03.3. Воздействие температуры

Влияние низких и высоких температур на свойства материалов в большинстве случаев носит диаметрально противоположный характер. Кроме того, быстрое изменение этих температур (в течение суток или нескольких часов) увеличивает эффект вредного их воздействия на машины.

Таблица 3.3.1
Основные характеристики климатических районов

Тепловые воздействия возникают как снаружи системы - солнечная радиация, тепло от близко расположенных источников, так и внутри системы - выделение тепла электронными схемами, при трении механических узлов, химической реакции и др. Особенно вреден нагрев узлов при повышенной влажности окружающей среды, а также при циклическом изменении этих факторов.

Различают три вида тепловых воздействий:

Непрерывное. Рассматривают при анализе надежности систем, работающих в стационарных условиях.

Периодическое. Рассматривают при анализе надежности систем при повторно-кратковременном включении аппаратуры и изделий под нагрузку и при резких колебаниях условий эксплуатации, а также при суточном изменении внешней температуры.

Апериодическое. Оценивают при работе изделий в условиях теплового удара, следствием чего являются внезапные отказы.

Повреждение изделий, вызванное стационарным тепловым воздействием, обусловлено, в основном, превышением при эксплуатации предельно допустимого значения температуры.

Деформации изделий, возникающие при периодических тепловых воздействиях, приводят к возникновению повреждений. На некоторые изделия одновременно с периодическим нагревом и охлаждением действуют и резкие изменения давления, что и приводит к повреждениям.

Высокая скорость изменения температуры (тепловой удар), имеющие место при апериодических воздействиях тепла, приводит к быстрому изменению размеров материалов, что является причиной повреждений. Этот факт чаще проявляется при недостаточном учете коэффициентов линейного расширения сопрягаемых материалов. В частности, при повышенных температурах заливочные материалы размягчаются, происходит расширение сопрягаемых с ними материалов, а при переходе к отрицательным температурам происходит сжатие заливочных материалов и растрескивание их в местах соприкосновения с металлами. При отрицательных температурах возможна значительная усадка заливочных материалов, следовательно, у электроизделий повышается возможность электрического перекрытия. Низкие температуры непосредственно ухудшают основные физико-механические свойства конструкционных материалов, повышают возможность хрупкого разрушения металлов. Низкие температуры существенно влияют на свойства полимерных материалов, вызывая процесс их стеклования, высокие же температуры изменяют упругость этих материалов. Нагрев полимерных изоляционных материалов резко снижает их электрическую прочность и сроки службы.

При оценке показателей надежности технических изделий, входящих в системы, необходимы данные об изменениях температуры окружающего воздуха во времени.

Характер изменения температуры во времени описывается случайным процессом:
где   - средняя температура, соответствующая времени t, °С;
t - время от 0 ч 1 января до 24 ч 31 декабря;
y - случайная составляющая температуры, соответствующая времени t, °С.
Среднее значение  рассчитывают по формуле:
где А₀ - коэффициент численно равный математическому ожиданию средней годовой температуры,°С;
А_i, В_i - амплитуды колебаний математического ожидания температуры, соответствующие частоте w_i .

При резком изменении температуры воздуха происходит неравномерное охлаждение или нагрев материала, что вызывает дополнительные напряжения в нем. Наибольшие напряжения возникают при резком охлаждении деталей. Относительное удлинение или сжатие отдельных слоев материала определяется зависимостью
,
где a_t - коэффициент линейного расширения;
t₁ - температура в первом слое;
t₂ - температура во втором слое; t₂ = t₁ + (¶t / ¶l)Dl;
Dl - расстояние между слоями.

Дополнительные (температурные) напряжения в материале

,
где Е - модуль упругости материала.

Зависимость удельной электропроводности материала от его температуры определяется уравнением ,
где s_эо - удельная электропроводность при t = 0 °С,
a - температурный коэффициент.

Скорость процессов механического разрушения нагруженного твердого тела и, соответственно, время до разрушения зависят от структуры и свойств тела, от напряжения, вызываемого нагрузкой, и температуры.

Предложен ряд эмпирических формул, описывающих зависимость времени до разрыва t (или скорости разрушения u₂) от этих факторов. Наибольшее признание получила установленная экспериментально для многих материалов (чистых металлов, сплавов, полимерных материалов, полупроводников органического и неорганического стекла и др.) следующая температурно-временная зависимость прочности - между напряжением s, температурой Т и временем t от момента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца:
,
где t₀ , U₀ , g - параметры уравнения, характеризующего прочностные свойства материалов.

Графики зависимости lgt от s для различных Т представляют собой семейства прямых линий, сходящихся при экстраполяции в одной точке при lgt = lgt₀ (рис. 3.3.1).

Рис. 3.3.1. Типичная зависимость долговечности материала от напряжения при различных температурах (Т₁<Т₂<Т₃<Т₄)

Для скорости процесса разрушения, следовательно, можно написать:
.

Все изменения прочностных свойств материалов, проходящие при изменении их чистоты, при тепловой обработке и деформации, связаны с изменением только величины g. Значения g может быть вычислено из временной зависимости, полученной при одной температуре:
g = a R T ,
где a - тангенс угла наклона прямой lg = f(s).

Как говорилось выше, низкие температуры изменяют физико-механические свойства конструкционных и эксплуатационных материалов. Результатами воздействия низких температур являются:
–       увеличение вязкости дизельного топлива;
–       снижение смазывающих свойств масел и густых смазок;
–       застывание механических жидкостей, масел и смазок;
–       замерзание конденсата и охлаждающих жидкостей;
–       снижение ударной вязкости нехладостойких сталей;
–       отвердевание и охрупчивание резин;
–       уменьшение сопротивления электропроводников;
–       обледенение и покрытие инеем элементов машин.

Последствиями этих факторов являются:
–       ухудшение условий работы узлов трения и устройств машины;
–       снижение несущей способности элементов;
–       ухудшение эксплуатационных свойств материалов;
–       воздействие дополнительных нагрузок;
–       пробой изоляции обмоток электрических машин систем.

Перечисленные влияния низких температур на свойства материалов вызывают увеличение параметров пусковых, нагрузочных и рабочих отказов, а также снижение сроков службы элементов машин.