热物性系数的研究

热物性系数的争论辐射率等与热关系格外亲热的物理性能。热物理性能作为材料的根本性能。它与材料构造、成分和使比热容：是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体转变单位温度时的吸取或释放的热量。比热容是表示物质比热容表示物体吸热〔或散热〕力量的物理量。通常用符号 C表示。导热系数：表征物体导热力量的，影响导热系数的因素很大，包括物质的种类、含水率、温度、压力等。数值上导热系数等于单位温度下热流的密度矢量的模。 —gradt导温系数：导温系数反响物体导热力量和单位体积热容量的大小， a—热集中率也c是热物性参数，其只与物质的种类有关。集中率三者的乘积存在肯定关系。热常数的测量方法分为两大类，一为稳态法，另一为非稳态法，稳态法主要特点为：在测试过程中，被测样品的温度场不随时间变化，直接测得导热系数；非稳态法为测量过程中样品温度场随时间变化，直接测得热集中率。1热物性的影响因素〔1〕温度高碳钢的比热容在温度<7500时，随着温度上升比热容渐渐增大；在750C左右会出现一个居里>750C除淬火组织外，常温到10000之间，高碳钢的导热和导温系数明显下降，降幅达50%左右。在750C之前，导热系数下降很快，此后下降速度有所减缓，对于淬火组织在100C消灭一个微小值，在250C消灭一个极大值。除淬火组织，高碳钢的导温系数在750C750C之间，导温系数从0.110.02100C消灭一个微小值，在250C消灭一个极大值。成分随着碳含量的增加，高碳钢的比热容增大，导热系数和导温系数均减小，其他元素的影响有待进一步争论。组织热系数和导温系数则渐渐上升，对于平衡程度较低的组织，其部组织的畸变能较大，所以其吸热力量降低，即比热容下降；然而，由于其部畸变程度较大，所以其吸热力量下降；然而，由于其部的晶格2热物性的测量方法热膨胀系数的测量,由温度变化引起本身长度或体积变化的力量。由于高强度钢板的热成形是一个简单的过程，成形过程中，不仅有外力参入，而且由于构成板料的各相组织热膨胀系数不同，随着温度变化极易产生应力，影响成形极限和精度。所以考虑热成形过程中钢板材料各相热膨胀系数的影响，对应用数值模拟争论热冲压板料成形和部变化机理有重要的价值。通常使用线膨胀系数和体膨胀系数来定量表征材料的热胀冷缩特性。线膨胀是材料在受热膨胀时，在一维方向上的伸长，在肯定温度围，材料的长度一般随温度的上升而增加。比热容的测量比热容简称为比热，用来表示单位质量物质的热容量。在恒定压强下，物质温度升高1C所需吸取的热量与其质量的比值，为该物质的 定压比热容”用符号CP表示，其国际制单位为J/(kg.C)。由于固体在没有物态变化的状况下，外界供给的热量几乎全部用来改变温度，其本身体积变化很小，因此固体的定压比热容和定容比热容的差异不大，因此不需加以区分。一般承受德国耐驰公司生产的高温型差示扫描量热计 DSC(DifferentialScanningCalorimetry)，通过间接法进展各相试样的比热测试。导热系数测定导热系数是指物质厚度为1m、通过单位面积1m2,且两壁外表间的温差为1C时，单位时间(小时)通过的传热量，单位是W/(m.C。导热系数(热导率)=(thermaldiffusioncoefficient)用符号a表示，国际标准单位为m2/s,是材料传播温度变化力量大小的指标，其值越大，则材料中温度变化传播的越快。热导率的方法可以分为稳态法和非稳态法两类。稳态法一般用来测量热导率较低的材料，非稳态法的适用围比较广泛。闪光法(FlashMethod)要的试样较小(试样直径大约6mm,厚度在1~3mm围)、试样到达试验温度后，从闪光到求解热集中系数所需的数据只需要几秒到几分钟时间，所以测试时间较短，而且可在温度90~3000K围进展试样测试，测试的材料包括瓷、晶体、半导体、金属等诸多类型,所以目前被大量和广泛地应用于各种材料热集中系数的测定。C1.388Cp-^-pt1/2p其中t1/2为在激光脉冲照耀下，样品反面温度到达最大温度一半值时的时间pL为样品厚度；弹性模量和泊松比

