîð (ìåõàíèçì Øîòòêè) è â ðåçóëüòàòå

îáðàçîâàíèÿ ïàðû "âàêàíñèÿ - ìåæóçåëüíûé àòîì" (ìåõàíèçì Ôðåíêåëÿ). Âòîðîé ìåõà-

íèçì ñâÿçàí ñî çíà÷èòåëüíûìè äåôîðìàöèÿìè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè è ïîýòîìó

òðåáóåò áîëüøåé ýíåðãèè, ÷åì ïåðâûé (íàïðèìåð, äëÿ ìåäè ýíåðãèÿ îáðàçîâàíèÿ âàêàí-

ñèè ïî ïåðâîìó ìåõàíèçìó ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 1 ýÂ, ñïàðåííîé âàêàíñèè - 1,6 ýÂ,

ýíåðãèÿ îáðàçîâàíèÿ ìåæóçåëüíîãî àòîìà - 10 ýÂ). Ïîýòîìó â ðåçóëüòàòå òåïëîâûõ

ôëóêòóàöèé íàèáîëüøåå ÷èñëî âàêàíñèé âîçíèêàåò ïî ìåõàíèçìó Øîòòêè, à ïðè ïëà-

ñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè, çàêàëêå è îáëó÷åíèè äåéñòâóåò ìåõàíèçì Ôðåíêåëÿ.

Âåëè÷èíà ýíåðãèè, íåîáõîäèìîé äëÿ îáðàçîâàíèÿ âàêàíñèé è ìåæó-

çåëüíûõ àòîìîâ, îïðåäåëÿåòñÿ ïðîèñõîäÿùèìè ïðè ýòîì óïðóãèìè èñêàæå-

íèÿìè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè è íàðóøåíèåì ïåðèîäè÷íîñòè ñòðóêòóðû

êðèñòàëëà, ò.å., â êîíå÷íîì ñ÷åòå, ýíåðãèåé ìåæàòîìíûõ ñâÿçåé. Òåðìîäè-

íàìè÷åñêè ðàâíîâåñíîå îòíîñèòåëüíîå êîëè÷åñòâî äåôåêòîâ â êðèñòàëëå

(èëè âåðîÿòíîñòü ïîÿâëåíèÿ äåôåêòà) îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì, õàðàê-

òåðíûì äëÿ òåðìîàêòèâàöèîííûõ ïðîöåññîâ (ñì.ðàçä.3.2.1) [24]

( )

pE E

nE E

³ =

exp , (3.16)

ãäå w

» 10

Ãö - ýéíøòåéíîâñêàÿ ÷àñòîòà êîëåáàíèé àòîìîâ; x - ÷èñëî ñîñåäíèõ ñ âà-

êàíñèåé àòîìîâ; w¢- ÷àñòîòà èõ êîëåáàíèé.

Ïðè ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè, îáëó÷åíèè èëè çàêàëêå â ìàòåðèàëå

ïðîèñõîäèò áîëüøîå ÷èñëî íåðàâíîâåñíûõ ïðîöåññîâ, ïðèâîäÿùèõ ê âîç-

íèêíîâåíèþ èëè èñ÷åçíîâåíèþ òî÷å÷íûõ äåôåêòîâ, íàðóøåíèþ ðàâíîâåñ-

íîé êîíöåíòðàöèè. Ïðè íåâûñîêîé òåìïåðàòóðå êîíöåíòðàöèÿ ìîæåò ïðå-

âûøàòü ðàâíîâåñíóþ íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ, ïðè íàãðåâå êîíöåíòðàöèÿ

âàêàíñèé ñòðåìèòñÿ ê ðàâíîâåñíîé. Êîíöåíòðàöèÿ äåôåêòîâ, îáðàçóþùèõñÿ

ïðè ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè, ïðîïîðöèîíàëüíà äåôîðìàöèè [24]

c = Be

, (3.17)

ãäå e - îòíîñèòåëüíàÿ äåôîðìàöèÿ; B = 10

¸10

ñì

-3

è m = 1¸2 - êîýôôèöèåíòû, çàâè-

ñÿùèå îò ìåõàíèçìà âîçíèêíîâåíèÿ òî÷å÷íûõ äåôåêòîâ.

Îäíîìåðíûå äåôåêòû êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû - äèñëîêàöèè - â

çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îïðåäåëÿþò ìåõàíè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü òâåðäûõ òåë.

Äèñëîêàöèè â êðèñòàëëå îáðàçóþò èçîëèðîâàííûå çàìêíóòûå ïåòëè,

ñêîïëåíèÿ âîêðóã ÷àñòèö âêëþ÷åíèé è âûäåëåíèé, äâóìåðíûå è òðåõìåð-

íûå ñåòêè. Ðàçëè÷àþò äâà ïðåäåëüíûõ âèäà äèñëîêàöèé [11,26,27]: êðàåâûå

(ëèøíÿÿ àòîìíàÿ ïëîñêîñòü) è âèíòîâûå (ñìåùåíèå àòîìîâ ñ èñõîäíûõ

ìåñò, âûçûâàþùåå ñêðó÷èâàíèå èëè ñäâèã ðåøåòêè). Â îáùåì ñëó÷àå äèñ-

ëîêàöèè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñî÷åòàíèå ýòèõ ôîðì.

Äèñëîêàöèè ÿâëÿþòñÿ èñòî÷íèêîì âíóòðåííèõ íàïðÿæåíèé è ñîçäàþò

ïîëÿ íàïðÿæåíèé, ëîêàëüíûå äåôîðìàöèè è ñìåùåíèÿ. Äåôîðìèðîâàííàÿ

íàïðÿæåííàÿ îáëàñòü âîêðóã äèñëîêàöèè îáëàäàåò ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãè-

åé, â ñâÿçè ñ ÷åì êðèñòàëë íåñòàáèëåí â òåðìîäèíàìè÷åñêîì îòíîøåíèè.

Îäíàêî áåç âíåøíåãî âîçäåéñòâèÿ âûõîä äèñëîêàöèè çàòðóäíåí, è îíà îñ-

òàåòñÿ âíóòðè êðèñòàëëà. Ñðûâ è ïåðåìåùåíèå äèñëîêàöèé òðåáóþò çàòðàò

ýíåðãèè è ïðîèñõîäÿò ïðè ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ïîä äåéñòâèåì âíåø-

íèõ ñèë è òåðìè÷åñêîé àêòèâàöèè. Ïðè äëèòåëüíîì ïðèëîæåíèè âíåøíèõ

ñèë, îñîáåííî ïðè ïîâûøåííûõ òåìïåðàòóðàõ, äëÿ ýòèõ ïðîöåññîâ äîñòà-

òî÷íî ñðàâíèòåëüíî ìàëûõ íàïðÿæåíèé.