ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА СТАРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Любой процесс старения возникает и развивается лишь при определенных внешних условиях. Для оценки возможных видов поврежденияма­териалов деталей машин необходимо установить область существования процесса старения и в первую очередь условие его возникновения. Для возникновения этого процесса обычно должен быть превзойден определенный уровень нагрузок, скоростей, температур или других параметров, опреде­ляющих его протекание. Этот начальный уровень или порог чувствительности обычно важно знать для быстротекущих процессов старения, когда после возникновения процесса идет его интенсивное лавинообразное развитие. Часто порог чувствительности связывают с некоторым знергетическим уровнем, который определяет начало данного процесса. Типичными приме­рами наличия энергетического барьера, начиная с которого может идти про­цесс, являются схватывание металлов и развитие трещины при хрупком раз­рушении.

Согласно современным взглядам на энергетический баланс, основное влияние на развитие трещины оказывает работа W_n, идущая на пластиче­скую деформацию при распространении трещины, и критическое напряже­ние, при котором происходит переход развития трещины в неустойчивое со­стояние, можно определить по формуле:

,

где s - критическое напряжение, Е - модуль упругости, - длина трещины, W_n - работа пластической деформации, W_н - энергия поверхностного натя­жения трещины.

Для процессов, развитие которых происходит монотонно, необходимо определить область их существования и экстремальные значения внешних условий, при которых сохраняются данные закономерности процессов. Например, при износе поверхностей в зависимости от смазки и скорости отно­сительного скольжения, а также от давления, состава окружающей среды и других факторов будут возникать различные виды износа.

На рис. 3.1 представлена схема изменения вида износа металлов и сплавов в зависимости от скорости относительного скольжения U.Как видно из графика, при малых (участок I) и при больших (участок III) скоростях скольжения при сухом трении возникают недопустимые виды износа с высокой интенсивностью процесса, т.е. имеются критические значения внешних условий, в данном случае U_кр1 и U_кр2, которые характеризуют возникновение процессов старения, должны быть определены границы их применения, т.е. области существования данных процессов.

Оценивая эти области, необходимо также иметь в виду, что в одних и тех же объемах материала или на поверхности могут одновременно протекать различные процессы старения.

На выходные параметры машины оказывают влияние все действую­щие процессы старения, характеризующиеся следующими основными вида­ми их взаимодействия.

1. Одновременно протекающие процессы не оказывают взаимного
влияния и вызывают изменение различных выходных параметров независимо друг от друга.

2. Одновременно протекающие процессы не оказывают взаимного
влияния, но их действия на выходной параметр суммируются.

3. Одновременно протекающие процессы взаимодействуют и образуют
новый более сложный процесс (наиболее характерный случай).

При некоторых взаимодействиях имеет место ведущий вид процесса, когда его особенности оказывают основное влияние на выходные парамет­ры. В этом случае описание этого процесса упрощается. Однако для многих процессов старения характерно именно одновременное действие деформа­ционных, тепловых, химических и других процессов, приводящих к возник­новению сложной физико-химической картины изменения начальных свойств и состояния материалов и всей машины.

Внешним проявлением какого-либо процесса старения является повреждение всей детали или ее поверхности. Простая констатация наличия того или иного повреждения не позволяет проследить ход процесса старения и дать прогноз о времени отказа детали или тем более машины.

Численная оценка величины повреждения детали может производить­ся двумя методами.

При первом методе определяются численные критерии для непосредственного измерения величины повреждения деталей, например, линейный или весовой износ, величина деформации и т.д. Однако во многих случаях, особенно при локальных видах повреждения, бывает трудно оценить степень повреждения.

При втором методе о повреждении судят по изменению выходных параметров машины. Такой метод, хотя и находит широкое применение и час­то обладает несомненными достоинствами, в общем случае не желателен, так как между степенью повреждения и данными выходных параметров имеется своя функциональная или стохастическая зависимость, которая ис­кажает информацию о ходе процесса старения.

3.2. ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ МАШИНЫ

Предельное состояние характеризует выход машины из области работоспособности. Это относится как к машине в целом, так и к ее узлам, дета­лям и элементам.

Требования к машине с точки зрения точности функционирования, обеспечения технических характеристик, безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, эффективности работы и др. оговариваются, как правило, в технических условиях.

При достижении предельного состояния дальнейшая эксплуатация машины должна быть прекращена, так как возникает потребность в ремонте или техническом обслуживании.

Предельно допустимое состояние может быть установлено как для степени повреждения машины (U_max), так и выходного параметра (X_max). Хо­тя X и U связаны функциональной зависимостью, оценка предельного зна­чения для каждого из этих показателей имеет свой смысл.

Установление X_max является основным, так как именно изменение выходного параметра определяет область работоспособности машины. Выходной параметр легче контролировать, и проверка условия работоспособности X<Х_max не представляет обычно принципиальных трудностей при эксплуатации машины.

Поскольку изменение выходных параметров машины является следствием повреждения отдельных элементов, для восстановления работоспособности машины надо решать вопрос, допустима ли степень повреждения отдельных элементов и какие из них требуют ремонта или замены. Поэтому наряду с назначением Х_max необходимо установить U_maxдля повреждений, которые участвуют в формировании выходного параметра.

При этом могут быть три основных случая взаимосвязи Х_max и U_max:

- выходной параметр определяет (в основном) один из видов повреж­дения Х_max=Ku_max;

- выходной параметр определяется суммарным повреждением элемен­тов с учетом их влияния через некоторое передаточное отношение К:

;

- выходной параметр связан сложной функциональной зависимостью с предельными повреждениями элементов .

Таким образом, предельные состояния по степени повреждения (U_max) должны назначаться, исходя из допустимых отклонений выходного параметра Х_max, и учитывать зависимость между X и показателями степени повреждения элементов машины.

Основным критерием предельного состояния машины является то экстремальное значение параметра, которое допускается техническими условиями. Однако сам ход процесса изменения выходных параметров и наличие зон их резкого возрастания также служит критерием для установления максимально допустимых значений Х_max.

Возможны три основные группы критериев (табл. 3.1):

1 . В результате износа или других повреждений происходит скачкообразное изменение состояния машины и она перестает функционировать. В этом случае, как правило, трудно судить по выходному параметру о близо­сти к предельному состоянию и более целесообразно регламентировать максимально допустимую степень повреждения U_max.

2. В результате процесса повреждения имеется зона интенсивного из­менения выходных параметров машины - рост вибраций, температуры, шума, падение точности, производительности и т.п. При этом, даже если эти
параметры еще находятся в допустимых пределах, можно установить значе­ние X_max, соответствующее началу интенсификации процесса потери работоспособности.

3. Основной случай назначения Х_max - когда процесс повреждений не
имеет экстремальных зон и выходные параметры определяются установленными на изделие техническими условиями.

Таблица 3.1.