为密度，C为比热。量时应变速率不同，将测量方法分为静态法和动态法两种：法，测量过程近于等温过程，所得弹性常数为等温常数或静态常数，动态法的应变速率趋近无穷大，测量过程近于绝热过程，所得弹性常数称为绝热常数或动态常数。绝热弹性模量(由声共振法测试)是动态氏模量与动态剪切模量(刚性模量)的统称，是由材料成分打算的构造不敏感参数，通常状况下只与材料的化学成分相关，与温度相关，与组织变化无关，与热处理状态无关，在材料发生热弹性马氏体相变等状况时，它是构造敏感的，此时构造变化也会导致弹性模量的变化，一般状况下其值随温度的上升而降低。泊松比表达不同方向上的应力与应变关系，依据动态氏模量与动态剪切模量的值来确()()。3南钢材料热物性的测量结合实际状况我们分别对南钢E36N、E36-T、NM30-1、P20H和NM400钢承受JmatPro软件分别对五种不同种类钢的密度、延长系数、传热系数、氏模量和比热容等参数进展拟合，具体的拟合结果如下所示。密度比容与密度在数值上成倒数关系，单位质量的物质所占用的容积称为比容，单位容积(体积)的物质质量称之为密度，两者知其一，可求另一个的数值。算出含碳量在 0~2%之间的钢在室温下各种组织的密度。对于室温下各组织的密度如下:PA=1/(0.1212+0.0033x0.23)=8.1995(g/cm3)Pf=1/0.1271=7.8678(g/cm3)Pp=1/(0.1271+0.0005X0.23)=7.8607(g/cm3)Pb=1/(0.1271+0.0015X0.23)=7.8465(g/cm3)Pm=1/(0.1271+0.0025X0.23)=7.8324(g/cm3)对于混合相的组织，其混合相密度为各相密度和百分比的乘积之和，因此承受JmatPro2试样的密度降低，但在在700~800oC之间随着温度增加试样的密度增加，这主要是由于在700~800oC区间发生体心立方的aFe转变为面心立方构造的丫-Fe完全转变。在1400~1500oC区间随着温度增加，试样的密度急剧增加，主要是由于在这一温度区间发生面心立方的y-Fe向体心立方的AFe转变。合金含量越高，这两个转变区间的特征越35~658oC和800~1400oC五种钢的密度随温度变化呈现658~800oC1400~1500oCE36NE36-T)和耐磨钢(NM400)随温度的变化呈现二元函数关系，而工具钢( NM30-1和P20H)呈现线性关系。比照得出工具钢随温度的变化密度的变化比较明显。史8080YU2.5572YP8.2YP7.96」2YP5.94厅X0>+8.OYP3.376x60>i8.P20HXO>+8O6XIO,213T-苔丄+8爪xo>+o°(T94」(80306585AHA」dC)AHA006583)7bo39E36N-0M7AHA(35o°(T.YP8L00Y2OX7O>+87,P36.壬647x00YU2.85YP3.45370X8AXIH0,664A-)0,1+7.845A() 8」9—300AHAHA苔>+9(350ATTempeoc「-uE36TAAH」48艸 -爪亠)34(700Y=-3.462Y=-3.462探-4t+7.823(35°C<T<700C)Y=-3.487>10t+7.825(35C<T<710C)-4 °Y=9.62710t+6.876-4(700C<T<77fC)°Y=1.17X0t+6.729-3(710°C<T<77fC)拟合Y=-5.26210t+8.024-4(771C<T<1424)C)°Y=-5.26210t+8.022-4(771°C<T<1420C)结果Y=-5.2310-(1424C<T<490C)°°Y=-5.3110t+14.919(1420C<T<1491C)-3°Y=-8.0783t+14.802710t+8.18-4(1490C<T<160C)°『Y=-8.07310t+8.175-4(1491C<T<160C)°『钢种NM400Y=-3.546X0t+7.853-4(35C<T<694C)°-62 oY=4.154X10t-6.1210t+9.86(694C<T-62 o-4o Y=-5.35410t+8.069-4o 结果

