溫度環(huán)境試驗(yàn)及其標(biāo)準(zhǔn)綜述（一）溫度對(duì)裝備的影響及溫度試驗(yàn)的重要性

蔡良續(xù)，龍德中，宋小燕，李寶晗，祝耀昌

（1. 中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028； 2. 重慶哈丁科技有限公司，重慶 400036；3. 中電集團(tuán)20 所，西安 710068； 4. 中航工業(yè)洛陽光電所，洛陽 471009）

1 溫度試驗(yàn)的重要性

溫度是產(chǎn)品貯存、運(yùn)輸和使用中時(shí)刻要遇到的環(huán)境、溫度本身及溫度與其他環(huán)境綜合作用，時(shí)刻在影響著軍用裝備的性能，導(dǎo)致出現(xiàn)各種形式的故障。

溫度影響造成的故障是很多的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由環(huán)境影響造成產(chǎn)品的故障占全部故障的52%左右，而在這52%的由環(huán)境造成的故障中溫度故障占40%。振動(dòng)故障占27%，濕熱故障占19%。因此，為了提高產(chǎn)品對(duì)溫度環(huán)境適應(yīng)能力，為了保證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能滿足合同或協(xié)議書中規(guī)定的溫度要求，為了保證生產(chǎn)的產(chǎn)品保持其設(shè)計(jì)時(shí)耐溫度環(huán)境能力。在產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)各階段均應(yīng)安排溫度試驗(yàn)。溫度試驗(yàn)是用得最多的、最廣泛的試驗(yàn)，可以說任何產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)中均有溫度試驗(yàn)項(xiàng)目，任何產(chǎn)品的研制、定型和批生產(chǎn)各個(gè)階段都要安排相應(yīng)的溫度試驗(yàn)(如圖1所示)，溫度試驗(yàn)貫穿產(chǎn)品研制和生產(chǎn)的全過程。

可靠性研制、鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)，環(huán)境應(yīng)力篩選(ESS)，以及目前廣為應(yīng)用的高加速壽命試驗(yàn)(HALT)和高加速應(yīng)力篩選(HASS)，同樣需要用到溫度試驗(yàn)，溫度試驗(yàn)與振動(dòng)試驗(yàn)是提高和驗(yàn)證產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性和可靠性的最常用的手段。

2 溫度對(duì)裝備的影響

2.1 影響機(jī)理

圖1 溫度試驗(yàn)貫穿于產(chǎn)品研制和生產(chǎn)全過程

溫度是物質(zhì)內(nèi)部分子(原子、電子)運(yùn)動(dòng)能量(內(nèi)能)的一種表征方式，它與長(zhǎng)度、質(zhì)量和時(shí)間一起構(gòu)成描述物質(zhì)特性的四個(gè)基本物理量。物質(zhì)吸收外界能量后造成其內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)速度升高，表現(xiàn)形式為溫度升高。分子動(dòng)能的增加將導(dǎo)致物體膨脹，物體狀態(tài)變化和物體的物理、化學(xué)特性發(fā)生改變。

物體膨脹和收縮導(dǎo)致其物理尺寸變化。物體通常以固體、液體和氣體三種狀態(tài)存在，這些狀態(tài)通常存在于一定的溫度范圍，因而存在著固體—液體—?dú)怏w狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界溫度即臨界點(diǎn)。溫度升高或下降還會(huì)使材料的某些物理化學(xué)特性或參數(shù)發(fā)生變化，一般是隨著溫度的升高而增大，反之亦然，這些參數(shù)主要包括：

①一種材料在另一種材料中的擴(kuò)散

②金屬的電阻率

③半導(dǎo)體的電導(dǎo)率

④熱電接頭的電壓

⑤電子的熱發(fā)射

⑥固體的延展性

⑦化學(xué)反應(yīng)速度

⑧氣體中的聲速

⑨理想氣體的導(dǎo)熱率

⑩氣體的電導(dǎo)率

物體狀態(tài)和物體某些物理化學(xué)特性，往往到一定溫度會(huì)產(chǎn)生突然的變化，這一溫度稱為臨界點(diǎn)或臨界溫度，具體如表1所示。不同物質(zhì)的這些臨界點(diǎn)的數(shù)值各不相同。

