Пример исследования теплопроводности СМК

Для определения необходимых теплофизических характеристик проводились исследования коэффициента эквивалентной теплопроводности сталеалюминиевого композита сталь Ст3 + алюминий АД1. Сварка взрывом проводилась на режимах, рассчитанных на ПЭВМ с использованием программы «Welding», обеспечивающих подтвержденное металлографическим анализом (рис.6.2, а) отсутствие непроваров и незначительное содержание оплавов на гребнях волнообразного профиля границы соединения.

Значения эквивалентного коэффициента теплопроводности λ_СКМ исследовались на компьютеризированном приборе "КИТ-02Ц" КБ «Теплофон», предназначенном для измерения теплопроводности композиционных образцов из металлов, металлокерамики и других материалов в диапазоне от 1 до 400 Вт/м ^. К с погрешностью не более 3%. Измерения теплопроводности каждого композита проводилось не менее 8 раз при переустановке образца и рассчитывалось среднее значение.

а	б
Рис. 6.2. Микроструктура (×100) границы соединения в сваренных взрывом биметаллических образцах сталь Ст3 + алюминий АД1 после сварки взрывом (а) отжига при 500 оС в течение 1 ч

Для определения достоверности полученных значений коэффициентов теплопроводности композита в целом, и его отдельных составляющих (в первую очередь, ЗМУ и диффузионной интерметаллидной прослойки) измеряли теплопроводность образцов композита АД1+Ст3 близкого поперечного сечения, но двух различных толщин: Σδ = 5,7 мм с соотношением δ₁ / δ₄ =0,7и Σδ = 8,7 мм с соотношением δ₁ / δ₄ =1,7, схема которых приведена на рисунке 6.3.

Рис. 6.3. Схема образцов композита АД1+ Ст3

 

Толщины слоев металлов (δ₁ +δ₂)и(δ₃ +δ₄)измеряли от поверхности до средней линии волнообразной границы соединения на инструментальном микроскопе МБИ-2 с точностью 5 мкм. Зоны механического упрочнения ЗМУ₁ и ЗМУ₂ металлографически не выявлялись, и их толщины δ₂ и δ₃ определяли по графикам распределения микротвердости (рис.6.4, а). Для снятия искажений кристаллической решетки и образования диффузионных прослоек композит подвергался отжигу различной продолжительности при температурах 300 и 500 ^оС. Толщины диффузионных прослоек измеряли как металлографически по толщине образовавшихся интерметаллидов (рис.6.2, б), так и по распределению микротвердости (рис.6.4, б). В связи с тем, что образцы различной толщины подвергались одинаковому термическому воздействию, в приграничной зоне проходили идентичные изменения структуры и свойств.

Отжиг при 350^оС 3 часа не привел к появлению интерметаллидной прослойки, но снизил уровень напряжений и микротвердость в околошовной зоне композита (рис.6.4, б). После отжига при 500^оС образовалась прерывистая интерметаллидная прослойка (рис.6.2, б).

 

а

	б
Рис. 6.4. Микротвердость в околошовной зоне композита АД1+ Ст3 после сварки взрывом (а) и отжига при 350оС 3 и 500оС 1 ч (б): 1- 350оС 3 ч; 2 - 350оС 15 ч; 3 - 500оС 5 ч

По экспериментальным данным рассчитывался эффективный коэффициент теплопроводности зон механического упрочнения λ_ЗМУ и диффузионных прослоек λ_ДП без разделения на зоны в алюминии и стали:

 

, (6.4)

. (6.5)

При расчете использовались следующие значения теплопроводности исходных компонентов: для стали Ст3 λ_Ст3 = 63 Вт/(м*К), для алюминия АД1 λ_АД1 = 219 Вт/(м*К). Эти табличные значения экспериментально проверялись как на исходных материалах до сварки взрывом, так и на образцах, вырезанных из сваренных композитов вне ЗМУ.

