2. інженерно-фізичні основи надійності причини втрати працездатності об'єктів



Скачати 460.39 Kb.
Сторінка3/3
Дата конвертації16.04.2016
Розмір460.39 Kb.
1   2   3

Електрохімічна корозія – це взаємодія металу з корозійним середовищем – електролітом, при якому іонізація атомів металу й відновлення окислювального компонента корозійного середовища відбуваються неодночасно, а їх швидкості залежать від електродного потенціалу металу.

Анодний процес електрохімічної корозії завжди супроводжується іонізацією металу. У катодному процесі можуть брати участь різні іони або молекули, які окислюють метал.

Можливі кілька основних типів катодних реакцій: відновлення катіонів; аніонів; молекул газів, розчинених в електроліті; окисних та гідроокисних плівок; органічних сполук.

За умовами проходження (типу корозійного середовища) розрізняють такі види корозії: атмосферна, газова, підземна, ґрунтова, підводна, біокорозія, щілинна, контактна, під напругою, при терті тощо. Відповідно атмосферна – це корозія металів у атмосфері; підводна – корозія металу, повністю зануреного у воду; біокорозія – під впливом продуктів життєдіяльності мікроорганізмів; контактна – через контакт металу з різними потенціалами в даному середовищі тощо.

За характером розвитку корозійного руйнування розрізняють суцільну (загальну) і місцеву (локальну) корозію.

Суцільна корозія охоплює всю поверхню металу, яка перебуває під впливом даного корозійного середовища. Розрізняють рівномірну корозію, яка поширюється з приблизно однаковою швидкістю на різних ділянках поверхні металу, та нерівномірну (рис. 2.16).



Рис. 2.16. Суцільна (загальна) корозія: а – рівномірна; б – нерівномірна
Місцева корозія вражає поверхню металу на окремих ділянках. За видом корозійного ураження розрізняють місцеву корозію скупчену і підповерхневу (структурно-вибіркову), які у свою чергу, поділяються на кілька підвидів (рис. 2.17).



Рис. 2.17. Місцева (локальна) корозія: а – плямами (діаметр ураження більше глибини); б – виразками (діаметр ураження і глибина приблизно однакові); в – крапчаста (діаметр ураження менше глибини); г – вибіркова; д – міжкристалічна; є – транскристалічна
До локальних видів корозії також належать: контактнау зонах контакту різнорідних металів; щілинна – у вузьких щілинах і зазорах (завширшки від сотих часток міліметра до кількох міліметрів); пов'язана з утомою металу – у зонах, які зазнають комплексного впливу циклічних навантажень та агресивного середовища; підплівкова – під лакофарбовими і полімерними покриттями тощо.

Кількісно корозійні руйнування визначаються під час натурних, лабораторних і стендових випробувань. Випробування матеріалів на корозійну стійкість специфічні, методики їх проведення розробляються залежно від типу і виду корозії, середовища, умов навантаження тощо. У спеціальній літературі є стандартні методики і рекомендації по розробці оригінальних методів випробувань. Для порівняння результатів кількісної оцінки корозійної стійкості рекомендується використовувати прямі й непрямі показники корозії.

До прямих показників належать: зміна маси зразка; швидкість та глибина корозії; частка поверхні ураження; об'єм водню, який виділився з одиниці поверхні, або поглиненого кисню; час до появи перших ознак корозії.

Зміна маси зразка (її зменшення або збільшення) визначається за формулами:



; (2.9)

, (2.10)

де т0 – початкова маса зразка, кг; т1 – маса зразка після видалення продуктів корозії, кг; т2 – маса зразка разом з продуктами зносу, кг.

Швидкість корозії, на підставі зміни маси, розраховується за формулою:

, (2.11)

де Km – швидкість корозії, кг/м2∙год; S – площа зразка, м2; t – тривалість випробування, год.

Глибина корозії визначається у випадку, коли вона має явний нерівномірний характер.

Середнє значення глибини корозії обчислюють за допомогою швидкості Km:



, (2.12)

де – густина металу, кг/м3.

Глибину корозійного ураження вивчають також за допомогою мікроскопу.

Третій показник – частка поверхні, зайнятої корозією. У цьому випадку корозія оцінюється за допомогою частотного показника С за формулою:



, ( 2.13)

де п – кількість квадратів з однаковою площею, які мають одну або більше ділянок з корозією; N – загальна кількість цих квадратів на досліджуваній поверхні.

Використання четвертого показника – об'єму водню, який виділяється з одиниці поверхні, або кількості поглибленого кисню, ґрунтується на переході металу в продукти корозії, коли виділяється еквівалентна кількість водню або поглинається кисень. За об'ємом цих газів (вимірюють за допомогою встановленого над зразком евдіометра), визначають зміни маси металу.

