第一章金属的加热(10修).ppt

主要内容 第一节 材料加热的物理过程第二节 金属加热的一般原则及影响因素 加热温度 加热时间 加热速度选择 第三节 金属及合金在不同介质中加热时常见的物理化学现象 第一章 金属的加热 第一节 材料加热的物理过程 一 加热方式金属制品在热处理加热时 其热量的来源 1 热交换 如一般加热炉加热 主要讲解内容 传热的进行 主要依靠工件四周气体或液体质点的相对移动将受热质点传到给较冷的金属表面进行加热 2 工件自身作为发热体 把别种形式的能量转变为热能而使工件加热 如 直接通电加热 感应加热 离子轰击加热等 二 传导传热 1 传导传热的基本定律 定义 热量直接由工件的一部分传递至另一部分 或由加热介质把热量传递到与其相邻的工件而无需媒介质点移动的传热过程 热流量密度q 用来表示热传导过程的强弱以单位时间内通过单位等温面的热量即热流量密度q表示 热传导系数 单位为J m h dt dx 温度梯度 负号表示热流量方向和温度梯度方向相反 2 影响热传导系数的因素 1 钢的化学成分 合金元素及碳含量一般降低传热系数 2 组织状态 随钢中组织组成物 按AM淬M回P的顺序增大 3 加热温度 热传导系数与温度的关系近似地呈线性关系 3 单层平壁稳定导热设一均质材料构成的单层平壁 如图 壁厚为 材料的热导率为 且不随温度变化 壁的两侧温度为t1和t2 且t1 t2 在平壁内取一单元薄层 其厚度为dx 温度变化dt 则根据傅立叶定律通过此单元薄层的热量为 将上式分离变量积分得 即 式1 式中 为平壁材料在t1 t2范围内的平均热导率 A为平均导热面积 对于箱式炉的炉壁 A常取内 外壁面积的几何平均值 即 4 多层平壁稳定导热如图是由三层 值不同的材料构成的无限大平壁 设各层间接触紧密 各层的平均导热面积分别为A1 A2 A3 则由式1可知通过各层的导热量分别为第一层 同理可得第二和第三层的导热量在稳定导热时 Q为定值 即Q1 Q2 Q3 Q 由以上各式可得 由上式可知 多层壁的导热量决定于总温差和总热阻 而总热阻等于各层热阻之和 当各层壁间接触不紧密时 其间充有静止气体 将产生接触热阻 这时上式应加入接触热阻值 5 圆筒壁稳定加热如图为一单层筒壁 设t1和t2为内外壁面温度 r1和r2为内外壁半径 L为其高度 假设L远大于r 可以忽略端面导热的影响 即可视为沿半径方向的一维导热 在任一半径r处取一dr薄层 其间温度变化为dt 则通过该微元圆筒壁的导热量为 分离变量积分得 如果上式分子分母同乘 r2 r1 后可得 上式可缩写为 式中 为圆筒壁厚度 为圆筒壁平均面积 R为圆筒壁的导热热阻 根据多层平壁总的热阻等于各层热阻之和的原则 多层圆筒壁稳定导热公式为 三 对流传热 1 定义 依靠工件四周气体或液体质点的相对移动 将受热质点传导给较冷的金属表面进行加热 此种传热方式称之 一般发生在600 700 以下温度 工件和发热体之间热量传递要靠介质 介质的特性对对流传热有很大影响 定量描述 Q 单位时间内加热介质传递给工件表面的能量 对流给热系数F 热交换面积 2 影响对流换热系数的因素影响对流换热的因素很多 主要有以下几个方面 流体流动的动力 流体的流动形态 流体的状态变化 流体的物理性质 换热面的几何因素 3 强化炉内对流换热的途径强化炉内对流换热的主要途径就是适当加强和控制影响对流换热的诸因素 常采用的具体措施有 加大换热温差 提高流体速度 控制流体与受热面的相对运动方向 增大换热面积 四 辐射换热 1 基本概念它是一种由电磁波传递能量过程 物体受热后向各个方向放射辐射能 被另一物体吸收后又转化为热能从而实现加热 各种物体由于原子结构和表面状态的差异 其辐射和吸收射线的能力有明显的差别 通常当能量为Q的一束热射线投射到物体上时 一部分能量Q 将被吸收 一部分能量Q 被反射 还有Q 一部分能量将被透射出物体 因此 式中Q Q为物体的吸收率 用 表示 Q Q为物体的反射率 用 表示 Q Q为物体的透射率 用 表示 那么 1 如果 1 即辐射全部被物体吸收 这种物体叫 绝对黑体 简称 黑体 这是一切物体中吸收能力最强的一种理想物体 如果 1 即辐射能全部被反射 且呈漫反射状态 即向各方向反射 则该物体称 