第八章金屬的加熱

第八章金屬的加熱第一頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日工件在加熱爐內(nèi)加熱時(shí)，爐內(nèi)熱源傳熱給工件表面，再向工件內(nèi)部傳播§8.1金屬加熱的物理過(guò)程及其影響因素輻射對(duì)流傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)一、加熱介質(zhì)與工件表面的傳熱過(guò)程，影響給熱系數(shù)a的因素

1、對(duì)流傳熱：熱量的傳遞靠發(fā)熱體與工件之間流體的流動(dòng)進(jìn)行。流體質(zhì)點(diǎn)在發(fā)熱體表面靠熱傳導(dǎo)獲得熱量，然后流動(dòng)至工件表面時(shí)把熱量又借熱傳導(dǎo)給工件表面對(duì)流傳熱和流體的轉(zhuǎn)移密切相關(guān)對(duì)流傳熱時(shí)單位時(shí)間內(nèi)加熱介質(zhì)傳遞給工件表面的熱量可表示如下：Qc=acF(t介-t工)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)熱交換面對(duì)流傳熱給工件的熱量，J/h對(duì)流給熱系數(shù)，J/(m2h℃)熱交換面積(工件與流體接觸面積)，m2工件表面溫度，℃第二頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日影響對(duì)流給熱系數(shù)ac的因素：流體運(yùn)動(dòng)的情況：流體，靜止和強(qiáng)迫流動(dòng)兩種狀態(tài)靜止的液體或氣體在加熱過(guò)程中由于與熱源距離不同→溫度不同→密度不同→自然對(duì)流，其熱量的傳遞就靠此種對(duì)流進(jìn)行給熱系數(shù)ac較小氣體爐中加熱，ac=61200~108000J/(m2h℃)鹽浴爐中加熱，ac=296×104J/(m2h℃)←長(zhǎng)度和直徑相等的圓柱強(qiáng)迫流動(dòng)系指用外加動(dòng)力強(qiáng)制抗體運(yùn)動(dòng)，如氣體爐用風(fēng)扇強(qiáng)制循環(huán)等。由于流體運(yùn)動(dòng)速度快→給熱系數(shù)較大。層流：強(qiáng)迫流動(dòng)時(shí)，流體沿著工件表面一層層地有規(guī)則流動(dòng)影響傳熱紊流：流體不規(guī)則地流過(guò)工件表面，使流體質(zhì)點(diǎn)能在熱交換后較快地離開工件表面有利于傳熱ac紊流>ac層流第三頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日?流體的物理性質(zhì)：導(dǎo)熱系數(shù)λ↑、比熱c↑、密度γ↑→給熱系αc↑

粘度系數(shù)↑→流動(dòng)性↓→給熱系數(shù)αc↓

?工件表面形狀及其在爐內(nèi)放置位置：工件形狀和放置位置對(duì)流動(dòng)

愈有利，給熱系數(shù)愈大。

2、輻射傳熱：任何物體，只要其溫度大于絕對(duì)零度，就能從表面放出輻射能載體：電磁波。波長(zhǎng)在0.4~40μm內(nèi)的輻射能被物體吸收后變?yōu)闊崮懿ㄩL(zhǎng)在此范圍的電磁波稱為熱射線，熱射線的傳播過(guò)程稱為熱輻射

物體在單位時(shí)間內(nèi)由單位表面積輻射的能量為：E=c(T/100)4J/(m2·h)輻射系數(shù)，J／(m2·h·K4)C=20.52kJ/(m2·h·K4)的物體稱為絕對(duì)黑體，常以c0表示。在相同溫度下，黑體的輻射能最大，即c＜c0黑度系數(shù)，簡(jiǎn)稱黑度，它說(shuō)明一物體的輻射能力接近黑體的程度T↑→ε↑第四頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日用來(lái)加熱工件的熱量應(yīng)由發(fā)熱體、爐壁等輻射來(lái)的熱量，減去反射的熱量及自身輻射的熱量工件在爐內(nèi)加熱接受從發(fā)熱體、爐壁等輻射來(lái)的能量(熱量)一般金屬材料均非絕對(duì)黑體，對(duì)輻射的能量不可能全部吸收，部分熱量要反射出去本身要輻射出一部分熱量發(fā)熱體（或爐壁）的絕對(duì)溫度，K工件表面的絕對(duì)溫度，K吸收率工件吸收熱量的表面積，m2Note:1.當(dāng)發(fā)熱體與工件之間存在擋板等遮熱物，輻射換熱量減少2.當(dāng)發(fā)熱體與工件之間存在氣體介質(zhì)，這些氣體將吸收輻射能第五頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日3、傳導(dǎo)傳熱：熱量的傳遞不依靠傳熱物質(zhì)的定向宏觀移動(dòng)，僅靠傳熱物質(zhì)

