11.3.1. Тонкие и массивные тела

Нагрев металла является одной из главных операций термической обра­ботки, характеризуемой температурой и скоростью нагрева. Под температу­рой нагрева подразумевается конечная температура металла, при которой он выдается из печи. При этом металл должен быть нагрет одинаково по сече­нию, периметру и длине (определяют температуру в °С по поверхности нагреваемого металла). Скорость нагрева в град/час означает изменение температуры металла в единицу времени. О допустимой скорости нагрева изделий при термической обработке существуют различные мнения. Если раньше считалось, что посадка изделий в горячую печь недопустима, то в на­стоящее время для отдельных марок сталей практикуется загрузка изделий в печь при высокой температуре.

Американская практика рекомендовала для нагрева при закалке каждые 25 мм сечения изделия 1 час и 1/5 этого времени на выдержку. Эта скорость является явно заниженной. Тринкс дает более жесткую норму нагрева: 1 мин. на каждые 0,6 мм диаметра или минимального сечения, что состав­ляет на 25 мм 42 мин. Сейчас нагрев ведется с большими скоростями. В пер­вые повышенные скорости для нагрева изделий были предложены академиком Н.Н. Доброхотовым.

Сложность вопроса о скорости нагрева заключается в большом количестве факторов, влияющих на скорость нагрева. Особенно важными являются: а) теплопроводность, которая различна для стали разного состава; чем больше углерода и легирующих элементов в стали, тем ниже ее теплопроводность, и нагревать такую сталь нужно с меньшей скоростью; б) сечение изделия; чем оно крупнее, тем медленнее должен быть нагрев, так как вследствие раз­ницы температур между наружной и внутренней частями изделия возникают внутренние напряжения, которые могут привести при быстром нагреве к появлению трещин; в) форма изделия; чем она сложнее и чем больше в ней резких переходов от толстых к тонким частям, тем больше может быть его коробление и даже образование трещин.

Напряжения в стали появляются в интервале температур 0…500 °С. Выше этого предела сталь приобретает достаточную пластичность, и напряжения опасности не представляют. Нужно также учитывать и фазовые превращения. Опасным моментом в отношении появления трещин является большой пере­пад температур в начале нагрева между наружной частью и сердцевиной изделия, а также, когда температура наружной поверхности достигает кри­тической точки. При разработке режима нагрева нужно стремиться к мини­мальной продолжительности нагрева и к обеспечению требуемого качества. Неправильный нагрев может вызвать трещины (вследствие резких изменений температуры или недостаточной температуры нагрева, или неравномерного нагрева), перегрев, пережог, большое окисление, обезуглероживание и иногда науглероживание.

Расчеты времени нагрева изделий в практике термической обработки еще применяются недостаточно. Это объясняется сложностью существующих и отсутствием упрощенных методов тепловых расчетов.

Для расчетов времени нагрева и охлаждения изделий при термической обработке используются следующие свойства: теплопроводность, теплоем­кость, температуропроводность и коэффициент теплоотдачи.

Теплопроводность зависит от состава стали и температуры. С увеличе­нием содержания углерода и легирующих элементов теплопроводность уменьшается. Теплопроводность также снижается с ростом температуры (табл. 11.48). Теплопроводность стали в аустенитном состоянии равна 20…25 ккал/м·час·град.

Теплоемкость стали зависит от содержания углерода и температуры. С увеличением температуры теплоемкость возрастает. Обычно для рас­четов пользуются средней теплоемкостью за цикл нагрева. Величины сред­ней теплоемкости металлов представлены в табл. 11.49.

Для тепловых расчетов часто пользуются объемной теплоемкостью или теплоемкостью единицы объема с_υ = сγ ккал/м³ град, где γ — плотность сплава в кг/м³.

Температуропроводность - скорость изменения температуры изделия - представляет собой отношение коэффициента теплопроводности к объемной

теплоемкости: . Передача тепла нагреваемым изделиям в печах при высокой температуре происходит главным образом излучением; переда­чей конвекцией при высоких температурах можно пренебречь. Излучение стен, свода, пода печи и газов, имеющих разную температуру, можно заменить одним источником, имеющим среднюю температуру, называе­мую температурой печиt_печи в °С.

Таблица 11.48

Теплопроводность некоторых металлов и сплавов

Таблица 11.49

Средняя теплоемкость некоторых металлов и сплавов

При термической обработке нагрев или охлаждение изделий может проис­ходить либо при постоянной температуре, либо при заданной скорости нагрева или охлаждения. При расчете времени нагрева различных тел удобно их разделить на «тонкие» и «массивные». Все металлы обладают высокой теп­лопроводностью. К тонким изделиям отнесем те, которые имеют при нагреве или охлаждении благодаря теплопроводности незначительный перепад температур по толщине изделия.

Для расчетов этот перепад температур вслед­ствие незначительности может не приниматься во внимание. Изделия, в кото­рых при нагреве или охлаждении нельзя пренебречь разностью температур поверхности и центра, будем относить к массивным телам. При такой раз­бивке всех нагреваемых изделий будут иметь значение их размеры, тепло­проводность и интенсивность нагрева или охлаждения. Изделие относительно больших размеров, но нагреваемое очень медленно, при нагреве может счи­таться тонким телом, так как перепад температур будет незначительным. И наоборот, чем интенсивнее будет нагрев или охлаждение, тем меньшие по толщине изделия должны быть отнесены к массивным телам.

При передаче тепла от внешней среды на границе металл — среда изде­лие будет испытывать внешнее сопротивление, которое обратно пропорцио­нально коэффициенту теплоотдачи от окружающей среды на поверхность металла и равна . Передача тепла внутри изделия будет испытывать вну­треннее сопротивление, обратно пропорциональное коэффициенту теплопро­водности и прямо пропорциональное толщине изделия.

Отношение внутреннего теплового сопротивления к внешнему тепловому сопротивлению представляет собой безразмерную величину и носит название критерия Био, обозначаемого:

где – внутреннее тепловое сопротивление пластины толщиной2S или цилиндра радиуса S; – внешнее тепловое сопротивление.

Критерием Био пользуются для установления границ тонких и массив­ных тел.

Если толщина изделия небольшая, а коэффициент теплопроводности высо­кий, то величина Bi будет очень малой. В этом случае нагрев будет зависеть от внешней теплоотдачи.

Такие тела не дают большие температурные перепады по сечению и от­носятся к тонким.

Если же толщина тела значительная, т. е. увеличивается внутреннее сопротивление и температурный перепад по сечению возрастает, становится больше и значение Bi; такие тела при нагреве и охлаждении считаются мас­сивными. За основную границу между тонкими и массивными изделиями при­нимают такое сечение, для которого критерий Био равен 0,25; при этом значении Bi максимальный перепад температуры по сечению изделия состав­ляет 10% от начальной разности температур изделия и внешней среды, т. е. Δt = 0,1(t_cp - t₀). Таким образом, если критерий Bi < 0,25, расчеты вы­полняются по формулам для тонких тел, если же Bi > 0,25, — по формулам для массивных тел. Исходя из значения Bi = 0,25, можно определить пре­дельные толщины тонких тел при разных термических операциях (табл. 11.50).

Таблица 11.50

Предельные толщины тонких тел (при Bi = 0,25)