Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

Критерий габаритных размеров равен отношению основных

габаритных размеров ТО V к его эффективности: К

= V/Q. За

эффективность Q принимают те же показатели, что и в критерии

использования материалов.

Антропологический критерий развития (К

) зависит

соответственно от трех коэффициентов К

эр.

; К

б.

; К

экон

и условий их

выполнения. В символах это будет в виде:

= Â(К

эр.

; К

б.

; К

экон

) .

Ň (У

,; У

; У

ис

; У

м.н.

)

Эффективность многих ТС в значительной степени зависит от

того, насколько материалы, из которых они изготовлены,

приспособлены к психофизиологическим качествам

(органолептически, по запаху, цвету и т. п.) человека - оператора

использующего ТС, или управляющего им при воздействии на

предмет.

Свойство системы «человек – машина» изменять свою

эффективность от степени использования возможностей человека –

оператора

называют эргономичностью. Эргономичность сырья и

материалов, входящих в ТС, определяет безопасность системы

(например, применение радиоактивных веществ, повышенные

вибрации, недопустимо высокая концентрация отравляющих

веществ в воздухе и т. п.). Сюда же (к антропогенным параметрам)

можно отнести экологические показатели.

Критерий эргономичности можно интерпретировать, как

коэффициент полезного действия человека в системе «машина –

человек»:

n W

эрг

= ∑ α

· ――,

i = 1

где W

– реализованный уровень (значение) эффективности

системы «человек – машина» по i – ому показателю; W

потенциальный уровень (значение) эффективности, гипотетической

системы «машина – человек» с оптимальным для данного времени

уровнем использования возможностей человека; α

- весовой

коэффициент i – ого показателя эффективности, выбранный из

условия:

∑ α

= 1; n – число показателей эффективности в

рассматриваемых

i = 1

ТО, существенно зависящих от степени использования

физических и психических возможностей человека – оператора.

Значения К

эрг

лежат в интервале [0; 1], монотонно

возрастают.

Критерий безопасности ТО можно определить по

формуле:

n S

= Σ β

· γ

· ― ,

i =1 S

n - число вредных и опасных факторов; β

– весовой

коэффициент i – ого фактора, выбираемого в соответствии с

градацией по тяжести вредных и опасных воздействий ТО при

условии, что

Σ β

= 1; γ

– весовой коэффициент i – ого вредного или

опасного фактора,

i =1

принимающего следующие значения γ

= 1 при: S

≤ S

; γ

1/minβ

> S

; S

– величина i – ого вредного или опасного

фактора, вызванного рассматриваемым ТО ( вероятность легкой

или тяжелой травмы, уровень радиации, звуковая или

вибрационная нагрузка, концентрация отравляющих веществ и т.

д.); S

– нормативное значение (предельно – допустимое) i – ого

вредного или опасного фактора.

При условии не нарушения нормативов все S

≤ S

критерий К

принимает значения в

интервале [0; 1]. При

нарушении любого из нормативов К

> 1.

Критерий экологичности ТО или критерий сохранения

окружающей среды

должен регулировать взаимодействия между

естественной природой и ТО с точки зрения комфортности и

возможности жизни людей.

Критерий экологичности в общем виде можно выразить

так:

+ S

эк

= ―― ,

– площадь территории (суши и воды), на которой по

одному или нескольким факторам имеются недопустимые (выше

нормы, но ниже критических) загрязнения или изменения; S

–

площадь территории, на которой по одному или нескольким

факторам имеются критические загрязнения или изменения, при

которых жизнь человека становится смертельно опасной или

невозможной.

Значение этого критерия находится в интервале [0; 1].

Критерий эргономичности можно интерпретировать как КПД

человека в системе человек машина. Граница и характер

изменения значений этого критерия такие же, как

энергетического КПД. Критерии безопасности и экологичности

должны регулировать взаимоотношения ноосферы с экосферой.

При нарушении любого из нормативов получаем К

> 1.

Критерий прогрессивной эволюции (К

п.э

.) позволяет

использовать опыт предков при создании ТС. Социально –

экономическая целесообразность использования К

очевидна

Изготовление и практическое использование ТС не ухудшает

антропологических критериев развития техники, поэтому и в этом

случае, как и в предыдущем коэффициент К

п.э

. по содержанию,

характеру и диапазону изменения близок к энергетическому КПД,

является монотонно возрастающей функцией на отрезке [0;1] при

выполнении указанных условий и требований. Коэффициент К

п.э

£(У

,; У

; У

ис

; У

м.н.

Изучение конструктивной эволюции связано с изучением и

анализом истории развития интересующего класса ТС, имеющих

одинаковые или близкие функции. Такое исследование

основывается на законе

прогрессивной эволюции ТС (К

э.т.с.