До непрямих показників належать: зміни фізико-математичних властивостей виробу (тимчасовий опір, відносне подовження); зміни електричного опору та відбивної здатності тощо.

Найпоширенішим видом корозії поверхонь сільськогосподарської техніки є атмосферна.

Відомо, що до 80 % всіх металевих виробів у вигляді конструкцій та машин експлуатується в атмосферних умовах. На частку атмосферної корозії припадає більше половини загальних корозійних втрат металу. Розрізняють три основні види атмосферної корозії: мокру, вологу й суху.

Мокра корозія відбувається в результаті краплинної конденсації вологи на поверхні металу і утворенні видимої неозброєним оком рідинної плівки. Такі умови створюються при потраплянні на поверхню крапель дощу, снігу та при 100 % вологості повітря.

Волога корозія виникає при вологості повітря до 100% і супроводжується адсорбційною, капілярною й хімічною конденсацією вологи на поверхні.

Суха корозія виникає під дією кисню повітря і відносній вологості до 60%, при цьому на металі утворюються дуже тонкі плівки з продуктів корозії. В умовах сухої атмосферної корозії ця плівка зростає дуже повільно. Зі збільшенням вологості повітря суха корозія переходить у вологу, а при потраплянні на поверхню металу крапель вологи – у мокру.

При атмосферній корозії роль електропровідного середовища виконує плівка вологи на поверхні металу. Причиною утворення анодних і катодних ділянок під плівкою вологи є електрохімічна неоднорідність металевої поверхні. Це пов'язано з мікро- і макровключеннями, різницею в складі адсорбованих поверхнею плівок, нерівномірністю внутрішніх напружень у поверхневому шарі, структурними різницями матеріалу деталі тощо.

Основними факторами, які впливають на інтенсивність процесу атмосферної корозії є: вологість повітря, коливання температури, промислові забруднення повітря (сірчистий газ, хлор, аміак та ін.).

Залежність швидкості атмосферної корозії VK від товщини шару вологи h на поверхні металу, тобто від вологості, наведена на рис. 2.18.





Рис. 2.18. Залежність швидкості корозії від товщини плівки вологи на поверхні металу: 1, 2, 3 – ділянки відповідно сухої, вологої та мокрої корозії
При практичній оцінці корозії в атмосферних умовах швидкість корозії розглядається як функція тривалості зволожування металу крапельно-рідинними плівками вологи , температури Т і концентрації забруднень у атмосферному повітрі с:

. (2.14)

При оцінюванні і прогнозуванні працездатності сільськогосподарської техніки після її зберігання виходять з того, що основним фактором для визначення швидкості корозійного руйнування залізовуглецевих сплавів є тривалість впливу на метал атмосферних опадів.

Наприклад, типова закономірність корозії елементів облицювання тракторів та автомобілів має такий вигляд:

, (2.15)

де h – товщина шару металу, пошкодженого корозією; h0 – початкова товщина металу; V – швидкість корозійного процесу; t – тривалість впливу зовнішнього середовища на елемент облицювання; е – основа натурального логарифма. Для кількісної оцінки впливу атмосферної корозії на незахищені металеві поверхні сільськогосподарської техніки використовують емпіричні формули, які визначають зв'язок між масовими втратами металу, товщиною кородуючої поверхні та тривалістю опадів.

Величину втрат металу за рахунок корозії залежно від тривалості атмосферних опадів tат визначають за рівнянням:

. (2.16)

Залишкову товщину кородованої тонколистової обшивки розраховують за формулою:



, (2.17)

де h3 – залишкова товщина металу обшивки, мкм; hп – початкова товщина металу обшивки, мкм; tат – середня тривалість атмосферних опадів (рідинних і мішаних), год.


2.5. Старіння матеріалів деталей
Старіння матеріалів – це зміна їх фізико-механічних властивостей у часі в умовах тривалого зберігання та (або) експлуатації.

Процес старіння являє собою самочинний перехід матеріалів з метастабільного стану в стабільний з нижчим рівнем внутрішньої енергії. Для металів та їх сплавів найбільше практичне значення мають процеси старіння, пов'язані з розпадом пересичених твердих розчинів (процеси виділення), викликаних змінами механічних і фізичних властивостей матеріалів (міцності, твердості, електроопору, магнітних властивостей, стійкості проти корозії, ударної в'язкості та ін.). Старіння може бути і причиною деформації деталей, спотворення їх просторової геометрії.

Такі дефекти властиві, наприклад, базисним (корпусним) деталям. Якщо для деталей з металів та їх сплавів старіння не є основною причиною появи дефектів, то для деталей з неметалевих матеріалів, які використовуються в конструкціях сільськогосподарської техніки, старіння дуже небезпечне.