質(zhì)點(diǎn)間的相互碰撞。

傳熱物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在原位作熱振動(dòng)時(shí)，由于它們之間的互相碰撞，使高能量的質(zhì)點(diǎn)把部分能量(熱量)傳遞給能量較低的質(zhì)點(diǎn)熱傳導(dǎo)過(guò)程的強(qiáng)弱以單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位等溫面的熱量即熱流量密度q表示溫度是表征物體內(nèi)能高低的一種狀態(tài)參數(shù)熱傳導(dǎo)過(guò)程是溫度較高(即內(nèi)能較高)的物質(zhì)溫度較低(內(nèi)能較低)的物質(zhì)傳遞熱量熱傳導(dǎo)系數(shù)，J/(m·h·℃)實(shí)際工件加熱過(guò)程中，上述三種傳熱方式往往同時(shí)存在，所不同的是有的場(chǎng)合以這種傳熱方式為主，另一種場(chǎng)合以另一種傳熱方式為主綜合傳熱，傳熱效果可以認(rèn)為是三種單獨(dú)傳熱結(jié)果之和對(duì)流輻射熱傳導(dǎo)第六頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日二、工件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過(guò)程工件表面獲得熱量以后，表面溫度↑，表面與內(nèi)部存在△T熱傳導(dǎo)過(guò)程傳熱強(qiáng)度可以用比熱流量表示：被加熱工件材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)熱傳導(dǎo)系數(shù)λ是材料的熱物理參數(shù)，它說(shuō)明材料具有單位溫度梯度時(shí)所允許通過(guò)的流量密度熱傳導(dǎo)系數(shù)與鋼的化學(xué)成分、組織狀態(tài)及加熱溫度有關(guān),λA＜λ淬火M＜λ回火M＜λP合金元素↓鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)（尤其是低溫），T>900℃,合金元素的作用減弱第七頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日三、熱處理加熱時(shí)間的確定及影響加熱的因素加熱時(shí)間=工件達(dá)到熱處理規(guī)范所要求溫度的時(shí)間(整體熱處理應(yīng)為工件心部達(dá)到要求溫度的時(shí)間)+完成組織轉(zhuǎn)變及其它熱處理目的所要求的組織結(jié)構(gòu)變化所需要的時(shí)間計(jì)算方法經(jīng)驗(yàn)方法理論計(jì)算主要是工件加熱不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)問(wèn)題初始條件確定后解偏微分方程即可常用1、加熱方式的影響根據(jù)加熱目的的不同，加熱方式分為：隨爐加熱、預(yù)熱加熱、到溫入爐加熱和高溫入爐加熱等加熱方式不同加熱速度不同加熱速度：隨爐加熱<預(yù)熱加熱<到溫入爐加熱<高溫入爐加熱第八頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日2．加熱介質(zhì)及工件放置方式的影響(影響α的因素）★加熱介質(zhì)：空氣、惰性氣體(氮?dú)?、氬?，氨熱分解氣體，CO-H2-N2-H2O，N2-CO-H2混合氣體，熔融鹽類液體，溶融金屬液體等流態(tài)化爐(也稱流動(dòng)粒子爐):加熱介質(zhì)為石墨粒子或砂粒(如石英砂等):固體介質(zhì)真空熱處理：稀薄空氣介質(zhì)★工件在爐內(nèi)排布方式的影響：影響熱量傳遞的通道★工件本身的影響：幾何形狀，工件表面積與其體積之比、工件材料的物理性能都會(huì)影響工件內(nèi)部的熱量傳遞及溫度場(chǎng)第九頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日第十頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日§1-2金屬及合金在不同介質(zhì)中加熱時(shí)常見的物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)選擇加熱過(guò)程中，金屬表面和周圍介質(zhì)發(fā)生作用化學(xué)反應(yīng)，如氧化、脫碳等物理作用，如脫氣、合金元素的蒸發(fā)等影響被處理工件的表面狀態(tài)，從而影響工件的使用性能第十一頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日一、金屬在加熱時(shí)的氧化反應(yīng)及氧化過(guò)程