C<T<147(C)W-3 Y=-6.93t+17.483(1470C<TW-3 -4 ° Y=-8.1210t+8.211(1509C<T<160(-4 ° ⑵•延长系数热膨胀系数是表征物体热膨胀特性的物理参数，是由原子热振动引起的。它的大小表示该物质由温度变化引起本身长度或体积变化的力量。由于高强度钢板的热成形是一个简单的过程，成形过程中，不仅有外力参入，而且由于构成板料的各相组织热膨胀系数不同，随着温度变化极易产生应力，影响成形极限和精拟合变化机理有重要的价值。通常使用线膨胀系数和体膨胀系数来定量表征材料的热胀冷缩特性。线膨胀是材，材料的长度一般随温度的上升而增加。从测试，，本节将测试试样的线膨胀系数，在某一温度区间，当温度的变化量为△T时,长度为I。的试样受热后的长度变化量用厶I表示。通常，定义试样温度上升时，沿某一方向上单位温度变化时的长度增量 (△1/△T)与0°C(由于温度变化不大时长度增量格外小，试验中取室温)时同方向上的长度之比，叫做固体的平均线热膨胀系数单位为1/°C,公式是中国国家军用标准［113］定义的线膨胀系数，表示材料在温度t时的瞬时线膨胀系数为了用于硼钢板热成形的数值模拟分析，将式(2-10)改写成公式(2-11)形式,当时间i—j时，则ai即为第i时刻的热膨胀系数。1dLLdTTaT为t时刻的线性膨胀系数，LT是T时刻的长度l(Il)j iil Tli i

(TT)jai为第i时刻的热膨胀系数，即温度为Ti时的热膨胀系数，li和Ti分别为第i时刻的试样长度和温度，Ij和Tj分别为第j时刻的试样长度和温度.从图可以看出，五种钢延长系数随温度变化根本一样，随着温度上升，试样的延长系数增加，当温度700°C，试验的延长系数随温度的增加而减小，这是由于发生体心立方a-铁素体向面心立方奥氏体转变的过程，致使试样的致密度增加，延长系数减小，当温度增加至820oC左右，试样完成奥氏体转变，试样的延长系数随温度的增加呈现增加趋势，当温度增加至1480oC四周，试样发生面心立方奥氏体向体心立方S铁素体转变，试样的致密度减小，延长系数急剧增加，丫铁素体转变完成后，试样的延长系数将缓慢增加。30303030^-iK-2828vR2626o^ar殳ief殳6-2422e2220OC20818ee9aOlCe6n1624cun1412o10Temperature(°C)

oC)30 30P20Hr z 28KaDoxteu 20feoc10

9- 26anlne 24eruvsn 22Aj20n—ai 18Dfx 16eeo 14ec12100 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800Temperature(°C) T(°C). 4 n>」2

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6530c)传热系数，导热系数，其值比静止钢液导热系数放大了3~7倍。对于固液两相区,由于树枝晶的影响减弱了钢水的对流运动，所以两相区的等效导热系数keff应介于液体和固体之间。介于固相和液相之间，采用关系k(t)[1(n1)(1f2]k(t)式中n代表有效导热方法倍数。导热系数随温度的变化如eff s s图所示。从图可以看出，低温区域 (t<800oC)导热系数随着温度上升而降低,在高温区域(t>800oC随着温度的上升导热系数渐渐上升,60605560605555mWA50WC-5045V---cudnoclacuanocla4035mleh255-