Основою багатьох неметалевих матеріалів є природні і штучні полімерні речовини (каучуки, смоли та ін.). Фізико-механічні властивості полімерів (границя міцності при розтягуванні, опір пластичній деформації, еластичність тощо) визначаються їх хімічним складом і структурою. На властивості полімерів впливає і ступінь полімеризації, тобто кількість структурних ланок, утворених молекулами вихідних речовин (мономерів у макромолекулі), які повторюються.

Старіння полімерів та матеріалів на їх основі являє собою необоротні зміни їх властивостей, які відбуваються під дією температури, кисню, сонячного світла, води тощо. При старінні, в основному, виникає розпад основних ланцюгів макромолекул на частинки простішої будови або відбуваються зміни будови і видів зв'язку в макромолекулах без їх розриву. Ці процеси називають деструкцією. Крім процесів деструкції, зміни властивостей полімерів і пластмас у часі можуть виникнути внаслідок структурування (тобто утворення додаткових внутрішніх зв'язків), виділення пластифікатора тощо.

Процеси деструкції можуть відбуватися під впливом фізичних (тепло, світло та ін.) і хімічних (кисень, озон, вода та ін.) факторів. Є два основних типи деструкції полімерів – термічна та окислювальна.

При термічній деструкції в полімерах виникають фізичні й хімічні зміни. Фізичні зміни пов'язані з переміщенням макромолекул або їх фрагментів, хімічні – з розривом хімічних зв'язків, зменшенням розмірів макромолекул, які супроводжуються зміною їх хімічного складу.

Окислювальна деструкція викликається дією молекулярного кисню і підпорядковується звичайним закономірностям хімічних реакцій. Але процеси окислення макромолекулярних речовин мають і певні особливості, коли спостерігається нерівномірна участь в реакції окремих груп, здатних реагувати всередині макромолекули.

Найважливіші процеси, які відбуваються при старінні – деструкція і структурування, які протилежно впливають на властивості полімерів. Внаслідок деструкції суттєво погіршуються механічні властивості: знижується міцність при розтягу, збільшується крихкість при низьких температурах, зменшується стійкість до стирання. Процеси, які відбуваються при структуруванні (з'єднання ланцюгів, виникнення тривимірної структури) підвищують твердість полімерів, їх крихкість, але при цьому знижується їх пластичність й еластичність.

У звичайних умовах старіння полімери підпадають під комплексний вплив тепла і світла, що значно інтенсифікує процес старіння.

До факторів, які стимулюють старіння, належать також вплив ультрафіолетового випромінювання, вплив динамічних навантажень та мікробіологічні фактори. Наприклад, при дії на певні полімери світла і, особливо, ультрафіолетового випромінювання, виникає поверхнева фотохімічна деструкція, внаслідок якої на поверхні матеріалу змінюється структура, твердість, з'являються тріщини.

Основним результатом процесу старіння є часто небажана зміна фізико-механічних властивостей. Типову залежність цих властивостей полімеру від часу і температури старіння наведено на рис. 2.19. Спостереженнями за старінням еластомерів, які використовуються для виготовлення ущільнень рухомих і нерухомих з'єднань, доведено, що в результаті термоокислювальних процесів виникає погіршення параметрів, які характеризують герметичність.

Зокрема, основним параметром, який впливає на герметичність ущільнень, є контактний тиск. Зменшення його в процесі старіння визначається за рівнянням:




Рис. 2.19. Залежність фізико-механічних властивостей полімеру від тривалості t і температури Т старіння
, (2.18)

де РK – контактний тиск ущільнення, МПа; РKM – контактний тиск ущільнення після монтажу, МПа; K – константа швидкості старіння, яка залежить від властивостей матеріалу та температури; t – тривалість процесу старіння, год.; e – основа натурального логарифма.

Оцінка впливу старіння на властивості матеріалів досить складна, оскільки необхідно враховувати певні фактори: умови навантаження, зміни температури, активність середовища. Тому для різних матеріалів та умов їх використання розроблені методи розрахунків, довідкові таблиці, рекомендації, які ґрунтуються на теоретичних розробках та експериментальних даних.

2.6. Види відмов та їх класифікація
Правильне розуміння фізичної суті відмов, їх причин, можливих наслідків є найважливішою умовою успішного вирішення практичних питань забезпечення працездатності об'єктів.