), суть

которого состоит в повторении следующего цикла:

1 – начало изготовления и использования поколения ТС.

2 – накопление в течение времени недостатков у

соответствующего поколения .ТС; в этом случае критерий развития

изменяется в соответствии с функцией вида:

3 – создание (разработка) нового поколения ТС, устраняющего

недостатки предыдущего поколения и начало его изготовления и

использования.

Рис. 10. Закономерность изменения значений критерия развития при

неизменном принципе действия.

Закономерность, представленная на рис. 10, включает

используемые ТО, технологии, источники энергии, материалы и

вещества, информацию об используемых в прошлые времена, а также

о новых (пока не реализованных) ТО, технологиях, источниках

энергии, материалах и веществах; информацию о физико –

технических эффектах, которые используются или могут быть

использованы в технике т. п. Практически на

отрезке АВ во

временном диапазоне от t

до t

и критериями развития ТО

соответственно К

и К

Эволюционная цепочка может строиться на основе мирового

опыта развития техники, или на основе национальной истории

развития техники, или на основе разработок отдельных предприятий.

На примере велосипеда рассмотрим основы анализа конструктивной

эволюции велосипеда.

С методологической точки зрения велосипед как объект

исследования ценен тем, что вся его конструктивная эволюция

проходила в строго

стационарных условиях, поскольку требования к

нему, параметры человека и дороги, оставались неизменными. Кроме

того, он является самостоятельной автономной машиной и относится

к тем редким и достаточно сложным ТО, которые каждому понятны

и почти каждому интересны в силу личного опыта взаимодействия с

этой машиной.

Функция велосипеда – повышает скорость движения человека по

дороге при использовании только его мускульной энергии.

Физическая операция велосипеда --- вход - мускульная энергия

человека; выход - перемещение человека по дороге; операция -

преобразование. На рис. 11 показана конструктивная эволюция

велосипеда от пионерского изобретения S

(1813 г.) до поколения S

когда сложилась, в основном, классическая структура велосипеда,

используемая до сих пор. Таким образом, вся история велосипеда

подтверждает гипотезу о законе прогрессивной эволюции техники.

Поколение велосипеда:

(рис.11,а) имел два деревянных колеса, объединенных рамой

1, седло 2, и мягкий упор 3, чтобы опираться руками и грудью при

движении. Движение осуществлялось путем отталкивания от земли

ногами.

(рис. 11,б) имел трубчатую раму в виде ромбовидной формы

из двух треугольников, имел пневматические шины на ободе, имел

механизм свободного хода. Дорожный велосипед состоит из

следующих элементов: 1 – переднее колесо, 2 - передней вилки, 3,5 –

рамы с шарниром, 4 – руля, 6 – седло, 7,10 – задние вилки, 8 – цепной

передачи, , 9 – педалей, 11 – заднего колеса.

а)

б)

Рис. 11. Конструктивная эволюция велосипеда: а – поколение S

(неуправляемый самокат), 1813; б – поколение S

(совреиенный велосипед).

§8. Сравнение двух технических объектов

Если при сравнении двух ТО критерий развития одинаковы и

для количественной оценки использовались шкалы отношений,

можно рассчитать коэффициент совершенства (приоритетный для

дальнейших расчетов) одного ТО по отношению к другому ТО по

формуле:

n К

= Σ Θ

· (― )

i =1 К

где Θ

– вес i – го критерия развития, выбранный из условия:

Σ Θ

= 1; К

и К

- i – ый критерий развития

соответственно для ТО А и Б;

i =1

р - показатель степени (р=1, если при возрастании i – го

критерия развития ТО улучшается, например, как для критерия

производительности; р = -1, если при возрастании i – го критерия

развития ТО ухудшается, например критерий трудоемкости

изготовления, критерий расхода материала и т. д.).

Если К

< 1, значит ТО Б технически совершеннее ТО

А, и наоборот при К

> 1 ТО А совершеннее ТО Б. При

значении К

= 1 можно считать, что ТО А и Б в одинаковой

степени совершенны.

Глава 6. Технические системы в чрезвычайных

ситуациях

§1. Критерий дефектообразования материалов технической

системы, находящейся под действием поражающих факторов

при чрезвычайных ситуациях

1.1. Обобщенные факторы свойств материалов технических

систем, находящихся под действием поражающих факторов

до и во время чрезвычайной ситуации

Учет всех физико - химических процессов, способных

привести к отказам, весьма важен, но практически не осуществим.

