Основное значение для оценки потери машинам работоспособности имеет изучение законов старения, которые раскрывают физическую сущность необратимых изменений, происходящих в материалах машины. Хотя законы старения всегда связаны с фактором времени, в некоторых из них время непосредственно не фигурирует, так как в полученных зависимостях отыскивается связь с другими факторами (например, энергией), которые, в свою очередь, проявляются во времени. Такие зависимости предложено называть законами превращения (см. рис. 2.26).
Типичным примером законов превращения могут служить зависимости, описывающие, например, процессы коррозии.
Для прогноза поведения машины при эксплуатации и для выбора оптимальных решений желательно иметь непосредственные зависимости протекания процесса старения во времени, однако сложность реальных явлений не всегда позволяет получить эту закономерность.
Поэтому используются физические и химические законы, отражающие наиболее существенные стороны процесса и показатели, по которым можно косвенно судить об интенсивности процесса. Фактор времени фигурирует, как правило, в неявном виде и для получения закона старения в чистом виде (т. е. в функции t) необходимо дальнейшее раскрытие механизма процесса изменения свойств и состояния материалов.
Законы старения, оценивающие степень повреждения 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 законы износа материалов, которые на основе раскрытия физической картины взаимодействия поверхностей дают методы для расчета интенсивности процесса изнашивания или величины износа в функции времени и оценивают параметры, влияющие на ход процесса.
Любой процесс старения возникает и развивается лишь при определенных внешних условиях. Для оценки возможных видов повреждения материалов, из которых изготовлены детали машин, необходимо установить область существования процесса старения и в первую очередь условия его возникновения. Для возникновения процесса обычно должен быть превзойден определенный уровень нагрузок, скоростей, температур или других параметров, определяющих его протекание.
Процессы старения характеризуются сложными и разнообразными явлениями, происходящими в материалах деталей машины, поэтому их классификацию проводят в зависимости от того внешнего проявления, к которому привел данный процесс. По внешнему проявлению процесса, т. е. по деформации детали, ее износу, изменению свойств и другим показателям, можно судить о степени повреждения материала детали и, следовательно, оценить близость машины к предельному состоянию.
Классифицируя необратимые процессы старения, определяют область, в которой проявляется данный процесс, т. е. затрагивает ли он весь объем материала детали, проявляется лишь в поверхностных слоях или протекает при контакте двух сопряженных поверхностей.
В табл. 2.1 приведена классификация процессов старения по их внешнему проявлению и указаны основные разновидности каждого процесса.
Тело детали может подвергаться разрушению, которое является наиболее опасным проявлением процессов старения, деформироваться или изменять свойства материала — его пластичность, электропроводность, магнитные свойства и т. п.
Наиболее часто процессы старения протекают в поверхностных слоях. При этом поверхность детали может подвергаться температурным, химическим, механическим и иным воздействиям внешней среды. В результате могут происходить явления, связанные с потерей материала поверхности в результате коррозии, эрозии, кавитации и других процессов, которые объединены одним термином — разъедание поверхности.
На поверхности могут протекать и такие процессы, как адгезия, абсорбция, нагар и другие, которые связаны с присоединением к поверхности других материалов.
В результате внешних воздействий возможно также изменение свойств поверхностного слоя — его микрогеометрии, твердости, отражательной способности и др.
Специфические процессы протекают при контакте двух сопряженных поверхностей, что наиболее характерно для механизмов и элементов машин.
В этом случае в подвижных соединениях протекают разнообразные процессы износа, которые включают как истирание поверхности, так и усталость поверхностных слоев и ее пластическое деформирование (смятие).
Для подвижных и неподвижных соединений может произойти изменение условий контакта, что приводит, как правило, к изменению жесткости, коэффициента трения и других параметров сопряжения
Таблица 2.1 - Классификация процессов старения ( необратимые процессы)
Объект
Внешнее проявление процесса (вид повреждения)
Разновидности процесса
1
2
3
Тело детали
(объемные явления)
Разрушение
Хрупкое разрушение, вязкое разрушение
Деформация
Пластическая деформация, ползучесть, коробление
Изменение свойств материала
Изменение структуры материала, механических свойств (пластичность), химического состава, магнитных свойств, газопроницаемости.