6.1 金属加热工艺——金属的物理性质和机械性质在线视频

同学们好

今天我们学习第六章

金属加热工艺

在压力加工车间

金属加热的主要目的

是提高金属的可塑性

为实现这一目的

金属在加热时

所采取的加热温度 加热速度

加热制度和加热时间

就构成了金属的加热工艺

加热工艺的制定是从金属本身出发

需要考虑金属性质

在加热过程中的变化

金属在加热过程中可能出现的

质量缺陷

以及压力加工设备对金属温度要求

本章主要有三个小节的学习内容

首先 在第一小节学习一下

与加热工艺密切相关的

金属热物理性质和机械性质

接着在第二小节学习一下

金属在加热过程中可能出现的氧化

脱碳 过热与过烧等问题

以及避免的措施

最后在第三小节详细学习一下

金属的加热工艺所包含的主要内容

本章所讨论的金属以钢为主

首先来看金属的热物理性质

和机械性质

在加热过程中

金属温度的变化

将导致金属热物理性质

和机械性质的变化

这些变化又会直接影响到加热过程

金属的热物理性质和机械性质

不仅是制定加热工艺的重要依据

也是进行加热计算的必要数据

金属的热物理性质主要包括

导热系数 比热容 密度

导温系数等

这些物性参数决定了

热传导过程的快慢

金属的机械性质主要有弹性模量

泊松比

这些参数决定了加热速度的大小

和加热温度的高低

下面 我们逐一进行分析

根据传热学知识我们知道

导热系数代表物体的导热能力

对于金属而言

其大小取决于金属晶格振动

及自由电子的运动

影响金属导热系数的因素

主要有三点

一是金属的化学成份

对钢而言

化学成份的影响主要体现在含碳量

及合金化程度上

常温下

碳钢的导热系数与含碳量的关系

如方程所示

其中 λ0表示0摄氏度时

碳钢的导热系数 单位为W/（mk）

C Mn Si分别代表碳 锰 硅

在碳钢中含量的百分比

该方程仅适用于含碳量小于1.5%

含锰 硅量各小于0.5%的碳钢

一般情况下

纯金属的导热系数

大于合金钢的导热系数

如生铁的导热系数一般为

40到52W/（mk）

合金钢的导热系数随合金元素的

含量不同而不同

一般为10到40W/（mk）

影响金属导热系数的第二个因素

是金属的纤显微组织

金属化学成份一定时

显微结晶组织不同

导热系数也不同

对于钢而言

一般情况下是珠光体的导热系数

大于铁素体或马氏体的导热系数

铁素体或马氏体的导热系数

又大于奥氏体的导热系数

影响金属导热系数的第三个因素

是温度

导热系数与温度的关系如图所示

碳钢的导热系数

在800摄氏度以下时

因温度升高而显著降低

而且 常温下导热系数越大的钢

降低得越显著

但在800到1000摄氏度以上时

碳钢的导热系数

又随温度的升高而增加

这与碳钢在800摄氏度以上

出现奥氏体组织转变有关系

大多数合金钢的导热系数

在840度以前是随温度升高而减小

而奥氏体钢的导热系数

始终是随温度的升高而增大的

除钢以外

这张表中列出了几种纯金属

在不同温度下的导热系数

可作为设计时的参考

金属的比热容与化学成份

温度等因素有关

例如在17到100摄氏度的范围内

碳钢的平均比热容

可用下面这个方程进行计算

方程中的C表示钢中含碳量的

重量百分数

这个表给出了一些碳钢和合金钢

在不同温度时的平均比热容

可以看出 钢的化学成分

对比热容的影响不大

各种钢的平均比热容

均随温度的升高而增大

根据质量守恒原理

随着温度的升高

钢的密度因体积膨胀而减小

密度与温度的关系如下

式中ρ为t摄氏度时钢的密度

单位为千克每立方米

ρ0为0摄氏度时钢的密度

单位为公斤每立方米

t为所求密度的温度

单位为摄氏度

β是钢的线膨胀系数

单位摄氏度分之一

其大小可通过机械设计手册查得

β的部分值如表中所示

碳钢的密度因含碳量的不同

而在7800至7850千克每立方米的

范围内变化

高合金钢的密度变化范围更大一些

使钢的密度增加得最多的元素是钨

而铝 碳 硅 锰等元素

均使钢的密度减小

钢的密度不仅与化学成份有关

还与它的组织状态有关

其中奥氏体钢的密度最大

金属的导温系数也可称为

金属的热扩散率

其代表的是金属所具有的

温度变化的能力

它是金属的导热系数 密度

比热容的函数

计算表达式为a=λ/ρcp

导温系数的单位为平方米每秒

是包含导热系数λ 密度ρ

比热容Cp三者的综合热物理性质

可按三者的数值计算得出

计算时 应采取真实的导热系数

密度和比热容

但值得注意的是

在一些计算中

常用金属加热过程中

某一温度区间内的平均比热容值

来计算导温系数

这时导热系数也应该采取平均值

计算出的结果为该温度区间的

平均导温系数

这张图给出了一些钢种的导温系数

随温度的变化

图上1至7序号对应的钢种

如这张表里所示

在设计计算时

可根据需要进行查找

下面讨论一下金属的机械性质

对于加热工艺和压力加工来说

金属的机械性质主要是指

弹性和塑性

钢加热时的温度应力

和它的弹性有关

弹性是指物体受外力作用变形后

移走作用力后能恢复到

原来形状的性质

和钢弹性有关的是钢受张力时的

弹性模量E

以及断面收缩和纵向伸长之比

即泊松比

这张图显示的是碳钢及低合金钢

弹性模量E随温度的变化

可以看出

随着温度的增加

弹性模量降低

500摄氏度时

弹性模量的值比适温下小于30%

不同金属的泊松比

在0.28到0.45范围内波动

钢的泊松比可按0.3来取值

塑性是指

物体在不被破坏的前提下

受外力的作用发生变形

外力移走后仍能保持变形形状的

一种性质

钢的塑性越好越容易进行压力加工

钢的塑性常以相对延伸率

和断面收缩率来表示

常温下 各种钢可按塑性高低

分为三类

相对延伸率小于15%的钢

称为低塑性钢

如高碳钢和合金钢

相对延伸率在15%至25%之间的钢

称为中塑性钢

如中碳钢和一些合金结构钢

相对延伸率大于25%的钢

称为高塑性钢

如低碳钢

随着温度的升高

钢的弹性下降 塑性提高

温度超过于550摄氏度时

钢将失去弹性 进入塑性区

温度越高 塑性越好

压力加工前对钢进行加热的目的

就是为了提高其可塑性

好 今天的课程就到这里

谢谢大家