热物性系数的研究0001

1、热物性系数的研究热物性是指钢的比热容、导热系数和导温系数。导热系数、热扩散率、比热、热膨胀 系数、热辐射率等与热关系十分密切的物理性能。热物理性能作为材料的基本性能。它与 材料结构、成分和使用温度具有密切而敏感的关系、由此可解决研究中遇到的许多难题。 通过测量热物性可预测其它性能，这是基于热物性与其它某性能基于同一微观机制。对于 钢铁材料，热物性主要的影响因素是温度、成分和显微组织。热物性主要包括以下参数参 数：比热容：是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放 的热量。比热容是表示物质比热容表示物体吸热（或散热）能力的物理量。通常用符号C表示。qgradt导热系数：表

2、征物体导热能力的，影响导热系数的因素很大，包括物质的种类、含水 率、温度、压力等。数值上导热系数等于单位温度下热流的密度矢量的模。导温系数：导温系数反应物体导热能力和单位体积热容量的大小，a热扩散率也c是热物性参数，其只与物质的种类有关。热常数、导热系数、热扩散率与比热、之间具有确定关系，即导热系数与比热、表观 密度和热扩散率三者的乘积存在一定关系。热常数的测量方法分为两大类，一为稳态法， 另一为非稳态法，稳态法主要特点为：在测试过程中，被测样品的温度场不随时间变化， 直接测得导热系数；非稳态法为测量过程中样品温度场随时间变化，直接测得热扩散率。 1热物性的影响因素（1）温度高碳钢的比热容在温

3、度750C，比容的下将 有所缓慢。除淬火组织外，常温到10000之间，高碳钢的导热和导温系数明显下降，降幅达 50% 左右。在750C之前，导热系数下降很快，此后下降速度有所减缓，对于淬火组织在100C 出现一个极小值，在250C出现一个极大值。除淬火组织，高碳钢的导温系数在 750C出现一个极小值，常温到 750C之间，导温 系数从0.11左右下降到0.02.之后，导温系数开始上升。淬火组织在 100C出现一个极小 值，在250C出现一个极大值。(2) 成分 随着碳含量的增加，高碳钢的比热容增大，导热系数和导温系数均减小，其他元素的 影响有待进一步研究。(3) 组织对于不同组织， 其热物性差

4、别很大， 随着显微组织中稳定性的提高， 比热容逐渐下降， 而导热系数和导温系数则逐渐上升， 对于平衡程度较低的组织， 其内部组织的畸变能较大， 所以其吸热能力降低，即比热容下降；然而，由于其内部畸变程度较大，所以其吸热能力 下降；然而，由于其内部的晶格畸变程度较大，所以其吸热能力降低，即比热容下降。然 而由于内部晶格畸变程度较高，其内部的电子声子等自由程度降低，造成导热系数和导温 系数下降。 导热系数符合随着组织稳定性的提高， 导热系数增加， 比热容减小。 晶粒越大， 导热系数越大，比热容越大。2 热物性的测量方法(1) 热膨胀系数的测量热膨胀系数是表征物体热膨胀特性的物理参数 , 是由原子热

5、振动引起的。它的大小表 示该物质由温度变化引起本身长度或体积变化的能力。由于高强度钢板的热成形是一个复 杂的过程，成形过程中， 不仅有外力参入， 而且由于构成板料的各相组织热膨胀系数不同， 随着温度变化极易产生内应力，影响成形极限和精度。所以考虑热成形过程中钢板材料各 相热膨胀系数的影响，对应用数值模拟研究热冲压板料成形和内部变化机理有重要的价 值。通常使用线膨胀系数和体膨胀系数来定量表征材料的热胀冷缩特性。线膨胀是材料在 受热膨胀时，在一维方向上的伸长，在一定温度范围内，材料的长度一般随温度的升高而 增加。(2) 比热容的测量 比热容简称为比热，用来表示单位质量物质的热容量。在恒定压强下，物

