Способ определения стойкости объектов к тепловому старению при воздействии повышенной температуры
Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при определении в лабораторных условиях стойкости объектов к воздействию повышенной температуры. Сущность: способ заключается в том, что одну выборку объектов испытывают в одном температурном режиме при предельно допустимой для них максимальной температуре, которую определяют по термическим свойствам материалов и элементов, входящих в конструкцию испытываемых объектов. Указанная максимальная температура должна быть не ниже предельной максимальной температуры хранения объектов в естественных условиях. Продолжительность ускоренных испытаний 
у в лабораторных условиях, проводимых годовыми циклами э, каждый из которых имитирует хранение объектов в естественных условиях воздействия только максимальной температуры в течение каждого статистического года, определяют по формуле: у=э/К(Т), где К(Т) - безразмерный коэффициент ускорения, зависящий от температуры испытаний и температурных условий хранения. Технический результат: повышение эксплуатационной надежности в условиях работы на предварительно подогретых основных компонентах рабочего тела. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при определении в лабораторных условиях стойкости объектов к воздействию повышенной температуры (при определении стойкости к тепловому старению) при хранении их в естественных условиях.
Известны способы определения стойкости к воздействию повышенной (положительной) температуры, (описанные, например, в следующих источниках: 1. Способ определения стойкости к тепловому старению, преимущественно сложных технических систем (прототип). 2. ГОСТ 9. 707-81. ЕСЗКС. Материалы полимерные. Методы ускоренных испытаний на климатическое старение. 3. Кальман И.Г. Воздействие факторов внешней среды на аппаратуру и элементы. Метод климатических и механических испытаний М.: Знание. 1971, 124 с. 4. Зоткин В.Е., Воробьев В.Н. Предложения по стандартизации климатических факторов приземной атмосферы в технических целях, Стандарты и качество. 1978, 52-54 с. 5. Майоров А.В., Потюков Н.П. Планирование и проведение ускоренных испытаний на надежность устройств электронной автоматики, М.: Радио и связь, 1982 144 с.),заключающиеся в том, что испытания в лабораторных условиях проводят при двух, различающихся на 10 K температурах и продолжают в течение времени до достижения одинакового изменения контролируемых параметров при каждой температуре и по полученным значениям продолжительностей испытаний определяют время стойкости к тепловому старению при хранении объектов в естественных условиях, либо целевым назначением определяют экспериментально значения энергий активации материалов и элементов, входящих в конструкцию исследуемого объекта, а по найденным значениям энергий активации рассчитывают режим ускоренных испытаний, проводят лабораторные испытания и по их результатам судят о стойкости к тепловому старению образцов материалов и объектов в условиях эксплуатации (хранения).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения стойкости к тепловому старению, преимущественно сложных технических систем, указанному выше и принятому в качестве прототипа, и заключающемуся в том, что с целью сокращения времени испытаний и повышения точности определения стойкости к тепловому старению сложных технических систем, состоящих из многочисленных материалов, энергии активации для которых частично или полностью неизвестны, испытания проводят при двух различающихся на 10 K температурах, причем испытания ведут в течение разного времени до достижения одинакового изменения контролируемых параметров при каждой температуре и по полученные значениям продолжительностей лабораторных испытаний определяют время стойкости к тепловому старению при эксплуатации (хранении) по формуле:
где:
э - определяемое время стойкости к тепловому старению при эксплуатации (хранении),
у1, у2 - соответственно продолжительности лабораторных испытаний при температурах Т1 и Т2=Т 1+10 K до достижения при каждой из них одного и того же изменения контролируемых параметров,
Тэ - температура при эксплуатации (хранении) в естественных условиях.
Общими недостатками указанных способов являются: необходимость испытаний двух и более выборок объектов в двух и более отдельных температурных режимах, либо экспериментальное определение по изменению свойств образцов материалов при нескольких температурах значений энергий активации (температурных коэффициентов), входящих в расчетные формулы, и только после этого становится возможным проведение в лабораторных условиях ускоренных испытаний объектов на тепловое старение.
Перечисленные недостатки обусловлены следующим.
Для того, чтобы судить о сохраняемости объектов при температуре хранения их в естественных условиях требуется при ускоренных испытаниях в лабораторных условиях исследовать минимум две выборки объектов. При этом каждую выборку необходимо испытывать в самостоятельном температурной режиме в течение времени до достижения одинаковых изменений контролируемых параметров объектов в обоих режимах.