2 00 4

6008001000

-O 00 40 601 2 4 6 8 0020Temperature(C)NM30-1P20HNM30-1P20H55504545404035303025

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800T(C) T(C)钢种钢种E36NE36T拟合Y=-0.042t+59.75(30oC<T<815°C)Y=-0.039t+58.643(30oC<T<815oC)结果Y=0.012t+16.74(815oC<T<1479oC)Y=0.012t+16.81(815oC<T<1479oC)钢种P20HNM30-1拟合Y=-0.037t+56.67(30oC<T<721oC)Y=-0.042t+59.75(30oC<T<712oC)Y=-0.102t+103.834(721oC<T<773oC)Y=0.114t+112.198(712oC<T<767oC)结果Y=0.012t+16.845(773oC<T<1479oC)NM400Y=0.012t+16.808(767oC<T<1479oC)钢种Y=-0.044t+61.187(30oC<T<814oC)拟合Y=0.012+16.81(814oC<T<1479oC)结果cuacuanoclao随着温度的上升，试样的氏模量减小，当温度上升到 1500°C四周，试样的氏模量急剧减小至接近0。铸坯在钢水静压力和温度梯度作用下，会发生弹性和塑性变形；外载荷首先受到弹性应力的抵抗，然后才使钢进入塑性状态。因此，表征弹性变形和应力关系的弹性模量(氏模量)是钢的重要力学参数钢的弹性模量对温度和应变率都相当敏感，钢温度每升高100oC,3%~5%，这正是钢在高温下简洁进入塑性状态的缘由。 另外,凝固初期的铸态金属组织存在一个零强度温度，当温度降低到零强度温度以下时铸坯才表现出肯定的强度.因此，零强度温度以上的两相区以及液相区的弹性模量为零.然而在具体的计算过程中，弹性模量不能取准确的零值，否则将会消灭奇异性，模拟就会中断Temperatur(°C) T(°C)钢种E36NE36T拟合Y=-9.784钢种E36NE36T拟合Y=-9.784X10t-0.0311t+211.831(30°C<T<-52751C)Y=-9.404X10t-0.0338t+212.141(30°C<T<778°C)-52°结果Y=-0.103t+210.095(751°C<T<1481°C)Y=0.103t+208.725(787°C<T<1481°C)钢种P20HNM30-1拟合Y=-8.489X10t-0.0402t+214.838(30°C<T<-52751C)Y=-9.284X10t-0.0327t+212.957(30°C<T<751°C)-52°结果Y=-0.0995t+207.58(751°C<T<1481°C)Y=-0.0995t+207.48(751°C<T<1481°C)T(°C)OC)钢种 NM400-52拟合 Y=-9.653X10t-0.0319t+212.118(30°C<T<705-52结果 丫=-0.102t+208.704(705C<T<1481°C)泊松比泊松比是垂直于加载方向的线应变与平行加载方向线应变之比 ，表征材料拉伸或压缩变形与剪切变形的关系，同弹性模量一样，是材料力学行为最根本的参数。随着温度的增加，试样的泊松比增加，在a-铁素体向面心立方奥氏体转变的过程，试样的泊松比快速增加，在单相奥氏体区，试样的泊松比线性增加，面心立方奥氏体向体心立方S铁素体转变在零强度温度以上的两相区以及液相区，一般认为材料接近于不行压缩，可知泊松比趋近于0.5.，并且在ZST以上始终保持为该值。0.50PP6nOOsLOP

E36-T

0.50POJ-Snospop43O5300.25 .I.-200 0

[ .I.I_L.I.I.200 400 600 800 1000

[ .I.1400 1600

0.251800 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800Temperature(°C) T(°C)0.50

NM30-1

0.5045PP6noscso50.300.25-200

0.300.250 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800T(°C) Temperature(°C)0.25.I.I.I.I.L.I.I.i-200 0 200 400 600 800 1000 1200

.1600 1800钢种E36NE36T拟合Y=3.937X10t+0.288(30°C<T<621°C)-5Y=3.923X10t+0.288(30°C<T<641°C)-5结果Y=5.644X10t-6.882X10t+5.664(621°C<T<-72-4803C)Y=8.551X10t-1.12X10t+0.687(641C<T<815C)-72-3°°°Y=5.897X10t+0.292(803°C<T<1475°C)-5Y=5.908X10t+0.292(815°C<T<1475°C)-5钢种P20HNM30-1拟合Y=3.795X10t+0.287(30°C<T<722°C)-5Y=3.818X10t+0.286(30°C<T<722°C)-5结果Y=4.094X10t+2.04X10(722°C<T<766°C)-4-2Y=6.76X10t+4.49X10(722°C<T<