Файл: Физические основы надежности.doc

1) поверхностное (дуговое) перекрытие, характеризующееся тем, что электрическая дуга начинается и проходит в основном в газе, находящемся над поверхностью изоляционного материала;

2) прогрессирующее поверхностное повреждение, при котором повреждение происходит под разрушающим влиянием поверхностных дуговых разрядов или искрения.

При прогрессирующем повреждении при каждом разряде на поверхности

диэлектрика появляется неисчезающий дефект (проводящий след или проводящая дорожка), имеющий обычно древовидную форму и способный вызывать

27

сильную эрозию поверхности. Влияние дуги и проводящего следа является в основном термическим, т. е. они вызывают высокотемпературные реакции, такие как разложение или горение. Поверхностное перекрытие изоляционных конструкций зависит от большого числа факторов, к которым относятся: пло-

щадь и состояние поверхности диэлектрика, расположение поверхности диэлектрика относительно электродов, относительные значения диэлектрической проницаемости двух сред (твердого диэлектрика и газовой среды), электрическая прочность газа, контакт между электродом и изоляционным материалом, форма приложенного напряжения, продолжительность его действия, толщина изоляции и изоляционные расстояния и др.

Тепловой пробой твердых диэлектриков происходит обычно при длительном воздействии электрического напряжения и является следствием нарушения теплового равновесия диэлектрика (когда подвод тепла к диэлектрику превышает отвод тепла путем теплопроводности, излучения и конвенции). Нарушение теплового равновесия приводит к катастрофическому нарастанию количества тепла, выделяемого в диэлектрике, и к термическому его разруше- нию  прожиганию, плавлению или разложению. Тепловой пробой имеет место в случае, когда приложенное напряжение недостаточно для того, чтобы вызывать электрический пробой при данной температуре, и когда вследствие выделения тепла происходит такое повышение температуры в диэлектрике, что снижаются его электрическое сопротивление и электрическая прочность до значений, соответствующих приложенному напряжению.

Возникновение электрического пробоя полупроводников в сильном электрическом поле обусловлено резким увеличением концентрации носителей зарядов вследствие генерации электронно-дырочных пар электрическим полем. В полупроводниковых приборах с увеличением обратного напряжения, приложенного к электронно-дырочному (pn)-переходу, по достижении некоторого напряжения происходит резкое возрастание обратного тока и, если не принять мер к его ограничению, возникает пробой (pn)-перехода прибора. Существуют следующие механизмы электрического пробоя в объеме полупроводников:

электрический пробой, вызываемый электростатической ионизацией (электростатический, туннельный, зинеровский пробой);

электрический пробой, вызываемый ударной ионизацией (ударный, или лавинный пробой).

Пробой может наступить в результате совместного действия ударной и электростатической ионизации. Наряду с пробоем в объеме полупроводника

28

наблюдается поверхностный пробой. В ряде случаев выход полупроводниковых приборов из строя происходит вследствие их теплового пробоя, что влияет на их тепловую устойчивость. Исследования показывают, что практически во всех случаях теплового пробоя транзисторов происходят следующие явления:

а) выход транзисторов из строя сопровождается возникновением необратимого короткого замыкания между коллектором и эмиттером либо, что наблюдается значительно реже, – между коллектором и базой;

б) выход транзисторов из строя происходит при напряжениях, значительно меньших, чем предусмотренное ТУ предельное напряжение для транзисторов данного типа;

в) вероятность отказа транзисторов быстро возрастает с повышением температуры (рn)-перехода и приложенного к нему напряжения;

г) вероятность отказа больше для транзисторов с большим обратным током коллекторного перехода, особенно если наблюдается возрастание этого параметра в процессе работы.

5. Старение материалов

5.1. Старение материалов и сплавов

Старением материалов называют процессы изменения их физико-механических свойств во времени в условиях длительного хранения и эксплуатации. Обычно старение обусловлено недостаточно стабильным (неравновесным) состоянием материала и переходом его в стабильное (равновесное) состояние. Этот переход может быть связан со структурными превращениями или представляет собой релаксационной процесс.

При старении может происходить как ухудшение, так и улучшение определенных свойств материалов или нередко – улучшение одних свойств при одновременном ухудшении других. Иногда применяют искусственное старение материалов с целью улучшения или стабилизации некоторых их характеристик.

Металлические сплавы могут представлять собой химические соединения, твердые растворы внедрения или замещения и металлические соединения, являющиеся благодаря особенности металлического состояния вещества (час-тичному обезличиванию атомов различных металлических элементов при их

29

взаимодействии) промежуточной фазой между химическими соединениями и твердыми растворами.