Если же используются энергии активации, то необходимо предварительно определить их значения.
Определение их проводится при испытаниях образцов материалов при двух и более температурах и связано с большой длительностью исследований во времени.
Кроме того, в сложном техническом объекте, например, в ракете, в самолете и т.д. объединены сотни и тысячи деталей из различных материалов и экспериментальное определение всей необходимой совокупности энергий активации проблематично.
При неполном наборе энергий активации возникает существенная неопределенность в выборе расчетного значения энергии активации, так как остается неизвестным ни минимальное, ни максимальное значение ее.
Изложенные недостатки показывают, что при использовании известных способов требуется значительное время лабораторных испытаний и увеличенное количество испытываемых объектов (две и больше выборок объектов, два и больше режима испытаний).
Цель изобретения - сокращение времени испытаний и снижение стоимости испытаний объектов.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения стойкости к тепловому старению испытывают одну выборку объектов в одном температурном режиме при предельно допустимой повышенной температуре для всего состава материалов и веществ, входящих в конструкцию объекта, но не ниже предельной повышенной температуры хранения объектов в естественных условиях, что в совокупной реализации является существенным отличием предлагаемого способа.
Второе отличие заключается в том, что продолжительность ускоренных испытаний в лабораторных условиях, имитирующих хранение объектов в естественных условиях при воздействии только области повышенной температуры в течение каждого статистического года, ограничивают временем, определяемым по формуле:
где: у - продолжительность лабораторных ускоренных испытаний на воздействие повышенной температуры, имитирующих один год хранения объектов в естественных условиях;
э - продолжительность воздействия только повышенной температуры при хранении объектов в естественных условиях в течение года;
- безразмерный коэффициент ускорения, зависящий от повышенной температуры испытаний;
- дискретные безразмерные коэффициенты ускорения испытаний, определяемые через каждые 10 K, первый из которых а1 (Т1) соответствует температуре на 10 K выше повышенной температуры хранения, а последний аn(Тn ) соответствует повышенной температуре ускоренных испытаний.
Е - обобщенное значение энергии активации (оценки математических ожиданий значений энергий активации по классам материалов и элементов, определенные при разработке изобретения по накопленной статистике порядка 1000 значений);
R - газовая постоянная;
Тi - повышенная температура испытаний в i-той градации.
Указанная формула получена следующим образом. Как известно, согласно теории химической кинетики скорость реакции 
при температуре Т равна:
где 
Ко - начальный коэффициент реакции, A 1, A2 и n1, n2 - соответственно концентрации реагирующих веществ и стехиометрические коэффициенты;
Е - энергия активации,
R - газовая постоянная.
В общем случае зависимость скорости реакции от температуры характеризуют температурным коэффициентом, который определяют как возрастание скорости реакции при повышении температуры на каждые 10 K, т.е.:
Подставив в выражение (4) значение скорости из выражения (3), получим после необходимых преобразований известную формулу (2).
Формулу, аналогичную (2), можно получить и другим путем, а именно, используя широко известную зависимость для определения продолжительностей ускоренных испытаний у1 и у2 соответственно при температуре Т1 и Т2=(Т1+10):
где э - продолжительность воздействия температуры Tэ в естественных условиях,
Ту1, Ту2 - температура ускоренных испытаний соответственно в первом и во втором режимах испытаний, различающихся на 10 K.
Коэффициент ускорения испытаний получим из отношения у1 к у2:
При 
эта формула идентична формуле (2).
Таким образом, для каждого значения Е можно вычислить последовательный ряд дискретных коэффициентов ускорения реакции (через каждые 10 K).
В связи с тем, что для сложных технических систем необходимый при расчете режимов полный набор Е неизвестен, при разработке данного изобретения были определены по представительным выборкам значений энергий активации оценки математических ожиданий их по основным классам материалов и элементов конструкций. Соответствующие данные представлены ниже в таблице. Это предопределило возможность разработки заявленного способа с отмеченным существенным отличием определения продолжительности испытаний по формуле (1), т.е. из отношения продолжительности воздействия повышенной температуры в естественных условиях в течение года э коэффициенту ускорения K, равному произведению частных коэффициентов ускорения (а1.а2...а n), вычисленных через каждые 10 K до значения повышенной температуры ускоренных испытаний Ту включительно.
