Термический анализ бинарных систем металл-металл

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ БИНАРНЫХ СИСТЕМ МЕТАЛЛ-МЕТАЛЛ

А.В. Тюкин, С.В. Бирюков, Л.В. Тюкина

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

Омский государственный технический университет

Аннотация

Эффективная защита металлических конструкций в различных отраслях промышленности является актуальной задачей. Одним из способов защиты металла является способ нанесения на металл тонкопленочных металлических покрытий. Данный метод изменения свойств поверхности материала является наиболее дешевым, чем использование цельных материалов с необходимыми свойствами. При нанесении покрытий можно создать материал, который будет отличен по свойствам от своего предыдущего состояния без покрытия.

Известно, что срок службы металлических тонкопленочных покрытий зависит от адгезионной прочности с подложкой. Анализ экспериментальных исследований показывает, что на адгезию большое влияние оказывает температура, поэтому знание о тепловой напряженности и температурном градиенте в бинарных системах металл-металл позволит создать необходимые условия для увеличения их долговечности.

Ключевые слова: бинарные системы, металлические покрытия, температурное поле, теплопроводность.

Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры в теле или системе. Возникающее в теле или системе температурное поле является совокупностью значений температуры во всех точках тела в данный момент времени и математически описывается уравнением:

t = f(x, у, z, т). (1)

Явление теплопроводности в твердых телах и связанная с ним плотность теплового потока q, пропорциональна градиенту температуры и коэффициенту теплопроводности вещества л [1]:

q = - л qradt, (2)

Решение задачи, связанной с распределением температуры при стационарном режиме, сводиться к расчету распространения теплоты через бинарную систему, состоящую из двух разнородных материалов (рис.1) имеющих толщины д₁ и д₂; коэффициенты теплопроводности л₁ и л₂ [2].

Если коэффициент теплопроводности не зависит от температуры, то распределение температуры в системе металл-металлическое покрытие изменяется линейно, а при рассмотрении системы в целом - температурная кривая представляет ломаную линию [3]. Более значительно температура меняется в слое металла с меньшей теплопроводностью. На рис.1 представлена система, у которой коэффициент теплопроводности металлической пленки л₂ больше коэффициента теплопроводности металлической конструкции л₁. Такое распределение температуры наблюдается, например, для системы сталь-медь (для стали л₁= 52 Вт/(м·⁰С), для меди л₂= 380 Вт/(м·⁰С)). Однако учитывая, что металлическое покрытие имеет малую толщину, размеры которого не превышают 100 мкм, можно допустить, что температура покрытия будет равна температуре верхнего слоя стальной подложки.

тонкопленочный металлический покрытие бинарный

Рис.1. Бинарная система металл-металлическое покрытие

Стоит отметить, что опытные данные указывают на возрастание коэффициента теплопроводности л для большинства металлов с повышением температуры, а зависимость л(t) описывается уравнением вида:

л = л₀(1+b·t), (3)

где л₀ - значение коэффициента теплопроводности при t = 0 ⁰С; b - постоянная, определяемая опытным путем.

С учетом зависимости коэффициента теплопроводности л от температуры, уравнение температурной кривой будет иметь вид:

(4)

Но даже с учетом уравнения (3) погрешность результата изменения температуры в системе незначительна.

Предложенный стандартный метод расчета позволяет определить изменение температуры в системе металл-металлическое покрытие, но он имеет ряд недостатков. Например, метод не учитывает такие факторы как возникновение в бинарной системе поля механических напряжений и деформаций [4]. Указанный тип задачи является сложным для аналитического решения, а его экспериментальная реализация в некоторых случаях требуют больших затрат. Поэтому для решения такой задачи очень часто используют компьютерное моделирование.

Рассмотрим решение вышеприведенной задачи с помощью программы ANSYS, которая относится к классу сложных систем и имеет расширенные вычислительные возможности. Программа была использована для проектирования и расчета, связанного междисциплинарного анализа Steady-State Thermal - Static Structural в основе которой лежит метод конечных элементов МКЭ [5].