绝对白体 简称 白体 如果 1 即辐射能全部透过物体 这种物体称为 绝对透过体 如 同元素的双原子气体 氧 氮以及纯净空气等 对热射线近似 1的透过体 自然界并不存在绝对黑体 像黑丝绒和煤烟 其吸收率也只能达到0 96 0 97 但可以用人工方法制作绝对黑体模型 在温度均匀 不透过热射线的空心体的边上开一小孔 此小孔即具有绝对黑体的性质 绝对黑体不但是一种理想的吸收热射线的物体 而且也是辐射能力最强的理想辐射体 任何物体对热射线的辐射和吸收能力都小于绝对黑体 2 黑体辐射基本定律 1 黑体的单色辐射能力Eo 黑体的单色辐射能力Eo 是指在单位时间内单位面积的黑体表面向半球空间所有方向发射的某一特定波长的辐射能 其中Eo 中的角标o表示黑体 1900年普朗克揭示了真空中黑体在不同温度下的Eo 随波长 的分布规律 称为普朗克定律 其数学表达式为 式中 为波长 单位为 m T为辐射物体的热力学温度 常数C1为普朗克第一常数 常数C2为普朗克第二常数 靠电磁波传递热量 Stiefen Bolzman定律 1 大多数工件并非绝对黑体 他们吸收一部分热量又反射出一部分热量 2 对气体介质而言 它们对辐射能的吸收是有选择性的 如单原子的H2 N2不吸收 而CO2和H2O吸收较多 3 辐射传热一般发生在700度以上 只有波长为0 4 40 m辐射能被金属吸收转化为热能 需要指出的是 工件在加热过程中 三种加热方式并存 不同的场合看以哪种传热方式为主 第二节 金属加热的一般原则及影响因素 主要内容一 加热温度的确定二 加热时间的确定三 加热速度的确定 一 加热温度的确定 1 确定工件加热加热温度的依据确定加热温度时一个复杂过程 它是以金属或合金相变临界点及再结晶温度等为基本理论依据 同时考虑工件的热处理目的 工件的原材料及形状以及以前的加工状态等因素 具体的工艺参数在以后各章中具体介绍 1 对普通碳钢而言 依据Fe C相图确定临界点 2 对合金钢而言 依以下公式确定临界点 T再 0 4T熔 2 确定优化加热温度方框图 3 加热温度选择不当导致的热处理缺陷 1 过烧 burning 基本特征 在粗大晶粒的晶界上出现局部的熔化或氧化现象 如 高速钢在晶界处出现莱氏体组织 2 过热 overheating 加热温度过高或保温时间过长将导致奥氏体晶粒剧烈长大 并在以后退火或正火过程中形成粗大的铁素体或魏氏体组织或淬火后形成粗大的马氏体 3 欠热当加热温度不足时 未充分奥氏体化 钢中第二相未能完全溶解 在熔炼及热加工过程中存在的组织缺陷 如偏析 粗大自由铁素体 网状碳化物 就不能充分消除 欠热不能消除因结构遗传带来的某些缺陷 易造成淬火软点 二 加热时间的确定 1 概念 加热时间 加 包括工件升温时间 升 透热时间 透 与保温时间 保 即 1 升温时间 heatinguptime 指工件入炉后表面达到炉温指示温度时间 2 透热时间 throughheatingtime 取决于零件截面尺寸 材料的导热性及炉温高低等 3 保温时间 holdingtime 指为达到工艺要求而恒温保持的一段时间 加热时间示意图 2 计算传热学的计算与试验表明 零件尺寸较薄时 加热时间与厚度之间呈线性关系 当截面尺寸较厚时 1 实践中 薄件的具体概念也是以材料 温度的不同而异 就碳钢而言 T 400 S薄件 300mmT 500 800 S薄件 200mmT 800 1000 S 100mm 2 书中介绍三维空间中温度场与时间关系 T为加热 时刻在 x y z 处温度 对圆柱体 其他形状也可以 用数理方程知识 得到热传导方程 其中 c称为导温系数 T 拉普拉斯算式QE 工件本身发生的热量或损失热量通过初始条件边界条件 解出具体条件下的温度表达式 建立起始温度 时间 厚度间的关系 3 加热时间不当导致热处理缺陷 一般对大型或高合金钢工件热处理质量会产生影响 1 时间不足 组织转变不能充分进行 一些冶金及热加工过程中引起的缺陷不能消除 2 加热时间不足 钢中难溶碳化物或氧化物不能充分溶解 导致切削加工性能下降 3 在临界温度以下长时间加热 导致工件表面严重氧化脱碳 三 金属加热速度的确定 rateofheating 工件的加热速度是由被加热工件在单位时间内 