温度环境试验及其标准综述（一）温度对装备的影响及温度试验的重要性

2014-03-25蔡良续龙德中宋小燕李宝晗祝耀昌

环境技术 2014年4期

蔡良续，龙德中，宋小燕，李宝晗，祝耀昌

（1. 中国航空综合技术研究所，北京 100028； 2. 重庆哈丁科技有限公司，重庆 400036；3. 中电集团20 所，西安 710068； 4. 中航工业洛阳光电所，洛阳 471009）

1 温度试验的重要性

温度是产品贮存、运输和使用中时刻要遇到的环境、温度本身及温度与其他环境综合作用，时刻在影响着军用装备的性能，导致出现各种形式的故障。

温度影响造成的故障是很多的。据统计，由环境影响造成产品的故障占全部故障的52%左右，而在这52%的由环境造成的故障中温度故障占40%。振动故障占27%，湿热故障占19%。因此，为了提高产品对温度环境适应能力，为了保证设计的产品能满足合同或协议书中规定的温度要求，为了保证生产的产品保持其设计时耐温度环境能力。在产品的研制和生产各阶段均应安排温度试验。温度试验是用得最多的、最广泛的试验，可以说任何产品的环境试验中均有温度试验项目，任何产品的研制、定型和批生产各个阶段都要安排相应的温度试验(如图1所示)，温度试验贯穿产品研制和生产的全过程。

可靠性研制、鉴定和验收试验，环境应力筛选(ESS)，以及目前广为应用的高加速寿命试验(HALT)和高加速应力筛选(HASS)，同样需要用到温度试验，温度试验与振动试验是提高和验证产品环境适应性和可靠性的最常用的手段。

2 温度对装备的影响

2.1 影响机理

图1 温度试验贯穿于产品研制和生产全过程

温度是物质内部分子(原子、电子)运动能量(内能)的一种表征方式，它与长度、质量和时间一起构成描述物质特性的四个基本物理量。物质吸收外界能量后造成其内部分子运动速度升高，表现形式为温度升高。分子动能的增加将导致物体膨胀，物体状态变化和物体的物理、化学特性发生改变。

物体膨胀和收缩导致其物理尺寸变化。物体通常以固体、液体和气体三种状态存在，这些状态通常存在于一定的温度范围，因而存在着固体—液体—气体状态转变的临界温度即临界点。温度升高或下降还会使材料的某些物理化学特性或参数发生变化，一般是随着温度的升高而增大，反之亦然，这些参数主要包括：

①一种材料在另一种材料中的扩散

②金属的电阻率

③半导体的电导率

④热电接头的电压

⑤电子的热发射

⑥固体的延展性

⑦化学反应速度

⑧气体中的声速

⑨理想气体的导热率

⑩气体的电导率

物体状态和物体某些物理化学特性，往往到一定温度会产生突然的变化，这一温度称为临界点或临界温度，具体如表1所示。不同物质的这些临界点的数值各不相同。

表2 高温诱发的电气元件失效模式

2.2 典型影响或故障模式

温度对物质(物体)的影响取决于：①最高温度及其作用时间；②最低温度及其作用时间；③温度变化范围、变化的速率及其变化次数。

军用装备在温度的影响下出现的典型问题和影响见参考资料6。

2.2.1 高温

高温主要是使材料性能恶化，造成的影响可以从结构完整性破坏到相变引起灾难性的破坏。高温诱发的电气元件的失效模式如表2所示，它们可以是热力效应、电磁效应、辐射效应，化学动力学效应作用的结果，其机理是，随着温度增加，电子、原子、分子运动速度加快，激发出上述效应，故通常对物质（材料）都规定一个最高使用温度（如表3）。

2.2.2 低温

与高温相反，由于电子、原子、分子运动速度减小，低温导致物质收缩、流动性降低、凝结变硬，又因为冶炼、轧制、设计形状，切削创伤、焊接淬火、锻造塑性、弹性变形造成内应力，使构件出现明显脆性(冷脆现象)。

金属低温冷脆，表现为屈服强度和极限拉伸强度更高，但耐冲击(或碰撞)能力降低很多，有的甚至粉化。脆化转变温度与金属的成分、冶炼结晶和应力集中有关，奥氏体不锈钢、铝、铜、镍、铅、银、金和铂等金属无明显的脆化温度，大多数合金结构钢（含铌、钽、钒、铬）表现明显的韧性—脆性的转变，钛、锆、锰、铋、钴、锌和镉与结构钢具有类似的特性。但高纯度的钛合金，低温下强度增加，而延展性无明显的降低。