表2 高溫誘發(fā)的電氣元件失效模式

2.2 典型影響或故障模式

溫度對(duì)物質(zhì)(物體)的影響取決于：①最高溫度及其作用時(shí)間；②最低溫度及其作用時(shí)間；③溫度變化范圍、變化的速率及其變化次數(shù)。

軍用裝備在溫度的影響下出現(xiàn)的典型問題和影響見參考資料6。

2.2.1 高溫

高溫主要是使材料性能惡化，造成的影響可以從結(jié)構(gòu)完整性破壞到相變引起災(zāi)難性的破壞。高溫誘發(fā)的電氣元件的失效模式如表2所示，它們可以是熱力效應(yīng)、電磁效應(yīng)、輻射效應(yīng)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)效應(yīng)作用的結(jié)果，其機(jī)理是，隨著溫度增加，電子、原子、分子運(yùn)動(dòng)速度加快，激發(fā)出上述效應(yīng)，故通常對(duì)物質(zhì)（材料）都規(guī)定一個(gè)最高使用溫度（如表3）。

2.2.2 低溫

與高溫相反，由于電子、原子、分子運(yùn)動(dòng)速度減小，低溫導(dǎo)致物質(zhì)收縮、流動(dòng)性降低、凝結(jié)變硬，又因?yàn)橐睙挕④堉啤⒃O(shè)計(jì)形狀，切削創(chuàng)傷、焊接淬火、鍛造塑性、彈性變形造成內(nèi)應(yīng)力，使構(gòu)件出現(xiàn)明顯脆性(冷脆現(xiàn)象)。

金屬低溫冷脆，表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度更高，但耐沖擊(或碰撞)能力降低很多，有的甚至粉化。脆化轉(zhuǎn)變溫度與金屬的成分、冶煉結(jié)晶和應(yīng)力集中有關(guān)，奧氏體不銹鋼、鋁、銅、鎳、鉛、銀、金和鉑等金屬無明顯的脆化溫度，大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼（含鈮、鉭、釩、鉻）表現(xiàn)明顯的韌性—脆性的轉(zhuǎn)變，鈦、鋯、錳、鉍、鈷、鋅和鎘與結(jié)構(gòu)鋼具有類似的特性。但高純度的鈦合金，低溫下強(qiáng)度增加，而延展性無明顯的降低。

表3 不同類型橡膠的溫度上限

表4 一些人造橡膠的低溫特性

表5 溫度沖擊和快速變化效應(yīng)

通常也對(duì)物質(zhì)（材料）規(guī)定一個(gè)低溫使用范圍（如表4）。

2.2.3 溫度沖擊和溫度變化

由于一臺(tái)設(shè)備由多個(gè)零部件、各種材料構(gòu)成，各部分的吸熱、導(dǎo)熱、散熱能力不同，外界溫度快速變化時(shí)，使設(shè)備各零部件之間、同一產(chǎn)品的各部分之間形成溫差，各部分的熱脹、冷縮的程度不同，形成強(qiáng)大的內(nèi)應(yīng)力，溫度沖擊和快速溫度變化造成的故障模式如表5所示。

[1]GJB 150-1986,軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法[S].

[2]GJB 150A-2009,軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法[S].

[3]GB/T 2423.1-2001,電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2 部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)A：低溫[S].

[4]GB/T 2423.2-2001,電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2 部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)B：低溫[S].

[5]GB/T 2423.22-2001,電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2 部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)N：溫度變化[S].

[6]祝耀昌. 產(chǎn)品環(huán)境工程概論[M].北京：航空工業(yè)出版社. 2003.

[7]祝耀昌. 產(chǎn)品環(huán)境工程論文集[C].北京：航空綜合環(huán)境航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室. 2009.

（待續(xù)）