Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

«предыстории» материала. Критерий «предыстории»

материальных тел определяется свойствами надмолекулы, которая

в свою очередь практически имеет такие же свойства, что и твердое

тело.

Для материалов с кристаллической структурой критерий

«предыстории» материала b

определяется двумя параметрами:

парахором П и фактором ψ. Ранее, в разделах 3 и 4, указанные

параметры рассматривались достаточно подробно. Поэтому сразу

же приведем численные значения:

ψ < 0,05 0,05+0,1 > 0,1 5,21 – 35,5

Тип вещества Неполярные и

слабо полярные

ε =1 - 2

Умеренно

Полярные

ε = 2 – 4

Сильно

Полярные

ε > 4

Кристалличес

кие структуры

ε –диэлектрическая проницаемость вещества, материала.

Параметр ψ во многом зависит от полярности материала

(вещества). Более полярные материалы и вещества имеют меньшие

численные значения [ ].

| П

()

ρρ

−

⋅

| - парообразное состояние вещества.

П = { }.П = ( 0,47 – 1,96)Дж

1/4

·см

5/2

·моль

-1

|П

⋅М

| - исходное состояние вещества. (11)

Здесь: М – молярная масса; ρ

– плотность и σ

поверхностное натяжение в парообразном состоянии; ρ

– плотность

и σ

поверхностное натяжение в исходном состоянии. Величина

парахор П отвечает за структуру вещества. Величина ψ - (фактор)

отвечает за химические связи между химическими элементами

кристаллического вещества надмолекулы. Парахор П имеет

размерность: Дж

1/4

·см

5/2

·моль

-1

, ψ - (фактор) – безразмерная

величина.

Критерий «предыстории» материалов аморфного

строения Для тел, которые изготовлены из материалов с

аморфной

структурой

, принятые ранее критерии теории подобия П

(парахор) и

−

Ψ фактор не всегда будут соответствовать

реальности, т. к. кинетика процессов физико - химического

разрушения зависит от многих факторов, основные из которых

следующие:

− термоактивационные,

− кинетика химических реакций,

− особенности теплового, механического и электрического

разрушения,

− кинетические закономерности,

− процессы диффузии,

− сорбционные процессы и др.

По фазовому составу полимеры представляют собой системы,

состоящие из кристаллических и аморфных областей. Кроме того

полимеры могут находиться в твердом и жидком состояниях

(газообразное состояние для них не характерно), а также в

стеклообразном, высокоэластическом в вязкотекучем

деформационных физических состояниях. Поэтому

рассмотренная выше теория подобия не может

быть применена для

полимерных материалов. Для полимеров характерен широкий

диапазон механических характеристик, сильно зависящий от их

структуры и физико – технических внешних факторов

(температуры, давления, частоты скорости нагружения и пр.).

Некристаллические вещества, сдвиговая вязкость которых

превышает 10

– 10

Н·с/м

, обычно называют аморфными

твердыми телами. Строение агрегатов зависит от химического

состава взаимодействующих мономерных звеньев макромолекул,

числа и размеров атомов или групп, условий (температура,

давление, среда и пр.). Чем сложнее химическое строение

макромолекул, чем разнообразнее условия, в которых

синтезировали, перерабатывали и хранили полимер, тем сложнее и

разнообразнее надмолекулярные структуры, в нем,

менее

однородны его свойства.

Полимеры, как правило, имеют аморфную и кристаллическую

структуры [5]. Для полимеров характерен широкий диапазон

механических характеристик, сильно зависящий от их структуры и

физико – технических внешних факторов (температуры, давления,

частоты скорости нагружения и пр.). Как правило, процессы с

энергиями активации менее Е

= 41,84 кДж/моль протекают при

обычных температурах неизмеримо быстро, а с энергиями

активации более Е

= 120,552 кДж/моль – неизмеримо медленно.

Приведем энергии Е

и Е

к общему безразмерному параметру:

= Е

/Е

. Изменение безразмерной величины z

будет находиться

в диапазоне [0,33; 1], при этом параметр z

будет возрастать по

мере увеличения скорости протекания энергиями активации [10].

