Некоторые вопросы надежности материала в конструкциях

Более широким и емким свойством ИСК и качеством конструкций из них, чем долговечность, является надежность. Она тоже выражает комплексное свойство материала или системы, но содержит в своей характеристике большее количество критериев: безотказность, сохраняемость, долговечность и ремонтопригодность.

Безотказность — свойство конгломерата (системы) сохранять работоспособность в течение определенного или возможно более длительного времени без вынужденных перерывов на ремонт, или замену забракованного в конструкциях изделия и т. д. Показателем этого свойства служит вероятность безотказной работы материала, оцениваемой числовой величиной возможности появления случайного обстоятельства (события) с нарушением безотказности работы. Отказом называют потерю работоспособности материала (системы) вследствие недопустимого изменения структуры и свойств под влиянием внешних воздействий и внутренних процессов.

Сохраняемость — свойство конгломерата (системы) сохранять приданные ему в технологический период качественные характеристики на стадиях хранения, транспортирования и последующего времени, обусловленного технической документацией. Это свойство количественно оценивается продолжительностью хранения и транспортирования до возникновения неисправности.

Долговечность — комплексное свойство, количественно выражаемое продолжительностью эффективного сопротивления сложному воздействию внешних и внутренних факторов в эксплуатационный период работы материала (см. 4.1) до соответствующего критического уровня.

Ремонтопригодность — свойство материала, выражающееся в способности к восстановлению неисправности, обнаруженной вследствие отказа. Показателем ремонтопригодности служит средняя продолжительность ремонта на один отказ данного вида, а также трудоемкость и стоимость устранения случайных дефектов, приведших к отказу.

С теоретических позиций за основной исходный принцип надежности ИСК принимают оптимальную структуру при условии правильно принятых компонентов, технологических параметров и режимов. Оптимальная структура, созданная с учетом эксплуатационных условий работы материала в конструкции, обеспечивает формирование повышенного ресурса как меры вероятности пребывания материала (системы) в безотказном состоянии: чем полнее прошла оптимизация структуры, тем выше ресурс; чем дальше реальная структура находится от оптимальной, тем меньшим ресурсом обладает ИСК, выше вероятность и ближе появление отказа.

Одним из числовых критериев оптимальных структур, как было показано выше, служит величина А в уравнении (3.15). Если А — 1, то структура — оптимальная, параметр А становится индикатором подобия, интенсивность отказов — наименьшая и равна Хо, время между двумя соседними отказами — наибольшее и равно то = 1/Хо. Если А* 1, то структура — неоптимальная и поэтому интенсивность отказов X нарастает тем в большей мере, чем дальше отстоит реальная структура от оптимальной по соответствующим критериям оптимальности. Время между двумя соседними отказами т < то и с ростом интенсивности отказов быстро уменьшается, поскольку т = ИХ. Таким образом, с увеличением или уменьшением индикатора А, по сравнению с его величиной, равной единице при оптимальной структуре, уменьшаются и ресурсы. Но вместе с тем следует учесть, что технологически полученная оптимальная структура в дальнейшем сохраняет тенденцию к непрерывному изменению под влиянием совокупности факторов, складывающихся при транспортировании, монтажных и других строительных работах и, главное, в эксплуатационный период с возможным проявлением временных элементов долговечности (см. 4.2), в том числе и упрочнения структуры, а следовательно, ростом ресурса, а также с деструкцией, т. е. снижением ресурса. В каждый данный момент времени отмечается неустановившийся уровень ресурса и его колебания вплоть до вероятности первого отказа. По аналогии с принципами Л. Больцмана (S = k W, где S — энтропия. W — термодинамическая вероятность, к — постоянная величина) можно, по-видимому, выразить и ресурс надежности: г = -In W. Это следует после логарифмирования уравнения.

справедливого для системы, сохраняющейся безотказной в течение времени т от момента начала его отсчета при т = 0.

Отсюда следует, что чем прогрессивнее технология или отдельные ее переделы в процессе производства ИСК, чем полнее использованы способы упрочнения и стабилизации структуры, торможения десгрукционных явлений, чем больше структура приведена в состояние устойчивости и равновесности с меньшей сохранившейся внутренней и поверхностной свободной энергией, тем выше ресурс как функциональная мера надежности избежать первого и последующих отказов, т. е. выше безотказность, сохраняемость, долговечность конструкции, изготовленной из этого ИСК, применительно к данным эксплуатационным условиям.

И тем не менее, хотя ресурс и выступает в качестве функциональной меры надежности, он за больший или меньший период эксплуатации объекта под влиянием внешних и внутренних факторов, неучтенных в период прогнозирования, может достичь своего минимума. Последнее неизбежно приведет к необходимости срочного капитального ремонта строительного объекта, а возможно — и к разрушению объекта или отдельных его конструктивных элементов.

Теория ИСК на данном этапе своего развития придерживается дилатонно-компрессонной теории деформирования и разрушения^[1]. Сущность ее в кратком изложении заключается в следующем.

Атомно-молекулярные частицы системы находятся во взаимосвязи и непрерывном движении. В этом атомно-молекулярном множестве внутренняя энергия распределена случайным образом. Если система представлена упорядоченной, оптимальной и даже кристаллической структурой, то и тогда возможны флуктуации значений энергии частиц. Значения флуктуаций могут быть как меньше средней величины энергии частиц, т. е. отрицательное ее значение, называемое дилатоном, так и больше средней, т. е. положительное ее значение, называемое компрессоном. Воздействие на систему механических эксплуатационных факторов приводит к новому перераспределению внутренней энергии, к прогрессирующему размножению флуктуаций обоих знаков, изменению энергетического уровня атомно-молекулярных частиц в системе, нарушению орбит движения, в том числе валентных электронов, порождению ангармоничности тепловых колебаний атомов твердого тела.

Атомы могут оказаться в двух принципиально различных критических положениях: дилатонном и компрессонном. Первое возникает при увеличениидоли кинетической энергии за счет уменьшения потенциальной, что в конечном итоге завершается отрывом атома от узла кристаллической решетки, неограниченным возрастанием площади эллиптических орбит валентных электронов, отрывом их от своих атомов с выходом из твердых или жидких тел (электронная эмиссия). Второе положение достигается при преобразовании кинетической энергии в потенциальную. При этом энергетический уровень атома опускается, амплитуда ангармонических колебаний уменьшается, эллиптические орбиты валентных электронов вырождаются в круговые, атом теряет связь с ближайшим окружением. Если первое (дилатонное) критическое положение атома сопровождается появлением значительных внутренних усилий и микродеформированием с их переходом в дальнейшем на макроуровень (без механодеструкции), то второе (компрессонное) критическое положение сопровождается потерей связи между атомами, особенно между теми их группами, которые характеризуются пониженной температурой и высокой плотностью, что может завершаться появлением микроразрушений, чему благоприятствуют и рядом расположенные дилатоны. Микродеформирование и микроразрушение с переходом в перспективе на макроскопический уровень находятся как бы в единстве, а разрушение под силовым воздействием внешних нагружений системы имеет дилатонно-компрессионную природу. Достоверность такого механизма разрушения непосредственно следует из кинетического уравнения прочности (4.2)^[2], поскольку то и т — периоды финитного движения атомов в компрессионном состоянии и на любом другом энергетическом уровне.

• [1] Комаровский А.А. Механизм разрушения бетона и перспективные меры обеспечения его долговечности. Киев. 1988.
• [2] Журков С И. Дилатонный механизм прочности твердых тел // ФТТ. 1983. т. 25, № 10