Испытания, контроль, ускоренные испытания

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• методы контроля и испытаний, прогнозирования ресурса;

уметь

• использовать методы контроля и испытаний;

владеть

• методами и методиками анализа результатов испытаний, расчета коэффициентов ускорения и режимов ускоренных испытаний.

Основные понятия об испытаниях

В ходе испытаний осуществляется получение экспериментальных данных — параметров и характеристик изделий, их изменений во времени при воздействии на испытуемые изделия внешних воздействующих факторов. Методы прогнозирования надежности (физические, термодинамические) строятся на использовании полученных при испытаниях данных, их обработке. Испытания делятся на категории и виды.

Категория испытаний (англ. category of test) — вид испытаний, характеризуемый организационным признаком их проведения и принятием решений по результатам оценки объекта в целом.

Виды испытаний различных изделий, объединяемые в категории испытаний, отличаются организационными признаками их проведения, а именно уровнем (государственные, межведомственные, ведомственные), этапами разработки (предварительные, приемочные), назначением испытаний готовой продукции (квалификационные, приемо-сдаточные, периодические, типовые и т. д.).

Коснемся кратко происхождения отказов. Считается, что возникновение отказов изделий происходит как из-за внутренних свойств аппаратуры, так и из-за внешних воздействий и носит случайный характер во времени. При исследовании отказов обычно используется принцип каузальности (причинности). Для объяснения процессов, приводящих к отказам, необходимо применять знания из физики, химии, термодинамики и других отраслей знаний. Многие синтетические термины и определения, в частности «механизм отказа», «энергия активации процесса деградации», легли в основу физических методов анализа (и специальных разделов физики — физики надежности, физики старения, физики отказов). С их помощью были выполнены разработки моделей оценки показателей надежности, необходимые для прогнозирования надежности изделий. Эти модели широко применяются в практической работе для анализа и оценки надежности изделий, они приведены в официальных стандартах и каталогах изделий (в частности, микросхем). Применение концепции химического равновесия, статистической механики и теории абсолютных скоростей реакций к системе, состоящей из многих частиц, позволило создать эмпирические модели Аррениуса, Эйринга, Семенченко, используемые для оценки скоростей процессов изменения свойств изделий (процессов деградации).

Механизм отказа обычно рассматривается как теоретическая модель, призванная объяснить на атомном и молекулярном уровнях внешние проявления отказа изделия. Он складывается из процессов изменений, приводящих в итоге к отказу изделия. В зависимости от вида отказа эти внешние проявления представляют собой конкретные физически измеримые состояния изделия. И хотя модель механизма отказов обычно является в большой мере идеализированной, она все же позволяет предсказать взаимосвязи и взаимозависимости, дать объяснения рассматриваемого явления, хотя количественные результаты зависят от свойств изделия, его материалов, структуры конфигурации др.

Механизмы отказов могут иметь преимущественно физическую или химическую природу. Разделить механизмы отказов на практике часто весьма затруднительно. Поэтому в процессе анализа предпринимают попытку сложный ряд механизмов рассматривать как единый обобщенный механизм отказов. Основной интерес представляет, как правило, какой-то один механизм из ряда действующих одновременно, а именно тот, который развивается наиболее быстро, и определяет скорость протекания процесса деградации.

Для описания механизмов отказов используют либо непрерывные функции времени, которые обычно характеризуют процессы старения и износа, либо скачкообразные функции, отражающие наличие множества невыявленных дефектов или качественно слабых мест. Одна группа механизмов старения и износа обусловлена тонкими дефектами, приводящими к дрейфу параметров изделий за пределы поля допусков. Вторая группа механизмов проявляется в сравнительно небольшом числе изделий, она обусловлена наличием грубых дефектов, от них избавляются, отбраковывают их посредством технологических отбраковочных испытаний (ТОИ).

Многие изделия представляют собой многокомпонентные гетерогенные и многофазные системы, между фазами имеются граничные области. Для описания подобных систем возможно использование феноменологического или молекулярно-кинетического подходов (см. параграф 5.4). Рассмотрение кинетики деградации изделий, а также анализ последовательно протекающих процессов превращения (переходов) одного равновесного состояния в другое необходимо осуществлять с учетом природы и скорости протекающих процессов (превращений).

