ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 2, с. 198-203
=ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
УДК 536.2.083
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТАЛИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ © 2015 г. М. В. Ильичев, В. Б. Мордынский, Д. В. Терешонок, А. С. Тюфтяев, С. Е. Чикунов
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: tereshonokd@gmail.com Поступила в редакцию 25.02.2014 г.
Разработана и верифицирована методика определения теплопроводности конструкционных материалов в широком диапазоне температур. На основе полученных данных по теплопроводности выполнено трехмерное моделирование распространения тепла в глубь тела от прогреваемой нестационарным источником тепла поверхности. Получено удовлетворительное совпадение между расчетами и экспериментом по измерению температуры на разной глубине от прогреваемой поверхности.
Б01: 10.7868/80040364415010093
ВВЕДЕНИЕ
Одним из методов увеличения износостойкости стальных изделий является упрочнение их поверхности посредством плазменной обработки. Плазменная струя, воздействуя на поверхность образца, обеспечивает высокую скорость нагрева (порядка нескольких сотен градусов в секунду) приповерхностного слоя. После плазменного упрочнения в поверхностном слое образца образуется зона термического влияния (ЗТВ) с изменяющейся по глубине структурой: мартенсит, троостит, сорбит и перлит основного металла. Она определяется скоростью охлаждения, которая имеет значение больше критического в приповерхностном слое (охлаждение на воздухе), и уменьшается с увеличением глубины расположения слоя.
Для расчета температурных полей, термических напряжений и обоснования режимов термической обработки металлов необходимо знать их коэффициент теплопроводности (КТ). Сложность создания аппаратуры для измерения КТ тем выше, чем шире температурный диапазон, требуемый для аттестации материала. Это является одной из причин отсутствия на рынке приборов для высокотемпературных измерений КТ.
ОПИСАНИЕ МЕТОДА И ПРОЦЕДУРЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТАЛИ
Авторами [1] была разработана и изготовлена экспериментальная установка для определения при повышенных температурах КТ различных
конструкционных материалов с X > 10 Вт/(м К). В значительной степени процедура измерений на этой установке является развитием методики, представленной в работе [2]. Принцип ее действия основан на анализе стационарного температурного поля в стержне, нагреваемом с одного торца и теряющем тепло излучением с боковой поверхности. Даже в приближении тонкого стержня (в пренебрежении радиальными перепадами температуры) из-за нелинейности дифференциального уравнения эта задача не имеет аналитического решения, связывающего перепады температуры вдоль стержня с величиной вводимого в стержень теплового потока. Величина теплового потока, проходящего вдоль стержня, здесь зависит от координаты.
КТ можно определить, непосредственно применяя закон Фурье, который связывает продольный градиент температуры с величиной теплового потока О(х) в данной точке. В случае цилиндрического образца эта зависимость определяется соотношением
к
ОХ) = -2лХ [дТ(г»х(1)
дх
0
где г — текущий радиус; Я — радиус образца; х ^ — продольная координата; X — коэффициент теплопроводности.
На рис. 1 представлена функциональная схема измерительного блока установки. Исследуемый образец 1 крепится внутри полого тонкостенного стакана-теплоприемника 3. Между внутренней поверхностью стакана и поверхностью образца имеется зазор <1 мм. Стакан соединяется с холодильником-термостатом 7 с помощью теплопро-
вода 5, на котором размещена многоспайная дифференциальная батарея термопар 6.
Если в этом случае к открытому торцу образца подвести тепловой поток 0, то вводимое тепло через образец и элементы схемы будет передано холодильнику-термостату 7. При постоянстве теплового потока через некоторое время в системе установится стационарный режим с распределением температуры вдоль образца вида Т (х), показанным на рис. 1. Выбором геометрических размеров и материала элементов 3—5 можно добиться того, что температуры этих элементов будут близки температуре термостата 7, но существенно ниже температуры нагреваемого образца. При условии, что размеры образца 1 и теплопровода 5 близки, практически вся энергия переданная теплопроводу 5 поступает к теплоприемнику 3. Большую часть теплового потока в теплоприемник составляет искомый продольный тепловой поток 0(х1) в образце, отнесенный к координате торца теплоприемника. Если горячую часть образца, расположенную вне полости теплоприемника, оставить открытой, то к потоку ) добавится тепловое излучение с открытой поверхности образца. Для уменьшения этого не связанного с теплопроводностью теплового потока в конструкцию введен массивный цилиндрический экран 2, охлаждаемый тем же теплоносителем, что и холодильник 7. Между торцом экрана 2 и теплоприем-ником 3 имеется зазор, в области которого располагается плоскость рабочего сечения образца с координатой XI. С этой координатой и соотносится определяемый продольный тепловой поток Q(x¡). Его величина пропорциональна термоЭДС дифференциальной термопары 6. Коэффициент пропорциональности устанавливается путем предварительной градуировки теплопровода 5, для чего в полость теплоприемника 3 вместо образца вводился специальный нагреватель.
