Abschrecken und Sieden

Das Abschrecken ist eine Wärmebehandlung, die häufig verwendet wird, um Materialeigenschaften wie Härte und Duktilität zu verändern. Beim Abschrecken und dem ergänzenden Prozess des Glühens wird ein Material erhitzt und anschließend abgekühlt. Beim Abschrecken wird das Material sehr schnell abgekühlt, im Gegensatz zum Glühen, wo es allmählich und kontrolliert abgekühlt wird. Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung wird von vielen Faktoren bestimmt, darunter die Wärmeleitfähigkeit eines Objekts und der umgebenden Flüssigkeit, die Geometrie und die Temperaturverteilung. Das Verständnis des Zusammenspiels dieser Faktoren ist wichtig, um den Zusammenhang zwischen einer bestimmten Wärmebehandlung und der daraus resultierenden Veränderung der Materialeigenschaften herzustellen. Dieses Video konzentriert sich auf das Abschrecken und zeigt, wie eine einfache Analyse der Wärmeübertragung während dieses Prozesses durchgeführt werden kann.

Nach dem Erhitzen einer Probe erfordert das Abschrecken eine schnelle Wärmeübertragung an die Umgebung, die üblicherweise durch Eintauchen der Probe in ein Flüssigkeitsbad wie Wasser oder Öl erreicht wird. Die Wärmeübertragung auf die umgebende Flüssigkeit kann durch freie Konvektion erfolgen, wobei die lokale Erwärmung durch die Probe zu einer durch Auftrieb angetriebenen Zirkulation führt, oder durch erzwungene Konvektion, bei der die Probe durch die Flüssigkeit bewegt wird. Bei höheren Probentemperaturen kann die Blasenbildung die Wärmeübertragungsrate erhöhen, ein Effekt, der als Siedeverstärkung bezeichnet wird. Wenn die Probe jedoch von Dampf mit geringer Wärmeleitfähigkeit bedeckt wird, kommt es zu einer Siedekrise und die Wärmeübertragung wird reduziert. Im Allgemeinen ist die Probentemperatur nicht genau definiert, da die Temperaturverteilung innerhalb der Probe beim Abkühlen nicht gleichmäßig ist. Mit anderen Worten, die Temperatur hängt nicht nur von der Zeit ab, sondern auch von der Position innerhalb der Probe. Wenn jedoch der interne Wärmeübergangswiderstand im Verhältnis zum externen Wärmewiderstand von der Oberfläche zur umgebenden Flüssigkeit klein ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Probentemperatur durchgehend nahezu gleichmäßig bleibt, und die Analyse wird vereinfacht. Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Widerständen wird quantitativ durch die Biot-Zahl ausgedrückt, eine dimensionslose Größe, die nach dem französischen Physiker Jean-Baptiste Biot aus dem 19. Jahrhundert benannt ist. Die Biot-Zahl ist das Verhältnis des internen Wärmeleitungswiderstands zum externen Konvektionswiderstand. Der innere Leitungswiderstand ist die charakteristische Längenskala des Objekts geteilt durch seine Wärmeleitfähigkeit. Der externe Konvektionswiderstand liegt eins über dem Konvektionskoeffizienten. Wenn die Biot-Zahl kleiner als 0,1 ist, bleibt die Temperaturverteilung in der Probe im Allgemeinen nahezu gleichmäßig. In diesem Regime kann eine konzentrierte Kapazitätsanalyse verwendet werden, um die Wärmeübertragungsrate zu modellieren, indem der interne Energieverlust der Probe mit der konvektiven Wärmeabfuhrrate aus den Newtonschen Abkühlungsgesetzen ausgeglichen wird. Das Ergebnis ist eine Differentialgleichung erster Ordnung für die Probentemperatur. Im nächsten Abschnitt werden wir diese Prinzipien demonstrieren, indem wir einen kleinen, massiven Kupferzylinder abschrecken, der für kleine, wärmebehandelte Teile repräsentativ ist.