6、质温度升高1C所需吸收的热量与其质量的比值，为该物质的“定压比热容”，用符号Cp表示，其国际制单位为J/(kg. C)。由于固体在没有物态变化的情况下，外界供给的热量几乎全部用 来改变温度，其本身体积变化很小，因此固体的定压比热容和定容比热容的差别不大，因 此不需加以区别。一般采用德国耐驰公司生产的高温型差示扫描量热计DSC(Differe ntial Sca nning Calorimetry)，通过间接法进行各相试样的比热测试。(3) 导热系数测定导热系数是指物质厚度为1m通过单位面积1m,且两壁表面间的温差为 1C时，单 位时间(小时)内通过的传热量，单位是 W/(m. C)。导热系数(

7、热导率)=热扩散系数X密度 x比热容。热扩散系数(thermal diffusion coefficient)，又称为导温系数，表征物体热量扩散能力的一种物性参数，用符号 a表示，国际标准单位为n2/s，是材料传播温度 变化能力大小的指标，其值越大，则材料中温度变化传播的越快。热导率的方法可以分为稳态法和非稳态法两类。稳态法一般用来测量热导率较低的材 料，非稳态法的适用范围比较广泛。闪光法(Flash Method)就是目前最为常用的非稳态法之一。这种方法所需要的试样较小(试样直径大约6mm厚度在13mn范围)、试样达到实验 温度后，从闪光到求解热扩散系数所需的数据只需要几秒到几分钟时间，所以

8、测试时间较 短，而且可在温度903000K范围进行试样测试，测试的材料包括陶瓷、晶体、半导体、 金属等诸多类型，所以目前被大量和广泛地应用于各种材料热扩散系数的测定。Cp 1.388 Cp 2-t1/2其中t 1/2为在激光脉冲照射下，样品背面温度达到最大温度一半值时的时间。L为样品厚度；为密度，cp为比热。(4) 弹性模量和泊松比弹性模量映射原子间的结合力，是描述材料在弹性变形范围内应力与应变关系的一种 参数。根据测量时应变速率不同，将测量方法分为静态法和动态法两种：应变速率趋近于零时的测试方法为静态法，测量过程近于等温过程，所得弹性常数为等温常数或静态常数， 动态法的应变速率趋近无穷大，测

9、量过程近于绝热过程，所得弹性常数称为绝热常数或动 态常数。绝热弹性模量(由声共振法测试)是动态杨氏模量与动态剪切模量(刚性模量)的统 称，是由材料成分决定的结构不敏感参数，通常情况下只与材料的化学成分相关，与温度 相关，与组织变化无关，与热处理状态无关，在材料发生热弹性马氏体相变等情况时，它 是结构敏感的，此时结构变化也会导致弹性模量的变化，一般情况下其值随温度的升高而 降低。泊松比表达不同方向上的应力与应变关系，根据动态杨氏模量与动态剪切模量的值 来确定。一般采用动态法测试钢的弹性模量，根据加热温度将试样分两种情况进行测试分 析：中低温时，组织为体心立方晶格结构 (马氏体、贝氏体、铁素体或珠

10、光体组织 ) ；高温 时，组织为面心立方晶格结构 (奥氏体组织 )。3 南钢材料热物性的测量结合实际情况我们分别对南钢 E36N E36-T、NM30-1 P20H和NM40C钢采用JmatPro 软件分别对五种不同种类钢的密度、延伸系数、传热系数、杨氏模量和比热容等参数进行 拟合，具体的拟合结果如下所示。(1) 密度 比容与密度在数值上成倒数关系，单位质量的物质所占用的容积称为比容，单位容积( 体积 ) 的物质质量称之为密度，两者知其一，可求另一个的数值。算出含碳量在02%之间的钢在室温下各种组织的密度。对于室温下各组织的密度如下 :奥氏体密度 PA=1/(0.1212+ 0.0033x0.

11、23) = 8.1995 (g/cm3)铁素体密度 Pf =1/0.1271=7.8678 (g/cm 3)3珠光体密度 Pp =1/(0.1271+ 0.0005 X 0.23) = 7.8607 (g/cm )3贝氏体密度 Pb = 1 /(0.1271 + 0.0015 X 0.23) = 7.8465 (g/cm3)马氏体密度 Pm=1/(0.1271+ 0.0025 X0.23) = 7.8324 (g/cm3)对于混合相的组织，其混合相密度为各相密度和百分比的乘积之和，因此采用JmatPro 对试样的热物性的模拟结果如图 2 所示，从图中可以看出，随着温度的增加 , 试样的密度降低

