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温度试验机理及应用

1. Subject
温度试验机理及应用
2. Task
分析温度试验机理，各项参数的确定以及在实际产品中��应用。
3. Summary
温度对试件的影响
温度相关试验是环境试验入门，包括高温试验、低温试验、温度变化试验。高低温试验主要验证产品在极值温度条件下是否发生变形或功能影响，是否可以正常运作。温度变化试验主要测试产品反复承受温度极值的耐受力。

 高温条件下试件的失效模式
产品所使用零件、材料在高温时可能发生软化、效能降低、特性改变、潜在破坏、氧化等现象。
高温环境对设备的主要影响有：
a. 填充物和密封条软化或融化；
b. 润滑剂粘度降低，挥发加快，润滑作用减小；
c. 电子电路稳定性下降，绝缘损坏；
d. 加速高分子材料和绝缘材料老化，包括氧化、开裂、化学反应等；
e. 材料膨胀造成机械应力增大或磨损增大。

 低温条件下试件的失效模式
产品所使用零件、材料在低温时可能发生龟裂、脆化、可动部卡死、特性改变等现象。
低温环境对设备的主要影响有：
a. 使材料发硬变脆；
b. 润滑剂粘度增加，流动能力降低，润滑作用减小；
c. 电子元器件性能发生变化；
d. 水冷凝结冰；
e. 密封件失效；
f. 材料收缩造成机械结构变化。

 温度变化条件下试件的失效模式
产品所使用零件、材料在温度剧烈变化时可能发生机械故障、开裂、密封损坏、泄漏等现象。
温度剧烈变化对设备的主要影响有：
a. 使部件装配点或焊接点松动或脱落；
b. 使材料本身开裂；
c. 电子元器件性能发生变化；
d. 密封件失效造成泄漏；

非散热试件和散热试件
 非散热试件和散热试件的定义
试件内不产生热量的为非散热试件。在实验室可以采用以下较严格的定义：在没有强迫空气循环的自由空气条件和试验用标准大气规定的气压（86－106kPa）下，试验样品温度达到稳定后，试验样品表面*热点温度与环境温度之差小于5℃的试验样品。
若环境温度不变时，非散热试件的热流方向如下：在环境温度较高时，热由环境大气传入试件；反之，热由试件传入周围大气。热传输过程将不断进行直至试件各部分的温度均达到周围大气温度为止。此后热传输过程停止。非散热试件的*后稳定温度是放置试验样品试验箱的平均温度。
试件内有热量产生为散热试件。较严格的定义为在没有强迫空气循环的自由空气条件和试验用标准大气规定的气压（86－106kPa）下，试验样品温度达到稳定后，试验样品表面*热点温度与环境温度之差大于5℃的试验样品。
散热试件产生的热量不断向周围环境大气发散，直至试件产生的热量与耗散在周围大气中的热量相平衡，试件温度达到稳定。当环境温度上升或下降时，试件内部的温度也将随着一同上升或下降，直至达到新的平衡。散热试件的*后稳定温度需要进行反复测量，当试件的温度每变化3℃后测量其间的时间间隔，当相邻两段时间间隔之比大于1.7时，认为已达到温度稳定状态。

 产品
对于目前的产品来说，在未工作状态产品本身不产生热量，因此在试件未工作状态进行的温度试验都可作为非散热试件来处理。在工作状态进行温度试验的产品目前主要有燃油泵，点火线圈，怠速调节器等。这些产品如在工作条件下进行温度试验都应作为散热试件。特别是点火线圈，工作时的发热量较大，应对其上的温度进行监测。
试验区域空气速度的影响
试验区域中空气和试验样品间的热交换效率取决于空气流动的速度。
对于非散热试件，较高的空气流动速度可以使试件各部分的温度较快速的达到周围空气的温度。一般在试验区域未摆放试件的情况下，空气流动速度应不低于2m/s。
对于散热试件，试件样品*热点的温度高于周围环境温度时，应在无强迫空气流动（自由空气条件）的环境下进行试验，否则试件的温度将被降低，从而减小试验的严酷程度。
试验区域中试件的摆放
多个样品在同一试验箱进行高温实验时，应保证所有样品都处在同一环境温度下，并具有相同的安装条件。对于散热样品而言，各个试件之间不能因辐射散热而影响到其它试件，即试件间间隔应足够大，这样对于单个试件来说，其他散热试件辐射到其上的热量所造成的温度变化就很小，到可忽略的程度。对于非散热试件，温度保持不变的高温或低温试验，试件间的间距可以不做要求，因为温度恒定后试件的温度与温度试验箱内的温度保持一致，不发生热量交换，试件间的间距对试验不会产生影响。非散热试件的温度变化试验试件间则应该保持间隔，使试验件之间有足够的空气流动，加速试件与温度试验箱之间的热交换，使试件尽快达到试验指定的温度。
高低温试验
试验持续的时间的确定
在化学中一条常用的规律是在高温下反应的速度要快一些。
这一规律被应用到技术中，以便进行加速试验，这也被称为阿仑尼斯方程。
阿仑尼斯关系从数学上的表示为：
AF(T)=e^(EA/K)*(1/T实际–1/T试验室)
式中数值：
AF= 加速度系数
Ea=激活能
K=玻尔兹曼常数(8.65×10-5ev/K)
T实际=在实际负荷下的温度(**温度)
T实验室=在实验室负荷下的温度(**温度)
为确定加速度系数激活能必须是已知的，对于一般的电子元件经常采用的值是：
Ea=0.44Ev
在产品不工作时进行的低温或高温实验，试验的持续时间为试验样品达到温度稳定后，根据试验样品的特点和试验目的确定。也可从下列等级中选取：2，16，72，96h。
t = t稳定 + to (to由计算产生或=2，16，72，96h)
一般情况下，汽车零部件产品的温度试验继续时间都是依据汽车的使用寿命计算确定的。如规定汽车的使用寿命为10年，实际工作时间为4000h。这样就可以根据阿仑尼斯方程来确定高温下的加速试验所需的时间。不过这样的寿命加速试验只适用于由于温度造成产品腐蚀或影响化学反应速度造成产品失效的情况。
 若试验目的是检查产品在高温或低温时的工作性能,试验时间只要进行到试验样品到达温度稳定即可。
试验样品在某一环境温度下达到温度稳定所需要的时间的确定
试验样品在某一环境温度中的温度变化大致符合指数规律。可用下式表示：
试件样品的温度变化值
其中：ΔTW－试件达到稳定温度时的温度变化值，单位℃
t－试验时间，单位s
试验样品在某一环境温度下达到温度稳定的时间约为热时间常数τ的3～5倍，一般取4倍。
t稳定 = 4τ
如果ΔTW为试件达到稳定温度时的温度变化值，时间与试件样品的温度变化值的关系如下表：