Известны теории, позволяющие дать

примерную оценку

надежности. Наиболее удачная теория, на наш взгляд, является

теория, использующая приведенный

обобщающий критерий. В

литературе [5] такой критерий описан в виде [4]:

lnln S

S +⋅−= , (1)

где

- константа скорости реакции; К = [ln S

/S]/t , (2)

– обобщенный фактор окружающей среды, действующий

на материал в исходном состоянии; S – обобщенный поражающий

фактор, действующий на материалы ТС в чрезвычайных

ситуациях; t - время действия поражающих факторов на материал.

В ур. (2) S

= f(∆Р

ф0

; Т

; V

; Р

; …; U

пр0

), (3)

= f(∆Р

; Т; V; Р

; …; U

пр

). (4)

принимаем значения:

∆Р

ф0

; Т

; V

; Р

; …; U

пр0

- соответствующие свойствам

материалов в исходном состоянии (окружающая среда), Р

–

уровень спада радиации, Гр/ч; U

пр0

- электрическое напряжение

пробоя, МВ/м.

∆Р

; Т; V; Р

; …; U

пр

- соответствующие свойства

материалов после воздействия на ТС поражающих факторов, где

∆Р

- избыточное давление, кПа; Т – температура, К; V - объем, м

;

– уровень спада радиации, Гр/ч; …; U

пр

- электрическое

напряжение пробоя, МВ/м.

В случае многофакторного действия поражающих

факторов на материал (m ≥ 2; g ≥ 2):

а = {ln[(Ñ

· (m -1) ·Ř

· (g -1)

]}, деф. /м

, (5)

где m – колическво поражающих факторов, действующих на

материал; g – колическво дефектов, полученных в результате

действующих поражающих факторов на материал.

§ 2 Протекание дефектообразование по месту их протекания

Следует различать процессы, происходящие: а) в объеме

материала элементов ТС; в) на поверхности элементов, в

сочленениях деталей, узлов и сборок (подвижных и неподвижных);

с) в цепях

ТС (механических, электрических и пр.), связанные

взаимным влиянием элементов.

Дефектообразование происходит в первую очередь на

поверхности элементов и в цепях ТС, а затем и в объеме материала.

Процессы в объеме твердого тела и на его поверхности,

способствующие нарушениям работоспособности и появлению

отказов, обычно возникают и развиваются как локальные.

Бесконечное множество

отдельных поражающих факторов

при комбинированном поражающем воздействии на ТС можно

привести к шести термодинамическим показателям: Р - давление, V

- объем, Т - температура, G - критерий Гиббса, Н – энтальпия, S –

энтропия. Поэтому принимаем число поражающих факторов в

ур.5 m = 2 - 6.

Для определения дефектообразования на единичной

площадке, подверженной действию поражающих факторов

необходимо выбрать базовый вариант, относительно которого

можно констатировать ухудшение или улучшение

дефектообразования при сравнении между собой двух и более

надмолекул одно и той же или подобной технической системы.

В основу классификации твердых тел могут быть положены

различные признаки. Например, по удельному сопротивлению ρ

все твердые тела можно разделить на три большие группы (при

комнатной температуре), Ом · м:

− проводники ρ

= 10

-5

- 10

-8

− диэлектрики ρ

= 10

- 10

− полупроводники ρ

= 10

-4

– 10

Ниже приведем варианты определения критериев

дефектообразования для наиболее распространенных материалов:

металлов и диэлектриков (полупроводников).

А. Металлы. Время активного дефектообразования в металле

составляет [34]: t = 10

-2

– 10

-15

сек.

Структуру значительного числа металлов можно описать с

помощью плотнейшей упаковки. Кубическая и гексагональная

решетки имеют наиболее плотную упаковке шаров, поэтому

коэффициент уплотнения f

= 0,74 – это наивысшее значение

коэффициента упаковки в металлах. На этом основании

приближенно считаем, что длина свободного пробега свободного

электрона составляет l ~ 10

-8

м. В этом случае нетрудно подсчитать

максимальное число дефектов на единичной площади

поражаемого неделимого элемента:

g = l

надм

· f

= 1· 0,548/10

-16

= 5,48 ·10

дефектов.