Das Prüfstück wird aus einer Länge von 9,53 mm Kupferstab gefertigt. Bevor Sie fortfahren, berechnen Sie die Biot-Zahl, um die Verwendung einer Kapazitätsanalyse zu rechtfertigen. Nehmen wir an, dass der externe Leitkoeffizient 5.000 Watt pro Quadratmeter Kelvin nicht überschreitet, und verwenden Sie die charakteristische Länge für einen Zylinder, der den halben Durchmesser hat. Suchen Sie nach einem veröffentlichten Wert für die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und berechnen Sie das Ergebnis. Da die Biot-Zahl kleiner als 0,1 ist, fahren Sie mit der Vorbereitung des Prüflings fort. Nehmen Sie ein Stück Schaft und schneiden Sie ca. 25 mm vom Ende ab. Entfernen Sie alle rauen Kanten am Stück und messen Sie dann die Masse und die Endlänge. Bohren Sie in der Nähe jedes Endes einen thermischen Kuppelschacht mit einem Durchmesser von 1,6 mm bis zur Mittelachse. Die Vertiefung sollte tief genug sein, um die gesamte Spitze des thermischen Bechers einzubetten. Diese Vertiefungen sind relativ klein, so dass sie keinen signifikanten Einfluss auf das gesamte Wärmeübertragungsverhalten haben. Verwenden Sie anschließend Hochtemperatur-Epoxidharz, um eine Hochtemperatur-Thermohaubensonde in jede Vertiefung einzuschließen. Stellen Sie sicher, dass die Sondenspitzen vollständig umschlossen und in die Mitte des Prüflings gedrückt sind, während das Epoxidharz aushärtet. Andernfalls können die Sonden anstelle der Probentemperatur die Temperatur im Wasserbad messen. Sobald das Prüfmuster vorbereitet ist, wird das Abschreckbad eingerichtet. Setzen Sie einen Referenz-Thermobecher in das Bad ein, in der Nähe der Stelle, an der die Probe abgeschreckt werden soll. Verbinden Sie alle drei Thermokupfel mit einem Datenerfassungssystem. Richten Sie ein Programm ein, um transiente Temperaturmessungen etwa zehnmal pro Sekunde kontinuierlich zu protokollieren. Jetzt ist alles vorbereitet, um das Experiment durchzuführen.

Dieses Experiment erfordert das Erhitzen mit offener Flamme, also stellen Sie vor Beginn sicher, dass ein Feuerlöscher zur Hand ist und dass sich keine brennbaren Materialien in der Nähe befinden. Befolgen Sie alle standardmäßigen Vorsichtsmaßnahmen für den Brandschutz. Stellen Sie den Brenner in der Nähe des Abschreckbades auf und zünden Sie die Flamme an. Nehmen Sie den Prüfling an den Thermobechern auf und erhitzen Sie ihn aus einem sicheren Halteabstand allmählich über der Flamme, bis er die gewünschte Temperatur erreicht hat. Starten Sie nun die Datenerfassung und tauchen Sie den Prüfling in das Abschreckbad. Halten Sie das Stück so ruhig wie möglich, um die Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion zu minimieren. Während die Probe abkühlt, achten Sie auf ein Siedeverhalten und notieren Sie es. Wenn die Probentemperatur auf wenige Grad von der Badtemperatur abfällt, stoppen Sie das Datenerfassungsprogramm. Wiederholen Sie diesen Vorgang für schrittweise höhere Anfangstemperaturen der Probe bis zu etwa 300 Grad Celsius.

