Основы теплопередачи и нагрев металла (Лекции)

Богданов Э.Ф. Кафедра МТ-6 Раздаточные материалы по курсу "Основы теплопередачи и.нагрев металла" для студентов 3 курса специальности "Машины и технология обработки металлов давлением" 8оо иоо ~ С Рис. 1. Зависимость изменения' юэффициента теплопроводности стали от температуры 1 - низкоуглеродистая сталь, 2 - высохоуглеродистая, д - низколегированйая, 4 - хромоникелевая (аустенитная) Рис.2, Температурный интервал ковки и штамповки углеродистых сталей. С ПОВГпеыиы;.. "ЮЫ.:.ПЕРИЮУРЫ А ЦВЕТНЬГХ МЕтаЛЛОВ И СПЛВВОВ А .= Ио, Л ~~Д = 6'оо с)= ~од, Х.2. Теплоемкость.

Теплоемкость стали ~ мало зависит От ее химсостава и сильно от температуры, особенно в области структурчых превращений ( например, % Для углеродистых сталей ~ ~ - содертание углерода). С=а/а сФ=4= О48 к4ЯФсу кЛ ср=ггоос)=ОТ С=15 Ж сЙ 4=О~5. -й= )-озю. АЛЮМИНИЙ ~ ~'~л,р ~~ ~,.) Я;т 2. Температурный интервал ковки и штамповки. Различают оптимальный 1допустимылй) и технологически необлоны»ый ~иополиевеинй» инверввлы ковки. Гйыиивеыи овине|и»иного интервала являются температура началь ковки и температура кннца ковки. 2.1.

Температура обработки давлением стали Для углеродистых сталей длн определения интервала козочках температур Воспользуемся диаграммой состояния У~ — Уезд (железо — цементит) со шкалой на горизонтальной оси содержание углерода»(рис.2» Зерхнян граница .

Начала ковкы должна быть ниже ~ петзжога, котораи расположена ниже линий солидуе примерна на ОООО: При температурах ниив ~ пережога, но близких к ней возникает перегрев металла. При етом происходит непрерывный рост зерен за счет собирательной рекристализации, которая зависит только от температуры. Чем выше ~ , тем крупнее зерно. у большинства сталей при конке и ш.амповке крупное зерно изм8льчается и позтсму И начала ковки мсжвт находиться В ззне перегрева. у некоторых сталей, склонных к перегреву, крупнозернистое строение ст перегрева остается и.

после ковки. Поэтому для них ~ начала ковки должна быть ниже температуры, выше которой идет интенсивный рост зерен за счет собирательной рекристализации. Для углеродистых ст чей вер. »чя гр-:.'-и 'а::н э-,=:-:=я;-:оэсч:-.--:-, те,„е „„„ди,, „8 ~5~ ~ОСО н.„. ли„.„к сс,. ~с структура чисто аустенитнан Й) . -4- высокоуглеродистых с 'алей вэрхнп пэедел». Ковки 11ОС-т050 С при этом стр гяура Двух,эаэ»:"-ч Й+Ц) Втогп~~ый пс- менти (4) Образует хрупкую сетку по гуж П1цаи зерен, что снижает пюстичность.

Нри ковки необхо~.имс в'.Яча.".8 раздробит пементит на отдельные зерна поэтому ковку проээц=т вначале с небольш.".и Обжатием. Ковку ведут при М которэн обеспечивает рекристализацию металла при де;,'.Ормировании. Но заверщение "роцесса рекристали- зации зависит нэ только от М' , но и от скорости деформации т. к. рекристалпэацля протекает ВО времени. Поэтому нэкоторые низкопластичные сплавы хорошо куются ва прессах, а при ковке на молотах разрушаются 1рекристализации не успевает), При ковке на молотах стальных поковок за счСТ стстажнин разупрочненин сопротивление деформации больше, чем при ковка на ПРесое» Лдаграмьа состояния помогает выбрать нижний предел интервала коночных температур КОВкэ. Ниже линии Р-Ь приводит к;:-'."а»» клепу Поэтому нилний пред8л длч всех углеродистых сталей ОООтзэт ветствует примерно ВОООС.

При боль ой массе поковки, поковка будет остмзать медленно и при высокой температуре конца ковки размельченное дефорицией зерно может снова вырасти, »Чизкоуглеродиотые стали ~С< 4 3 /,) можно ковать при двух- 4азной структуре аустени~ч4еррит (М.Ф) ввиду относительно высо- кой платичнооти. Некоторый наклеп можно сннть последуицей тер- моОбработкой покОВки, Длн внсокоуглеродистой стали. ~С ~ ф ) весь интервал ковки находится и диухфазной зоне Ы+ц). Ковка дробит сетку цементита, и улучиает структуру стали» Итак» максимальный интервал кОВОчных температур длн низко- углеродистой стали достигает бИРС, длн эвтектоидной - 4ОО-450':", ,„д,, зазвт к й 2ОО чОООС Дин Высоколегирсванной стали этот интервйл еш8 меньше, „!ля иаропрочной стали» например» 5'„~-100 С, что приолижает реГлпл ковки к изетермическсму» Если за Времн ковки с снизилась до меньше допустит»об, а процесс ксв.::л яе окончен тс треб "ется вторичный нагрев.