Другим параметром полимерной цепи является

приближенный параметр идеальной цепи, в который входят

соответственно энергии ковалентных связей каждого звена с

соседями по полимерной цепи (Е

~ 5 эВ) и энергия

взаимодействий – звеньев с несоседними звеньями той же цепи, со

звеньями других цепей и т. д. (Е

~ 0,1 эВ). Физически это

означает, что при комнатных температурах ковалентные связи

практически не могут разрываться ни за счет тепловых флуктуаций,

ни за счет взаимодействий. Поэтому отношение энергии

взаимодействий к параметру идеальной цепи буде строго меньше

единицы, а отношение будет иметь вид:

= Е

/Е

< 1. Подмножеству z принадлежат все значения

и z

: z є z

, z є z

∩

. Пересечение подмножеств z

∩

= z. Иначе, z =

f(z

, z

) = z

· z

= 0,33 ÷ 1.

Критерии «предыстории» материалов кристаллической r и

для аморфной z структурами между ними находится пустое

множество:

∩

z = .

Поэтому в общем виде критерий «предыстории» материала b

будет иметь:

| r = 0,05 - 35,5 - для тел кристаллического строения.

: b = {

| z

= 1 - 0,33 - для тел аморфного строения. (12)

Критерий качества технической системы Устойчивые

технические системы (ТС) – это ТС, способные противостоять

разрушающему действию поражающих факторов ЧС. Поражающие

факторы могут быть различными как по видам (взрыв, пожар,

радиация и т. д.), так и по воздействию в каждый момент времени.

Предлагается рассматривать устойчивость технической

системы,

как устойчивость (надмолекулы) неделимого элемента

ТС. Для кристаллических тел – устойчивость твердого тела

определяется свойствами надмолекулы, обладающей свойствами

твердого тела. Но надмолекула является лишь частью реального

материала, из которого изготовлена деталь. Деталь входит в какой

– то узел, сборку, в которых они сопряжены между собой и с

другими узлами/сборками в ТС

метизами, припоем, клеями и т. д.

Поэтому для получения критерия критического материаловедения

ТС следует найти критерии развития каждого неделимого элемента,

включая и промежуточные элементы сопряжения. Определение

наиболее слабого неделимого элемента предлагается проводить

эмпирически, сравнивая основные физические параметры для

конкретного изделия или неделимого элемента. Например, металл и

неметалл. Знаний общего материаловедения достаточно, чтобы

слабым элементом считать неметалл, при сопоставлении

механических.

При определении надежности ТС

функция распределения

СВ не может быть рассчитана теоретическим путем. Поэтому

пользуются полученными в опыте результатами наблюдений над

СВ, позволяющими определить с известной степенью точности

вид функции распределения и оценить их числовые

характеристики. Множество, включающее все однородные

объекты, которым присущи или не присущи определенные

количественные и качественные признаки, образуют

генеральную

совокупность (статистический коллектив).

Часть генеральной совокупности, отобранная для наблюдений,

называется

выборкой. Результаты наблюдений образуют

эмпирическое распределение. Обработка результатов измерений

позволяет вычислить числовые характеристики выборки, которые

называются

статистическими оценками. Наблюдения, на основе

которых вычисляются статистические оценки, должны

производиться над однородными объектами в одинаковых

условиях. Пропорции в выборке должны соответствовать

пропорциям в генеральной совокупности. Такую выборку называют

репрезентативной. Оперируя такими понятиями, как события и

их вероятности, случайные величины, их законы распределения и

числовые характеристики одних случайных величин через другие с

соблюдением сохранения генеральной совокупности можно

значительно экономить время и средства, затрачиваемые на

проектироваиие технических систем.