Öffnen Sie eine der Datendateien. In jedem Zeitschritt wird einmal die Badtemperatur und zweimal die Probentemperatur gemessen. Führen Sie die folgenden Berechnungen für jedes Mal durch. Berechnen Sie die durchschnittliche Probentemperatur, indem Sie das arithmetische Mittel der beiden Messwerte verwenden. Berechnen Sie die momentane Abkühlrate, d. h. die Temperaturänderung dividiert durch die Zeitänderung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen. Glätten Sie dann die Ergebnisse mit einem gleitenden Zwei-Punkt-Durchschnitt, um einen Teil des Messrauschens herauszufiltern. Verwenden Sie die Differentialgleichung, die aus der Analyse der konzentrierten Kapazität abgeleitet wurde, um den momentanen Wärmeübergangskoeffizienten zu berechnen. Der Wärmeübergangskoeffizient kann auch mit Hilfe theoretisch oder empirisch abgeleiteter Wärmeübergangsmodelle vorhergesagt werden. Diese Modelle geben den Konvektionskoeffizienten in der Regel in Form der Nusselt-Zahl an, einer dimensionslosen Größe. Lesen Sie den Text für Details zur Durchführung dieser Berechnung. Mit den Gleichungen für den theoretischen Wärmeübergangskoeffizienten können Sie auch die Abkühlung der Probe im Laufe der Zeit vorhersagen. Nehmen Sie dazu einen Ausgangspunkt aus Ihren experimentellen Daten, bei dem die Probentemperatur unter 100 Grad Celsius liegt. Wählen Sie einen kleinen numerischen Zeitschritt und gehen Sie davon aus, dass die Badtemperatur konstant bleibt. Integrieren Sie nun numerisch die Differentialgleichung aus der Analyse der konzentrierten Kapazität. Demnächst werden wir diese theoretische Vorhersage mit unseren Messungen vergleichen. Nachdem Sie diese Analyse für jede Datendatei wiederholt haben, können Sie sich die Ergebnisse ansehen. Stellen Sie die Probentemperatur in Abhängigkeit von der Zeit für einen einzelnen Test zusammen mit der theoretischen Vorhersage dar. Die schnellere anfängliche Abkühlgeschwindigkeit ist wahrscheinlich auf die erzwungene Konvektion zurückzuführen, wenn die Probe in das Bad fallen gelassen wird. Spätere Schwingungen können auch durch kleine Bewegungen der Person verursacht werden, die die Probe hält. Da die Temperaturvorhersage bald eingestellt ist und nur freie Konvektion auftritt, ist es besser, die Integration von einem Punkt aus zu initialisieren, an dem die erzwungene Konvektion stoppt. Wenn dieser Schritt unternommen wird, sagt die Theorie sehr genau voraus, wie sich die Probe im Laufe der Zeit abkühlt. Plotten Sie nun den Wärmeübergangskoeffizienten gegen die Temperaturdifferenz zwischen Probe und Bad für alle Tests zusammen. Addieren Sie die theoretische Vorhersage für den Wärmeübergangskoeffizienten unterhalb des Siedepunkts. Beachten Sie den starken Anstieg bei höheren Probentemperaturen, wenn der Siedeprozess heftiger wird. In diesem Experiment wird nur eine Verstärkung des Siedens beobachtet. Die niedrige Temperatur der Flüssigkeit verhindert in diesem Fall das Auslösen einer Siedekrise.

Nachdem Sie nun mit dem Abschreckprozess besser vertraut sind, schauen wir uns einige Möglichkeiten an, wie er in der realen Welt angewendet wird. Wärmebehandlungen wie Abschrecken und Glühen sind wichtige Schritte bei der Herstellung langlebiger Werkzeuge. Bestimmte Stahllegierungen können geglüht werden, um die Härte für die Bearbeitung und Bearbeitung zu verringern. Einmal geformt, können sie dann abgeschreckt werden, um eine hohe Härte zu erreichen. Viele technische Komponenten, wie z. B. Computerprozessoren, sind während ihres gesamten Lebenszyklus großen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Prozessoren erwärmen sich schnell, wenn rechenintensive Programme ausgeführt werden, und der Temperaturanstieg führt zu höheren Lüfterdrehzahlen, um die Kühlung zu verbessern. Die Vorhersage und Charakterisierung von Wärmeübertragungsraten ist wichtig für die Konstruktion von Komponenten, die nicht durch Überhitzung oder Ermüdung ausfallen.

Sie haben gerade Jupiters Einführung in das Quenchen gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie diese übliche Wärmebehandlung durchgeführt wird, sowie einige der Hauptfaktoren, die die Wärmeübertragung während des Abschreckprozesses beeinflussen. Sie sollten auch wissen, wie Sie eine Klumpenkapazitätsanalyse durchführen, um die Temperaturänderung vorherzusagen, und wie Sie die Biot-Zahl verwenden, um zu bestimmen, wann diese Analyse gerechtfertigt ist. Danke fürs Zuschauen.