第八章金属的加热.ppt

工件在加热炉内加热时，炉内热源传热给工件表面，再向工件内部传播,8.1金属加热的物理过程及其影响因素,辐射,对流,传导,热传导,一、加热介质与工件表面的传热过程，影响给热系数a的因素1、对流传热：热量的传递靠发热体与工件之间流体的流动进行。流体质点在发热体表面靠热传导获得热量，然后流动至工件表面时把热量又借热传导给工件表面,对流传热和流体的转移密切相关,对流传热时单位时间内加热介质传递给工件表面的热量可表示如下：Qc=acF(t介-t工),单位时间内通过热交换面对流传热给工件的热量，J/h,对流给热系数，J/(m2h),热交换面积(工件与流体接触面积)，m2,工件表面温度，,影响对流给热系数ac的因素：流体运动的情况：流体，静止和强迫流动两种状态,静止的液体或气体在加热过程中由于与热源距离不同温度不同密度不同自然对流，其热量的传递就靠此种对流进行给热系数ac较小气体炉中加热，ac=61200108000J/(m2h)盐浴炉中加热，ac=296104J/(m2h)长度和直径相等的圆柱,强迫流动系指用外加动力强制抗体运动，如气体炉用风扇强制循环等。由于流体运动速度快给热系数较大。,层流：强迫流动时，流体沿着工件表面一层层地有规则流动影响传热,紊流：流体不规则地流过工件表面，使流体质点能在热交换后较快地离开工件表面有利于传热,ac紊流ac层流,流体的物理性质：导热系数、比热c、密度给热系c粘度系数流动性给热系数c工件表面形状及其在炉内放置位置：工件形状和放置位置对流动愈有利，给热系数愈大。,2、辐射传热：任何物体，只要其温度大于绝对零度，就能从表面放出辐射能载体：电磁波。波长在0.440m内的辐射能被物体吸收后变为热能波长在此范围的电磁波称为热射线，热射线的传播过程称为热辐射物体在单位时间内由单位表面积辐射的能量为：E=c(T/100)4J/(m2h),辐射系数，J(m2hK4),C=20.52kJ/(m2hK4)的物体称为绝对黑体，常以c0表示。在相同温度下，黑体的辐射能最大，即cc0,黑度系数，简称黑度，它说明一物体的辐射能力接近黑体的程度T,用来加热工件的热量应由发热体、炉壁等辐射来的热量，减去反射的热量及自身辐射的热量,工件在炉内加热,接受从发热体、炉壁等辐射来的能量(热量),一般金属材料均非绝对黑体，对辐射的能量不可能全部吸收，部分热量要反射出去,本身要辐射出一部分热量,发热体（或炉壁）的绝对温度，K,工件表面的绝对温度，K,吸收率,工件吸收热量的表面积，m2,Note:1.当发热体与工件之间存在挡板等遮热物，辐射换热量减少2.当发热体与工件之间存在气体介质，这些气体将吸收辐射能,3、传导传热：热量的传递不依靠传热物质的定向宏观移动，仅靠传热物质质点间的相互碰撞。传热物质质点在原位作热振动时，由于它们之间的互相碰撞，使高能量的质点把部分能量(热量)传递给能量较低的质点,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,温度是表征物体内能高低的一种状态参数热传导过程是温度较高(即内能较高)的物质温度较低(内能较低)的物质传递热量,热传导系数，J/(mh),实际工件加热过程中，上述三种传热方式往往同时存在，所不同的是有的场合以这种传热方式为主，另一种场合以另一种传热方式为主,综合传热，传热效果可以认为是三种单独传热结果之和,对流,辐射,热传导,二、工件内部的热传导过程,工件表面获得热量以后，表面温度，表面与内部存在T热传导过程传热强度可以用比热流量表示：,被加热工件材料的热传导系数,热传导系数是材料的热物理参数，它说明材料具有单位温度梯度时所允许通过的流量密度,热传导系数与钢的化学成分、组织状态及加热温度有关,A淬火M回火MP,合金元素钢的热传导系数（尤其是低温），T900,合金元素的作用减弱,三、热处理加热时间的确定及影响加热的因素,加热时间=工件达到热处理规范所要求温度的时间(整体热处理应为工件心部达到要求温度的时间)+完成组织转变及其它热处理目的所要求的组织结构变化所需要的时间,计算方法经验方法,理论计算主要是工件加热不同时刻的温度场问题初始条件确定后解偏微分方程即可,常用,1、加热方式的影响,根据加热目的的不同，加热方式分为：随炉加热、预热加热、到温入炉加热和高温入炉加热等,加热方式不同加热速度不同,加热速度：随炉加热预热加热到温入炉加热高温入炉加热,2加热介质及工件放置方式的影响(影响的因素）,加热介质：空气、惰性气体(氮气、氩气)，氨热分解气体，CO-H2-N2-H2O，N2-CO-H2混合气体，熔融盐类液体，溶融金属液体等,流态化炉(也称流动粒子炉):加热介质为石墨粒子或砂粒(如石英砂等):固体介质真空热处理：稀薄空气介质,工件在炉内排布方式的影响：影响热量传递的通道工件本身的影响：几何形状，工件表面积与其体积之比、工件材料的物理性能都会影响工件内部的热量传递及温度场,1-2金属及合金在不同介质中加热时常见的物理化学现象及加热介质选择,加热过程中，金属表面和周围介质发生作用,化学反应，如氧化、脱碳等,物理作用，如脱气、合金元素的蒸发等,影响被处理工件的表面状态，从而影响工件的使用性能,一、金属在加热时的氧化反应及氧化过程热处理加热时，工件和O2、H2O及CO2等氧化性气体发生作用,氧化皮,表面氧化,不希望存在！,工件表面变色，失去光泽机械性能，如弯曲疲劳强度等变坏,必须防止氧化现象的发生！,加热温度不同，氧化反应有所不同。T570,致密,氧化速度慢！,不致密,氧化速度快！,T570的氧化反应：,FeO结构疏松，O和Fe易于通过FeO而进行迎面扩散，氧化速度,二、钢加热时的脱碳及脱碳过程,钢在加热时不仅表面发生氧化，形成氧化物，而且钢中的碳也会和气氛作用，使钢的表面失去一部分碳碳，这种现象称为脱碳,常见的脱碳反应：,可逆反应,向右进行钢中碳向左进行钢中碳,为了定量地表示炉气对钢表面增碳或脱碳的能力碳势,钢在一定温度下于加热炉中加热时达到既不增碳也不脱碳，并与炉气保持平衡时表面的含碳量。它表示炉气对纯铁饱和碳的能力。,测定炉气中CO2含量的常用仪器是红外线CO2分析仪炉气中H2O的含量，常用露点来表示（露点仪）,所谓露点就是指气氛中水蒸气开始凝结成雾的温度，即在1atm压力下，气氛中水蒸气达到饱和状态时的温度,钢加热时的脱碳过程及脱碳层的组织特点,If炉气碳势钢中含碳量钢的表面发生脱碳（两个过程）。,钢件表面的碳与炉气发生化学反应(脱碳反应)，形成含碳气体退出表面表面碳浓度,表面碳浓度工件表面与内部产生浓度差内部碳向表面扩散,根据炉气的碳势、加热温度及钢中含碳量的不同，碳钢脱碳层组织有两种类型：半脱碳层和全脱碳层,自表面至中心，组织：F+PP钢含碳量的退火组织,在脱碳层区碳浓度分布曲线有突变，金相组织：FF+PP钢含碳量的退火组织,强烈氧化性气体中加热，表面脱碳与表面氧化往往同时发生，例如在COCO2气体中加热，其氧化、脱碳层结构：表面氧化铁皮全脱碳层过渡区,20Mn2链环钢表面脱碳组织,边缘,心部,纵断面,横截面,1、真空加热：1atm(一般为1.331.3310-2Pa)的稀薄空气中加热2、保护气氛:在工件加热时保护其表面不氧化、脱碳的气氛叫做保护气氛3、氨热分解气4、氮基保护气氛5、液滴式保护