熱處理加熱時(shí)，工件和O2、H2O及CO2等氧化性氣體發(fā)生作用氧化皮表面氧化不希望存在！！工件表面變色，失去光澤機(jī)械性能，如彎曲疲勞強(qiáng)度等變壞必須防止氧化現(xiàn)象的發(fā)生?。〖訜釡囟炔煌?，氧化反應(yīng)有所不同。T＜570℃致密氧化速度慢?。〔恢旅苎趸俣瓤欤。＞570℃的氧化反應(yīng)：第十二頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日FeO結(jié)構(gòu)疏松，O和Fe易于通過(guò)FeO而進(jìn)行迎面擴(kuò)散，氧化速度↑↑↑二、鋼加熱時(shí)的脫碳及脫碳過(guò)程鋼在加熱時(shí)不僅表面發(fā)生氧化，形成氧化物，而且鋼中的碳也會(huì)和氣氛作用，使鋼的表面失去一部分碳→碳↓，這種現(xiàn)象稱為脫碳常見的脫碳反應(yīng)：可逆反應(yīng)向右進(jìn)行→鋼中碳↓向左進(jìn)行→鋼中碳↑為了定量地表示爐氣對(duì)鋼表面增碳或脫碳的能力碳勢(shì)鋼在一定溫度下于加熱爐中加熱時(shí)達(dá)到既不增碳也不脫碳，并與爐氣保持平衡時(shí)表面的含碳量。它表示爐氣對(duì)純鐵飽和碳的能力。第十三頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日測(cè)定爐氣中CO2含量的常用儀器是紅外線CO2分析儀爐氣中H2O的含量，常用露點(diǎn)來(lái)表示（露點(diǎn)儀）所謂露點(diǎn)就是指氣氛中水蒸氣開始凝結(jié)成霧的溫度，即在1atm壓力下，氣氛中水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度鋼加熱時(shí)的脫碳過(guò)程及脫碳層的組織特點(diǎn)If爐氣碳勢(shì)<鋼中含碳量→鋼的表面發(fā)生脫碳（兩個(gè)過(guò)程）。鋼件表面的碳與爐氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(脫碳反應(yīng))，形成含碳?xì)怏w退出表面→表面碳濃度↓表面碳濃度↓→工件表面與內(nèi)部產(chǎn)生濃度差→內(nèi)部碳向表面擴(kuò)散根據(jù)爐氣的碳勢(shì)、加熱溫度及鋼中含碳量的不同，碳鋼脫碳層組織有兩種類型：半脫碳層和全脫碳層自表面至中心，組織：F+P→P→鋼含碳量的退火組織在脫碳層區(qū)碳濃度分布曲線有突變，金相組織：F→F+P→P→鋼含碳量的退火組織第十四頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日強(qiáng)烈氧化性氣體中加熱，表面脫碳與表面氧化往往同時(shí)發(fā)生，例如在CO—CO2氣體中加熱，其氧化、脫碳層結(jié)構(gòu)：表面氧化鐵皮→全脫碳層→過(guò)渡區(qū)20Mn2鏈環(huán)鋼表面脫碳組織邊緣心部縱斷面橫截面第十五頁(yè)，共十七頁(yè)，2022年，8月28日1、真空加熱：<1atm(一般為1.33~1.33×10-2

Pa)的稀薄空氣中加熱2、保護(hù)氣氛:在工件加熱時(shí)保護(hù)其表面不氧化、脫碳的氣氛叫做保護(hù)氣氛3、氨熱分解氣4、氮基保護(hù)氣氛5、液滴式保護(hù)氣氛6、其它加熱介質(zhì)三、加熱介質(zhì)的選擇如何實(shí)現(xiàn)少、無(wú)氧