Способ определения теплопроводности металлов при различных температурах

 

Способ определения теплопроводности металлов при различных температурах. Изобретение относится к физике твердого тела и может быть использовано при определении достоверных свойств металлов в пределах от абсолютного нуля до максимальной температуры, при которой данный металл сохраняет упругие свойства. Сущность: определение теплопроводности металлов при различных температурах проводят на образцах, у которых удалены пластические релаксируемые и упругие внутренние напряжения, температурную зависимость теплопроводности λ(T) металла разбивают на два линейных участка, разделенных характеристической температурой, и определяют теплопроводность по двум эмпирическим зависимостям, характеризующим каждый из участков λ(T). 1 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к физике твердого тела и может быть использовано для определения достоверных свойств металлов в пределах от абсолютного нуля до максимальной температуры, при которой данный металл сохраняет упругие свойства.

Теплопроводность вещества оценивается коэффициентом теплопроводности в уравнении, описывающем процесс теплопередачи в теле где dQ количество тепла, передаваемого за время λτ в направлении, перпендикулярном площадке поверхности S; dT/dx градиент температур в направлении распространения теплового потока; l коэффициент теплопроводности вещества.

Знак минус в правой части уравнения (1) указывает на понижение температуры в направлении распространения теплового потока.

Вещество при этом принимается изотропным, а коэффициент теплопроводности неизменным в данном температурном интервале. Чистота металла, дефекты структуры здесь не учитываются, что обусловливает большую погрешность теплопроводности, определенной опытным путем. Используются приближенные эмпирические формулы [1] Известен также способ определения теплопроводности металлов [2] основанный на непосредственном опытном измерении его с учетом примесей и термической обработки, уменьшающей микродефекты структуры. Однако даже при ограничении дефектов структуры по остаточному электросопротивлению погрешность определения теплопроводности составляет около 20% а воспроизводимость отсутствует.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение рассеивания коэффициента теплопроводности и трудоемкости его определения.

Поставленная цель достигается тем, что образец из контролируемого материала изготавливается без изменения поверхностного слоя, выравнивают его температуру по всему объему и стабилизируют, полностью удаляя пластические релаксируемые внутренние напряжения; о завершении стабилизации судят по прекращению приращения частоты собственных колебаний и измеряют теплопроводность образца при двух значениях температуры T выше и при двух значениях температуры ниже характеристической температуры, определяющей излом на зависимости l(T) в упругой области деформаций; находят постоянные коэффициенты для уравнений, описывающих два линейных участка постоянства и спада зависимости λ(T) и на каждом участке определяют теплопроводность по соответствующему уравнению где a_п, b_п постоянные коэффициенты для участка постоянства; a_c, b_c постоянные коэффициенты для участка спада.

Для ограничения рассеивания упругих внутренних напряжений контролируемый образец выбирают из условия равенства пределов текучести при растяжении и сжатии.

Под характеристической температурой понимается температура, при которой пересекаются участок постоянства с участком спада контролируемого параметра в упругой области деформаций [3] На фиг. 1 представлены температурные зависимости теплопроводности: I - для свинца [2] стр. 105, образец 2в; а II и III для свинца и никеля соответственно, полученные по предлагаемому способу. Плавный переход от участка спада к участку постоянства на зависимости I обусловлен наличием дефектов структуры, которые вызывают неоднородность металла.

На фиг. 2 представлена зависимость предела текучести никеля от температуры, которая позволяет определить величину и знак температурных напряжений /ТН/ относительно температуры характеристической /ХТ/, где ТН равны нулю. ТН в металле совместно с внутренними напряжениями /ВН/ определяют температурную зависимость теплопроводности.

Из графиков следует, что повышение растягивающих ТН увеличивает теплопроводность металла, а повышение сжимающих ТН ее уменьшает. Аналогично действуют ВН, вызванные дефектами структуры, которые вызывают рассеивание теплопроводности, причем ВН значительно больше ТН.

Наклон деформационной характеристики /ДК/ теплопроводности реального деформируемого материала к положительному направлению оси абсцисс может быть как отрицательным, так и положительным. Изменение его происходит за счет упругих ВН растяжения.

Единая количественная связь изменения теплопроводности тела от механического, теплового, магнитного и других воздействий определяется оценкой его потенциальной энергии. Любое воздействие вызывает реакции сил межатомного воздействия, при этом изменяются межатомные расстояния относительно их равновесия при минимальной потенциальной энергии.

Дефекты структуры, вызванные, например, измененным поверхностным слоем, удаляют обработкой резанием, которая сопровождается взаимной компенсацией силового и теплового воздействий. Подбирают режим обработки контролируемого образца, который не дает приращения частоты его собственных продольных колебаний

где l длина образца; E модуль упругости; ρ плотность.

При этом происходит взаимная компенсация силового и теплового воздействий при обработке детали и повышается однородность. Так для никеля параметры такого режима составили: U=46 м/мин, t=0,125 мм/ст, S=0,09 мм/об; резец из сплава T15K6, без охлаждения. Режим стабилизирующего отжига, полностью снимающего пластические релаксируемые во времени ВН и превращающего образец в линейную систему в упругой области деформирования, определяют опытным путем. Итак, выбирается несколько заготовок из контролируемого материала и измеряется частота собственных колебаний каждой. Затем стабилизируют заготовки отжигом при постоянных параметрах режима /время выдержки, скорость нагрева и охлаждения/ и одном переменном /температура нагрева/. Повторно измеряется частота собственных колебаний образцов и вычисляется приращение частоты для каждого образца после отжига. Строится зависимость приращения частоты от переменного параметра отжига температуры нагрева. Максимальное приращение частоты при минимальной температуре определяет искомый режим.

