Hartowanie i gotowanie

Hartowanie to obróbka cieplna powszechnie stosowana do modyfikowania właściwości materiału, takich jak twardość i ciągliwość. Podczas hartowania i uzupełniającego procesu wyżarzania materiał jest podgrzewany, a następnie schładzany. W przypadku hartowania materiał jest schładzany bardzo szybko, w przeciwieństwie do wyżarzania, w którym jest schładzany stopniowo w kontrolowany sposób. Szybkość wymiany ciepła zależy od wielu czynników, w tym przewodności cieplnej obiektu i otaczającego płynu, geometrii i rozkładu temperatury. Zrozumienie wzajemnych zależności między tymi czynnikami jest ważne dla zbudowania związku między konkretną obróbką cieplną a wynikającą z niej zmianą właściwości materiału. W tym filmie skupimy się na hartowaniu i pokażemy, jak przeprowadzić prostą analizę wymiany ciepła podczas tego procesu.

Po podgrzaniu próbki hartowanie wymaga szybkiego przeniesienia ciepła do otaczającego środowiska, co zwykle osiąga się poprzez zanurzenie próbki w kąpieli płynnej, takiej jak woda lub olej. Przenoszenie ciepła do otaczającego płynu może być napędzane przez konwekcję swobodną, w której miejscowe ogrzewanie próbki powoduje cyrkulację napędzaną wyporem lub konwekcję wymuszoną, w której próbka jest przemieszczana przez płyn. Przy wyższych temperaturach próbki tworzenie się pęcherzyków może zwiększyć szybkość wymiany ciepła, efekt znany jako wzmocnienie wrzenia. Jeśli jednak próbka zostanie pokryta parą o niskiej przewodności cieplnej, nastąpi kryzys wrzenia i przenoszenie ciepła zostanie zmniejszone. Ogólnie rzecz biorąc, temperatura próbki nie jest dobrze zdefiniowana, ponieważ rozkład temperatury wewnątrz próbki nie jest równomierny podczas ochładzania. Innymi słowy, temperatura zależy nie tylko od czasu, ale także od pozycji w próbce. Jeśli jednak wewnętrzny opór wymiany ciepła jest mały w stosunku do zewnętrznego oporu cieplnego od powierzchni do otaczającego płynu, można założyć, że temperatura próbki pozostaje prawie jednolita przez cały czas, a analiza jest uproszczona. Równowaga między tymi dwoma oporami jest wyrażona ilościowo przez liczbę Biota, bezwymiarową wielkość nazwaną na cześć XIX-wiecznego francuskiego fizyka Jeana-Baptiste'a Biota. Liczba Biota to stosunek wewnętrznej odporności na przewodzenie ciepła do zewnętrznej rezystancji konwekcyjnej. Rezystancja przewodzenia wewnętrznego to charakterystyczna skala długości obiektu podzielona przez jego przewodność cieplną. Opór konwekcji zewnętrznej jest o jeden większy od współczynnika konwekcji. Ogólnie rzecz biorąc, gdy liczba Biot jest mniejsza niż 0,1, rozkład temperatury wewnątrz próbki pozostanie prawie jednolity. W tym reżimie analiza pojemności skupionej może być wykorzystana do modelowania szybkości wymiany ciepła poprzez zrównoważenie wewnętrznych strat energii próbki z szybkością konwekcyjnego usuwania ciepła zgodnie z prawami chłodzenia Newtona. Wynikiem jest równanie różniczkowe pierwszego rzędu dla temperatury próbki. W następnej sekcji zademonstrujemy te zasady, hartując mały, solidny, miedziany cylinder, który jest reprezentatywny dla małych części poddanych obróbce cieplnej.

Próbka do badań zostanie wykonana z pręta miedzianego o długości 9,53 mm. Zanim przejdziesz dalej, oblicz liczbę Biota, aby uzasadnić zastosowanie analizy pojemności skupionej. Załóżmy, że współczynnik przewodzenia zewnętrznego nie przekroczy 5,000 watów na metr kwadratowy kelwinów i użyj charakterystycznej długości dla cylindra, która jest o połowę mniejsza. Wyszukaj opublikowaną wartość przewodności cieplnej miedzi i oblicz wynik. Ponieważ liczba Biot jest mniejsza niż 0,1, przystąp do przygotowania próbki do badań. Weź kawałek materiału i odetnij około 25 mm od końca. Usuń wszelkie szorstkie krawędzie na kawałku, a następnie zmierz masę i ostateczną długość. W pobliżu każdego końca wywierć termiczną studzienkę cupel o średnicy 1,6 mm aż do osi środkowej. Studnia powinna być wystarczająco głęboka, aby osadzić całą termiczną końcówkę kupela. Studnie te są stosunkowo małe, więc nie będą miały znaczącego wpływu na ogólne zachowanie wymiany ciepła. Następnie użyj wysokotemperaturowej żywicy epoksydowej, aby uszczelnić wysokotemperaturową termiczną sondę cupel w każdej studzience. Upewnij się, że końcówki sondy są całkowicie zamknięte i wciśnięte w środek badanego elementu w miarę wiązania żywicy epoksydowej. W przeciwnym razie sondy mogą mierzyć temperaturę łaźni wodnej zamiast temperatury próbki. Po przygotowaniu próbki do badań należy ustawić kąpiel hartowniczą. Włożyć referencyjny kubek termiczny do kąpieli w pobliżu miejsca, w którym próbka będzie hartowana. Podłącz wszystkie trzy kupele termiczne do systemu akwizycji danych. Skonfiguruj program do ciągłego rejestrowania pomiarów temperatury w stanach nieustalonych około dziesięć razy na sekundę. Wszystko jest teraz przygotowane do przeprowadzenia eksperymentu.

