Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 35
Текст из файла (страница 35)
5.1). Компонентами градиента температуры в декартовой системе координат являются частные производные температуры по координатам: Т, а б Рис. 5.1. Изображение температурного поля нзотермами: а — изменение температуры но направлению бб; б — касательная и, нормаль пп к нзотерме н градиент температуры Для наглядности температурные поля часто изображают в виде наборов изотермических поверхностей или линий (рис. 5.1). Если температуры во всех точках тела одинаковы, то такое поле называется однородным. 3.
Изотермическал поверхность — совокупность точек тела, имеющих одинаковую температуру. Изотерма — линия на поверхности или в сечении тела, соединяющая точки с одинаковой температурой. Изотермы не могут пересекаться, так как в точках их пересечения одновременно имели бы место различные температуры, что физически невозможно. 4. Термический цикл — зависимость Т(г) температуры от времени в некоторой фиксированной точке тела.
5. Градиент температуры — вектор, характеризующий степень неоднородности температурного поля в окрестности рассматри- 184 (5.2) Единица теплового потока в СИ совпадает с единицей мощности (Вт). 7. Удельный тепловой поток — тепловой поток, приходящийся на единицу площади (его обозначают с нижним индексом «2»): (5.3) 8. Приращение энтальпии ЬН вЂ” количество теплоты, сообщенное единице массы вещества при нагреве его от температуры Т! до Т2. При технических расчетах приращение энтальпии 5Н, Дж!г, обычно отсчитывают от нормальной температуры (293 К), а не от абсолютного нуля. Приращение энтальпии в металлах с ростом температуры монотонно увеличивается. Лишь в критических точках, соответствующих структурным и фазовым превращениям, которые происходят с поглощением или выделением теплоты, приращение энтальпии изменяется скачкообразно (рис.
5.2). 9. Теплоемкость — свойство материала поглощать теплоту при нагревании. За единицу теплоемкости принимают количество теплоты, необходимое для нагрева на 1 К (1 'С) единицы массы вещества (массовая теплоемкость с, Дж~(г К)) или единицы его объема 3 (объемная теплоемкость ср, Дж/(см К)). Различают истинную (т. е. при данной температуре) и среднюю (в заданном интервале 185 а, х, смз/с Вт/(см К 0,8 ЬН, Дж/г 1600 Дж/(г.
К) 1,6 0,15 0,6 1,2 0,10 0,4 0,8 0,05 0,2 0,4 0 О 300 700 800 1500 1900 Т, К Рис. 5.2. Теплофизич к вием 0,1 % угле о а (а— ф ес ие своиства иизкоуглеродистой стали с и с содержая р да (а — коэффициент температуропроводиости; 7. — коэффициент теплоп ово ио и; р д сти; с — истинная массовая теплоемкосгь; оН— приращение эитальпии) Н(ЛН) г/Т (5.4) температур) теплоемкости.
Истинная массовая теплоемкость п едставляет собой п оизво и ю р д у приращения эитальпии по темпе"а- емкость пред- туре х, Вт/(см К рис 5 3 Коэффициент тепло проводиости 3. различных марок стали в зависимости от температуры: 1 — элеьтролитическое железо. 2— ввзяоуглеродястяя сталь с содержявяем О,! % С; 3 — углеродистая сталь с содержанием, % 0,45 С, 0,08 81, 0,07 Ма; 4 — низколегирояавияя сталь с содержанием, %: О,! С, 0,02 Я, 0,4 Мп, 4,98 Сг; 5- сталь с содержанием, %: 1,52 С, 0,38 Вь 0,38 Мя, !3,1 Сг, 6 хро мовикелевяя коррозионно-стойкая сталь типа !8-8 0,8 0,6 О, О, 400 800 значения и в общем случае зависит от химического состава, структуры материала и температуры (рис. 5. 3).
В инженерных расчетах обычно пользуются значениями теплофизических свойств, усредненными в характерных температуриых интервалах (табл. 5.1). 12. Коэффициент тампературопроводности а, см/с представляет собой отношение коэффициента теплопроводиости к объемиой теплоемкости а = )./ср.
Эта величина присутствует в диффереициальиом уравнении теплопроводиости. Таблица 5.1. Типовые теплофизические свойства некоторых материалов, используемые в расчетах тепловых процессов при сварке В критических точках понятие истинной теплоемкости те я смысл (см. рис. 5.2).