单位面积上所接受的热量来确定 实践上常根据材料成分 工件的尺寸以及热处理工艺要求不同对加热速度也有不同规定 为什么 加热速度快带来的好处 加热速度提高引起的问题 下面介绍两个概念 1 允许加热速度由传热学知识可知等速加热时表面与中心的最大温差用下式表示 Tm 截面温差 K 形状系数 R 板厚1 2或半径 材料导温系数 对钢而言 热 热应力 对圆柱体 热 0 72 E Tm t 材料线膨胀系数E 材料弹性模量 X 板厚由式可见 工件允许加热速度与钢的成分 工件的尺寸以及加热温度范围有关 2 技术上可能的加热速度取决于加热设备在单位时间内所能提供给工件单位面积的热量或比功率大小 该值又与我们采用的加热方式 加热介质类型和加热制度等因素有关 1 加热方式 四种加热方式依次以 随炉加热 预热加热 到温入炉 高温入炉速度增大 2 加热介质 a 气体介质 空气 渗碳性气氛 惰性气氛等 特点 加热属综合性传热 高温区以辐射为主在600 下循环气氛中以对流为主 在中温区两者兼有 b 液体介质 熔盐和熔融金属浴 以传导传热为主 流态床 以石墨或石英砂 以传导对流为主 c 固体 如固体渗C N B等 热量传递以传导方式进行 3 金属加热类型 a 直接加热 利用金属内部的电能 热能转换 如电阻加热 电接触加热 电解液加热 电磁热能转换 如电磁感应加热 红外线加热 低能粒子轰击产生热量 激光加热 等离子加热 电子束加热 b 间接加热 利用固体 液体 气体等媒介以对流 辐射 传导方式向工件表面传递热量 第三节 金属及合金在不同介质中加热时常见物理化学现象 主要内容一 金属在氧化性气氛中加热时的腐蚀形式二 金属的氧化反应及氧化层组织结构三 金属脱碳及脱碳层组织 一 金属在氧化性气氛中加热时的腐蚀形式 最典型的是氧化和脱碳 1 氧化 oxidation 定义 危害 它不仅使工件表面变色 失去光泽 而且使机械性能变坏 疲劳性能 2 内氧化特征 合金内部沿晶界形成的氧化物相或脱碳区 其厚度有几微米 原因 3 生铁肿胀 growthofcastiron 铸铁工件在氧化介质中加热时 沿表层下的晶界及石墨夹杂迅速发生氧化 因氧化物体积大 从而导致生铁肿胀的现象 4 脱碳 decarborization 工件在加热过程中 表面碳原子与介质中的脱碳性气体 H2 O2 CO2 相互作用而烧损现象称之 常发生在温度超过700 以上 危害 表面脱碳使表面机械性能变坏 直接影响使用性能 二 金属的氧化反应及氧化层组织结构 氧化性气氛 O2 H2O CO21 氧化反应 1 当T 570 2 当T 570 2 氧化物的组织形式 1 Fe3O4 又称磁性氧化铁 在570 以下形成 组织致密一旦形成 氧化速度较慢 如黑色金属氧化处理的得到这种组织 2 Fe2O3 当T 570 由于氧原子扩散加快 Fe3O4逐渐形成无磁性Fe2O3 3 FeO 温度继续升高 O Fe原子相对扩散 形成疏松FeO 氧化速度加剧 随着温度的升高 氧化物的组成形式如下 三 加热时脱碳及脱碳层组织 1 钢在加热时脱碳 增碳平衡钢在加热时不仅铁元素会发生氧化 而且钢中的碳也会与气体作用 使钢表面失去一部分碳 含碳量降低 氧化是钢中Fe与O的作用 脱碳是钢中碳与氧的作用 氧化的脱碳反应 这几个反应都是可逆反应 向右进行时 发生脱碳 向左进行时发生增碳 1 根据热力学平衡常数判断进行方向 KP炉气处于平衡状态KP增碳 2 气氛 脱碳气氛 CO2 H2O H2 O2渗碳气氛 CH4 CO等 3 碳势 Carbonpotential 定义 纯铁在一定温度下于加热炉气中加热时 达到既不增碳也不脱碳 并与炉气保持平衡时的表面含碳量 作用 定量表示炉气对钢表面增碳或脱碳能力 控制碳势就是控制气氛中的CO CO2 CH4 H2比例在吸热式气氛中 CO H2含量恒定 又如下水煤气反应 常用的测量碳势方法 1 CO2红外仪 Infraredanalyzer 2 露点测定仪 Dewpointanalyzer 3 氧探头法 Oxygenprobe 实际碳势曲线 直接测量不同温度时炉气成分及与之平衡的含碳量 2 脱碳层组织根据炉气的碳势 加热温度及钢中含量不同 碳钢脱碳层有两种类型组织 一种半脱碳层 一种全脱碳层 半脱碳层