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Trempe et faire bouillir

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Trempe est un traitement thermique, généralement utilisé pour modifier les propriétés matérielles telles que la dureté et la ductilité. Au cours de la trempe et le processus complémentaire de recuit, un matériau est chauffé et ensuite refroidi. Pour la trempe, le matériau est refroidi très rapidement contrairement à recuit où il est refroidi progressivement de manière contrôlée. Le taux de transfert de chaleur est déterminé par plusieurs facteurs dont la conductivité thermique d’un objet et de la distribution de liquide, la géométrie et la température environnante. Comprendre l’interaction entre ces facteurs est important pour le lien entre un traitement particulier de la chaleur et le changement qui en résulte dans les propriétés du matériau de construction. Cette vidéo se concentrera sur la trempe et indiquent comment effectuer une simple analyse du transfert thermique au cours de ce processus.

Après qu’un échantillon est chauffé, trempe nécessite transfert rapide de la chaleur à l’environnement qui est généralement réalisé en immergeant l’échantillon dans un bain liquide comme l’eau ou l’huile. Transfert de chaleur vers le liquide environnant peut être entraînée par la convection libre, où chauffage local par l’échantillon entraîne la circulation flottabilité conduite ou convection forcée, où l’échantillon est déplacé à travers le fluide. Aux températures élevées de sample, formation de bulles peut augmenter le taux de transfert de chaleur, un effet connu comme amélioration bouillante. Toutefois, si l’échantillon devient recouvert par les vapeurs de faible conductivité thermique, il y a une crise d’ébullition et le transfert de chaleur sera réduit. En général, la température de l’échantillon n’est pas bien définie car la distribution de la température à l’intérieur de l’échantillon n’est pas uniforme en refroidissant. En d’autres termes, la température ne dépend pas juste à temps, cela dépend de la position au sein de l’échantillon ainsi. Toutefois, si la résistance de transfert de chaleur interne est faible par rapport à la résistance thermique externe de la surface pour le liquide environnant, la température de l’échantillon peut être censée restent presque uniforme tout au long et l’analyse est simplifiée. L’équilibre entre ces deux résistances est exprimé quantitativement par le nombre de Biot, une quantité sans dimension nommé d’après le physicien Français du XIXe siècle, Jean-Baptiste Biot. Le nombre de Biot est le rapport entre la résistance de conduction de chaleur interne à la résistance de convection externe. La résistance interne de la conduction est l’échelle de longueur caractéristique de l’objet divisé par sa conductivité thermique. La résistance de convection externe est un sur le coefficient de convection. En règle générale, lorsque le nombre de Biot est inférieur à 0,1, la distribution de la température à l’intérieur de l’échantillon restera presque uniforme. Dans ce régime, une analyse de la capacité des permet de modéliser le taux de transfert de chaleur en équilibrant la perte d’énergie interne de l’échantillon avec le taux d’élimination de chaleur par convection de lois de refroidissement de Newton. Il en résulte une première équation différentielle de commande pour la température de l’échantillon. Dans la section suivante, nous allons démontrer ces principes par trempe un cylindre petit, solid, cuivre, qui est représentatif des petites pièces traitées thermiquement.

L’éprouvette s’effectueront à partir d’une longueur de tige de cuivre 9,53 mm. Avant de procéder, calculer le nombre de Biot pour justifier l’utilisation d’une analyse de capacitance localisés. Supposons que le coefficient de conduction externe ne dépasse pas 5 000 watts par mètre carré Kelvin et d’utiliser la longueur caractéristique pour un cylindre qui est la moitié du diamètre. Rechercher une valeur publiée pour la conductivité thermique du cuivre et de calculer le résultat. Puisque le nombre de Biot est inférieure à 0,1, procéder à la préparation de l’éprouvette. Prenez un article de stock et coupez environ 25 mm de l’extrémité. Supprimer toute aspérité sur la pièce et ensuite mesurer la longueur de la masse et finale. Près de chaque extrémité, percer une coupelle thermique bien, 1,6 mm de diamètre, jusqu'à l’axe central. Le puits doit être assez profond pour intégrer la pointe ensemble coupelle thermique. Ces puits sont relativement petits, donc ils n’auront pas un effet significatif sur le comportement de transfert thermique global. Ensuite, époxy haute température utilisation pour sceller une coupelle thermique haute température sonde dans chaque puits. Veiller à ce que les pointes sont complètement enfermés et pressés dans le centre de l’éprouvette que le couche d’époxy. Dans le cas contraire, les sondes peuvent mesurer la température du bain d’eau au lieu de la température de l’échantillon. Une fois l’éprouvette est préparé, mis en place le bain de trempe. Insérez une coupelle thermique de référence dans la baignoire près où l’échantillon va être trempé. Connectez tous les trois coupelles thermiques d’un système d’acquisition de données. Mettre en place un programme de se connecter en continu des mesures de température transitoire environ dix fois par seconde. Tout est maintenant prêt à réaliser l’expérience.