Сохранение высокой и стабильной надежности ТС является

одной из основных проблем техники. Важное значение приобретает

надежная работа для современной техники, включающей в себя

значительное число компонентов, работающих в сложных условиях

окружающей среды (высокие температуры, радиация, высокие

скорости, высокие электрические напряжения и т.п.). В то же время

отказы современных устройств могут

привести к людским и

материальным потерям, авариям, катастрофам. Приведенные в

литературе методики определения надежности для сложных ТС

рассматривают надежность всей системы, без учета «фактора

материала и технологии», физических эффектов (ФЭ между узлами,

подсистемами и деталями т. д.). Надмолекула является лишь

частью реального материала, из которого изготовлена деталь.

Деталь входит в какой – то узел или сборку

, в которых они

сопряжены между собой и с другими узлами/сборками в ТС

(метизами, припоем, клеями и т. д). Для получения критерия

устойчивости ТС следует найти критерии развития каждой ТС,

включая и промежуточные элементы сопряжения. Определение

наиболее слабого неделимого элемента предлагается проводить

эмпирически, сравнивая основные физические параметры для

конкретного изделия

или неделимого элемента.

Подмножеству «w»

принадлежит подмножество: h, а

, h є w, а

є w , а

є w, d

є w. Устойчивость ТС во многом

определяется на стадии ее проектирования, когда закладываются

конструкторские и технологические предпосылки. В специальной

литературе по надежности эти предпосылки представлены в

аналитических уравнениях опосредовано, поэтому иногда очень

трудно определиться с первопричиной последствий при

разрушении ТС. В [10] подробно приводятся критерии развития ТС,

но они не увязаны с

устойчивостью материалов, входящих в ТС и с

надежностью самой ТС.

Критерий ухудшения качества

ТО (а

) - это величина,

обратная критерию развития ТС: (а

). Этот критерий позволяет

учесть степень ухудшения свойств материала или ТС, ухудшение

всех функциональных операций и взаимосвязей элементов и ТС

между собой в той же последовательности с точностью наоборот

относительно критерия развития после воздействия на него

поражающих факторов: а

= f (1/а

Критерий развития а

(сумма критериев развития элементов

технической системы) - есть функция монотонная на отрезке [0; 1].

Критерий ухудшения а

относится к функциям типа

(

) =

, т. е. а

= 1/а

обратно – пропорциональна переменной а

. В данном

случае критерий ухудшения надо рассматривать, как критерий,

позволяющий адекватно улучшить критерий развития после

воздействия на ТС или ТО поражающих факторов.

Критерий ухудшения качества ТС (а

) - величина

положительная, так как критерий развития положителен. При

рассмотрении критерия ухудшения свойств ТС мы полагали

идеальную картину: при воздействии поражающих факторов на ТС

свойства материалов, конструкторские и технологические,

функциональные операции ухудшаются в строгой обратной

последовательности. В действительности это не так. Изменение

свойств в ТС начнет происходить первоначально в каком – то

наиболее слабом звене. В какой последовательности далее будут

изменения в ТС – неизвестно. Нас, в общем – то, это и не должно

интересовать, так как все звенья ТС взаимосвязаны не только

конструктивно, но и функционально. Повреждение одного

элемента может ослабить свойства ряда других. Поэтому

необходимо ввести параметр веса ухудшения, который бы

фиксировал весовую

часть повреждения ТС. Таким параметром

может быть безразмерная величина, характеризующая отношением

ухудшаемой части ТС к общему критерию развития. Такой

параметр можно записать в виде:

Ĉ = f(а

/а

) = (1/х)/х = 1/х

, при х = а

(7)

Весовой параметр ухудшения Ĉ имеет вид обратной

параболы. Перемножим критерий ухудшения качества на

весовой параметр:

= а

· Ĉ = (1/х) · (1/х

) = 1/х

. (14)

Ур. (42) – степенная функция вида у = х

, где α -

заданное число, называемое показателем степени. В данном случае

α - целое число. Выбираем функцию а

из всех положительных

ветвей, имеющих асимптотами оси координат, к которым эти

кривые неограниченно приближаются. Окончательно ур. (42)

перепишем:

= 1/х

. (15)

Свойство подмножеств b

и d

, где b

U d

, тогда критерий

устойчивости материала h будет иметь вид: h = b

+ d

. (16)

Величина h - число целое и положительное, безразмерное.