сти теряет 1 — количество теплоты, О. Удельная теплота превращения 1. — к поглощаемой или выделяемой единицей ма " массы материала в изотермическом процессе превращения. 11. Теплоп оводность — с р — пособиость материалов проводить теплоту. Характеризуется коэффициеитом теплопр 2., оводиости ( м ), которыи численно выражает количество теплоты, протекающее через единицу изотермической поверхности в единицу времени при единичном градиенте температуры, Д личных ве веществ коэффициент теплопроводиости имеет разные 186 187 5.2.
Закон теплопроиодностн (закон Фурье) Передача тепловой энергии (теплообмен) может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией, излучением (радиацией). В твердых телах теплота передается первым способом. В жидкостях теплота передается конвекцией и теплопроводностью; в газах — конвекцией и излучением; в вакууме — только излучением. Закон теплопроводности, сформулированный О. Фурье, устанавливает количественную связь между теплопроводностью материала, градиентом температуры и удельным тепловым потоком в твердых телах: 92 = — ХйгадТ. (5.5) Знак минус в формуле (5.5) означает, что поток теплоты направлен в сторону, противоположную возрастанию температуры.
5.3. Поверхностная теплоотдача С поверхности тел в окружающую среду (и наоборот) теплота передается путем конвективного или лучистого теплообмена. Указанные процессы играют важную роль при сварке: в конечном итоге вся теплота, введенная при сварке, отдается в окружающее пространство, и тела остывают. При конвективном теплообмене теплота с поверхности тела уносится окружающей средой (жидкостью или газом), которая перемещается относительно поверхности тела вследствие различной плотности или принудительной циркуляции. Приближенно удельный тепловой поток при конвективном теплообмене определяется по правилу Ньютона: (5.6) 92„— — а„(Т вЂ” Тс), где а — коэффициент конвективной теплоотдачи; Т вЂ” температура поверхности тела; Т, — температура окружающей среды (жидкости или газа).
Коэффициент ак может изменяться в широких пределах в зависимости от свойств окружающей среды (теплопроводности, плотности, вязкости) и характера ее движения относительно поверхности тела, от физических свойств поверхности, отдающей теплоту, ее формы и положения в пространстве, от соотношения температур поверхности тела и среды. 188 истом теплообмене удельный тепловой поток с поПри лучистом — по циоверхности тела согл согласно закону Стефана — Больцмана прон р пален четвертои ст ой степени абсолютной температуры тела; 4 9„=С,Т . (5.7) Коэффициент С зависит от степени черноты тела е; С =есо. (5.8) д — е о.
(7 4 7-4) (5 9) в, мВт/(см 'К) 92г 30 где Т вЂ” температура тела; Т, — темлература среды. После раскрытия скобок в выражении (5.9) первый член выражает удельный тепловой поток, излучаемый телом, второй— поглощаемый им. По аналогии с выражением (5.6) можно связать удельный тепловой поток лучистого теплообмена с разностью температур (Т вЂ” Тс) соотношением 92„—— а„(Т вЂ” Т,), (5.10) 700 900 1500 Т, Рис. 5.4. Коэффициенты полной теплоотдачи а и лучистого теплообмена а„вертикальных листов углеродистой стали в зависимости от нх температуры Т лрн Т, = 273 К где а„— коэффициент лучистого теплообмена (рис.
5.4). Тогда удельный тепловой поток полной тепло- 189 тела е = 1, а С равен постоянной СтефаДля абсолютно черного тела е = — 12 2 4 на — Больцмана С = 5,67 10 Вт/(см . К ). Большинство встречающихся в технике тел можно рассматривать как серые тела, у < 1.
Значение е зависит от природы тела, характера по- которых с х ше оховаве хности и от температуры. Например, у окисленных р тых поверхностей сталей е изменяется от, до,; ч 0 6 о 0,95; ч алюминия— \ от 0 05 до 0,2. В еальных условиях нагретое тело окруж ру жено д гимн телами и между ними про исходит лучистый теплообмен. Каждое тело излучает энергию и воспр инимаег часть энергии, излучаемои другими телами, т.
е. отдачи можно представить как сумму удельных тепловых потоков при конвективном и лучистом теплообмене, т. е. Ч2 — ~«(Т вЂ” Т )+от(Т вЂ” Т )=а(Т вЂ” Т ) ( 1) где а — коэффициент полной поверхностной теплоотдачи, который значительно изменяется с ростом температуры поверхности тела. При низких температурах основная часть теплоты с поверхности тела отдается в окружающую среду конвективным теплообменом, а при более высоких температурах — лучистым теплообменом. 5.4. Схемы нагревяемого тела Распространение теплоты существенно зависит от формы и размеров нагреваемого тела. Точно учесть сложную конфигурацию тела, анализируя процессы теплопереноса при сварке можно лишь при использовании методов компьютерного моделирования сварочных процессов (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
