Процессы теплопередачи

Основы процессов термической обработки металлов

Введение

Методические указания подготовлены в соответствии с учебной программой дисциплины “Термическая обработка металлов”, читаемой в Национальной металлургической академии Украины известными учеными–термистами на протяжении многих десятилетий. При подготовке материалов была проанализирована современная учебная и техническая литература по термической обработке.

Известно, что конструктивная прочность металлоизделий во многом определяется структурным состоянием металла или сплава и уровнем его напряженного состояния, которыми целенаправленно можно управлять за счет использования термической или комбинированной обработок.

Термическая обработка металлов и сплавов в металлургии традиционно считается четвертым переделом (по очередности в цикле переработки металла: получение чугуна ®получение стали ® обработка металла давлением ® термообработка). В промышленности, в составе металлургических, машиностроительных и др. заводов, существует большое количество термических цехов, участков, на оборудовании которых производится предварительная или окончательная термическая обработка проката или готовых металлоизделий, определяющая конечный уровень свойств металла. В промышленно развитых странах для повышения конкурентоспособности металлопродукции различных отраслей постоянно внедряются в производство новые оборудование и технологии термической и комбинированной обработок деталей различного назначения с целью оптимизации их структуры и свойств.

Термообработка используется в качестве промежуточных и заключительных операций, определяющих технологичность обработки полуфабрикатов и качество готовых металлоизделий различного назначения, и поэтому над ее развитием и совершенствованием постоянно трудятся ученые и производственники.

Возможность достижения требуемого уровня механических свойств и структурного состояния в металле изделий при реализации любого режима термической или комбинированной обработки определяется рядом основных параметров, к которым относятся нагрев и охлаждение (характеризуются температурой нагрева и скоростью изменения температуры металла в определенных температурных интервалах). Операция нагрева во многом определяется процессами перехода тепла от источника энергии (нагревателя) к нагреваемому металлу и передачей тепла внутри металла.

Для правильного понимания сущности параметров термической обработки металлов (далее ТО) целесообразно знать и понимать смысл основных терминов и понятий, рассматриваемых при изучении цикла дисциплин, в т.ч. и «Термическая обработка металлов».

Температура (Т) – является параметром состояния, который характеризует внутреннюю энергию тела. В каждый определенный момент времени для любой точки обрабатываемого металлоизделия характерно только одно значение температуры, которое можно выразить как функцию места (r) и времени (t):

Т=f (r,t);

Рассмотрим процесс передачи тепла обрабатываемому металлоизделию в идеализированном нагревательном устройстве (рис.1.1). Обрабатываемое металлоизделие с начальной температурой Т_К помещается в нагревательное устройство, в котором обеспечивается температура T_U. Теплообмен между поверхностью металлоизделия, нагретой поверхностью термического устройства и окружающей изделие средой возможен только при наличии разницы температур (градиента температур - grad t=მt/მх) между ними. Если grad t=0, то тепловой поток отсутствует.

Рис. 1.1 - Схема расположения обрабатываемого изделия в нагревательном устройстве (например, в печи) 1 – нагревательные элементы; 2 – нагреваемое изделие (Соколов К.Н.)

Процесс распространения тепловой энергии от одного тела к другому называется теплопроводностью. При этом перенос тепловой энергии от более нагретого (или участка тела) к менее нагретому телу осуществляется:

- в металлах – путем диффузии свободных электронов (χ_э) и с помощью тепловых колебаний решетки, χ_р (проявляется квантовый характер колебаний при которых энергия переносится фононами). Общая теплопроводность равна χ_общ=χ_э+χ_р. При этом в чистых металлах обычно χ_э<<χ_р, в высоколегированных кристаллах χ_э≈χ_р, либо даже превышает теплопроводность кристаллической решетки;

- в жидкостях и твердых телах (диэлектриках)- упругими волнами;

-в газах – путем соударения и диффузии атомов или молекул.

Теплопроводность или способность тел пропускать тепло зависит от природы материала и его физического состояния.

Еще в 1853г Видеман и Франц экспериментально установили, что для многих металлов отношение теплопроводности и электропроводности при заданной температуре одинаково. Позднее Лоренц обобщил этот закон и показал, что это отношение пропорционально абсолютной температуре:

χ_э=L_o^. σ ^. Т; где L_o-число Лоренца; σ – удельная электропроводность; Т -абсолютная температура.

Закон теплопроводности основан на гипотезе Фурье о пропорциональности теплового потока разности температур на единице длины пути переноса тепла в единицу времени. Общее уравнение теплопроводности Фурье выглядит таким образом: dt/dτ= a + q_u/c ^, g; где:

- a - коэффициент температуропроводности (a=l/с ^. g);

- q_u - удельный тепловой поток;

- с - теплоемкость;

- g - вес единицы объема;

Если величина q_u=0, то величина a является единственным параметром, входящим в уравнение теплопроводности. Температуропроводность есть мера инерционности температурного поля в данном материале.

Коэффициент температуропроводности (a) характеризует величину временного изменения температуры тела в результате нестационарной теплопроводности и прямопропорционален количеству тепла, передаваемого теплопроводностью, и обратно пропрционален способности металла накапливать тепло (т.е. теплоемкости тела). Чем больший коэффициент температуропроводности имеет тело, тем меньше температурная разность в отдельных местах внутри тела при одинаковых внешних условиях его нагревания или охлаждения. Так, например, для серебра a=0.62 м²/ч; для алюминия a=0.3 м²/ч; для асбеста a=0.00072 м²/ч; для мрамора a=0.002 м²/ч.

Подвод энергии к нагреваемому металлу возможен двумя путями:

- передачей тепла от нагретого тела (нагревателя, например термической печи) к металлу обрабатываемого изделия;

- возникновение тепла непосредственно в обрабатываемом металле за счет контактного подвода и пропускания электрического тока с выделением тепла (джоулевое тепло) или за счет электромагнитной индукции (например, токами высокой или промышленной частоты – ТВЧ или ТПЧ), когда электрическая энергия передается без контакта с нагреваемым телом.

Распределение температуры по всем точкам объема металлоизделия в каждый определенный момент времени называют температурным полем. В более общем случае понятиетемпературного поля охлаждаемого сечения включает значения среднемассовых температур, скорости нагрева и охлаждения по сечению изделия, температурные перепады по сечению и т.д. Температурным полем в объеме называется совокупность мгновенных значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства; при этом оно представляется изотермическими поверхностями, являющимися геометрическим местом точек с одинаковой температурой. Геометрическое место точек с одинаковой температурой называется изотермой (рис.1.2).Точки с одинаковой температурой металла лежат на поверхности. Исходя из того, что в одной и той же точке изделия не может быть разных температур, изотермические поверхности не пересекаются. Из этого следует, что изменение температуры металла может происходить только при переходе от одной изотермической плоскости к другой.

Дата добавления: 2014-10-23