Три уровня изучения поведения материалов

Для решения инженерных задач надежности необходимо знать закономерности изменения выходных параметров машины и ее элементов во времени. Так, надо оценить деформацию деталей, износ их поверхности, изменение несущей способности из-за релаксации напряжений или процессов усталости, повреждение поверхности из-за коррозии ит. д., т. е. рассмотреть макрокартину явлений, происходящих при эксплуатации машины. Для объяснения физической сущности происходящих явлений и для получения таких закономерностей, которые в наиболее общей форме отражают объективную действительность, необходимо также проникнуть в микромир явлений и объяснить первопричины взаимосвязей.

Поэтому современная наука изучает закономерности изменения свойств и состояния материалов на следующих уровнях:

1 Субмикроскопический уровень, когда на основании рассмотрения строения атомов и молекул и образования из них кристаллических решеток твердых тел или иных структур выявляются закономерности, которые служат базой для объяснения свойств и поведения материалов в различных условиях. Эти закономерности являются основой для дальнейших исследований и разработок частных зависимостей.

Этот уровень исследований позволил развить фундаментальные представления о несовершенстве в кристаллах и особенно о дислокациях, их взаимодействиях и движении, о силах упругости с точки зрения квантовой механики, о диффузии атомов в твердых телах и т. д., которые являются физической основой для решения основных задач прочности и долговечности материалов.

2 Микроскопический уровень рассмотрения свойств материалов исходит из анализа процессов, происходящих в небольшой области. Полученные при этом закономерности в дальнейшем распространяются на весь объем тела.

Классическим примером в этом отношении может служить теория напряжений и деформаций в идеальном однородном теле, когда в точке тела выделяется бесконечно малый элемент в виде параллелепипеда и рассматривается его напряженное состояние. Связь между деформациями и напряжениями описывает закон Гука. Развитие этого подхода с учетом возникновения пластических деформаций позволяет найти зависимости между напряжениями и деформациями и за пределами упругости. Необходимость учитывать реальные особенности строения материалов привела к созданию таких наук, как материаловедение.

3 Макроскопический уровень рассматривает изменение начальных свойств или состояния материала всего тела (детали).

3 Законы со­стояния.

Как физические законы, так и полученные на их основе частные зависимости, описывающие изменение свойств и состояния материалов, можно разделить на две основные группы (рисунок 1).

Законы состояния - закономерности, описывающие взаимосвязи обратимых процессов, когда после прекращения действия внешних факторов материал (и соответственно деталь) возвращается в исходное состояние.

Законы старения - закономерности, которые описывают необратимые процессы и, следовательно, позволяют оценить те изменения начальных свойств материалов, которые происходят или могут происходить в процессе эксплуатации изделия.

Законы состояния можно разделить на статические, когда в функциональную зависимость, описывающую связь между входными и выходными параметрами, фактор времени не входит, и на переходные процессы, где учитывается изменение выходных параметров во времени.

Рисунок 1 – Классификация закономерностей, оценивающих изменения свойств и состояния материалов

Типичными примерами статических законов состояния могут служить закон Гука, закон теплового расширения твердых тел и др..

Статические законы, описывающие изменения состояния изделия, хотя и не включают фактор времени, но могут быть использованы для расчетов надежности, если известны изменения характеристик изделия в процессе эксплуатации. Обычно они относятся к категории быстропротекающих процессов или процессов средней скорости. Лишь при известном изменении уровня внешних воздействий их можно использовать для решения задач надежности.

Так, если из-за износа отдельных сопряжений машины в ней с течением времени повышается тепловыделение и растут нагрузки в отдельных звеньях, т. е. Q=Q(t) и Р = Р (t), то соответственно будет изменяться и деформация Δ l (t).