Анализ закономерностей изменения свойств материалов

Изменение начальных свойств и состояния материалов, из которых выполнено изделие, является первопричиной потери им работоспособности, так как эти изменения могут привести к повреждению изделия и к опасности возникновения отказа.

Чем глубже изучены закономерности, описывающие процессы изменения свойств и состояния материалов, тем достовернее можно предсказать поведение изде-лия в данных условиях эксплуатации и обеспечить сохранение показателей надежности в требуемых пределах.

Хотя для оценки надежности, как правило, используются вероятностные харак-теристики, это не значит, что суждение о поведении изделия можно сделать лишь на основании статистических исследований.

Наоборот, в основе потери машиной работоспособности всегда лежат физиче-ские закономерности, но в силу разнообразия и переменности действующих факторов эти зависимости приобретают вероятностный характер.

Пусть скорость некоторого процесса повреждения материала γ есть функция ря-да входных параметров Z ₁, Z ₂,…, Z_n и времени t, причем данная зависимость получена на основе физико-химических законов:

γ = dU/dt = ϕ (Z ₁, Z ₂,…, Z_n, t) (4.1)

Параметры Z_i характеризуют условия эксплуатации (нагрузки, скорости, темпе-ратура и др.), состояние материала (твердость, прочность, качество поверхности и т. д.) и другие факторы, влияющие на протекание процесса повреждения материала. Однако при наличии только функциональной зависимости, достаточно достоверно описываю-щей данное явление, нельзя еще точно предсказать, как будет протекать данный про-цесс, так как сами аргументы Z ₁,… Z_n являются случайными величинами.

Действительно, при работе машины происходят непредвиденные изменения и колебания нагрузок, скоростей, температур, степени загрязнения поверхностей. Более того, сами детали машины могут быть выполнены с различными допусками на техно-логические параметры (точность, однородность материала и др.).

Однако знание физической закономерности процесса в корне изменяет возмож-ности по оценке хода процесса по сравнению со случаем, когда этот процесс оценива-ется только на основе статистических наблюдений.

Функциональная зависимость, хотя и абстрагирует действительность и лишь с известной степенью приближения отражает физическую сущность процесса, но позво-ляет предсказывать возможный ход процесса при различных ситуациях.

Поэтому «физика отказов», которая изучает закономерности изменения свойств материалов в условиях их эксплуатации, является основой для изучения и оценки на-дежности машин.

Для решения инженерных задач надежности необходимо знать закономерности изменения выходных параметров системы и ее элементов во времени. Современная наука изучает закономерности изменения свойств и состояния материалов на следую-щих уровнях.

Субмикроскопический уровень, когда на основании рассмотрения строения ато-мов 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.

Микроскопический уровень рассмотрения свойств материалов исходит из анали-за процессов, происходящих в небольшой области. Полученные при этом закономерно-сти в дальнейшем распространяются на весь объем тела.

Изучение влияния совместного действия силовых и физико-химических факто-ров на поведение твердых тел в процессе их эксплуатации привело к появлению нового направления - физико-химической механики материалов.

Макроскопический уровень рассматривает изменение начальных свойств или со-стояния материала всего тела (детали). Так теория упругости на основе закона Гука рассматривает деформации и напряжения в системах и деталях различной конфигура-ции, работающих на растяжение, кручение, изгиб и другие виды деформации.

Разнообразные закономерности и методы расчетов, применяемые при конструи-ровании и производстве машин, полученные общие физические законы и частные зави-симости могут быть использованы и при решении вопросов надежности. При этом, по-скольку главной задачей является оценка изменения свойств и состояния материала в функции времени, необходимо выявить, какие физические закономерности могут быть использованы и как проявляется фактор времени при оценке работоспособности изде-лия.