Содержание к диссертации
Введение
Основные проблемы оценки надежности паяных соединений и узлов 5
Глава 1. Особенности коррозии соединений и узлов из меди и медных сплавов 12
1.1.Условия работы паяных соединений и узлов
систем охлаждения , 13
1.2.Общая характеристика электрохимической коррозии паяных узлов из меди и медных сплавов 17
1.3.Коррозия меди и медных сплавов в потоке охлаждающей среды . , 35
1.4.Коррозия меди и медных сплавов в условиях теплообмена 4 6
1.5.Коррозионно-механическая прочность паяных соединений 47
1.6.Экспериментальные методы оценки стойкости металла паяных узлов при коррозии под напряжением 57
1.7. Выводы 71
Глава 2. Анализ процессов разрушения паяных узлов 74
2.1. Системное представление коррозии паяных узлов 7 4
2 .2 .Образование диссипативных структур 7 8
2.3.Критерии разрушения паяных соединений и узлов 81
2.4. Выводы 114
Глава 3. Методика исследования коррозионного поведения паяных соединений и узлов 115
3.1. Стратегия коррозионно-механических испытаний паяных узлов 115
3.2.Методика оценки параметров разрушения узлов 127
3. 3 .Электрохимические методы оценки 135
3 .4 .Испытания в потоке агрессивной среды. 144
3.5.Оценка коррозии под напряжением паяных соединений и узлов 162
3.5.1.Квазистатическое механическое нагружение 162
3.5.2.Испытания при переменном механическом нагружении 173
3. 6.Оценка точности измерений 178
3.7. Выводы 182
Глава 4. Моделирование процессов разрушения паяных узлов 183
4.1.Особенности технологии моделирования процессов -коррозии 183
4.2.Существующие модели коррозии металлических материалов 195
4.3.Флуктуации энергетических параметров при корро зии паяных узлов 205
4.4.Диффузионная аппроксимация кинетики коррозии паяных узлов 215
4 . 5 .Детерминированная модель коррозии паяных узлов... 230
4 . 6.Выводы. 282
Глава 5. Вопросы устойчивости стационарных состояний системы «паяное соединение - внешняя среда» 283
5.1. Общие соображения 283
5.2.Устойчивость при малых возмущениях 284
5.3.Критерии устойчивости состояний, далеких от стационарного 5.4. Выводы 303
4 Глава 6. Оценка эксплуатационной надежности паяных узлов 305
6.1.Условия работоспособности узлов 305
б.2.Выбор основных показателей надежности 315
6-3.Критерии отказа соединений и узлов 323
6.4.Подходы к оценке надежности паяных узлов 331
6.4 .1 .Диффузионная модель надежности 331
6.4.2.Оценка надежности паяных узлов с помощью метода линеаризации исходных данных 335
6.5. Выводы 339
Общие выводы 341
Заключение 344
Список литературы. 34 6
Приложение 1 37 6
Приложение 2 380
- Особенности коррозии соединений и узлов из меди и медных сплавов
- Системное представление коррозии паяных узлов
- Стратегия коррозионно-механических испытаний паяных узлов
Особенности коррозии соединений и узлов из меди и медных сплавов
Преимущества пайки как технологического процесса -высокая производительность, возможность создания разнообразных конструкций с заданными технико-экономическими характеристиками, экономия материалов и снижение металлоемкости изделий, - обусловили широкое применение паяных узлов и конструкций в народном хозяйстве. Это изделия радиоэлектроники, узлы трубопроводов теплоэнергетических установок, строительные конструкции, теплообмен-ные аппараты различного назначения и другие.
В настоящее время в промышленности изготавливается большое количество технических систем обеспечения необходимой температуры и влажности при эксплуатации сложных устройств и аппаратов. В качестве теплоносителей этих ответственных систем используются различные рабочие среды - жидкости, газы, воздух, масло и др.
Основными элементами систем охлаждения и подогрева являются теплообменные аппараты и трубопроводы, определяющие надежность, экономичность и безопасность работы многих ответственных изделий. Отказы теплообменных аппаратов и трубопроводов, выражающиеся чаще всего в виде нарушения герметичности [183] между полостями с теплоносителем, приводят к вынужденному простою и прекращению функционирования сложных и ответственных систем и значительным экономическим потерям {например, по данным [2 6], стоимость вынужденного простоя крупных турбогенераторов в течении 2-3 месяцев соизмерима с первоначальной стоимостью этих уникальных машин).
Несмотря на большое количество теплообменников, различающихся по конструктивным признакам, типоразмерам, массе, применяемым материалам, все они конструктивно состоят из трубных решеток (досок) и теплообмен-ных элементов, собранных в виде пучка труб или пакета пластин.
Пайка теплообменных аппаратов является одной из основных операций технологического процесса, при проектировании и изготовлении систем охлаждения и подогрева во все большем объеме используются паяные соединения, узлы и конструкции.