Обобщенные энергетические параметры активацииКлассы материалов, веществ и элементовЗначения оценок математических ожиданий энергий активации кДж/моль (ккал/моль) 12 Электрорадиоматериалы и элементы68,2(16,3) Пиротехнические вещества 88,3(21,1)Резинотехнические материалы 84,9(20,3)Полимерные материалы (пластмассы)99,4(23,8) Покрытия78,7(18,8) Элементы электронной техники 94,6(22,6)Металлы и сплавы: - процессы коррозии75,8(18,1) - процесс механического разрушения213,2(50,9) Древесноволокнистые материалы 126,4(30,2)
При этом частный коэффициент ускорения ао соответствующий повышенной температуре хранения в естественных условиях в произведение частных коэффициентов не включается.
Без рассмотренного существенного отличия разработанного способа испытания и прогнозирование термической стойкости сложных технических систем по результатам испытаний одной выборки объектов в одном температурном режиме не представлялось возможным.
Третье отличие заключается в том, что при испытаниях, проводимых годовыми циклами, проверку параметров объектов осуществляют после имитации периодов хранения, кратных одному, двум или заранее установленной совокупности, равной нескольким годам.
Это позволяет, в случае появления при испытаниях отказов, конкретизировать проимитированные продолжительности хранения объектов в естественных условиях до возможного появления аналогичных отказов.
Четвертое отличие заключается в том, что при априори частично известным значениям энергий активации коэффициенты ускорения определяют по каждому из них и по оценкам математических ожиданий, а поэлементно проимитированные сроки хранения вычисляют по формуле 
где xi - срок сохраняемости i-того элемента объекта при воздействии повышенной температуры;
у - продолжительность ускоренных испытаний;
Ki - коэффициент ускорения испытаний, определенный по i-тому элементу.
С учетом изложенного отличия возможно дифференцированное (поэлементное) определение сохраняемости объектов, для которых значения энергий активации частично известны.
Все указанные выше отличия являются существенными, так как подобных способов в научно-технической и патентной литературе не обнаружено.
При практическом осуществлении предложенного способа:
1. Нагревают выборку объектов и испытывают в расчетном режиме при предельно допустимой повышенной температуре, назначенной исходя из термических свойств всех материалов и элементов, входящих в конструкцию объектов, но не ниже предельной повышенной температуры хранения их в естественных условиях.
Предельное значение температуры при испытаниях не должно вызывать течение процессов, не соответствующих условиям хранения сложных технических систем в естественных условиях.
Это может быть достигнуто, если повышенную температуру при испытаниях принять на (1-2) K ниже наименьшей повышенной температуры фазовых переходов и других изменений, происходящих в материалах испытываемых объектов, не свойственных условиям хранения в естественных условиях.
Нагрев объектов выше температуры фазового перехода приведет к увеличению температурных нагрузок выше допустимого предела, что может исказить результаты испытаний, а недогрев - значительно увеличит продолжительность испытаний.
2. Продолжительность ускоренных испытаний в лабораторных условиях, проводимых циклами, каждый из которых имитирует хранение объектов в естественных условиях в течение года при воздействии повышенной температуры, ограничивают временем, определяемым по формуле (1): 
.
3. Проверку параметров объектов осуществляют после имитации периодов хранения, соответствующих одному, двум годам или заранее назначенной совокупности их, равной нескольким годам.
4. Умножая время появления отказа на коэффициент ускорения, соответствующий данному процессу отказа, прогнозируют время отказа объекта при хранении.
5. При частично априори известным значениям энергий активации коэффициенты ускорения определяют по каждому из них и по обобщенным значениям, представляющим собой оценки математических ожиданий энергий активации, а поэлементно проимитированные сроки хранения вычисляют по формуле
где
xi - срок сохраняемости i-того элемента объекта,
у - продолжительность ускоренных испытании,
Ki - коэффициент ускорения испытаний, определенный по i-тому элементу.
Например, были испытаны 6 объектов в течение времени, имитирующего 5 лет повсеместного хранения на территории СССР в не отапливаемых хранилищах. Значение средневзвешенной повышенной температуры хранения в не отапливаемом хранилище в указанном случае принято по установленым данным жаркого сухого района и равно 288,6 K (15,3°С). Продолжительность воздействия этой температуры в течение года равна 7285 часов.
Температура ускоренных испытаний принята равной 333 K (60°С) исходя из анализа свойств материалов и элементов указанных.