При аналізі причин виникнення відмов, розробки їх моделей та прогнозування в теорії надійності використовується класифікація відмов представлена в табл. 2.3



Таблиця 2.3. Класифікація відмов

Ознака класифікації

Вид відмови

Характер зміни основного параметра об'єкту до моменту виникнення відмови

Раптова

Поступова



Можливість наступного використання об'єкта після відмови

Повна

Часткова


Зв'язок між відмовами

Незалежні

Залежні


Тривалість непрацездатності

Тривала відмова, збій

Відмова, яка самоусувається

Відмова, що чергується


Наявність зовнішніх проявів відмови

Очевидна (явна)

Прихована (неявна)



Причина виникнення

Конструкційна

Виробнича

Експлуатаційна


Походження

Природна (натуральна)

Штучна (викликана навмисно)



Час виникнення

Відмова при випробовуванні

Відмова періоду припрацювання

Відмова періоду нормальної експлуатації

Відмова останнього періоду експлуатації(аварійного зношування)



Можливість усунення

Відмова, яка усувається

Відмова, яка не усувається



Раптова відмова характеризується стрибкоподібною зміною одного або кількох вихідних параметрів об'єкта. Причина раптових відмов переважно залежить від раптової концентрації навантажень (механічних, теплових та ін.), діючих усередині та зовні об’єкта (елемента). Об'єкт відмовляє тоді, коли сумарні або одиничні навантаження, що діють на нього, перевищують його міцність.

Поступова відмова характеризується повільними, розтягнутими в часі змінами значень одного або кількох вихідних параметрів.

Фізична природа поступових відмов обумовлена необоротними повільними фізико-хімічними процесами, які відбуваються в будь-якому виробі та кожній його деталі (зношування, корозія, утома, старіння).

За можливістю наступного використання виробу після відмови останні поділяються на повні і часткові. Повною називають відмову, після виникнення якої використання об'єкта за призначенням неможливе до відновлення його працездатності. При частковій відмові використання об'єкта за призначенням неможливе, але при цьому значення одного або кількох основних параметрів перебувають поза допустимі межі.

За наявністю зовнішніх проявів відмови поділяють на очевидні (явні), які виявляються відразу після виникнення і приховані (неявні) – за побічними ознаками або при усуненні відмов інших елементів конструкції.

За зв'язком з іншими відмовами розрізняють незалежні (необумовлені пошкодженнями і відмовами інших елементів об'єкта) та залежні (обумовлені) відмови.

За причиною виникнення відмови поділяються на конструкційні, виробничі та експлуатаційні.

Конструкційні відмови обумовлені недосконалістю чи порушенням методів і норм конструювання; виробничі – порушенням установленого процесу виготовлення (ремонту) або недосконалістю технологій; експлуатаційні – внаслідок порушення встановлених правил чи умов експлуатації об'єкта.

За часом виникнення розрізняють відмови періоду припрацювання, нормальної експлуатації й аварійного зношування.

Відмови періоду припрацювання звичайно є наслідком наявності у виробі дефектних елементів, міцність яких значно нижче потрібного рівня. Причиною цих відмов можуть бути і помилки при ремонті деталі, складанні виробів тощо.



Фізична природа виникнення відмов періоду припрацювання має такий же випадковий характер, як і раптових. Різниця полягає в тому, що якщо раптова відмова нормального елемента викликана дуже високою концентрацією навантажень, то для відмови дефектного елемента буває достатньо значно меншого навантаження. Відмови періоду нормальної експлуатації є випадковими, а періоду аварійного зношування, в основному, поступовими.
Контрольні запитання

  1. У чому різниця між фізичним і моральним старіннями?

  2. Які процеси зумовлюють погіршення вихідних параметрів об'єктів при експлуатації?

  3. Яка природа зовнішнього тертя твердих тіл? Які процеси відбуваються при терті?

  4. Що розуміється під терміном "зношування"? У чому суть процесу?

  5. У чому суть механічного зношування? Назвати основні види механічного зношування, охарактеризувати їх.

  6. У чому суть механохімічного зношування? Охарактеризувати основні види.

  7. Що править за кількісну оцінку процесу зношування?

  8. Що таке знос? У чому різниця між допустимим і граничним зносами?

  9. Які методи використовують для вимірювання зносу?

  10. Що таке залишкова деформація металу та причини її появи?

  11. Що таке втома металів? Розкрити фізичну суть цього поняття.

  12. Які фактори визначають границю витривалості деталі?

  13. Що таке корозія металів? У чому полягає фізична суть хімічної та електрохімічної корозії?

  14. Якими показниками оцінюють корозійні ураження?

  15. Що таке старіння матеріалів, суть цього процесу?

  16. Які фактори інтенсифікують старіння полімерів?

  17. З якою метою застосовують класифікацію відмов?

  18. У чому різниця між поступовою та раптовою відмовами?
1   2   3


База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка