热物性系数的研究

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。导热系数：表征物体导热能力的，影响导

2、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，热扩散率也是热物性参数，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度<750时，随着温度升高比热

3、容逐渐增大；在750左右会出现一个居里点，到达最大值，然后随温度的上升而开始下降，当温度>750，比容的下将有所缓慢。除淬火组织外，常温到1000之间，高碳钢的导热和导温系数明显下降，降幅达50%左右。在750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100出现一个极小值，在250出现一个极大值。除淬火组织，高碳钢的导温系数在750出现一个极小值，常温到750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100出现一个极小值，在250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

4、待进一步研究。(3)组织对于不同组织，其热物性差别很大，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

5、参数,是由原子热振动引起的。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，物质温

6、度升高1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.)。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 (Differential Scanning 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1m2，且两壁表面间的温差为1时，单位时间(小时)内通过的传热量，单位是W/ (m.)。导热系数(热导率)=热扩散系数

7、×密度×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，用符号表示，国际标准单位为m2/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13mm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，所以测试时间较

8、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。其中t1/2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，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

9、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

10、的测量结合实际情况我们分别对南钢E36N、E36-T、NM30-1、P20H和NM400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+ 0.0033x0.23) = 8.1995 (g/cm3)铁素体密度Pf =1/0.1271=7.8678 (g/cm3)

11、珠光体密度 Pp =1/(0.1271+ 0.0005×0.23) = 7.8607 (g/cm3)贝氏体密度 Pb = 1 /(0.1271 + 0.0015× 0.23) = 7.8465 (g/cm3)马氏体密度 Pm =1/(0.1271+ 0.0025×0.23) = 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，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700800oC区间发生体心

12、立方的-Fe转变为面心立方结构的-Fe完全转变。在14001500oC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-Fe向体心立方的-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8001400oC五种钢的密度随温度变化呈现线性变化规律，而在658800oC和14001500oC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（NM30-1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。钢种E36NE36T拟合结果钢种Y=-3.376&#

13、215;10-4t+7.839 (35 oC <T658oC)Y=2.557×10-6t2-3.7×10-3t+8.941 (658 oC <T803oC)Y=-5.394×10-4t+8.066 (803oC <T1471oC)Y=-7.91×10-3t+18.936 (1471oC <T1515oC)Y=-8.203×10-4t+8.212 (1515 oC <T1600oC)P20HY=-3.453×10-4t+7.845 (35 oC <T700oC)Y=2.859×10-6t2-

14、4.18×10-3t+9.134 (700 oC <T824oC)Y=-5.40×10-4t+8.076 (824oC <T1483oC)Y=-6.64×10-3t+17.07 (1483C <T1492oC)Y=-8.109×10-4t+8.207 (1492 oC <T1600oC)NM30-1拟合结果Y=-3.462×10-4t+7.823 (35 oC <T700oC)Y= 9.627×10-4t+6.876 (700 oC <T771 oC)Y= -5.262×10-4t+8.0

15、24 (771 oC <T1424 oC)Y= -5.23×10-3t+14.8027 (1424 oC <T1490 oC)Y= -8.078×10-4t+8.18 (1490 oC <T1600 oC)Y=-3.487×10-4t+7.825 (35 oC <T710oC)Y= 1.17×10-3t+6.729 (710 oC <T771 oC)Y= -5.262×10-4t+8.022 (771 oC <T1420 oC)Y= -5.31×10-3t+14.919(1420 oC <T1

16、491 oC)Y= -8.073×10-4t+8.175 (1491 oC <T1600 oC)钢种NM400拟合结果Y=-3.546×10-4t+7.853 (35 oC <T694oC)Y=4.154×10-6t2-6.12×10-3t+9.86 (694 oC <T810oC)Y= -5.354×10-4t+8.069 (810 oC <T1470 oC)Y= -6.93×10-3t+17.483(1470 oC <T1509 oC)Y= -8.12×10-4t+8.211 (1509 o

17、C <T1600 oC)(2).延伸系数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硼钢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。从测试

18、技术来说,测体膨胀系数较为复杂,在讨论材料的热膨胀系数时，常常采用线膨胀系数。所以,本节将测试试样的线膨胀系数,在本节中出现的膨胀量和热膨胀系数分别指线膨胀量和线热膨胀系数。在某一温度区间内,当温度的变化量为T时,长度为l。的试样受热后的长度变化量用l表示。通常,定义试样温度升高时,沿某一方向上单位温度变化时的长度增量(l/T)与0oC(由于温度变化不大时长度增量非常小,实验中取室温)时同方向上的长度之比，叫做固体的平均线热膨胀系数单位为1/°C,公式是中国国家军用标准113定义的线膨胀系数,表示材料在温度t时的瞬时线膨胀系数为了用于硼钢板热成形的数值模拟分析,将式(2-10)改写成

19、公式(2-11)形式,当时间ij时,则ai即为第i时刻的热膨胀系数。aT为t时刻的线性膨胀系数，LT是T时刻的长度ai为第i时刻的热膨胀系数,即温度为Ti时的热膨胀系数，li和Ti分别为第i时刻的试样长度和温度，lj和Tj分别为第j时刻的试样长度和温度.从图可以看出，五种钢延伸系数随温度变化基本相同，随着温度升高，试样的延伸系数增加，当温度升高至700oC，实验的延伸系数随温度的增加而减小，这是由于发生体心立方a-铁素体向面心立方奥氏体转变的过程，致使试样的致密度增加，延伸系数减小，当温度增加至820 oC左右，试样完成奥氏体转变，试样的延伸系数随温度的增加呈现增加趋势，当温度增加至1480o

20、C附近，试样发生面心立方奥氏体向体心立方铁素体转变，试样的致密度减小，延伸系数急剧增加，铁素体转变完成后，试样的延伸系数将缓慢增加。钢种E36NE36T拟合结果Y=3.73×10-3t+12.48 (30 oC <T653oC)Y=-1.615×10-4t2+0.216t-57.687(653 oC <T807oC)Y=-7.346×10-6t2+0.026×10-2t-5.339(807 oC <T1468oC)Y=0.179t-244.194 (1470 oC <T1514 oC)Y=0.0109t+10.967 (1514

21、oC <T1600 oC)Y=3.71×10-3t+12.48 (30 oC <T653oC)Y=-1.81×10-4t2+0.246t-69.298(653 oC <T807oC)Y=-8.366×10-6t2+0.029×10-2t-7.205(807 oC <T1472oC)Y=0.247t-348.923 (1472 oC <T1514 oC)Y=0.0106t+11.285 (1514 oC <T1600 oC钢种P20HNM30-1拟合结果Y=3.83×10-3t+12.371 (30 oC &l

22、t;T710oC)Y=-0.0835t+75.256(710oC <T768oC)Y=-7.615×10-6t2+0.026×10-2t-4.303(807 oC <T1421oC)Y=0.224t-307.626 (1472 oC <T1489 oC)Y=0.0106t+11.407 (1489 oC <T1600 o)Y=3.97×10-3t+12.387 (30 oC <T711oC)Y=-0.0805t+72.798 (711 oC <T763oC)Y=8.982×10-9t3-3.74×10-5t2

23、0+5.848×10-2t-15.727(711 oC <T1426oC)Y=0.2385t-328.451(1470 oC <T1483 oC)Y=0.0105t+11.685 (1516 oC <T1600 oC)钢种NM400拟合结果Y=3.546×10-4t+7.853 (35 oC <T694oC)Y=-2.115×10-6t3+4.65×10-3t2-3.431×10-3t+862.868(694 oC <T810oC)Y= 7.36×10-7t3-3.317×10-5t2+5.59

24、4×10-2t-16.412(810 oC <T1471 oC)Y=0.252t-354.71(1470 oC <T1516 oC)Y=0.0105t+11.518 (1516 oC <T1600 oC)（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 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

25、( t< 800oC )导热系数随着温度升高而降低, 在高温区域( t >800 oC )随着温度的升高导热系数逐渐升高, 温度越高变化越大。钢种E36NE36T拟合结果Y=-0.042t+59.75 (30 oC <T815oC)Y=0.012t+16.74(815 oC <T1479oC)Y=-0.039t+58.643 (30 oC <T815oC)Y=0.012t+16.81(815 oC <T1479oC)钢种P20HNM30-1拟合结果Y=-0.037t+56.67 (30 oC <T721oC)Y=-0.102t+103.834 (721

26、oC <T773oC)Y=0.012t+16.845(773oC <T1479oC)Y=-0.042t+59.75 (30 oC <T712oC)Y=0.114t+112.198(712 oC <T767oC)Y=0.012t+16.808 (767 oC <T1479oC)钢种NM400拟合结果Y=-0.044t+61.187 (30 oC <T814oC)Y=0.012+16.81(814 oC <T1479oC) (4)杨氏模量随着温度的升高，试样的杨氏模量减小，当温度升高到1500oC附近，试样的杨氏模量急剧减小至接近0。铸坯在钢水静压力和温度

27、梯度作用下, 会发生弹性和塑性变形; 外载荷首先受到弹性应力的抵抗，然后才使钢进入塑性状态。因此，表征弹性变形和应力关系的弹性模量(杨氏模量)是钢的重要力学参数.钢的弹性模量对温度和应变率都相当敏感,钢温度每升高100oC, 弹性模量下降3% 5% ,这正是钢在高温下容易进入塑性状态的原因。另外, 凝固初期的铸态金属组织存在一个零强度温度, 当温度降低到零强度温度以下时铸坯才表现出一定的强度. 因此, 零强度温度以上的两相区以及液相区的弹性模量为零. 然而在具体的计算过程中, 弹性模量不能取精确的零值, 否则将会出现奇异性, 模拟就会中断。钢种E36NE36T拟合结果Y=-9.784×

28、;10-5t2 -0.0311t+211.831 (30 oC <T751oC)Y=-0.103t+210.095(751 oC <T1481oC)Y=-9.404×10-5t2 -0.0338t+212.141 (30 oC <T778oC)Y=0.103t+208.725(787 oC <T1481oC)钢种P20HNM30-1拟合结果Y=-8.489×10-5t2 -0.0402t+214.838(30 oC <T751oC)Y=-0.0995t+207.58 (751 oC <T1481oC)Y=-9.284×10-5t

29、2 -0.0327t+212.957 (30 oC <T751oC)Y=-0.0995t+207.48(751 oC <T1481oC)钢种NM400拟合结果Y=-9.653×10-5t2 -0.0319t+212.118(30 oC <T705oC)Y=-0.102t+208.704(705C <T1481oC)(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

30、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。钢种E36NE36T拟合结果Y=3.937×10-5t+0.288 (30 oC <T621oC)Y=5.644×10-7t2-6.882×10-4t+5.664 (621 oC <T803oC)Y=5.897×10-5t+0.292(803 oC <T1475oC)Y=3.923×10-5t+0.288 (30 oC <T641oC)Y=8.551×10-7t2-1.12×10-3t+0.687 (641 oC <T815oC)Y=5.908×10-5t+0.292(815 oC <T1475oC)钢种P20HNM30-1拟合结果Y=3.795×10-5t+0.287 (30 oC <T722oC)Y=4.094×10-4t+2.04×10-2 (722 oC <T766oC)Y=5.734×10-5t+0.292(776oC <T1475oC)Y=3.818×10-5t+0.286