12、， 但在在 700800oC 之间随着温度增加试样的密度增加， 这主要是由于 在700800C区间发生体心立方的 a -Fe转变为面心立方结构的丫 -Fe完全转变。在 1400150CC区间随着温度增加，试样的密度急剧增加，主要是由于在这一温度区间发 生面心立方的丫 -Fe向体心立方的S -Fe转变。合金含量越高，这两个转变区间的特 征越明显，通过拟合可以看出，在 35658oC和800140(fC五种钢的密度随温度变化呈 现线性变化规律，而在658800oC和14001500C两个晶体结构转变区，船板(E36N和 E36-T)和耐磨钢(NM400随温度的变化呈现二元函数关系，而工具钢(NM3

13、0-1和P20H呈现线性关系。对比得出工具钢随温度的变化密度的变化比较明显。史nDenmTempe-ue( oc)T(o)Tempe-ue( oc)Tempe-ue( oc)T(o)E36NE36TYP3.376 x0 4H7.839 (35OAT 爪 6580) YP3.453X40 4H7.845 (35OAIX 7000)YH2.557X40 6:3.7 x0 仝+8.94YP5.394X40 4H8O66 (803YP70 x0 3壬8.936 U47YP8.203X40 =+802 U55P20H(658oAT803d)YM2bo59xOJlM48x0 3i+934(700OAT 爪

14、 8240)00 ataod)00 AT爪55d)oc ATA4600O)YP5.40 x0 4H8O76 (824dAT 爪4830)YPP64 x0 J-M7O7 (483c at 爪492d)YP809x0 4H8.207 (492 0 AHA-so 0039Y=-3.462 X 10 -4t+7.823 (35 C T 700 C)Y=-3.487 X10-4t+7.825 (35C T710 C)Y= 1.17 X10-3t+6.729 (710C T771 C)Y= - 5.262 X 10 -4t+8.022 (771C T 1420 C)Y= - 5.31 X10-3t+14.

15、919(1420 C T1491 C)Y= - 8.073 X10-4t+8.175 (1491C T1600 C)Y= 9.627 X 10 -4t+6.876 (700 C T 771 C)拟合Y= - 5.262 X10-41+8.024 (771C T 1424 C)结果Y= - 5.23 X 10 -3t+14.8027 (1424C T 1490 C)Y= - 8.078 X10-4t+8.18 (1490C T1600 C)钢种NM400Y=-3.546 X 10 -4t+7.853 (35 C T 694 C)-6 2-3 _ _Y=4.154X10 t -6.12 X10 t

16、+9.86 (694 C T810 C) 拟合Y= - 5.354 X10-4t+8.069 (810C T1470 C)结果Y= - 6.93 X 10 -3t+17.483(1470 C T 1509 C)Y= - 8.12 X10-4t+8.211 (1509C TYUW73 x0 3h2.48 (30 0 AHA 6530)YU3.7x0 3壬 2.48 (30 。CAT 爪 6530)Yp.65 X0 仝 2+00 67-57.687(653 00 AHA 8070) Yp82+0.246r69.298(653 0 AHA 80汎 c)YP7.346 X0 J 2+0026 X0r5

17、.339(807dAHA468oyp8.366 X0 J 2+0029 X0r7.205(807dAHA4720)YU079r24494 U470YH0b09i+0.967 U54aYU3OO3 x0+2.37 二30YP0b835i+75.256(7000 AHA54o)0 AHA 4600OC)P20H00 AHA 7680)YU0.247r348.923 (472YU0b02+=.285 U54aYU3.97 x0+2.387 (30YP0b805i+72.798 (7 二00 AHA54o)00 AHA60c390 AHA 7=0)00 AHA 7630c)$ YP7.65x0J2+0

18、b26x0r4.303(807dATYM0.2247-307.626 (472YM0b02+=.407 (48900 AHA 44890c)00 AHA 4600。)400YU3.546x0+7bo53 (35 。C ATA694O)YP2.U5 x0 3+4 65 x0 33 43x0 3i+862bo68(694ATA84QC)Yu 7.36 x0 7=3 37 x02+5.594 x0 2M6.42(80AHA M7OC)YU0.252r354.7u4700 AHA56d)YM0b05i+=.58 U56 0 AHA -00004260)YU0.2385r328.45u470 00 AH

