книги из ГПНТБ / Попов, В. М. Теплообмен через соединения на клеях

Детельствуют значительные расхождения между расчет­ ной кривой, полученной на основе идеализированной схемы по (4-124) и опытными данными (кривые 2). Для соединений, выполненных без заметных отступлений от рекомендуемых технологических режимов (кривые 1, 3, 4), наблюдается удовлетворительное согласование опыт­ ных и расчетных данных. Достаточно близкая сходи­ мость расчетных и экспериментальных данных по терми­ ческому сопротивлению клее-сварных соединений под­ тверждает возможность упрощенного рассмотрения меха­ низма теплопереноса через зону раздела.

Структура выражений (4-122) —(4-124) позволяет проанализировать влияние на термическое сопротивле­ ние клее-сварных соединений толщины клеевой прослой­

симости термического сопротивления клее-сварных сое­ динений от коэффициента сужения х, физически имити­ рующего величину поверхности, занимаемой сварными точками, по отношению к номинальной. Для этой цели испытывались образцы с различным радиусом ядра свар­ ных точек при неизменном шаге между точками (см. табл. 4-13). Как видно из рис. 4-42, общее термическое сопротивление с увеличением х при одинаковой толщине прослойки резко уменьшается по абсолютной величине. Этот факт объясняется в основном увеличением тепло­ вой проводимости через сварные точки, о чем, в частно­ сти, свидетельствует и характер изменения сопротивле­ ния Roi с увеличением х. Из рис. 4-42 видно также, что за счет уменьшения площади клеевой прослойки при увеличении х снижается величина сопротивления RK.с. Таким образом, варьируя толщину клеевой прослойки, размеры сварных точек или шаг между точками, можно задавать течение процесса теплопереноса через клее­ сварные соединения.

Для испытаний клее-заклепочных соединений приме­ нялись образцы из листового дюралюмина Д16Т и стали ЗОХГСА с поверхностями, обработанными по 7-му клас­ су частоты. Соединение образцов осуществлялось с по­ мощью стандартных заклепок из однородных по отноше-

183

видно, что с увеличением толщины клеевой прослойки возрастает общее термиче­

ское сопротивление соединений, качественно не завися­ щее от материала образцов (кривые 10, 11). В количе­ ственном отношении при равных прочих условиях сопротивление соединений из малотеплопроводной стали ЗОХГСА значительно выше сопротивления соединений из Д16Т, что свидетельствует в данном случае об увеличе­ нии тепловой проводимости дюралюминиевых перемычек. Еще более наглядно представляется влияние термиче­ ского сопротивления R cт на общее сопротивление при анализе зависимости сопротивлений от коэффициента сужения х (кривые 8, 9) при одинаковой толщине про­ слойки. Как на абсолютное значение, так и на скорость вырождения зависимости общего сопротивления от х определяющее влияние оказывает изменение сопротивле­ ния Rct, о чем, в частности, свидетельствует корреляция углов наклона кривых RK.cs, 8 и св, 9 к оси х. На вели­ чину термического сопротивления клее-заклепочных сое­ динений заметное влияние оказывает наличие выражен­ ной окисной пленки на поверхностях соединяемых эле­ ментов. Как видно из сопоставления кривых 8, 12, даже при относительно небольшой поверхности контакта окис­ ленных поверхностей в периферийной зоне стержней за-

185

опытные и теоретические данные позволяют в пределах требований технологии изготовления таких соединений направленно регулировать их термическое сопротивление путем изменения толщины клеевой прослойки, размера крепежных точек, шага между ними, материала соеди­ няемых элементов и т. д.