Полученные значения эффективных экспериментальных коэффициентов теплопроводности композита и расчетных коэффициентов теплопроводности переходной зоны приведены в таблице 6.1. и на рис.6.5. Рассчитанный эффективный коэффициент теплопроводности ЗМУ, неоднородной по степени искажения кристаллической решетки, степень деформации которой на линии соединения может достигать 500% в 20 раз ниже эффективного коэффициента теплопроводности СМК и в 12 раз коэффициента теплопроводности стали. Коэффициент теплопроводности диффузионной прослойки, включающей твердые растворы переменной концентрации и прерывистую интерметаллидную прослойку, составляет 1,5 Вт/(м*К), что близко к теплопроводности горных пород – мрамора и сланца.

Близкие расчетные значения коэффициентов теплопроводности, полученные для образцов с различными размерами и соотношением толщин составляющих слоев, свидетельствуют о достоверности полученных результатов правомерности применения данной расчетной и экспериментальной методики.

 

Таблица 6.2

Эффективные коэффициенты теплопроводности СМК и переходных прослоек

Толщина образца, мм	Соотношение толщин слоев АД1 и Ст3 δ1 / δ4	Режимы отжига	Толщина ЗМУ или ДП, мкм	Эффективный коэффициент теплопроводности СКМ, λСКМ, Вт/(м*К)	Эффективный коэффициент теплопроводности прослойки, λЗМУ, (λДП) Вт/(м*К)
t, оС	τ, ч
5,7	0,7	–	–			6,4
8,7	1,7		6,0
5,7	0,7					4,9
8,7	1,7		4,3
5,7	0,7					3,1
8,7	1,7		2,8
5,7	0,7					2,4
8,7	1,7		2,5

Рис. 6.5. Изменение теплопроводности переходной зоны КМ: а – образец толщиной 5,7 мм, б – толщиной 8,7 мм; 1- после СВ, 2 – отжиг 350 ^оС 3 ч, 3 – отжиг 350 ^оС 15 ч, 4 – отжиг 500 ^оС 5 ч

6.2. Задания для самостоятельного выполнения

Спроектировать слоистый интерметаллидный композит с заданным коэффициентом теплопроводности (таблица 6.3).на основании предоставленных экспериментальных данных о кинетике роста диффузионных прослоек в некоторых композитных системах (рис. 6.6-6.9) и известных коэффициентов теплопроводности (таблица 6.3). При проектировании выбрать состав, количество слоев, режимы термической обработки, провести расчет по правилу аддитивности.

Преподавателем могут быть дополнительно установлены требования коррозионной стойкости, жаропрочности, электропроводности, высокой удельной прочности.

Таблица 6.3

Варианты заданий для практического занятия

Вариант

Коэффициент теплопроводности композита, Вт/ (м К)

 

Рис. 6.6. Кинетика роста толщины диффузионной прослойки в композите алюминий-магний при 630оС	Рис. 6.7. Кинетика роста толщины диффузионной прослойки в композите алюминий-титан при 620оС

 

Протокол выполнения практической работы должен содержать обоснование выбора компонентов, числа слоев и режима диффузионного отжига, график роста интерметаллдидной прослойки в выбранной системе, а так же расчет коэффициента теплопроводности спроектированного материала.

Рис. 6.8 Кинетика роста диффузионной прослойки в композите-сталь: 1 - 950оС, 2 – 1000оС	Рис.6.9. Кинетика роста толщины диффузионной прослойки в композите алюминий-медь при 500оС

Таблица 6.4

Коэффициенты теплопроводности компонентов слоистых металлических и интерметаллидных композитов

№ п/п	Сплав	Коэффициент теплопроводности, Вт/ (м К)
Компоненты СИК:
	Медь М1
	Алюминий АД1
	Сталь 20/ Ст3
	Сталь 12Х18Н10Т
	Титан ВТ1-0
	Магний МА2-1
Интерметаллидные прослойки систем:
	Алюминий-магний	6,5
	Титан-алюминий
	Медь-алюминий
	Титан-сталь