Термобиметаллы

Термобиметалл — материал, состоящий из двух или нескольких слоев металлов или сплавов, прочно сваренных по всей поверхности соприкосновения, с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР).

Составляющую термобиметалла с большим ТКЛР принято называть активным слоем, с меньшим ТКЛР — пассивным слоем. Иногда между активным и пассивным слоями располагается промежуточный слой с высокой электропроводностью.

При изменении температуры термобиметалл вследствие разности ТКЛР составляющих изгибается по дуге окружности, при этом возникают внутренние напряжения, которые при повышении температуры и нагрузки могут превысить предел упругости составляющих термобиметалла и вызвать их остаточную деформацию. Термобиметалл сохраняет свою работоспособность в области упругих деформаций.

Максимальные напряжения в нагреваемой полосе термобиметалла возникают в месте соединения слоев, а на поверхности они гораздо меньше. При нагревании в активном слое действуют сжимающие напряжения, и он располагается с выпуклой стороны, а пассивный с вогнутой. При охлаждении термобиметаллическая полоса изгибается в противоположную сторону.

Простота действия термобиметалла дает возможность применять его в качестве чувствительных элементов не только для измерения температуры окружающей среды, но и изменения состояния, процессов и параметров, связанных с изменением температуры. В этом случае термобиметалл может выполнять функции измерительного, компенсационного, регулирующего или защитного элементов. Так, например, в качестве измерителей термобиметаллы используют в термометрах для измерения температуры воздуха, пара, жидкостей, в электрических и газовых печах, радиаторах, термостатах, указателях давления масла, газа, нефти и т. д., в компенсаторах температуры в двигателях, в автоматических регуляторах напряжения, в системах автоматического контроля при циркуляции охлаждающих жидкостей или их уровня. Применяют их и в качестве защитных элементов — в предохранительных переключателях, автоматических предохранителях, тепловых и защитных реле. Термобиметаллы нашли широкое применение в промышленных и бытовых приборах.

Несмотря на большое разнообразие и внешнее различие конструктивных форм термобиметаллических элементов, они могут быть классифицированы по трем основным признакам: 1) по способу теплового воздействия на термобиметаллический элемент; 2) по рабочей функции в приборе или устройстве; 3) по конструктивной форме элемента.

 

Теплопередача термобиметаллическому элементу может осуществляться путем конвекции или радиации, в результате теплообмена между элементом и окружающей средой или путем проводимости, когда выделение тепла происходит при прохождении электрического тока через элемент. При этом термобиметалл является элементом сопротивления.

В зависимости от выполняемой функции в приборе или механизме элемент из термобиметалла может развивать определенное перемещение без усилия или развивать только усилие, когда прогиб от нагрева полностью подавляется, или сочетать определенное усилие и перемещение.

Наиболее распространенные виды применяемых термобиметаллических элементов — плоские и U-образные пластины, диски, спирали, геликоидальные спирали, а также изделия более сложной формы, такие как двойные и тройные геликоидальные спирали. Выбор термобиметалла для конкретных требований обусловлен выполняемой функцией и условиями эксплуатации элемента в составе изделия.

Развитие современной техники требует разработки новых термобиметаллов с особо высокими чувствительностью, удельным электросопротивлением и температурой службы, при этом часто требуется сочетание различных физико-механических свойств, например, высокой чувствительности с высоким модулем упругости и температурой службы или сохранением работоспособности в условиях сильно агрессивных сред.

Надежность изделий с термобиметаллическими элементами в основном определяется стабильностью физико-механических свойств термобиметаллов. Поэтому важно изучение стабильности термобиметаллов в различных температурно-механических и коррозионных условиях. Приобретает актуальное значение изучение влияния на стабильность свойств термобиметаллов таких экстремальных условий эксплуатации изделий с термобиметаллами как сверхнизкие температуры, глубокий вакуум, магнитное или радиационное воздействие.