CC BY
2
Металлургия и материаловедение
УДК 621.785
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ НА ВЫБОР ОХАЖДАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ЗАКАЛКЕ МЕТАЛЛА Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: amosov-ea@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В данной статье рассматривается вопрос о влиянии теплопроводности материала на выбор способа его охлаждения при термической обработке (закалке) за счёт применения различных закалочных сред.
Ключевые слова: охлаждающая среда, теплопроводность, термическая обработка
Из курса физики известно [8, 10], что при наливании горячей воды в толстостенный стакан он может треснуть, как показано на примере ниже (рисунок 1).
Рисунок 1 - Треснувший от горячей воды стакан [9]
Подобное поведение стеклянного стакана объясняется по современным представлениям его малой теплопроводностью (теплопроводность стекла, согласно литературным данным [11], составляет порядка 1 Вт/(м К)).
Согласно закону Фурье [12], коэффициент теплопроводности определяет поток тепла, который отходит от нагретого тела (передаётся окружающей более холодной среде). Если поток мал, а окружающая среда имеет температуру заметно ниже, чем нагретое тело, возникает заметная разность температур по сечению тела.
Возникающие термические напряжения можно приближенно оценить по следующей формуле [4]:
о ~ РЕДТ,
где в - коэффициент термического расширения, Е - модуль Юнга, ДТ -разность температур. Полагая для оценок, что
в ~ 10-5 К-1, ДТ ~ 102 К,
Е ~ 1011 Па,
приходим к выводу, что неравномерное охлаждение может создать напряжения
о ~108 Па,
что может быть соизмеримо с пределом текучести или пределом прочности образца, то есть, напряжение (возникшее из-за разности температур) может быть достаточно высоким для материала.
Таким образом, разность температур, существующая в охлаждаемом теле, вполне может привести с появления достаточно больших напряжений, последствиями которых могут быть деформация образца или появление трещин.
Можно предложить следующую визуальную модель, отражающую появление напряжений при неравномерном нагреве материала (рисунок 2).
Рисунок 2 - Модель возникновения трещин от термических напряжений
Модель состоит в следующем. Имеется некоторый сосуд с водой, в нижней части сосуда есть небольшое отверстие, через которое вытекает вода. В дно сосуда встроен клапан, который открывается, если высота столба жидкости (то есть, давление воды) превысит какое-то критическое значение, при этом часть воды выпускается из сосуда.
Покажем, как данная модельная система отражает процесс возникновения трещины в материале при неравномерном нагреве.
Высота столба жидкости символизирует перепад температур по сечению образца, жидкость - количество тепловой энергии, отверстие - механизм теплопередачи энергии в окружающую среду, а клапан - механизм рождения трещины в материале. Если перепад температур не превышает некоторого значения (за счёт хорошей теплопроводности), то трещины при закалке материала не возникают.
Итак, вопрос о теплопроводности материала является важным аспектом процесса закалки (в дополнение, например, к сложности формы детали) и величина коэффициента теплопроводности, по идее, должна каким-то образом влиять на выбор способа охлаждения при закалке, в частности, на выбор охлаждающей (закалочной) среды.
Теплопроводность, как известно [12], определяет число Био при тепловых процессах:
Ы = (аЬ)1\
где а - коэффициент теплоотдачи от поверхности детали к окружающей среде (например, закалочной жидкости), Ь - характерный размер (толщина охлаждаемого тела), X - коэффициент теплопроводности материала. Охлаждаемое тело считается термически тонким (иначе говоря, перетоками тепла в нём можно пренебречь) при выполнении приближённого условия [5]:
Ы < 0.2.
Следовательно, можно записать для коэффициента теплоотдачи
а <0.2(Х/Ь).
Таким образом, действительно, соотношение коэффициента теплопроводности и толщины детали влияет на выбор охлаждающей среды при условии, что мы хотим уменьшить вероятность возникновения напряжений при закалке детали.
В металлах и сплавах на их основе, как известно [14], основной вклад в теплопроводность вносит движение электронов (в связи с чем теплопроводность прямо пропорциональна электропроводности). Коэффициент теплопроводности (и электропроводность) зависит, в частности, от количества примесей в металле, что и может позволить нам отметить некоторые общие закономерности выбора охлаждающей среды при закалке того или иного материала. Поэтому рассмотрим вопрос о влиянии состава материала на выбор охлаждающей среды.
Согласно литературным данным [14], влияние легирования на теплопроводность стали можно описать следующей закономерностью: чем сложнее состав стали, тем, как правило, ниже её теплопроводность. Аналогичная зависимость наблюдается у чугунов, медных, никелевых и алюминиевых сплавов [14]. В частности, для стали с малым содержанием легирующих элементов можно записать следующее приближённое выражение для влияния каждого элемента на теплопроводность:
1/Х = К0 + КС,
где С - концентрация элемента, К - соответствующий коэффициент (в предположении, что элементы влияют на теплопроводность аддитивно (их влияние просто складывается).
Следовательно, можно полагать, что
а <0.2(1/Ь) ■ (1/ (К + КС)), и это даёт нам основание утверждать, что увеличение количества легирующего элемента в стали закономерно снижает коэффициент теплоотдачи, который не приводит к возникновению высоких термоупругих напряжений, иначе говоря, что состав закаляемой стали оказывает влияние на выбор охлаждающей (закалочной) среды.