时间	τ	2τ	3τ	4τ	5τ
试件温度变化值	0.632ΔT_W	0.865ΔT_W	0.950ΔT_W	0.982ΔT_W	0.993ΔT_W

热时间常数 τ=GC/Sλ
其中：G－质量，单位g
C－比热，单位J/(g•℃)
S－散热面积，单位cm2
λ—散热系数，单位W/(cm2•℃)
由于散热系数与试件材料、形状、周围介质的性质及运动速度有关，因此通过计算较难确定，一般情况下通过试验来取得。
温度变化速率的确定
在恒定高温或低温试验中温度由室温变化到试验指定温度时，温度变化速率应不超过1℃/min，这样可以保证试件不受到由于温度快速变化而产生的影响。

温度交变试验条件的确定
 温度变化对试件的影响
温度变化试验主要用于评定一次或连续多次温度变化对试验样品的影响。在储存、运输或不工作状态，外界环境温度变化对内部元件的影响较外部元件小，内部元件所受到的温度变化是逐渐变化的，外部元件所受到的温度变化是迅速变化的，如产品从温暖的室内搬到寒冷的室外；产品经强烈太阳照射后突然受到雨淋等。
试验样品在温度变化时由于各部分的热膨胀系数不同，在试验样品内部将产生热应力。当高温和低温之间的转换时间越小时，试验样品所受到的热应力越大。体积较小的试件由于各部分温度易于均衡，在温度变化的过程中其所受的热应力要比大试件小得多。
试验过程中温升和温降对试件的影响是不同的。由低温环境转到高温环境时，在试件上可能出现凝露或霜，会引起附加的应力。

 温度变化的试验方法
根据对试件考核要求的不同可将温度变化试验分为温度循环试验和温度冲击试验。温度循环试验主要考核试件耐环境温度变化的能力和在温度变化期间的电气和机械的工作性能，温度冲击试验主要考核试件在温度急剧变化一定次数后的性能及材料耐抗性。

 高温温度与低温温度的确定
试件在实际使用过程中的环境温度*大值定为试验的高温温度，实际使用过程中的*小值定为试验的低温温度。

温度转换时间和温度变化速率的确定
在温度冲击试验中温度变化参数为温度转换时间，温度转换时间越短对于试件的考核越严酷，可在以下数据中选取：
<10s；20－30s；2－3min
对于较小的试件或要求较严时可取<10s。
在温度循环试验中温度变化参数为温度变化速率，温度变化速率应根据实验样品在实际使用或储存过程中可能遇到的情况来确定。
 暴露时间的确定
暴露时间取决于实验样品达到周围空气温度时的热平衡时间，应根据试件的热时间常数来选择试样暴露所需要的时间。对于较大的试验样品内部和表面的热时间常数可能相差很大，应选择*里面或*易损部分的热时间常数来确定。
试验样品的热时间常数取决于周围空气的性质和运动速度。应在实验室实际环境条件下通过试验确定。暴露时间一般取4倍热时间常数值。
 试验循环次数的确定
由于温度交变在试件中引起机械应力，导致随温度交变次数的增加试件内部振动的增加。在可靠性技术中适用以下经验求得的关系式：
N（ΔT）k =常数
其中：N= 温度周期的次数
ΔT=温度变化，即高温与低温的差值
K =指数（取决于失效机理）
上述的一般关系在有的参考文献中称为Coffin-Manson公式。可改写为如下形式：
Nf1/Nf2 =(ΔT2/ΔT1)^K
其中：Nf1 = 至失效为止的周期次数（实际）
Nf2 = 至失效为止的周期次数（试验）
ΔT1 = 温度上升（实际）
ΔT2 = 温度上升（试验）
k= 对遭受交变负荷的、其变形在塑性范围内发生的金属为2

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