03.5. Воздействие влажности

При анализе воздействия внешних факторов окружающей среды на конструкционные материалы важны данные об относительной влажности воздуха.

Характер неблагоприятного влияния влажности воздуха на материал зависит от процентного содержания влаги в воздухе. При большом содержании влаги в воздухе (более 90%) она снижает служебные свойства материалов, проникая внутрь этих материалов или образуя на их поверхности пленки жидкости. При малом содержании влаги в воздухе (ниже 50%), влага, содержащаяся в материалах, испаряется в воздух, что также изменяет свойства материалов: они становятся хрупкими, в них появляются трещины.

При оценке показателей надежности технических изделий необходимы данные об изменении относительной влажности воздуха во времени. Характер изменения относительной влажности описывается случайным процессом с математическим ожиданием

где С₀ - коэффициент, численно равный математическому ожиданию средней годовой относительной влажности, %;
С_j, D_j - амплитуды колебаний математического ожидания влажности, соответствующие частоте w_j.

Наиболее активно влагу из воздуха поглощают гигроскопические материалы, например изоляционные, изготовленные на основе хлопка и бумаги. Внутрь материала влага может проникать при поглощении ее материалом (капиллярная конденсация) или проникновения в структуру полимера (в межмолекулярные промежутки), а также через трещины и крупные поры в материале.

Насыщение влагой таких материалов, как резина и некоторых других, происходит путем осмоса.

Скорость проникания влаги в материалы увеличивается при повышении температуры окружающего воздуха. Влага, поглощенная материалом или проникшая в него другими путями, резко снижает его объемное сопротивление (рис. 3.5.1). Зависимость удельной электропроводимости диэлектриков от их влажности определяется:
^æ (z-z 0),
где s_эо - удельная электропроводимость при t = 0°С;
z - абсолютная влажность материала;
æ - коэффициент, зависящий от материала.
Рис. 3.5.1. Изменение удельного объемного сопротивления гетинакса в зависимости от длительности увлажнения при относительной влажности воздуха 70-98% и температуре 35°С

Оседая на поверхности материала, влага образует тонкую пленку, в результате поверхностное сопротивление материалов снижается на несколько порядков (рис. 3.5.2). Наибольшее снижение поверхностного сопротивления изоляторов происходит при загрязнении пленки продуктами газов и пыли.

Рис. 3.5.2. Зависимость поверхностного сопротивления R изоляции керамической детали от влажности воздуха j

При осаждении влаги на металлические поверхности создаются благоприятные условия для атмосферной коррозии металлов. Этот вид коррозии является наиболее распространенным, и на его долю приходится около половины общих потерь металла от коррозии.

Увлажнение материалов повышает скорость протекания коррозионных процессов:
где y - толщина окисной пленки;
С_n^p - концентрация реагента (кислорода, влаги, агрессивной среды);
k_p - коэффициент, характеризующий скорость протекания коррозии;
Е_k - энергия активации коррозионного процесса.

Зависимость времени наступления предельного состояния материалов от воздействия внешних условий и качества примененных материалов можно представить в виде t = 1/k₀×r(C₀, C_кр, æ², r)exp{-E / RT},
где k₀ - постоянный коэффициент,
r(C₀, C_кр, æ², r) - функция, зависящая от внутренних параметров материала.

При повышении влажности воздуха, плотности тумана и оседании росы увеличивается толщина пленки влаги на поверхности металла, которая определяет виды атмосферной коррозии (рис. 3.5.3). Сухая коррозия (участок I) происходит при отсутствии пленки влаги на поверхности металла вследствие окисления поверхностного микрослоя металла кислородом воздуха, что и определяет малую скорость этого вида коррозии. При влажной коррозии  (участок II) скорость коррозии резко повышается с увеличением толщины пленки влаги, образующейся на поверхности вследствие конденсации. Эта конденсация может быть капиллярной, адсорбционной или ионной. При мокрой коррозии (участок III) толщина пленки влаги наибольшая (при 100% влажности воздуха). Снижение скорости коррозии в этом случае объясняется затруднительностью диффузии кислорода воздуха через толстую пленку влаги. Участок IV отвечает случаю погружения металла в жидкость.

Рис. 3.5.3. Зависимость скорости v атмосферной коррозии от толщины d пленки влаги на поверхности металла

Кроме того, влага может вызывать изменение физических свойств материалов - их плотности, температуры плавления, снижать грибостойкость материалов.