На рис.2 представлено окно анализа, включающее в себя геометрическую модель, модель и настройки термического анализа и связанного с ним окна настроек статического анализа.

Рис. 2. Окно анализа Steady-State Thermal - Static Structural

Приведем пример расчета температурного поля в бинарной системе сталь-медь. В качестве начальных условий были выбраны следующие параметры: размер стальной пластины составлял 100х100х10мм, размер медного покрытия - 100х100мм при толщине покрытия 100 мкм, медная пластина охлаждалась конвекционным потоком воздуха, температура окружающей среды составляла 25 ⁰С, а приложенная температура к нижней грани стальной подложки 200 ⁰С.

На рис. 3 представлено окно программы анализа Steady-State Thermal. Вид температурного поля подтверждает правильность вывода о том, что покрытие в силу малой толщины имеет такую же температуру, что и верхние слои стальной подложки.

Рис. 3. Распределение температуры в системе сталь-медь

Результаты проведенного связанного анализа свидетельствуют о сложном характере взаимодействия системы покрытие-подложка [6]. Изменяющаяся со временем температура действительно оказывает влияния на такие характеристики как механическое напряжение и деформация. На рис. 4 представлена деформация и механическое напряжение в бинарной системе.

Рис.4. Объемная деформация и механическое напряжение в бинарной системе сталь-медь

Наглядное представление связанного междисциплинарного анализа Steady-State Thermal - Static Structural дает ряд преимуществ одним, из которых является возможность определения адгезионной прочности. Сравнивая значения допустимого напряжения материала покрытия с полученным расчетным напряжением можно делать выводы о запасе прочности, качестве и надежности такой бинарной системы.

По результатам анализа можно сделать следующие выводы:

1. Распределение температуры в системе сталь - медное покрытие, полученное с помощью программы ANSYS, имеет линейный характер также как и в предложенном выше стандартном методе расчета. Исходя из этого, для оперативного расчета распределения температуры в системе можно воспользоваться формулой (4).

2. Примененный статический анализ для расчета деформаций в системе показывает, что минимальное значение деформации приходится на центральную часть системы сталь - медное покрытие и увеличивается по направлению к внешним границам системы.

3. Результаты анализа механического напряжения показывают, что не зависимо от характера распределения деформации в системе, максимальное напряжение приходиться на медное покрытие.

4. Сравнивая допустимое напряжение на растяжение (сжатие) для меди равное 110 МПа с расчетным значением механического напряжения 177,83 МПа (рис.4) можно сделать вывод о том, что при данных условиях эксперимента произойдет отслоение медного покрытия.

Библиографический список

1. Плотников А.В. Моделирование процесса теплопроводности полосы высокотемпературного металла // Современная металлургия нового тысячелетия. 2015. С. 237-241.

2. Белолипецкий В.М., Пискажова Т.В., Портянкин А.А. Модель скоростного конвективного нагрева металла для использования в алгоритмах АСУТП // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2016. №3. С.544-561.

3. Мажукин В.И., Шапранов А.В. Математическое моделирование процессов нагрева и плавления металлов. Часть 1. Модель и вычислительный алгоритм // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2012. №31. С.1-27.

4. Мурашов М.В., Панин С.Д. Особенности численного решения задачи контактного деформирования шероховатых тел в ANSYS // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2016. № 1. C. 129-142.

5. Иванок В.А., Еркаев Н.В. Анализ упругих деформаций в подшипнике скольжения // Фундаментальные исследования. 2015. № 6(2). С. 241-245.

6. Медникова В.А., Плешивцева Ю.Э. Моделирование процесса непрерывного индукционного нагрева металла в программном пакете ANSYS // Наука, технологии, инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых. Министерство образования и науки Российской федерации, Новосибирский государственный технический университет, 2013. С. 127-131.

Размещено на Allbest.ru