2.5. Физические основы процессов разрушения твердых тел

Основными причинами отказов механических элементов являются износ и нарушение условий трения, недостаточная прочность по критериям статистической прочности мало- или многоцикловой усталости, недопустимые деформации, старение и коррозия материалов, нарушение нормальных условий функционирования и неправильное назначение допусков.

Кинетика процессов механического разрушения нагруженного твердого тела и соответственно, время до разрушения зависят от структуры и свойств материалов тела, от напряжения, вызываемого нагрузкой, и температуры. Для многих твердых материалов (металлов, сплавов, полимеров, полупроводников и т.д.) справедлива температурно-временная зависимость прочности, а именно: зависимость между напряжением , температурой, и временемот момента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца, известная как формула Журкова [5,14]:

, (2.83)

где - время от момента приложения нагрузки до разрушения;

- период собственных колебаний атомов кристаллической решетки твердого тела (с.);

-начальная энергия активации в отсутствие механических напряжений;

- напряжение материала, обусловленной механической нагрузкой;

- структурный коэффициент (характеристика чувствительности материала к напряжению), определяющий степень уменьшения начального энергетического барьерапод действием приложенного напряжения.

Соответственно, для скорости процесса разрушения на основании формулы (2.81) можно записать выражение, характерное для скорости Vтермоактивиционных процессов [5,14].

, (2.84)

где - частота собственных тепловых колебаний атомов в решетке.

В уравнениях (2.83) и (2.84) величина - энергия активации процесса разрушения.

Все изменения прочностных свойств материалов, происходящие при изменении их чистоты, при тепловой обработке и деформировании, связаны с изменением только величины . Следовательно,может быть использована как количественная мера прочности, т.е. мера сопротивления разрушению, учитывающая временную и температурную зависимость прочности. Действительно, так какине меняются и известны, то знаниепозволит построить все семейство временных зависимостей прочности при разных температурах. В свою очередь значениеможет быть вычислено из временной зависимости, полученной при одной температуре [14]:

, (2.85)

где - тангенс угла наклона прямой.

Рис. 2.9. Типичная зависимость долговечности

материала от напряжения при различных

температурах ().

В частном случае, когда температура и долговечностьфиксированы, из уравнения 2.83 следует, чтообратно пропорционально разрывному напряжению:

. (2.84)

Уравнение (2.83) можно использовать для определения длительности эксплуатации материала в нагруженном состоянии до разрушения при практических расчетах прочности.

Время разрыва при постоянной нагрузке образцов, изготовленных из одного материала, есть случайная величина, зависящая от случайных размеров и распределения элементарных дефектов в образцах материалов.

В процессе эксплуатации объекты и элементы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), подвергаются следующим видом воздействия, приведенным в таблице 2.2., где приняты следующие обозначения:

ЭВП – электронно-вакуумные приборы;

ПП – полупроводниковые приборы;

КОНД – конденсаторы;

РЕЗИСТ – резисторы;

ИС – интегральные схемы;

М – металлические элементы;

Д – диэлектрические элементы.

Таблица 2.2. Влияние физических процессов на надежность радиоэлектронной аппаратуры при эксплуатации

Вид процессов в материале

Классы РЭА и материалы

ЭВП

ПП

Конд.

Резист.

ИС

Реле и соед.

м

д

м

д

пп

м

д

м

д

м

д

пп

м

д

Изм. соства

+

+

+

+

+

Коррозия

+

+

+

+

+

+

Кристализ-я

+

+

+

+

+

+

Сублимация

+

+

+

+

+

+

Адсорбция

+

+

+

+

+

Диффузия

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Дифф. газов

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Мех. разруш.

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

В общем случае зависимость показателя надежности РЭА от условий эксплуатации можно представить в виде:

, (2.87)

где ,- температура и влажность окружающей среды;- ускорение механической нагрузки, воздействующей на элемент.

Если действие всех перечисленных в таблице 2.2 факторов полагать независимыми, то зависимость интенсивности отказов от условий эксплутации элемента можно представить в виде [14]

, (2.88)

где ,…,– коэффициенты, характеризующие влияние отдельных видов воздействий на показатели надежности,- интенсивность отказа элементов в расчетном режиме работы.

Применительно к интегральным схемам формула (2.84) может быть представлена в аддитивной форме следующим образом [14,23]

где - площадь металлизации, мм²;- количество степеней диффузии,- сумма площадей металлизации,- площадь кристалла, мм²;- коэффициенты качества (температурный и условий работы) ИС соответственно;- интенсивность отказа сварных соединений;– интенсивность отказа металлизации;– интенсивность отказа, обусловленного диффузией;– интенсивность отказа кристалла;– интенсивность отказа мест элементов подверженных диффузии;– интенсивность отказа по условию потери герметичности,- интенсивность отказа площадей металлизации и активных элементов.

Коэффициент качества характеризует жесткость требований, предъявляемых к условиям изготовления и приемки ИС. Если схемы соответствуют классу А стандартаMIL-STD-883, в производствах которых введено термоциклирование, то; Для ИС без термоциклирования и без электротренировок; Для массовых ИС[23].

Коэффициент в зависимости от температуры, при которой работают ИС приведено в таблице 2.3:

Таблица 2.3. Значения коэффициентов .

Температура ℃	25	55	75	100	125	150	200	250	300
	1	2	3.3	6.1	11.1	21	70	237	789

Коэффициент , характеризующий условия работы ИС (влага, вибрации, удары, солевой туман), изменяется в пределах от 4 до 8. Например, для автомобильной РЭА принимают[23].