4-5. ВЛИЯНИЕ ОКИСНЫХ ПЛЕНОК НА ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

К настоящему времени имеется много данных, свиде­ тельствующих о хороших электроизоляционных свойст­ вах окисных пленок на металлических поверхностях кон­ тактов ,[Л. 13]. Если руководствоваться основными поло­ жениями электротепловой аналогии, то следует ожидать роста термического сопротивления в зоне контакта ме­ таллических поверхностей в процессе их окисления. Одна­ ко при рассмотрении контактного теплообмена сопротив­ лением окисных пленок обычно преднамеренно пренебре­ гают или не уделяют должного внимания. В ряде работ [Л. 114, 115] установлено, что при наличии относительно толстых окисных пленок термическое сопротивление кон­ такта значительно выше, чем для соединений с неокисленными поверхностями. Отмечается зависимость роста термического сопротивления с повышением толщины окисной пленки [Л. 116], которая имеет наиболее выра­ женный характер для соединений с малотеплопроводной межконтактной средой и при наличии макроскопических областей контакта. Такое влияние окисных пленок на термическое сопротивление в известной мере присуще и соединениям металлических поверхностей на клеях.

Несмотря на очевидный характер влияния окисных пленок на термическое сопротивление контакта металли­ ческих поверхностей, до настоящего времени изучению этой проблемы не уделялось должного внимания. С одной стороны, ощущается недостаток в данных об образова­ нии и росте окисных пленок, об их прочности, теплофизических свойствах и изменениях термического сопротив­ ления действительного контакта окисленных поверхно­ стей. С другой стороны, сложный характер процесса теплопереноса на границе раздела фаз в зоне контакта соединений с окисными пленками затрудняет создание теоретической модели, в полной мере соответствующей структуре температурного поля такого соединения.

187

Делая попытку в какой-то мере восполнить пробел в области знаний о влиянии окисных пленок на термиче­ ское сопротивление контакта металлических поверхно­ стей, вначале остановимся на основных положениях об окислении металлов и сплавов.

Поверхности большинства металлов уже в атмосфер­ ных условиях, взаимодействуя е кислородом воздуха, окисляются, покрываясь тонкой пленкой окисла металла, которая экранирует внутренние слои от соприкосновения со средой. В среде воздуха окисные пленки практически образуются мгновенно. Так, на поверхности большинства металлов пленка толщиной 15-10-10 м образуется через 0,05 с [Л. 12]. Дальнейшее воздействие воздуха на ме­ талл приводит к росту толщины пленки. При увеличении

мощью которых можно произвести визуальную оценку толщины пленки. Повышение температуры интенсифици-

Т а б л и ц а 4-14

188

рует окислительный процесс при одновременном росте

(2000—3000) ХЮ- 10 м.

При медленном окислении образовавшаяся пленка моделирует первоначальный топографический рельеф металлической подложки. В результате интенсивного на­ грева наблюдается появление локальных окисных обра­ зований в форме пирамид, лежащих выше общего уровня неровностей. На поверхностях металлов с пре­ имущественной ориентацией кристаллов окисная пленка обычно имеет равномерную толщину, в то время как по­ верхности, не обладающие преимущественной ориента­ цией, покрываются пленкой с неравномерной толщиной. Окисные пленки на металлах главных подгрупп I и II групп периодической системы, за исключением бериллия, обладают меньшим атомным объемом по сравнению с чистыми металлами [Л. 118]. Поскольку продукты окисления таких металлов не в состоянии заполнить объем, ранее занимаемый металлом, образующийся окисный слой имеет пористую структуру. Прочность сцепления окисных пленок с подложкой зависит от их толщины и соотношения твердостей металла и его окис­ ла. Экспериментально установлено, что увеличение тол­ щины окисной пленки, как правило, ведет к снижению прочности сцепления системы окисел — металлическая подложка. Пленка, обладающая высокой твердостью при относительно мягкой подложке (алюминий), разрушает­ ся при незначительном мехническом воздействии. В то же время пленки с твердостью, близкой к твердости ме­ таллической подложки (медь, сталь), имеют значительно более высокую прочность сцепления.

Согласно данным [Л. 119] относительная твердость окислов при различных материалах образцов составля­ ет: для алюминия 4, 5; кадмия 1,5; свинца 1, 3; меди 1,2.

