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淬火和沸腾

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淬火是一种常用的热处理方法, 用于改变材料性能, 如硬度和延展性。在淬火和退火的补充过程中, 材料加热后冷却。对于淬火, 材料是冷却非常快, 与退火的对比, 它是逐渐冷却在一个受控的方式。传热速率由许多因素决定, 包括物体的热导率和周围的流体、几何和温度分布。了解这些因素之间的相互作用对于建立一个特定的热处理和由此产生的物质性质的变化之间的联系是很重要的。这段视频将着重于淬火, 并显示如何执行一个简单的分析过程中的热量传递。

在样品加热后, 淬火需要对周围环境进行快速传热, 这通常是通过将样品浸泡在水或油等液体浴中来实现的。对周围流体的传热可以由自由对流驱动, 在这里, 样品的局部加热会导致浮力循环或强制对流, 而样品是通过流体流动的。在较高的试样温度下, 气泡形成可以提高传热速率, 这一效应称为沸腾强化。然而, 如果样品被低导热蒸汽覆盖, 就会出现沸腾的危机, 并降低传热。一般来说, 样品的温度没有很好的定义, 因为样品内的温度分布不均匀, 因为它冷却。换句话说, 温度不仅仅取决于时间, 它还取决于样品中的位置。然而, 如果内部热传导阻力相对于外部热电阻从表面到周围流体的小, 样品温度可以假设保持几乎一致, 并且分析被简化。这两种阻力之间的平衡是由奥数, 一个无量纲的数量, 命名的第十九法国物理学家, 让-巴蒂斯特。奥数是内部导热电阻与外部对流阻力的比值。内部传导阻力是物体的特征长度尺度除以其导热系数。外部对流阻力是一个对流系数。一般情况下, 当毕数小于0.1 时, 样品内的温度分布将保持几乎一致。在这一制度中, 集总电容分析可以利用牛顿冷却定律, 通过平衡试样的内部能量损耗和对流热去除率来模拟传热速率。结果为样品温度的第一阶微分方程。在下一节中, 我们将展示这些原则, 通过淬火一个小, 固体, 铜缸, 这是代表的小, 热处理零件。

测试片将由长度为9.53 毫米的铜杆。在继续之前, 计算的奥数, 以证明使用集总电容分析。假定外部传导系数不会超过每米的5000瓦特, 并使用直径为一半的圆柱的特征长度。查找已公布的铜的导热系数值并计算结果。由于毕数小于 0.1, 继续准备测试片。采取一节的股票和削减约25毫米从年底。移除工件上的任何粗糙边, 然后测量质量和最终长度。在每端附近, 钻一个热皿井, 直径1.6 毫米, 下至中心轴。井应该足够深, 以嵌入整个热皿尖端。这些井相对较小, 因此不会对整体传热行为产生显著影响。其次, 使用高温环氧树脂密封高温热皿探头每井。确保探头的尖端被完全包裹, 并压入测试片的中心, 作为环氧树脂装置。否则, 探头可以测量水浴温度而不是样品温度。试件准备好后, 设置淬火槽。在样品将被淬火的地方附近插入一个参考热皿到浴缸。将所有三热 cupels 连接到一个数据采集系统。设置一个程序, 以连续记录瞬态温度测量大约每秒十次。现在一切都准备好进行实验了。

这个实验需要明火加热, 所以在你开始确保灭火器在手边并且没有易燃材料在附近的时候。遵守防火安全的所有标准预防措施。在淬火槽附近设置燃烧器并点燃火焰。拿起测试片由热皿导线和从一个安全保持距离, 逐渐加热它在火焰, 直到它到达期望温度。现在开始数据采集, 将测试片浸入淬火槽中。尽量保持稳定, 尽量减少强迫对流换热。当样品冷却时, 注意并记下任何沸腾的行为。当样品温度下降到几个度的浴温度, 停止数据采集程序。重复此过程, 以逐步提高初始样品温度高达300摄氏度左右。

打开其中一个数据文件。在每一次的步骤, 有一读的浴缸温度和两个样品的温度。每次执行以下计算。采用两个样本读数的算术平均数计算平均样品温度。计算瞬时冷却速率, 即温度的变化除以两个连续测量之间的时间变化。然后用两点移动平均值平滑结果, 滤除一些测量噪声。利用集总电容分析所得的微分方程计算瞬时传热系数。利用理论或经验推导的传热模型也可以预测传热系数。这些模型通常报告对流系数的塞数, 一个非维量。有关如何执行此计算的详细信息, 请参阅文本。根据理论传热系数方程, 你也可以预测样品的冷却时间。要做到这一点, 从实验数据中取样温度低于100摄氏度开始。选择一个小的数值时间步长, 并假设浴温保持不变。现在, 将微分方程从集总电容分析中进行数值积分。很快, 我们将把这一理论预测与我们的测量结果进行比较。对每个数据文件重复此分析后, 您就可以查看结果了。根据理论预测, 绘制样品温度与时间的单次测试。初始冷却速度越快, 可能是由于样品被放入浴缸的强制对流。随后的振荡可能是由持有样品的人的小运动引起的。由于温度预测很快就会产生自由对流, 所以最好在强制对流停止后从一个点开始初始化积分。当这一步被采取, 理论非常准确地预测如何冷却随着时间的推移。现在, 在所有的试验中, 将传热系数与试样的温度差图进行比较。在沸点以下的传热系数中加入理论预测。请注意, 随着沸腾过程变得更加剧烈, 样品温度升高的急剧上升。在这个实验中只观察到沸腾增强。在这种情况下, 低体积流体温度, 防止了沸腾的危机的爆发。

现在, 您对淬火过程更加熟悉, 让我们来看看在现实世界中应用它的一些方法。淬火和退火等热处理是制造耐久模具的关键步骤。某些钢合金可以退火, 以降低加工和工作的硬度。一旦形成, 它们就可以被淬火, 以达到高硬度。许多工程组件 (如计算机处理器) 在整个生命周期中都经历了很大的温度波动。处理器在运行计算密集型程序时会迅速升温, 而温度上升则会增加风扇速度以提高散热效果。热传导率的预测和表征对于设计因过热或疲劳而不会失效的元件是非常重要的。

你刚才看了朱庇特介绍淬火。你现在应该了解如何进行这种常见的热处理, 以及一些主要因素, 影响传热过程中的淬火工艺。你也应该知道如何执行一次电容分析, 以预测温度的变化, 以及如何使用的奥数来确定这一分析是合理的。谢谢收看

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