Классификация процессов старения

Таблица 2.1

Объект	Вид повреждения	Разновидности процесса
Тело детали (объемные явления)	Разрушение	Хрупкое разрушение Вязкое разрушение
Деформация	Пластическая деформация, Ползучесть, коробление
Изменение свойств материалов	Изменение структуры материала, ме­ханических свойств, химического сплава, магнитных свойств, газопроницаемости, загрязне­ние жидкостей (смазки, топлива)
Поверхность	Детали	Разъедание	Коррозия, эрозия, кавитация, прогар, трещинообразование*)
Нарост	Налипание (адгезия, абсорбция, диф­фузия), нагар, облитерация (заращивание)**)
Изменение свойств поверхностного слоя	Изменение шероховатости, твердости, отражательной способности, напря­женного состояния
Пары	Износ	Истирание, усталость поверхностных слоев, сжатие, перенос материала
Изменение условий контакта	Изменение площади контакта, глубины внедрения макровыступов, сплошности смазки

^*) Коррозия - разрушение металлов под действием электрохимических процессов; эрозия - разрушение поверхности от механических воздействий (ударов, трения); кавитация - разрушение металлов под действием газови пара.

^**) Адгезия - сцепление металлов; абсорбция - поглощение газов, паров поверхностью твердых веществ; диффузия - взаимное проникновение соприкасающихся материалов.

2.2. ЗАКОНЫ СТАРЕНИЯ

Закономерности, описывающие необратимые процессы и, следовательно, позволяющие оценить изменения начальных свойств материалов, которые происходят или могут происходить в процессе эксплуатации машин, называют законами старения машин.

Изучение законов старения раскрывает физическую сущность необра­тимых изменений, происходящих в материалах деталей машин.

Как правило, законы старения всегда связаны с фактором времени, хо­тя сложность процессов, протекающих при этом, не всегда позволяет на данном этапе получить эти закономерности. Поэтому используются физические и химические законы, отражающие наиболее существенные стороны, процессы и показатели, по которым можно косвенно судить об интенсивно­сти процесса. Фактор времени здесь фигурирует в неявном виде (т.е. в функ­ции t). Необходимо дальнейшее раскрытие механизма данного процесса из­менения свойств и состояния материалов.

Законы старения позволяют прогнозировать ход процесса старения, оценивать возможные его реализации и выявить наиболее существенные факторы, влияющие на интенсивность процесса. Типичным примером таких зависимостей являются законы износа материалов, которые на основе рас­крытия физической картины взаимодействия поверхностей дают методы расчета интенсивности процесса изнашивания или величины износа в функ­ции времени и оценивают параметры, влияющие на ход процесса. Точно так же выявляются закономерности, оценивающие типичные процессы коррозии как функции времени, оценивается скорость развития усталостных трещин, связываются со временем процессы ползучести, изменение свойств масел, изменение коэффициентов трения при работе сопряжения, коробление отли­вок от остаточных напряжений, изменение во времени свойств полимерных материалов и др.

Многие временные закономерности физико-химических процессов мо­гут быть получены на основе рассмотрения кинетики термоактивационных процессов. Изменение свойств твердых тел происходит в результате пере­мещений и перегруппировок элементарных частиц (атомов, молекул, элек­тронов, протонов и др.), изменения их положения в кристаллической решет­ке. Это относится к той небольшой части элементарных частиц, энергия ко­торых превосходит некоторый уровень, называемый энергией активации Е_а. Скорость данного процесса тем больше, чем большее число частиц обладает энергией выше, чем энергия активации. Законы статистической физики опреде­ляют вероятность распределения частиц по скорости и вероятность данного положения частицы в пространстве, что позволяет оценить долю частиц, об­ладающих энергией Е, превышающей энергию активации Е_а (например, рас­пределение Максвелла-Больцмана для молекул и атомов).

Если учесть, что обычно имеет место экспоненциальная зависимость доли частиц с энергией Е>Е_а от значения Е_а и температуры q, то скорость g многих физико-химических процессов может быть выражена зависимостью

,

где С – постоянный коэффициент, зависящий от механизма процесса,

К – постоянная Больцмана ( - имеет размерность энергии).

Как видно из формулы, скорость процесса постоянна для заданных условий и резко возрастает с повышением температуры, так как при этом увеличивается доля частиц, обладающих высокой энергией. Для определения скорости химических реакций необходимо оценить изменение количества и концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Кинематическое уравнение реакций позволяет определить скорость их протекания g_р, которая будет пропорциональна концентрации исходного вещества:

,

где К - константа (удельная скорость) реакции; а - начальная концентрация реагирующего вещества; z - концентрация образующихся продуктов реакции.

Решая дифференциальное уравнение , получим

.

Таким образом, концентрация образующихся продуктов z, которая при процессах старения может оценивать степень повреждения элемента (u=z), изменяется тоже по экспоненциальному закону, и при t ® ¥ z ®а. Вначале процесс идет более интенсивно, а затем из-за уменьшения количества исходного вещества замедляется. Оценка скорости протекания процесса повреждения детали во времени является необходимым этапом при решении задач старения. Зная временную характеристику g(t), можно определить степень повреждения как функцию времени, т.е.

,

которая, в свою очередь, будет определять изменения во времени и выходного параметра машины. В табл. 2.2 представлены типовые закономерности протекания процессов старения во времени.

Наиболее просто протекают стационарные процессы, когда скорость процесса постоянна или колеблется относительно среднего значения. Это происходит в тех случаях, если все 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 износа, для некоторых видов коррозии и других процессов.

Если при старении возникают факторы, которые интенсифицируют или, наоборот, замедляют скорость его протекания, т.е. скорость процесса g изменяется монотонно, функция U(t)будет иметь нелинейный вид и соот­ветственно описывать интенсификацию или затухание процесса поврежде­ния материала детали. Например, увеличение износа сопряжения приводит к росту зазоров и соответственно к повышению динамических нагрузок, кото­рые интенсифицируют процесс разрушения.

В некоторых случаях, когда на скорость процесса одновременно дей­ствует ряд равноценных факторов, которые претерпевают изменения во вре­мени, зависимость g (t) может иметь экстремум (максимум или минимум), что характерно, например, для некоторых видов коррозии, для процессов коробления и др. В этом случае функция U(t) имеет точку перегиба. Такая зависимость характерна, например, для перераспределения внутренних на­пряженийи деформаций в отливках в процессе их эксплуатации.

Существует определенная категория процессов, для которой вначале происходит накопление каких-то внутренних повреждений, а затем с неко­торым запаздыванием начинается процесс. Например, при усталостных раз­рушениях материала трещины зарождаются лишь после определенного чис­ла циклов нагружения. Если скорость процесса меняет знак, что характерно для сложных физико-химических процессов, протекающих в материале, то функция U(t), характеризующая степень повреждения, будет иметь экстре­мум (см. табл. 2.2).

Таблица 2.2