Ten eksperyment wymaga ogrzewania na otwartym ogniu, więc zanim zaczniesz, upewnij się, że gaśnica jest pod ręką i że w pobliżu nie ma materiałów łatwopalnych. Przestrzegaj wszystkich standardowych środków ostrożności dotyczących bezpieczeństwa przeciwpożarowego. Ustaw palnik w pobliżu kąpieli hartowniczej i rozpal płomień. Podnieś próbkę za termiczne przewody kupel i z bezpiecznej odległości stopniowo podgrzewaj ją nad płomieniem, aż osiągnie żądaną temperaturę. Teraz rozpocznij zbieranie danych i zanurz badany fragment w kąpieli hartowniczej. Trzymaj element tak stabilnie, jak to możliwe, aby zminimalizować przenoszenie ciepła przez konwekcję wymuszoną. Podczas gdy próbka stygnie, obserwuj i zwróć uwagę na wszelkie wrzące zachowanie. Gdy temperatura próbki spadnie z dokładnością do kilku stopni od temperatury kąpieli, zatrzymaj program do akwizycji danych. Powtórz tę procedurę dla stopniowo wyższych początkowych temperatur próbki do około 300 stopni Celsjusza.

Otwórz jeden z plików danych. Na każdym kroku czasowym następuje jeden odczyt temperatury kąpieli i dwa odczyty temperatury próbki. Za każdym razem wykonaj następujące obliczenia. Obliczyć średnią temperaturę próbki, biorąc średnią arytmetyczną z dwóch odczytów próbki. Oblicz chwilową szybkość chłodzenia, która jest zmianą temperatury podzieloną przez zmianę czasu między dwoma kolejnymi pomiarami. Następnie wygładź wyniki za pomocą dwupunktowej średniej kroczącej, aby odfiltrować część szumu pomiaru. Użyj równania różniczkowego wyprowadzonego z analizy pojemności skupionej, aby obliczyć chwilowy współczynnik przenikania ciepła. Współczynnik przenikania ciepła można również przewidzieć za pomocą teoretycznych lub empirycznych modeli wymiany ciepła. Modele te na ogół podają współczynnik konwekcji w postaci liczby Nusselta, wielkości niewymiarowej. Zapoznaj się z tekstem, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat wykonywania tego obliczenia. Dzięki równaniom teoretycznego współczynnika przenikania ciepła można również przewidzieć chłodzenie próbki w czasie. Aby to zrobić, weź punkt wyjścia z danych eksperymentalnych, w którym temperatura próbki jest niższa niż 100 stopni Celsjusza. Wybierz mały numeryczny krok czasowy i załóż, że temperatura kąpieli pozostaje stała. Teraz zcałkuj numerycznie równanie różniczkowe z analizy pojemności skupionej. Wkrótce porównamy tę teoretyczną prognozę z naszymi pomiarami. Po powtórzeniu tej analizy dla każdego pliku danych można zapoznać się z wynikami. Wykreślić temperaturę próbki w funkcji czasu dla pojedynczego testu wraz z przewidywaniami teoretycznymi. Szybsze początkowe tempo chłodzenia jest prawdopodobnie spowodowane konwekcją wymuszoną, gdy próbka jest wrzucana do kąpieli. Późniejsze oscylacje mogą być spowodowane niewielkimi ruchami osoby trzymającej próbkę. Ponieważ prognoza temperatury jest wkrótce ustawiana, zachodzi tylko konwekcja swobodna, lepiej jest zainicjować całkowanie od punktu po ustaniu konwekcji wymuszonej. Po wykonaniu tego kroku teoria bardzo dokładnie przewiduje, jak próbka ochładza się w czasie. Teraz wykreśl współczynnik przenikania ciepła w stosunku do różnicy temperatur próbki i kąpieli dla wszystkich testów razem. Dodać teoretyczne przewidywanie współczynnika przenikania ciepła poniżej temperatury wrzenia. Należy zwrócić uwagę na gwałtowny wzrost przy wyższych temperaturach próbki, gdy proces wrzenia staje się bardziej energiczny. W tym eksperymencie obserwuje się tylko wzmocnienie wrzenia. Niska temperatura płynu luzem w tym przypadku zapobiega wystąpieniu kryzysu wrzenia.

Teraz, gdy jesteś już bardziej zaznajomiony z procesem hartowania, przyjrzyjmy się kilku sposobom, w jakie jest on stosowany w prawdziwym świecie. Obróbka cieplna, taka jak hartowanie i wyżarzanie, jest krytycznym etapem produkcji trwałego oprzyrządowania. Niektóre stopy stali mogą być wyżarzane w celu zmniejszenia twardości podczas obróbki skrawaniem i obróbki. Po uformowaniu można je następnie hartować w celu uzyskania wysokiej twardości. Wiele komponentów inżynieryjnych, takich jak procesory komputerowe, doświadcza dużych wahań temperatury w całym cyklu życia. Procesory szybko się nagrzewają podczas uruchamiania programów wymagających dużej mocy obliczeniowej, a wzrost temperatury powoduje zwiększenie prędkości wentylatorów w celu poprawy chłodzenia. Przewidywanie i charakteryzacja szybkości wymiany ciepła jest ważna dla projektowania komponentów, które nie ulegną awarii z powodu przegrzania lub zmęczenia.

Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie Jowisza do gaszenia. Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób przeprowadza się tę powszechną obróbkę cieplną, a także niektóre z głównych czynników wpływających na wymianę ciepła podczas procesu hartowania. Powinieneś również wiedzieć, jak przeprowadzić analizę pojemności bryłowej, aby przewidzieć zmianę temperatury i jak wykorzystać liczbę Biot do określenia, kiedy ta analiza jest uzasadniona. Dzięki za oglądanie.