К основным видам превращений в твердом состоянии относятся:

 аллотропическое превращение;

 мартенситное превращение и распад мартенситной структуры;

 растворение в твердом состоянии и распад пресыщенных твердых растворов;

 упорядочение и разупорядочение твердых растворов;

 образование твердого раствора из эвтектоидной смеси и эвтектоидный распад.

Перечисленные виды превращений могут быть разделены на две группы: превращения, протекающие без изменения химического состава образующихся при превращениях фаз (связанные только с изменениями кристаллической структуры), и превращения, сопровождающиеся образованием фаз с измененным химическим составом.

Некоторые из указанных превращений могут происходить в широком диапазоне температур, включая температуры, характерные для обычных условий эксплуатации; другие виды превращений происходят при определенных очень высоких или низких температурах, достигаемых не только при специальной термической обработке, но и при эксплуатации многих современных технических устройств: реактивных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, космических аппаратов и т. д. Наибольшее практическое значение имеют процессы старения, связанные с распадом пересыщенных твердых растворов (процессы выделения).

5.2. Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых растворов

Старение имеет особое значение для многих термически обрабатываемых сплавов на железной, алюминиевой, медной, магниевой, никелевой и кобальтовой основе. Способность к старению определяется увеличивающейся с температурой растворимостью компонента сплава в основном металле сплава, т. е. изменением предельного насыщения твердого раствора с изменением температуры. В процессе старения сплав, однофазный при высокой температуре, при более низкой температуре распадается на две (или более) фазы в соответствии с диаграммой состояний; при этом вторая фаза (выделение) может быть метал-

30

лическим соединением или новым твердым раствором с другим содержанием растворенного компонента.

Для скорости распада в большинстве случаев справедливы следующие

качественные закономерности:

скорость распада (выделения) тем больше, чем выше температура старения сплава;

при данной температуре в сплавах с низкой температурой плавления выделение идет быстрее, чем в тугоплавких сплавах;

нарушения кристаллической решетки исходного твердого раствора (матрицы) вследствие облучения и холодной деформации ускоряют процесс выделения;

присутствие растворимых или нерастворимых включений ускоряет процесс выделения.

Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых растворов, вызывает изменение механических и физических свойств сплава: прочности, твердости, электросопротивления, коэрцитивной силы, стойкости против коррозии и др. Процессы, протекающие на первых стадиях старения (появление субмикроскопической неоднородности в распределении атомов растворенного компонента, когерентная связь двух различных решеток, выпадение весьма дисперсных частиц), приводят к упрочнению сплава, увеличению его твердости, повышению сопротивления пластической деформации, связанному с тем, что изменения структуры сплавов на этих стадиях старения затрудняют перемещение дислокаций при пластической деформации.

Однако четвертая стадия  коагуляция дисперсных частиц  всегда связана со снижением прочности; наряду с коагуляцией частиц разупрочнение обусловлено потерей когерентности решеток новой фазы и твердого раствора, обеднением твердого раствора растворенным компонентом в процессе выделения. Вследствие этого изменение прочности, электросопротивления и коэрцитивной силы пересыщенного твердого раствора в процессе его старения характеризуется кривой с максимумом. При достаточно больших интервалах времени прочность снижается до значений, присущих сплаву до старения и меньших. Пониженная вследствие старения пластичность ведет к развитию межзеренного разрушения, что связано с присутствием локализованных выделений на границах зерен.

При распаде пересыщенных растворов снижается сопротивляемость сплава коррозии. В стареющих сплавах часто наблюдается коррозионное рас-

31

пределение под напряжением, связанное с локализованным выделением по границам зерен. Присутствие даже малых компонентов локализованных выделений может привести к возникновению растрескивания по границам зерен на участке детали, подвергнутом большим напряжениям.

Мартенситное превращение имеет место в сплавах с мартенситной структурой  специфической игольчатой микроструктурой металлических сплавов (сталей, сплавов Cu  Al, Cu  Sn и др.), некоторых металлов и даже неметаллических материалов. К мартенситным превращениям относят и аллотропические превращения в безуглеродистых сплавах железа с хромом, никелем, марганцем, а также аллотропические превращения в кобальте, титане, цирконии и в сплавах на основе титана и циркония.

Мартенситное превращение состоит в перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные. По сравнению с другими структурами стали мартенситная структура отличается наибольшей твердостью (а также наибольшими коэрцитивной силой и электросопротивлением), но одновременно и повышенной хрупкостью.