Старіння матеріалів деталей

Старіння матеріалів – це зміна їх фізико-механічних властивостей у часі в умовах тривалого зберігання та (або) експлуатації.

Процес старіння являє собою самочинний перехід матеріалів з метастабільного стану в стабільний з нижчим рівнем внутрішньої енергії. Для металів та їх сплавів найбільше практичне значення мають процеси старіння, пов'язані з розпадом пересичених твердих розчинів (процеси виділення), викликаних змінами механічних і фізичних властивостей матеріалів (міцності, твердості, електроопору, магнітних властивостей, стійкості проти корозії, ударної в'язкості та ін.). Старіння може бути і причиною деформації деталей, спотворення їх просторової геометрії.

Такі дефекти властиві, наприклад, базисним (корпусним) деталям. Якщо для деталей з металів та їх сплавів старіння не є основною причиною появи дефектів, то для деталей з неметалевих матеріалів, які використовуються в конструкціях сільськогосподарської техніки, старіння дуже небезпечне.

Основою багатьох неметалевих матеріалів є природні і штучні полімерні речовини (каучуки, смоли та ін.). Фізико-механічні властивості полімерів (границя міцності при розтягуванні, опір пластичній деформації, еластичність тощо) визначаються їх хімічним складом і структурою. На властивості полімерів впливає і ступінь полімеризації, тобто кількість структурних ланок, утворених молекулами вихідних речовин (мономерів у макромолекулі), які повторюються.

Старіння полімерів та матеріалів на їх основі являє собою необоротні зміни їх властивостей, які відбуваються під дією температури, кисню, сонячного світла, води тощо. При старінні, в основному, виникає розпад основних ланцюгів макромолекул на частинки простішої будови або відбуваються зміни будови і видів зв'язку в макромолекулах без їх розриву. Ці процеси називають деструкцією. Крім процесів деструкції, зміни властивостей полімерів і пластмас у часі можуть виникнути внаслідок структурування (тобто утворення додаткових внутрішніх зв'язків), виділення пластифікатора тощо.

Процеси деструкції можуть відбуватися під впливом фізичних (тепло, світло та ін.) і хімічних (кисень, озон, вода та ін.) факторів. Є два основних типи деструкції полімерів – термічна та окислювальна.

При термічній деструкції в полімерах виникають фізичні й хімічні зміни. Фізичні зміни пов'язані з переміщенням макромолекул або їх фрагментів, хімічні – з розривом хімічних зв'язків, зменшенням розмірів макромолекул, які супроводжуються зміною їх хімічного складу.

Окислювальна деструкція викликається дією молекулярного кисню і підпорядковується звичайним закономірностям хімічних реакцій. Але процеси окислення макромолекулярних речовин мають і певні особливості, коли спостерігається нерівномірна участь в реакції окремих груп, здатних реагувати всередині макромолекули.

Найважливіші процеси, які відбуваються при старінні – деструкція і структурування, які протилежно впливають на властивості полімерів. Внаслідок деструкції суттєво погіршуються механічні властивості: знижується міцність при розтягу, збільшується крихкість при низьких температурах, зменшується стійкість до стирання. Процеси, які відбуваються при структуруванні (з'єднання ланцюгів, виникнення тривимірної структури) підвищують твердість полімерів, їх крихкість, але при цьому знижується їх пластичність й еластичність.

У звичайних умовах старіння полімери підпадають під комплексний вплив тепла і світла, що значно інтенсифікує процес старіння.

До факторів, які стимулюють старіння, належать також вплив ультрафіолетового випромінювання, вплив динамічних навантажень та мікробіологічні фактори. Наприклад, при дії на певні полімери світла і, особливо, ультрафіолетового випромінювання, виникає поверхнева фотохімічна деструкція, внаслідок якої на поверхні матеріалу змінюється структура, твердість, з'являються тріщини.

Основним результатом процесу старіння є часто небажана зміна фізико-механічних властивостей. Типову залежність цих властивостей полімеру від часу і температури старіння наведено на рис. 2.19. Спостереженнями за старінням еластомерів, які використовуються для виготовлення ущільнень рухомих і нерухомих з'єднань, доведено, що в результаті термоокислювальних процесів виникає погіршення параметрів, які характеризують герметичність.

Зокрема, основним параметром, який впливає на герметичність ущільнень, є контактний тиск. Зменшення його в процесі старіння визначається за рівнянням:

Рис. 2.19. Залежність фізико-механічних властивостей полімеру від тривалості t і температури Т старіння

, (2.18)

де Р_K – контактний тиск ущільнення, МПа; Р_KM – контактний тиск ущільнення після монтажу, МПа; K – константа швидкості старіння, яка залежить від властивостей матеріалу та температури; t – тривалість процесу старіння, год.; e – основа натурального логарифма.

Оцінка впливу старіння на властивості матеріалів досить складна, оскільки необхідно враховувати певні фактори: умови навантаження, зміни температури, активність середовища. Тому для різних матеріалів та умов їх використання розроблені методи розрахунків, довідкові таблиці, рекомендації, які ґрунтуються на теоретичних розробках та експериментальних даних.