Уточненная надежность технической системы. Критерий

устойчивости материала надмолекулы h – это тот множитель, на

который будут изменены одновременно случайная величина,

выборка и генеральная совокупность.

Интенсивность отказов легко вычислить, если известна

статистика аварий/отказов при выполнении плана эксперимента

(см. раздел 2).Интенсивность отказов можно определить по

формуле:

= N/n·T, (17)

где N – число отказов, n- число объектов, Т – период/время

рассмотрения.

Видно, чем меньше интенсивность отказов

, тем больше

вероятность отказов, больше надежность ТС. Таким образом, для

уменьшения вероятности отказа необходимо увеличить число

рассматриваемых объектов n, что экономически не выгодно. А иногда

не имеется практической возможности. Поэтому для повышения

надежности ТС необходимо углубить прогнозирование объекта. В

нашем случае это возможно за счет использования критерия

устойчивости материала h, так как

знание слагаемых его (ур.15)

позволяет уменьшить число наблюдений и уменьшить уменьшить

число отказов. Реальный диапазон изменения h = 1– 51. Физически это

означает, при h =1 вероятность отказа ТС

не зависит от критерия

устойчивости материала, а при h = 51

имеет минимальное

значение (максимальную вероятность отказа q).

Величина h – это та величина, на который изменяется

интенсивность отказов, который предлагается вводить на стадии

проектирования в известные вероятностные распределения,

физически означающие корректировку интенсивности появления СВ

за заданный промежуток времени. На этот же множитель изменяются

все статистические характеристики СВ и ее генеральная совокупность.

Характерным признаком

распределения Пуассона является

равенство математического ожидания и дисперсии ( М[Х] = λ·t,

D[Х] = λ·t).

С учетом критерия устойчивости имеем:

М[h·Х] = (h·λ) · t; D[h·Х] = (h·λ) · t; М[h·Х] = D[h·Х] = h·

λ, а

закон Пуассона:

( ({ }

)

,, ,h

)(

theхх

ntP

⋅⋅−⋅

⋅

−

. (18)

Тема 2. Испытание материалов

Глава 1. Методы изучения и испытаний материалов

и конструкций [2]

§1. Методы испытаний материалов и изделий

Макроанализ материалов, как правило, является не

окончательным, а предварительным этапом исследования

структуры металла. Он позволяет выбрать те участки, которые

затем тщательно изучаются с помощью металлографических

методов.

Образцы, вырезанные в поперечном или в продольном

направлении, надрезают, а затем разрушают по месту надреза на

прессе или копре. В современных оптических микроскопах

используется увеличение от 100 до 2500 раз.

С их помощью можно различать структурные составляющие

и фазы размером не менее 0,2 мкм. Большинство

металлографических исследований с использованием оптических

микроскопов основаны на применении светопольного

(вертикального) освещения.

Изучение микроструктуры обычно начинают с рассмотрения

специально приготовленного образца (шлифа) в нетравленом виде,

т. е. после его полирования и промывки. В этом случае можно

изучать неметаллические включения, мелкие поры, некоторые

структурные составляющие, характерные для ряда сплавов

(например, графит в сером чугуне).

Количество и характер распределения неметаллических

включений определяют сравнением наблюдаемых изображений на

шлифе при увеличении в 100 раз со стандартными шкалами. После

этого проводится травление шлифа. Реактивы для травления

выбирают в зависимости от состава изучаемого сплава и от задачи

исследования.

Микроскопы делятся на переносные и стационарные.

Переносные микроскопы используются для исследования

поверхности металла непосредственно на изделии (без вырезки

образца). Стационарные микроскопы делятся на вертикальные и

горизонтальные. Общим для всех является верхнее расположение

предметного столика.