Системное представление коррозии паяных узлов
Системный подход к анализу процессов коррозии паяных узлов позволяет получить необходимую информацию о поведении этих узлов, не прибегая к детальному рассмотрению наследственных свойств металла соединений и особенностей эксплуатационных условий. В рамках функционального подхода [14 6] коррозионное поведение системы (паяного узла) рассматривается с позиции внешнего взаимодействия среды-и системы. Хотя среда определенным образом изменяет свойства системы, изучение процессов осуществляется в условиях заданного отношения «система - среда». Формально среда выражается в виде набора параметров, независящих от свойств системы.
Основываясь на общих представлениях [201,209], паяное соединение или узел следует считать системой, являющейся целостной совокупностью взаимосвязанных характерных объемов материала (элементов), взаимодействующих между собой и с окружающей средой по определенным законам.
Исследуемые соединения и узлы характеризуются состоянием с ={с] в данный момент времени t,, которое зависит от предыдущего состояния с(/,_,), текущего времени и внешних взаимодействий і є{l}, то есть
Очевидно, определение показателей разрушения паяных соединений необходимо осуществлять путем моделирования изменения состояния С соединения при воздействии входного вектора X и последующего построения и анализа модели коррозии исследуемых узлов. Под входными воздействиями будем понимать длительность влияния и концентрацию компонентов агрессивной среды, температуру электролита, скорость перемешивания электролита, механические воздействия и др., то есть эксплуатационные условия, в которых необходимо рассматривать функционирование паяного соединения и всех характерных зон металла. Отличительной особенностью внешних воздействий является их комплексность, проявляемая в одновременном и последовательном влиянии указанных выше факторов. Формально механизм разрушения паяных соединений можно представить в виде процессов преобразования вектора состояния системы С и вектора внешних воздействий X в вектор выходных параметров Y на основе наблюдаемого соответствия между отдельными значениями входа X и выхода Y .
В процессе взаимодействия паяного соединения с внешней (окружающей) средой участвуют лишь частицы, находящиеся вблизи его поверхности. Следовательно, энергия взаимодействия металла соединения со средой по сравнению с ее внутренней энергией достаточно мало, и внешнюю среду, оказывающую конкретное воздействие на металл соединения, можно условно представить в виде резервуара энергии и частиц с определенными характеристиками (рис. 2.1.1). Такой подход дает возможность рассматривать в дальнейшем внешнюю среду как отдельную систему, взаимодействующую с паяным соединением и проявляющуюся через комплекс внешних воздействий. Одновременно необходимо учитывать, что поведение соединений формируется особенностями воздействия внешней среды и подчиняется определенным закономерностям. Взаимные энергетические воздействия, которым подвергаются соединения в процессе эксплуатации, не представляют возможным независимое изучение свойств среды и соединений.
Стратегия коррозионно-механических испытаний паяных узлов
Математическое описание процессов коррозионно-механического разрушения паяных узлов является необходимым для разработки методов прогнозирования и диагностики поведения конструкций, создания средств повышения надежности узлов.
Существует несколько подходов к оценке поведения металлических материалов в условиях воздействия агрессивных сред и механических нагрузок. Сложность процессов коррозионно-механического разрушения не позволяет на современном этапе оценивать состояние соединений и узлов, исходя из существующих теоретических разработок. Поэтому необходимо использовать экспериментальные методы оценки, позволяющие достаточно просто и без существенных затрат определить свойства исследуемых материалов в заданных условиях нагружения [97,117]. Основным недостатком этого подхода, на наш взгляд, является невозможность использования полученных результатов для других типов узлов и конструкций, для иных условий эксплуатации этих узлов.
Другой метод, метод аналитического описания процессов коррозии, отличается возможностью применения полученных математических зависимостей для более широкого класса материалов, конструкций и режимов работы. Однако методы аналитического описания особенностей разрушения являются недостаточно точными, так как основаны на использовании недостаточно корректных допущений. Кроме того, для получения исходных данных этот метод требует проведения сложных поисковых опытов.
Но есть другой подход к оценке коррозионно-механической прочности материалов - экспериментально-аналитический метод описания процессов разрушения, наиболее полно сочетающий в себе достоинства названных выше методов. В данной работе используется именно этот подход, предполагающий вначале проведение экспериментальных исследований, анализ полученных зависимостей, а затем составление уравнений процессов разрушения соединений и узлов с обязательным анализом физического смысла полученных математических моделей [119].
Определение показателей надежности исследуемых соединений и узлов базировалось на использовании расчет-но-экспериментальных моделей процессов коррозии в условиях, имитирующих эксплуатационные. Проведение работ осуществлялось в следующей последовательности {рис. 3.1.1)
Этап 1. Проведение поисковых и стендовых коррозион-но-механических испытаний паяных узлов. Анализ и интерпретация результатов экспериментальных исследований.
Этап 2. Разработка моделей работы паяных узлов в условиях коррозионно-механического воздействия.
Этап 3. Разработка методик оценки показателей надежности паяных узлов.