При "" "='.~пенке, ес,~"„хотят снизить усилие дефор!яроваия ы нагрузку на штампы, температуру скончания обработки устанавливают бтп;ке к верхнему пределу, а структуру стали справпют последующей термообработкой поковки. Ес."ч же рост зерна при нагреве под штамповку и после дефсрмирования нежелателен„ то штампуют при температуре ближе к нижнему пределу, Температурный интервал ковки и штамповки устанавливается путем комплекса лабораторных испытаний с последующей проверкой в производственных условиях Обработка стали и сплавов давлением' должна производитьея в о о зном состояни , при котором кристаллиты имеют одинаковые свойства. Строятся диаграммы состояния систем сплавов и по диаграмме подбирают такой интервал ковки, чтобы сн весь укладывался в пределы одного фазового состояния металла. В настоящее время разработаны таб ицы для всех основных сталей и сплавов /см.

Справочник "Ковка и штамповка, т.Х, под ред. Е.И.Семенова/ 2.2 Темпе т об ботки давлвнием цветных сплавов Алкминиевые сплавы, С Для магниевых сплавов МАХ, ИЛ и др~Иу-~"Ь-М) режимы ковки и штамповки завис .ят также от того ва молота или прееое идет процесс обработки и лежит в пределах (400-430)...~300-320), интервал примерке 100 Медные сплавы 462 (латунь) интервал обработки 800-600 при т > 800 резкий рост зерна, при Ф = 500...600 - зона хрупкост" -6'- -,рдК 9 4 ~~д-,~~'- ре~ и.:,терзал рабогы 000...

00 При 8 = 200...700 - зона хрупкости ~' = 10...15Я вЂ” резкиЛ рост зерна должно быть Ю > ~э" / ° 3. Скорость нагрева Скорость нагрева - зто изменение температуры металла по сечению заготовки в единипу времени, В системе СИ "К/с~ , на практике ~ оС/ч~. Передача тепла теплопроводностью при неустановившемся про- цессе в осыовном определяется козффицизнтом теапературопровод- ности, кото ' входит в уравнение Фурье аг ~~ а»' Ву' 9~') ' Су= — =~ ~~~~,ц~, /~,з~ ( с углеродистая сталь М= О 4'~-.0,06 ~ ~'"~ хромистая сталь а = Ооя,, никелиеван сталь и = 000Ь .' медь ,ь= о зев,. бронза ~х = с~ О у-.

явь~ ' титановые сплавы ю = <31". ~я Коэффициент <2 может резко меняться с температурой, осо- бенно в области структурных превращений для ст.45 при 7~ = 20 С Ф= 0,06 при М = 900оС И= 0,02 (в три раза маньше) Введем понятие технически возможной скорости и допускаемой скорости нагрева. Технически возможная скорость нагрею зависит от многих пе- ременных величин: от конструкции и температуры печи, от размеров и количества заготовок в печи, от их физических свойств и т.д. Чем меньше температуропроводность и больше сечение заготовки, чем больше заготовок в печи, тем меньше технически возможная скорость нагрева.

Технически возмокная скорость нагрева в основном зависит от температурного напора, т.е. от разница между температурой печ„ печи и температурой заготовки. К копну нагрева температурный напор уменьшается. При слипжом высокой технически возможной скорости нагрева, / .>с,,~е;.,,т"-',' ~ бс;;,:„',с':с т ",пас,.турнепс грддиента по сечению заготовки в не":«.:згут обрчзозн:аться трещины из-за термических и структурных напряжений. При нагреве заготовки наружные слои имеют более высокую температуру, чем внутренние, поэтому наружный слой металла стремится рас"'яриться и находится в сжатом состоянии (что не странно), в это время внутренние слои находятся в растянутом состоянии, что может привести к нарушению целостности материала внутри заготовки из-за высоких температурных напряжений. Наружные слои первыми достигают температуры рекристализации и переходят иэ Я., в Ю~ , что связано с уменьшением объема, примерно, на 1$. Наружные слои при этом сжимаются и могут получить растягиваюшие структурные напряжения, приводящие к разрушению металла, но теперь уже на наружной поверхности.

У углеродистых сталей структурные напряжения небольшие,т.к. возникают при температуре, когда оталь уже потеряла упругие свойства, стала пластичной и поэтому они не опасны Для легированных сталей при установлении режима нагрева необходимо учитывать влияние структурных напряжений, т.и.снижать скорость нагрева ва,до безопасной в отношении прочности изделий. Существуют понятия теплотехнически "тонкого" и "толстого" (" Массивного" ) тела. Ясли при нагреве заготовки разность температур по ее сечению будет небольшая, то это тонкое тело.

Если разница температур большая, то это массивное тело. Поняты "тонкого" и "массивного" тела являютея относительньзии,т.к, зависят не только от диаметр или толщины заготовки, но и от условий теплопередачи на поверхности и внутри заготовки. Соотношение между количеством тепла, полученным поверхноеть стью и количеством тепла, отведенным внутрь заготовки характеризуется критерием Бис: в т еннее тепловон соп тивление ~/~~ внешнее тепловое сопротивление ~ ~ ~ г где О~~+, - суьздарный коэ4$ициент теплопередачи лучеиспусканием и конвенцией на поверхности заготовки; - толщина заготовки.