Аналогичный вывод можно сделать при рассмотрении и других сплавов, например, на основе меди и алюминия. Известно, что электропроводность алюминия и меди понижается при добавлении легирующих элементов (рисунок 3). Так как теплопроводность и электропроводность металлов пропорциональны друг другу по закону Видемана-Франца, то можно ожидать, что теплопроводность алюминиевых и медных сплавов при не очень
большом количестве легирующего гиперболическим образом зависит от количества элемента (по аналогии с отмеченной выше известной из литературы закономерностью для стальных образцов).
Рисунок 3 - Зависимость электропроводности алюминия от чистоты [14]
Таким образом, приходим к выводу, что толщина детали и состав материала детали должны оказывать заметное влияние на выбор среды при закалке металлического сплава.
Сравним полученные нами выводы с практикой выбора закалочных сред при термической обработке (закалке) стальных изделий [2, 3, 7].
Как известно, для закалки легированных сталей обычно применят минеральное масло, а для закалки малоуглеродистых сталей - воду и водные растворы. Применение масла, как пишут в литературе, уменьшает вероятность появления закалочных трещин.
По литературным данным [13], коэффициент теплоотдачи при охлаждении в минеральном масле в несколько раз меньше, чем в воде (в случае естественной конвекции). Коэффициент теплопроводности легированных сталей примерно в 2..3 раза меньше, чем углеродистых [14]. Таким образом, уменьшение в несколько раз коэффициента теплопроводности приводит к закономерному уменьшению коэффициента теплоотдачи для предотвращения превращения термически тонкого тела в термически массивного, как уже и было отмечено нами ранее. А уменьшение коэффициента теплоотдачи должно приводить к соответствующему изменению закалочной (охлаждающей) среды, то есть, к замене воды маслом при закалке сталей с пониженной теплопроводностью (легированных сталей).
Итак, сделанные нами предположения о пропорциональности коэффициента теплопроводности и коэффициента теплоотдачи не противоречат принятой практике выбора закалочной среды при термической обработке
£¡2 (¡3 Щ Ц5
Содержание легирующих элементов, %
йог 0,06 0,1
сталей с различной степенью легирования, иначе говоря, могут быть приняты во внимание при рассмотрении с теоретических позиций вопроса о закалке того или иного металлического сплава.
Список литературы
1. Амосов, Е.А. Физическое моделирование в металловедении / Е.А. Амосов и др. - Самара: СамГТУ, 2012. - 54 с.
2. Масанский, О.А. Материаловедение и технологии конструкционных материалов / О.А. Масанский и др. - Красноярск, 2015. - 268 с.
3. Морозова, Е.А. Введение в металловедение и термическую обработку металлов / Е.А. Морозова, В.С. Муратов. - Самара: СамГТУ, 2018. -214 с.
4. https://lektsia.com/8x4aa6.html
5. Энциклопедический словарь по металлургии.—М.: Интермет Инжи-ни-ринг. 2000. - 821 с.
6. Гуляев. А.А. Металловедение / А.А. Гуляев, А.П Гуляев. - м.: Аьянс, 2012. - 344 с.
7. Новиков, И.И. Теория термической обработки металлов / И.И. Новиков. - М.: Металлургия, 1986. - 480 с.
8. Перышкин, А.В. Сборник задач по физике / А.В. Перышкин. - М.: Дрофа, 2014. - 270 с.
9. https://zen.yandex.ru/media/inznan/pochemu-tolstostennye-stakany-lopaiutsia-ot-kipiatka-chasce-chem-tonkostennye-6027ade2241d462d4491ed5a
10. Перельман, Я. Занимательная физика / Я. Перельман. - Изд-во РИМИС, 2009.
11. https://ru.wikipedia.org/wiki/Стекло
12. 12.Базаров, И.П. Термодинамика / И.П. Базаров. - СПб: Лань, 2010. -384 с.
13. 13.https://ppt-online.org/293066
14. 14.Лившиц, Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов / Б.Г. Лифшиц и др. - М., 1980. - 320 с.
15. 15. Амосов, А. П. Основы материаловедения и технологии новых материалов / А. П. Амосов. — Самара: СамГТУ, ЭБС АСВ, 2016. — 203 ^
16. Энергетическая модель технологий упрочнения сплавов/ Амосов Е.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. №2 2 (2). С. 196-199.
17. Взаимодействие расплава железа и карбосилицида титана/ Латухин Е.И., Амосов Е.А., Умеров Э.Р.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 6 (14). С. 54-60.
18. О взаимодействии частиц графита разного размера с расплавом титана в ходе СВС реакции/ Рыбаков А.Д., Амосов Е.А., Умеров Э.Р.// Современные материалы, техника и технологии. 2019. № 5 (26). С. 154-158.
19. Получение порошка нитрида кремния по азидной технологии СВС/ Белова Г.С., Амосов Е.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 2 (5). С. 32-36.
Amosov Evgeniy Aleksandrovich, cand.tech.sci., associate professor
(e-mail: amosov-ea@mail.ru)
Samara state technical university, Samara, Russia
INFLUENCE OF THERMAL CONDUCTIVITY ON THE CHOICE OF COOLING MEDIUM DURING METAL QUENCHING
Abstract. This article discusses the influence of the thermal conductivity of the material on the choice of its cooling method during heat treatment (quenching) due to the use of various quenching media. Keywords: cooling medium, thermal conductivity, heat treatment