Входящий в формулу (1) средний по поперечному сечению образца продольный градиент тем-2 ЯдТ(г х)
пературы VT1 = —г — ' ' гйг может быть опре-
я2 Ж дх
делен по результатам измерений температуры в нескольких точках образца, расположенных слева и справа от координаты х1 (рис. 1). Температуру измеряли с помощью термопар (область низких температур) или оптическим пирометром. И в том и другом случае для проведения температурных измерений в образце высверливали отверстия, с координатами их центров соотносились измеряемые температуры. По полученным данным о Т определялись коэффициенты выбранной аппроксимирующей функции Т(х), используемой для расчета продольного градиента температуры и абсолютной температуры, с которой связывали найденное по (1) значение КТ.
н2о
0
Рис. 1. Функциональная схема измерительного блока установки: 1 — образец, 2 — экран участка стабилизации температурного профиля, 3 — теплоприемник, 4 — элемент крепления, 5 — теплопровод, 6 — дифференциальная термопара, 7 — холодильник.
X, Вт/(м К) 30
28
26
24
22
20
18
16
1
2
400
600
800
1000
1200 Т, К
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности стали 12Х18Н10Т от температуры: 1 — эксперимент, 2 — рекомендованное значение.
Для расчета КТ использовали данные от четырех термопар, расположенных в исследуемом образце, и дифференциальной термопары 6 (рис. 1).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для тестирования методики проводили эксперимент со сталью 12Х18Н10Т, рекомендованной в качестве эталонного материала в исследованиях теплофизических свойств.
Согласно работе [3] КТ этой стали в интервале температур 340—1100 К может быть определен по зависимости
X = 10 + 0.01604 Т. (2)
Сопоставление (2) с экспериментальными результатами (рис. 2) показало, что в пределах погрешности измерений и доверительного интервала рекомендации ±4% данные хорошо согласуются.
Химический состав образцов с различным содержанием С и Сг
№ образца С Si Мп S Р Сг № Си V А1 Б
1 0.38 0.34 0.80 0.004 <0.002 0.19 0.040 <0.005 0.006 0.030 <0.002
2 0.79 0.33 0.76 0.005 <0.003 0.17 0.029 <0.005 <0.005 0.038 <0.002
3 0.59 0.31 0.83 0.004 <0.002 0.01 0.028 <0.005 <0.005 0.026 <0.002
4 0.59 0.33 0.81 0.005 <0.002 0.5 0.022 <0.005 <0.005 0.027 <0.002
Это подтверждает корректность методики измерений и возможность использования установки для определения свойств материалов.
Разработанная и изготовленная по принципу [1, 2] установка позволила измерить коэффициент теплопроводности при высоких температурах на образцах из сталей (таблица), предназначенных для исследования влияния химического состава на структуру и свойства упрочненного слоя в зависимости от параметров режима плазменной обработки. Выбирались образцы с минимальным и макси-
X, Вт/(м К) 50
45 40 35 30 25 20
200
400 600 800 1000
1200 Т, °С
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопроводности сталей с различным химическим составом от температуры: 1 - 0.39% С, 0.20% Сг; 2 - 0.79% С, 0.20% Сг; 3 - 0.60% С, 0.01% Сг; 4 - 0.60% С, 0.50% Сг.
2
3
Рис. 4. Схема экспериментального стенда: 1 - рабочее тело; 2 - термопарные провода; 3 - проставки; 4 - устройство для плазменный обработки; 5, 6 -струбцина; 7 - рукоятка.
мальным содержанием углерода (№№ 1 и 2) и хрома (№№ 3 и 4) и приблизительно одинаковым содержанием других элементов.
Зависимости КТ исследованных сталей от температуры представлены на рис. 3. Видно, что зависимости идентичны и увеличение КТ, связанное с фазовым переходом, для разных по химическому составу сталей происходит в одном интервале температур.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ИЗУЧЕНИЮ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА ПО ТОЛЩИНЕ ОБРАЗЦА
Для реализации подхода был создан экспериментальный стенд (рис. 4), состоящий из рабочего тела 1, устройства для плазменной обработки 5 и механизма, обеспечивающего перемещение рабочего участка относительно устройства 6 с заданной скоростью. К боковым поверхностям образца прилегают проставки 3, 4 из меди прямоугольного сечения 40 х 30 мм и длиной 60 мм, которые служат для дополнительной фиксации рабочего участка и беспрепятственного перемещения его под устройством для плазменной обработки 5. Рабочее тело зажато струбциной 6, установленной на механизме перемещения.
Рабочее тело включает составной образец из стали 60Г с сечением 50 х 50 мм и длиной 100 мм (рис. 5). Образец разрезался пополам в поперечном сечении для установки хромель-алюмелевых термопар 3. Термопары зачеканивались в предварительно высверленных отверстиях диаметром и глубиной 0.5 мм. Отверстия для термопар располагались на глубине 0.5, 1.0, 1.5 и 2.0 мм от поверхности с шагом 4 мм. На второй половине образца 2 сделаны пазы 4, в которые укладывались термоэлектродные провода в алундовой изоляции 6 диаметром 1.2 мм. Затем
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.