Продолжительность испытаний, имитирующих 1 год хранения, определена по формуле и равна по классу электрорадиоматериалов (Е=16,3 ккал/моль)
По процессам коррозии (Е=18,1 ккал/моль) металлов и сплавов:
Измерение вероятности безотказной работы осуществляют после имитации каждого года с наработкой 6 объектов после имитации 5 лет хранения n=165 включений. Отказов объектов не выявлено, т.е. m=0.
Точечное значение вероятности безотказной работы определено при n=165 и при отсутствии отказов (m=0) по известной формуле: 
Значение вероятности безотказной заботы по функционированию объектов при хранении в неотапливаемых хранилищах на территории СССР равно при n=157 и m=0
при n= 97 и m=0 
при n=20 и m=0 
Полученные при разработке заявленного способа данные для Ру, Рx, Рx2 и Р x3 свидетельствуют о достаточно хорошей стоимости их, в особенности данных для Ру и Рx1, вычисленных для наиболее близких чисел проверок объектов на функционирование при ускоренных испытаниях (n=165) и при хранении в естественных условиях (n=157) при отсутствии отказов в обоих случаях.
Использование предлагаемого способа определения стойкости объектов к воздействию повышенных температур позволяет:
- исключить необходимость проведения испытаний двух выборок объектов, т.е. открывается возможность уменьшить в два раза количество испытываемых объектов и таким образом сократить общее время испытаний на стойкость к воздействию повышенных температур. Следовательно уменьшается стоимость испытаний;
- исключить необходимость непосредственного экспериментального определения энергий активации, а для сложных многоэлементных объектов практически это является к тому же и невозможным из-за многочисленных материалов и элементов их и непредсказуемости их взаимовлияния в составе объектов, что не выявляется при определении энергий активации на образцах отдельных материалов. Следовательно определение термосохраняемости сложных технических объектов по результатам лабораторных испытаний их в одном температурном режиме без использования заявленного способа не предоставляется возможным.
Формула изобретения
Способ определения стойкости объектов к тепловому старению при воздействии повышенной температуры, заключающийся в том, что выборки объектов, состоящих из различных материалов и элементов, энергии активации для которых частично или полностью неизвестны, нагревают и выдерживают не менее, чем в двух режимах в течение расчетных значений времени, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени и снижения стоимости испытаний, одну выборку объектов испытывают в одном температурном режиме при предельно допустимой для них максимальной температуре, которую определяют по термическим свойствам материалов и элементов, входящих в конструкцию испытываемых объектов, при этом указанная максимальная температура должна быть не ниже предельной максимальной температуры хранения объектов в естественных условиях, а продолжительность ускоренных испытаний в лабораторных условиях, проводимых годовыми циклами, каждый из которых имитирует хранение объектов в естественных условиях воздействия только максимальной температуры в течении каждого статистического года, ограничивают временем, определяемым по формуле:
, где
у - продолжительность ускоренных испытаний на воздействие максимальной температуры, имитирующих один год хранения объектов в естественных условиях,
э - продолжительность воздействия только максимальной температуры при хранении объектов в естественных условиях в течение года,
- безразмерный коэффициент ускорения, зависящий от температуры испытаний и температурных условий хранения,
- дискретные безразмерные коэффициенты ускорения испытаний, определяемые через каждые 10 K, первый из которых а1 (Т1) соответствует температуре на 10 K выше максимальной температуры хранения, а последний аn(Tn ) соответствует максимальной температуре ускоренных испытаний,
где
- обобщенное знание энергии активации,
T i - максимальная температура лабораторных ускоренных испытаний,
R - газовая постоянная.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при лабораторных ускоренных испытаниях проверку параметров испытываемых объектов осуществляют после имитации периодов хранения, соответствующих одному, двум, или заранее назначенной совокупности, равной нескольким годам и прогнозируют время отказа объекта при хранении в естественных условиях по значению времени появления при испытаниях отказа объекта, умноженному на коэффициент ускорения, соответствующий данному процессу отказа.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при заранее частично известных значениях энергий активации коэффициент ускорения определяют дополнительно по каждому из них, а поэлементно проимитированные сроки хранения вычисляют в этих случаях по формуле 
где xi - срок сохраняемости по i-тому элементу объекта, yi - продолжительность ускоренных испытаний i-того элемента, Ki - коэффициент ускорения испытаний, определенный по i-тому элементу.