Подставив в ур. (3 и 6) численные значения максимального

количества образованных дефектов Ř

на единичной площади и

максимального числа поражающих факторов Ř

, действующих на

неделимый элемент в течение минимального времени 10

-15

с,

определим ее Q

критерий дефектообразования:

Q = а/t = {ln[(Ñ

· (m -1) ·Ř

· (g -1)

]}/ 10

-15

= {ln[10

-9

·5 · (5,48

·10

)

(5,48· ·10

)

]}/10

-15

= 7,98 ·10

деф /(с ·м

). (6)

В. Диэлектрики. Ранее мы приняли один из методов

классификации материалов по удельному сопротивлению. Однако

этот способ не очень результативен для определения

дефектообразования в диэлектриках, так как концентрация

свободных носителей в нем исключительно мала. Известен другой

способ, достаточно эффективный для указанной цели – способ

частичных разрядов [35]. Под действием высокой напряженности

электрического поля в диэлектриках (на поверхности или внутри) в

местах пониженной

электрической прочности возникают местные

разряды в виде короны, частичные разряды (ч.р.), которые

представляют собой пробои малых объемов диэлектрика. Обычно

характеристики частичных разрядов достаточно хорошо

коррелируются с размерами и количеством дефектов

диэлектрической конструкции. Действие поражающих факторов на

исследуемую диэлектрическую надмолекулу элемента может

привести к потере функциональности элемента или отказу в

работе

технической системы. Каждый единичный ч.р.

сопровождается прохождением через включение (малый элемент

диэлектрика с пониженной электрической прочностью,

участвующий в ч.р.) определенного заряда q и приводит к

изменению напряжения на внешних электродах всего образца на

∆U

q=(С

+С

)·∆U

Кл (7)

где С

, - емкость включения единичного диэлектрика ,

участвующего в ч.р.; С

- емкость единичного диэлектрика без

включения.

Ч.р. при переменном напряжении с интенсивностью [Q

ч.р.

] =

-12

- 10

-11

Кл не могут вызвать быстрого разрушения диэлектрика,

благодаря чему называются начальными ч.р., длительность

которого порядка (3 – 10) · 10

-9

с. Однако они вызывают старение

диэлектрика при длительном воздействии напряжения, являясь

причиной его разрушения.

Критические ч.р., имеют интенсивность

ч.р

= 10

-7

- 10

-10

Кл, t = (3·10

-6

- 3·10

-5

). Такая интенсивность ч.р.

вызывает быстрое появление дефектов на поверхности

диэлектрика. Принимаем за допустимую величину критических

ч.р. равного дефектам, образованным на единичной поверхности

неделимого элемента за времена t = 3·10

-6

. Тогда число дефектов

определится из выражения:

ч.р.

] = n

ч.р.

· q

ч.р.

· t (8)

Принимаем [Q

ч.р.

] = 10

-12

Кл, q

ч.р.

= 10

-10

Кл, t = 3·10

-6

с, n

ч.р мин

= g

мин

Получим n

ч.р.мин

= [Q

ч.р.

]/(q

ч.р.

tмин

) = 10

-12

/(10

-10

· 3· 10

-6

) = 3,3·

, g

мин

= 3,3· 10

деф. (9)

Подставив в ур. (2 и 5) численные значения максимального

количества образованных дефектов Ř

на единичной площади и

максимального числа поражающих факторов Ř

, действующих на

неделимый элемент в течение 10

-6

с, определим ее критерий

дефектообразования Q:

Q = а/t = {ln[(Ñ

· (m -1) ·Ř

· (g -1)

]}/t = {ln[10

-9

·5 · (3,3· 10

)

· (3,3·

)

]}/10

-6

= 132 деф /(с ·м

). (10)

Полученные результаты ур. (6 и 10) показывают, что

максимальное дефектообразование на поверхности надмолекулы

имеет место при кратковременном режиме работы, иначе, в первый

момент чрезвычайной ситуации. Дефектообразование в

последующее время действия поражающих факторов на

поражаемой поверхности исследуемого неделимого элемента ТС

замедляется, происходят качественные изменения в материале. И,

если неделимый элемент в первоначальный момент

не теряет

штатную функциональность, тогда близлежащие дефекты частично

сливаются, увеличиваются в размерах и переходят в глубь

материала. Дефекты, которые не соединяются с соседними не

всегда приводят к разрушению материала, но, тем не менее, они

опасны, при наработке материала на ресурс после снятия

поражающих факторов. Ресурс работы и надежность такого

элемента находится

под вопросом.

Для сопоставления свойств двух неделимых элементов

(надмолекул) одинаковых по структуре за основной критерий

выбирается критерий дефектообразования (ур. 2 и 10). Свойства

материала считаются лучшими, если число дефектов на

поверхности материала меньше чем критерий дефектообразования

и число дефектов меньше чем в сравниваемом элементе. При этом

ранее было проведено сравнение для этих

элементов по критерию

развития.

§3. Критерий устойчивости материалов технически

систем при действии поражающих факторов при чрезвычайной

ситуации

Критерий «предыстории» материала кристаллического

строения [5] Предлагается рассматривать устойчивость ТС через

устойчивость надмолекулы слабого неделимого элемента при ее

расчленении. Для этого необходимо определить критерий