Функционирование изделий зависит главным образом от таких необратимых явлений, как электрои теплопроводность, т. е. определяется неравновесными процессами. Для исследования динамики протекания подобных процессов во времени применяют методы аппроксимации, поскольку изделия обычно являются сложными системами, состоящими из ряда фаз вещества. Наличие множества неравновесных факторов может оказывать влияние на природу и скорость последовательного изменения равновесных состояний системы. Значит, необходимо учитывать не только комбинации механизмов, способных меняться в зависимости от времени и нагрузки, но и изменения во времени самих механизмов. Несмотря па отмеченные сложности, можно использовать общую концепцию рассмотрения и анализа, основанную на том, что в технологиях изготовления изделий с использованием результатов контроля их параметров и испытаний в течение некоторого временно? го периода принято решать, какие из данного множества изделий являются годными для конкретного применения. Процесс отбраковки осуществляется на протяжении полного производственного цикла: от материалов до испытаний готовых изделий.

Итак, оценка объектов испытаний (изделий) в целом проводится по результатам всех реализованных испытаний. На основании выполненной оценки принимается соответствующее решение:

• • о возможности предъявления изделия на приемочные испытания;
• • о постановке изделия на производство;
• • об окончании освоения серийного производства;
• • о возможности продолжения серийного производства;
• • о присвоении изделию той или другой категории качества и т. д.

Испытания готовых изделий — важнейшее звено планируемой и выполняемой программы работ по контролю и обеспечению качества и надежности изделий. Реализация программы требует наибольшей доли затрат средств и труда, выделяемых на контроль качества и надежности.

Испытания предусматривают проверку всех теоретических расчетов, касающихся параметров конструкции, ее качества и надежности. Они являются источником почти всех данных (в том числе исходных) по изделию — от начала проекта и на протяжении полного срока его службы.

Результаты испытаний служат основанием для новых расчетов и внесения изменений и уточнений в выполненные проекты и конструкторскую документацию, это необходимо для планирования технического обслуживания изделия в условиях эксплуатации.

При испытаниях чрезвычайно важна достоверность полученных результатов. Наработка на отказ измеряется в часах непрерывной или суммарной периодической работы прибора в допустимом электрическом режиме. Наработку прибора в часах от начала эксплуатации до наступления предельного состояния называют техническим ресурсом. Календарная продолжительность от начала эксплуатации до наступления предельного состояния называется сроком службы.

В решении проблемы обеспечения качества изделий значительная роль принадлежит контролю и испытаниям в процессе производства. Именно по результатам контроля и испытаний изделий осуществляют оценку их качества, под которым понимается совокупность свойств, обусловливающая их пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с их назначением.

Безусловно, одним из основных свойств изделия является надежность, под которой в широком смысле слова понимается свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в допустимых пределах, в заданных режимах и условиях использования, ремонтов, хранения и транспортирования.

Надежность может рассматриваться как свойство изделий, она закладывается в процессе их проектирования и изготовления и характеризуется рядом параметров — безотказностью, долговечностью, сохраняемостью и ремонтопригодностью изделия. Для конкретных изделий и условий эксплуатации их свойства могут иметь различную значимость. Для неремонтируемых изделий, к которым относятся, например микросхемы, надежность в основном характеризуется их безотказностью.

Возможно использование для количественной оценки надежности изделий различных показателей. Однако все же в качестве основного показателя надежности чаще всего выбирается время безотказной работы. Это вызвано тем, что моменты отказов совокупности изделий случайным образом распределены во времени вследствие того, что сами изделия имеют определенный разброс электрических параметров. Это связано с неоднородностью исходных материалов и колебаниями режимов технологических процессов их изготовления, приводящими к разбросу их геометрических размеров и физическо-химических характеристик. Кроме того, при эксплуатации изделий, функционирующих в составе аппаратуры более высокого уровня, па них воздействуют самые различные сочетания внешних факторов. Поэтому для оценки надежности изделий необходимы их испытания в широком диапазоне воздействующих факторов, имитирующих их работу в условиях реальной эксплуатации [46].