МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ ГОРЯЧЕГО ЭЛЕКТРОДА И ИССЛЕДУЕМОГО ОБРАЗЦА ПРИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ МЕТАЛЛОВ

​SIMULATION OF THE THERMAL FIELD OF A HOT ELECTRODE AND A TEST SAMPLE DURING THERMOELECTRIC TESTING OF METALS

Oleg Bogdanov

student, Department of Radio Engineering, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

АННОТАЦИЯ

Проведено моделирование теплового поля горячего электрода и исследуемого образца при испытаниях материалов. Изучено тепловое поле в области контакта с помощью программы Comsol Multiphysics.

ABSTRACT

The thermal field of the hot electrode and the test sample is modeled during testing of materials. The thermal field in the contact area was studied using the Comsol Multiphysics program.

Ключевые слова: горячий электрод, термоэлектроджвижущая сила, тепловое поле, термическая обработка, термоэлектрические материалы, математическое моделирование.

Keywords: hot electrode, thermoelectric force, thermal field, heat treatment, thermoelectric materials, mathematical modeling.

Термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) очень чувствительна как к структуре, так и к изменениям энергетического спектра кристалла [1, с. 35]. Это дает большие возможности для использования ТЭДС в качестве чувствительного метода контроля содержания примесей, упругих напряжений, фазовых переходов и пластической деформации металлов. Приборы для термоэлектрических испытаний позволяют проводить экспресс-анализ [2, с. 65]. Размеры и форма контролируемого объекта не влияют на результат контроля и по этому признаку термоэлектрические испытательные приборы уникальны. Термоэлектрические приборы широко используются для решения задач в области неразрушающего контроля, в частности, контроля химических структур, определения глубины слоя цементации [3, с. 105], качества термической обработки, локализации пластической деформации в металлах, сортировка марок стали и др. В настоящее время как в России, так и за рубежом выпускается множество термоэлектрических испытательных приборов. Принцип их действия основан на фундаментальном эффекте возникновения ТЭДС в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, имеющих градиент температур. Этот эффект обеспечивает использование горячих и холодных электродов в испытательных устройствах. При проведении термоэлектрических испытаний температура горячего электрода снижается, а температура контролируемого образца увеличивается за счет теплообмена. Величина теплопередачи зависит от площади контакта двух тел в соответствии с уравнением теплопередачи:

                                                                                            (1)

Q – тепловой поток (количество теплоты), передаваемое другому телу,

S – площадь контакта двух тел,

t – движущая сила теплопередачи,

t – время,

k – коэффициент теплоотдачи.

Изменение теплового потока вызывает изменение температуры горячего электрода:

                                                                                                   (2)

m – масса горячего электрода,

α – теплопроводность материала.

Изменение температуры горячего и холодного электродов приводит к изменению ТЭДС:

                                                                                       (3)

λ – коэффициент Зеебека,

T1 – температура горячего электрода,

T2 – температура холодного электрода.

                                                                                 (4)

Это приводит к изменению термоэлектродвижущей силы. Поэтому невозможно зафиксировать результат измерения, что неудобно для интерпретации результатов. Для удобства работы с термоэлектрическими испытательными приборами необходимо производить коррекцию отображаемого значения ТЭДС в процессе измерения. Величина этой поправки зависит от нескольких параметров: проводимости контролируемого образца и горячего электрода, величины площади контакта между ними, разности температур горячего электрода и контролируемого образца. Целью данного исследования является исследование динамики температуры контролируемого образца и горячего электрода в процессе контроля и выработка рекомендаций по снижению влияния этого фактора.

Тепловое поле в области контакта изучалось с помощью программы Comsol Multiphysics. Для решения тепловой модели двух контактирующих тел были выбраны решения задачи теплообмена. Контакт представляет собой линию. Модель имеет следующие граничные условия: тела имеют идеальный контакт; температура окружающей среды 24°С; температура горячего электрода 130°С; масса горячего электрода 10 г; материал горячего электрода – алюминиевый сплав или медь; материал контролируемого образца – сталь Ст3.

Рисунок 1. Зависимость температуры образца в зоне контакта от времени (сплошная линия – алюминиевый электрод, пунктирная линия – медный электрод)

Рисунок 2. Зависимость температуры горячего электрода в зоне контакта от времени (сплошная линия – алюминиевый электрод, пунктирная линия – медный электрод)

Результаты моделирования показали, что горячие электроды предпочтительно изготавливать из меди, так как медный электрод быстрее нагревает образец, чем алюминиевый. Кроме того, медный электрод медленнее остывает в процессе контроля, чем алюминиевый. Кроме того, измерение термоэлектрических характеристик необходимо проводить с линейным контактом из-за меньшего изменения ТЭДС при контроле. Однако ТЭДС изменяется во всех случаях, в связи с чем необходимо предпринимать дополнительные действия по его стабилизации. Одним из возможных решений этой проблемы является фиксация ТЭДС, когда разница температур между горячим электродом и исследуемым образцом равна некоторой заданной величине.

Список литературы:

1. Лухвич А.А., Каролик А.С., Шарандо В.И. Структурная зависимость термоэлектрических свойств и неразрушающий контроль. – Минск: Наука и техника, 1990.
2. Хольм Р. Электрические контакты. Пер. с англ. М.: Издательство иностранной литературы, 1961.
3. Клюев В.В. Использование переходных тепловых процессов для комбинированного электромагнитно-теплового метода неразрушающего контроля \\ Контроль. Диагностика. - 2010. - №1 - С. 11-17.