Физические основы процессов разрушения твердых тел

Основными причинами отказов механических элементов являются износ и нарушение условий трения, недостаточная прочность по критериям статистической прочности мало- или многоцикловой усталости, недопустимые деформации, старение и коррозия материалов, нарушение нормальных условий функционирования и неправильное назначение допусков.

Кинетика процессов механического разрушения нагруженного твердого тела и соответственно, время до разрушения зависят от структуры и свойств материалов тела, от напряжения, вызываемого нагрузкой, и температуры. Для многих твердых материалов (металлов, сплавов, полимеров, полупроводников и т.д.) справедлива температурно-временная зависимость прочности, а именно: зависимость между напряжением , температурой , и временем от момента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца, известная как формула Журкова [5,14]:

, (2.83)

где - время от момента приложения нагрузки до разрушения;

- период собственных колебаний атомов кристаллической решетки твердого тела ( с.);

-начальная энергия активации в отсутствие механических напряжений;

- напряжение материала, обусловленной механической нагрузкой;

- структурный коэффициент (характеристика чувствительности материала к напряжению), определяющий степень уменьшения начального энергетического барьера под действием приложенного напряжения .

Соответственно, для скорости процесса разрушения на основании формулы (2.81) можно записать выражение, характерное для скорости V термоактивиционных процессов [5,14].

, (2.84)

где - частота собственных тепловых колебаний атомов в решетке.

В уравнениях (2.83) и (2.84) величина - энергия активации процесса разрушения.

Все изменения прочностных свойств материалов, происходящие при изменении их чистоты, при тепловой обработке и деформировании, связаны с изменением только величины . Следовательно, может быть использована как количественная мера прочности, т.е. мера сопротивления разрушению, учитывающая временную и температурную зависимость прочности. Действительно, так как и не меняются и известны, то знание позволит построить все семейство временных зависимостей прочности при разных температурах. В свою очередь значение может быть вычислено из временной зависимости, полученной при одной температуре [14]:

, (2.85)

где - тангенс угла наклона прямой .

Рис. 2.9. Типичная зависимость долговечности

материала от напряжения при различных

температурах ( ).

В частном случае, когда температура и долговечность фиксированы, из уравнения 2.83 следует, что обратно пропорционально разрывному напряжению :

. (2.84)

Уравнение (2.83) можно использовать для определения длительности эксплуатации материала в нагруженном состоянии до разрушения при практических расчетах прочности.

Время разрыва при постоянной нагрузке образцов, изготовленных из одного материала, есть случайная величина, зависящая от случайных размеров и распределения элементарных дефектов в образцах материалов.

В процессе эксплуатации объекты и элементы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), подвергаются следующим видом воздействия, приведенным в таблице 2.2., где приняты следующие обозначения:

ЭВП – электронно-вакуумные приборы;

ПП – полупроводниковые приборы;

КОНД – конденсаторы;

РЕЗИСТ – резисторы;

ИС – интегральные схемы;

М – металлические элементы;

Д – диэлектрические элементы.

Таблица 2.2. Влияние физических процессов на надежность радиоэлектронной аппаратуры при эксплуатации

В общем случае зависимость показателя надежности РЭА от условий эксплуатации можно представить в виде:

, (2.87)

где , - температура и влажность окружающей среды; - ускорение механической нагрузки, воздействующей на элемент.

Если действие всех перечисленных в таблице 2.2 факторов полагать независимыми, то зависимость интенсивности отказов от условий эксплутации элемента можно представить в виде [14]

, (2.88)

где , …, – коэффициенты, характеризующие влияние отдельных видов воздействий на показатели надежности, - интенсивность отказа элементов в расчетном режиме работы.

Применительно к интегральным схемам формула (2.84) может быть представлена в аддитивной форме следующим образом [14,23]

где - площадь металлизации, мм²; - количество степеней диффузии, - сумма площадей металлизации, - площадь кристалла, мм²; - коэффициенты качества (температурный и условий работы) ИС соответственно; - интенсивность отказа сварных соединений; – интенсивность отказа металлизации; – интенсивность отказа, обусловленного диффузией; – интенсивность отказа кристалла; – интенсивность отказа мест элементов подверженных диффузии; – интенсивность отказа по условию потери герметичности, - интенсивность отказа площадей металлизации и активных элементов.

Коэффициент качества характеризует жесткость требований, предъявляемых к условиям изготовления и приемки ИС. Если схемы соответствуют классу А стандарта MIL-STD-883, в производствах которых введено термоциклирование, то ; Для ИС без термоциклирования и без электротренировок ; Для массовых ИС [23].

Коэффициент в зависимости от температуры, при которой работают ИС приведено в таблице 2.3:

Таблица 2.3. Значения коэффициентов .

Температура ℃
			3.3	6.1	11.1

Коэффициент , характеризующий условия работы ИС (влага, вибрации, удары, солевой туман), изменяется в пределах от 4 до 8. Например, для автомобильной РЭА принимают [23].