Металлографический микроскоп имеет довольно сложное

устройство, включающее в себя механическую, оптическую

(объективы, окуляры), осветительную системы и фотографическую

аппаратуру. Наиболее широкое применение в исследовательских и

заводских лабораториях нашли микроскопы МИМ-7, МИМ-8,

"Неофот-21".

Микроскопическое исследование специально подготовленного

образца позволяет изучать такие структурные особенности, как

форма, размер, распределение фаз и неметаллических включений,

размер зерна, ликвационные области, дислокации с использованием

ямок травления и др. Разработано несколько типов микроскопов

для изучения микроструктуры металлов и сплавов в различных

температурных условиях. С их помощью можно проводить

наблюдения

за ростом зерна в металле при нагреве, фазовыми

превращениями, процессом спекания, поверхностными явлениями.

Существуют приспособления, позволяющие проводить

деформацию нагретого образца и дающие возможность наблюдать

за процессами скольжения, просвечивающего электронного

микроскопа, микроскопарелаксации, фазовыми превращениями,

происходящими в материале образца.

Электронная микроскопия. В электронных микроскопах

используются не оптические, а электронные лучи с очень

малой длиной

волны. Это позволяет изучать объекты размером до 0,2 - 0,5 нм.

В электронной микроскопии используются два

принципиально различных типа электронных микроскопов:

просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) и растровые

(сканирующие) электронные микроскопы (РЭМ). Наибольшее

распространение нашли ПЭМ, которые позволяют получать

увеличение исследуемого объекта до 10

раз. Принцип работы

ПЭМ заключается в следующем.

Электроны, испускаемые катодом, ускоряются на пути к

аноду разностью потенциалов. Полученный таким образом

электронный пучок после фокусирования конденсатором проходит

через объект. В качестве объекта используется либо реплика —

отпечаток с металлической поверхности, либо фольга. Электроны,

прошедшие через объект, собираются объективом за исключением

поглощенных и рассеянных, количество которых зависит от

рельефа, состава или структурных нарушений в объекте. Затем

изображение объекта проектируется через окуляр на

флуоресцирующий экран или фотопластину.

Применение просвечивающей электронной микроскопии

оказало решающее влияние на формирование современных

представлений о механизме мартенситных превращений, распаде

пересыщенных твердых растворов; распределении, движении,

размножении и плотности дислокаций; зарождении и росте

выделений, характере образования трещин, строении границ зерен;

процессах пластической деформации, разрушения и

рекристаллизации, структурных проявлениях радиационных

повреждений, тонкой химической неоднородности и т. д.

Достаточно широкое применение в современной

металлографии получили растровые электронные микроскопы

(РЭМ). Увеличение в РЭМ достигает от 10 до 10

раз. В растровом

электронном микроскопе формируется изображение исследуемого

объекта при сканировании его поверхности тонко

сфокусированным (диаметр 5 - 10 нм) электронным зондом. При

взаимодействии зонда с веществом исследуемого объекта в каждой

точке поверхности возникают электронные эффекты, которые

регистрируются соответствующими датчиками. К таким эффектам

относятся: прошедшие через образец электроны, отраженные

электроны, вторичные электроны, ток поглощенных электронов,

катодолюминесценция, рентгеновское излучение, наведенный ток.

Перечисленные эффекты используются для получения

разнообразной информации о внутреннем строении исследуемых

объектов. Так, вторичные, отраженные и, рентгеновское излучение

генерируются в определенных объемах внутри образца и в

результате дают исчерпывающую информацию о рельефе,

химическом составе и кристаллографических характеристиках

материала образца.

РЭМ занимает промежуточное положение между оптическими

микроскопами и просвечивающими электронными микроскопами

(ПЭМ).

Благодаря высокой разрешающей способности РЭМ широко

используется для металлографического исследования сплавов,

обладающих гетерогенными и дисперсными структурами. С

помощью РЭМ изучается строение эвтектических и эвтектоидных

смесей, размеры, форма и распределение дисперсных частиц