19、A 44830 c) YH0.05i+二.685 U56 0 AHA -0000(3) 传热系数铸坯液相区的钢液存在强制对流运动，加快了钢水过热度的消除，所以对液相区经常采用等效导热系数，其值比静止钢液导热系数放大了37倍。对于固液两相区，由于树枝晶的影响削弱了钢水的对流运动，所以两相区的等效导热系数 keff应介于液体和固体之 间。介于固相和液相之间，采用关系keff (t) 1 (n 1)(1 fs)2 ks(t)式中n代表有效导热方法倍数。导热系数随温度的变化如图所示。从图可以看出，低温区域(t800 oC )随着温度的升高导热系数逐渐升高, 温度越高变化越大。60mW A w(vrrv

20、tcudnocla40ml eh305550455352WC-V- -cua nocla605550454035305200-002004600 800 1000Temperature( oC)O-20004060100864250454030P20H-20002004006008001000120014001600180055-200020040060080010001200140016001800NM30-1504540353025T (0C)T(oC)钢种E36NE36T拟合Y=-0.042t+59.75 (30oC TW 815oC)Y=-0.039t+58.643 (30oC TW

21、815oC)结果Y=0.012t+16.74(815oC TW 1479oC)Y=0.012t+16.81(815oC TW 1479oC)钢种P20HNM30-1拟合Y=-0.037t+56.67 (30oC TW 721oC)Y=-0.042t+59.75 (30oC TW 712oC)结果Y=-0.102t+103.834 (721C TW 773C)Y=0.114t+112.198(712oC TW 767oC)Y=0.012t+16.845(773oC T 1479oC)Y=0.012t+16.808 (767oC T W 1479oC)钢种NM400Y=-0.044t+61.187

22、 (30oC T 814oC)拟合Y=0.012+16.81(814 o1oC gooo o O o oogoooog s,200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800T( oc)-YP003i+20b95(75。C AT 爪48O) 雯孝 P20H史nYP8.489 XOJ.oo402i+24oo38(30oat 爪 75OC) YP00995H207.58 (75OAT 爪48O)YM003i+208.725(787oAHA M8OC)NM39YP9.284 X - 05i 26O327H22.957 (30 0 AHA 75O) Ypoo9

23、95i+2O7.48(75 0 AHA48O)钢种NM400拟合丫=-9.653 X 10-5t2 -0.0319t+212.118(30C T 705C)结果丫=-0.102t+208.704(705C T 1481C)(5)泊松比泊松比是垂直于加载方向的线应变与平行加载方向线应变之比，表征材料拉伸或压缩变形与剪切变形的关系，同弹性模量一样，是材料力学行为最基本的参数。随着温度的 增加，试样的泊松比增加，在a-铁素体向面心立方奥氏体转变的过程，试样的泊松比迅速 增加，在单相奥氏体区，试样的泊松比线性增加，面心立方奥氏体向体心立方S铁素体转 变在零强度温度以上的两相区以及液相区，一般认为材料接

24、近于不可压缩，可知泊松比趋近于0.5.，并且在ZST以上一直保持为该值。E36-T0.5045PP6 nnusKrop300.25. I . I . I _ l . I . I . I .-200020040060080010001200140016001800Temperature( C)0.5045NM30-1PP6 noscso40350.300.25-200020040060080010001200140016001800POJ-S nospop0.25-200020040060080010001200140016001800T(C)0.5045O 54 3a a300.25-2000

25、200400600800100012001400160018000.300.50454053T(C)Temperature( C)0.25 .i.i . I . I . l . I . I . i.-200020040060080010001200140016001800T(C)钢种E36NE36T拟合Y=3.937 X 10-5t+0.288 (30C T 621C)Y=3.923 X 10-5t+0.288 (30 C T 641 C)结果Y=5.644 X 10-7t 2-6.882 X 10-41+5.664 (621C T 803C)Y=8.551 X 10-7t2-1.12 X 10-3t+0.687 (641C T 815C)Y=5.897 X 10-5t+0.292(803C T 1475C)Y=5.908 X 10-5t+0.292(815C T 1475C)钢种P20HNM30-1拟合Y=3.795 X 10-5t+0.287 (30C T 722C)Y=3.818 X 10-5t+0.286 (30C T