Полное снятие пластических ВН контролируется по линейности ДХ системы: измеряется, например, частота собственных колебаний детали при трех значениях температуры после выдержки до полного выравнивания температуры по объему ее, что определяется прекращением приращения частоты. Аналогично выравнивается температура при измерении теплопроводности.

Для получения воспроизводимых результатов необходимо ограничить или удалить упругие ВН. Поэтому используется материал, у которого пределы текучести при растяжении и сжатии равны, т.е. ВН в таком образце отсутствуют.

Пример.

Использован поликристаллический никель с частотой 99,99. Образец изготовлен резанием при V=46 м/мм; t=0,125 мм/ст, S=0,09 мм/об /резец из сплава T15K6, без охлаждения/, т.е. с удалением измененного поверхностного слоя и, следовательно, неоднородности. Удаление пластических ВН выполнено отжигом при T 650^oC с выдержкой 3,5 ч и медленным охлаждением со скоростью около 120^o/ч до температуры T 390^oC. Измерена теплопроводность образца при температурах на участке спада и при трех температурах на участке постоянства. Результаты сведены в таблицу.

Результаты измерения в трех точках подтверждают линейность системы и тот факт, что ДХ теплопроводности изменяет угол наклона к оси абсцисс при ХТ 88K.

Запишем уравнение прямой с угловым коэффициентом для каждой из двух точек участка спада и постоянства:
1204 К_с·20+b_c
293 К_с·80+b_c (5)
138 К_п·100+b_п
67,4 К_п·300+b_п (6)
Решение систем (5) и (6) позволяет записать уравнения для определения теплопроводности исследуемого металла на участках спада и постоянства

Преимущества предлагаемого способа по сравнению с существующими.

1. Значительно уменьшается трудоемкость из-за сокращения количества исследуемых образцов до одного, а также сокращения количества измерений до трех в интервале температур упругих деформаций.

2. Уменьшается рассеивание теплопроводности при испытаниях и во времени из-за удаления пластических релаксируемых и ограничения упругих ВН.

3. Представление результатов в виде аналитической зависимости /формулы/, которая не содержит случайной составляющей погрешности, т.е. повышение точности.

4. Возможность определения константы теплопроводности в условиях микроравновесия частиц /атомов/ при минимальной потенциальной энергии /при ХТ/ и гарантия ее воспроизводимости.

5. Способ позволяет уточнить ряд положений, а именно: пластическая деформация металла растяжением вызывает образование ВН сжатия, которые уменьшают теплопроводность, а пластическая деформация сжатием образует растягивающие ВН, которые увеличивают теплопроводность /сравните [4] с. 26 "пластическая деформация уменьшает теплопроводность"/.

Итак, теплопроводность металлов, которая определяется приближенно с погрешностью около 40% с учетом метода его производства, величины зерна, способа механической, термической обработки, скорости деформации, степени чистоты, предлагается определять в пределах упругих воздействий температуры на основе величины и знака ВН, которые количественно связаны с вышеперечисленными факторами. При этом пластические релаксируемые ВН удаляют, а упругие используются для изменения теплопроводности и несущей способности конструкций.

ВН определяют, например, следующим образом:

где σ_вн,σ_вну соответственно суммарные (пластические и упругие) и упругие ВН; σ_т.р,σ_т.с предел текучести соответственно при растяжении и сжатии; σ_т.ру-σ_т.су предел текучести стабильного тела после снятия пластических ВН при растяжении и сжатии.

Источники информации, принятые во внимание
1. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. Т. 1. Справочное пособие под ред. А.Т. Туманова. М. Машиностроение, 1971, с. 323 342.

2. Теплопроводность твердых тел. Справочник под ред. А.С. Охотина. М: Энергоатомиздат, 1984, с. 4 174.

3. Патент России N203527, кл. G 0 1 N 25/00, 1995.

4. Солнцев Ю.П. Степанов Т.А. Конструкционные стали и сплавы для низких температур. М. Металлургия, 1985, с. 26.

Формула изобретения

1. Способ определения теплопроводности металлов при различных температурах, заключающийся в ограничении примесей и дефектов структуры образца и измерении зависимости теплопроводности от температуры λ(T), отличающийся тем, что образец из исследуемого металла изготавливают с неизмененным поверхностным слоем, выравнивают его температуру по всему объему и стабилизируют, полностью удаляя внутренние пластические релаксируемые напряжения, причем о завершении стабилизации судят по прекращению приращения частоты собственных колебаний образца на температурной зависимости частоты собственных колебаний, а теплопроводность образца измеряют при двух значениях температуры Т выше и при двух значениях ниже характеристической температуры, определяющей излом на зависимости λ(T), находят постоянные коэффициенты для уравнений, описывающих два линейных участка постоянства и спада зависимости λ(T) и на каждом участке определяют теплопроводность по соответствующему уравнению
λ(T)_п = a_пT+b_п;
λ(T)_c = a_cT+b_c,
где λ(T)_п, λ(T)_c - теплопроводность на участках постоянства и спада;
a_п, b_п постоянные коэффициенты для участка постоянства;
a_с, b_с постоянные коэффициенты для участка спада.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контролируемый образец выбирают из условия равенства пределов текучести при растяжении и сжатии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3