Большинство окислов металлов относится к малотеп­ лопроводным материалам (табл. Ш-13), причем с повы­ шением температуры их теплопроводность заметно пада­

ются значительные расхождения в численных значениях коэффициента теплопроводности при одних и тех же температурных условиях. В настоящее время установ­

189

лено |Л. 117, 118], что скорости реакций и соответствуй ющие уравнения скорости окисления металла зависят от температуры, давления газовой среды, времени с на­ чала реакции и технологии обработки поверхности. Кон­ троль за увеличением толщины слоя окисла в начальной стадии процесса окисления можно осуществлять визу­ ально, по изменению цветов побежалости [Л. 117] (см. табл. 4-14). Однако более достоверную информацию о формировании пленки во времени дает решение урав­ нений скорости окисления. Наиболее корректными с точ­ ки зрения описания предельных случаев окисления ме­ таллов, представляются параболические, линейные и ку­ бические уравнения скорости роста пленки.

Параболическая временная зависимость окисления характерна для температур, достаточно высоких, чтобы обеспечить движение вакансий через пленку даже в от­ сутствие градиента электрического потенциала. Путем многочисленных измерений с самыми различными окис­ лительными средами удалось вывести и интерпретиро­

где бо — толщина окисной пленки; ka —постоянный ко­ эффициент параболической зависимости; х — время окис­ ления; сп — постоянная интегрирования.

В отличие от параболического закона окисления, для которого скорость реакции убывает со временем, ско­ рость реакции при линейном законе окисления постоян­ на во времени. Линейная скорость реакции характерна обычно для металлов, которые образуют пористую окисную пленку, не обладающую экранизирующей способно­ стью. Рост толщины пленки по прямолинейному закону проявляется на легких металлах с большим удельным объемом, при высокотемпературном окислении тяжелых металлов, когда пленка плохо сцепляется с подложкой, и в среде с ограниченным количеством окислителя. Про­ цесс окисления, подчиняющийся линейной закономерно­

190

В реальных системах довольно часто встречается пе­ реходное состояние, характеризуемое кубическим зако­ ном окисления, которое в некоторых ограниченных ин­ тервалах времени приближенно можно описать уравне­ нием вида

где kK— постоянный коэффициент кубической зависимо­ сти; ск— постоянная интегрирования.

Уравнение (4-127) справедливо при высокотемпера­ турном окислении различных сплавов [Л. 118], а. также металлов типа титана и циркония [Л. 117].

В ряде случаев при высоких температурах можно на­ блюдать, что параболическое окисление сочетается с ли­ нейным. При этом скорость реакции окисления в началь­ ной стадии характеризуется процессами, протекающими на границах раздела в соответствии с линейными зако­ номерностями. Последующее окисление носит диффузи­ онный характер и подчиняется параболической законо­ мерности, которая описывается соотношением

Поскольку в уравнение скорости (4-128) входит не менее двух подлежащих определению параметров, при­ менение его в расчетной практике сопряжено со значи­ тельными трудностями. В целях облегчения задачи

втабл. 4-15 представлены постоянные коэффициенты уравнений скорости окисления для различных металлов

вдостаточно широком температурном интервале. Оценку численного значения постоянной интегрирования с мож­ но производить при помощи выражения, отображающего ее физический смысл:

где R — газовая постоянная; AS — разность энтропий. Рекомендуемые выше расчетные зависимости

(4-125) — (4-128) позволяют, не производя постановки трудоемких экспериментов, получать информацию по рос­ ту окисных пленок на металлических поверхностях.

Перейдем к рассмотрению процесса теплопереноса через контактные соединения при наличии на их поверх­ ностях окисной пленки. Большинство теоретических ис­ следований контактного теплообмена [Л. 16, 56, 113]

191

Т а б л и ц а 4-15

Значения постоянных коэффициентов скорости окисления металла в уравнениях (4-125) — (4-128)

R = 8 ,3 1 7 -103 Дж/(°С-кмоль); йл, кг/(м2 -с); ka, кг/(м*-с); kK, кг3/'(м6 -с)