Cette expérience nécessite flamme nue chauffage donc avant de commencer à s’assurer qu’un extincteur est sur place et qu’aucun des matériaux inflammables ne sont à proximité. Suivez toutes les précautions standards pour la sécurité-incendie. Mettre en place le brûleur près du bain de trempe et de la lumière de la flamme. Ramasser l’éprouvette par le conduit de la coupelle thermique et d’une distance sûre tenue, chauffer progressivement au-dessus de la flamme jusqu'à ce qu’il atteigne la température désirée. Lancez l’acquisition de données et plonger l’éprouvette dans le bain de trempe. Maintenir la feuille aussi immobile que possible afin de minimiser le transfert de chaleur par convection forcée. Alors que l’échantillon est de refroidissement, surveillez et notez n’importe quel comportement bouillante. Quand la température de l’échantillon tombe à quelques degrés de la température du bain, arrêter le programme d’acquisition de données. Répétez cette procédure pour des températures d’échantillon initial progressivement plus élevés jusqu'à environ 300 degrés Celsius.

Ouvrez un des fichiers de données. À chaque pas de temps, il y a une seule lecture de la température du bain et deux de la température de l’échantillon. Effectuer les calculs suivants pour chaque fois. Calculer la température de l’échantillon moyen en prenant la moyenne arithmétique entre les deux lectures de l’échantillon. Calculer le taux de refroidissement instantané qui est le changement de température divisé par le changement dans le temps entre deux mesures successives. Ensuite lisser les résultats avec une moyenne mobile de deux points à filtrer certains du bruit de mesure. L’équation différentielle dérivée de l’analyse de la capacité des permet de calculer le coefficient de transfert de chaleur instantanée. Le coefficient de transfert de chaleur peut également être prédite à l’aide de modèles de transfert de chaleur dérivée théorique ou empirique. Ces modèles de rapport généralement le coefficient de convection en termes du nombre de Nusselt, une quantité sans dimension. Consulter le texte pour plus de détails sur la façon d’effectuer ce calcul. Avec les équations pour le coefficient de transfert thermique théorique, vous pouvez également prédire l’échantillon refroidissement au fil du temps. Pour ce faire, prenez un point de départ de vos données expérimentales où la température de l’échantillon est inférieure à 100 degrés Celsius. Choisissez une étape de petit temps numérique et supposons que la température du bain reste constante. Maintenant, numériquement intégrer l’équation différentielle de l’analyse de capacitance localisés. Bientôt, nous allons comparer cette prédiction théorique avec nos mesures. Après que vous répéter cette analyse pour chaque fichier de données, vous êtes prêt à regarder les résultats. Tracer la température de l’échantillon par rapport à temps pour un seul test ainsi que la prédiction théorique. Le plus rapide taux de refroidissement initial est probablement due à la convection forcée que l’échantillon est déposé dans le bain. Et oscillations plus tard peuvent être provoquées par petits mouvements de la personne qui détient l’échantillon. Étant donné que la prédiction de température est bientôt mises convection libre seulement se produit, il est préférable d’initialiser l’intégration d’un point après l’arrêt de la convection forcée. Lorsque cette étape est franchie, la théorie prédit très précisément comment l’échantillon se refroidit au fil du temps. Maintenant, tracez le coefficient de transmission thermique contre l’échantillon à la différence de température pour tous les tests de bain ensemble. Ajouter la prédiction théorique pour le coefficient de transmission thermique au-dessous du point d’ébullition. Noter la forte hausse à plus haute température de l’échantillon comme le processus d’ébullition devient plus vigoureux. Dans cette expérience seulement bouillante amélioration est observée. La température du fluide en vrac faible dans ce cas, prévient l’apparition d’une crise d’ébullition.

Maintenant que vous êtes familiarisé avec le processus de trempe, regardons d’une certaine manière dans laquelle elle est appliquée dans le monde réel. Traitement thermique tels que critiquent la trempe et recuit étapes dans la fabrication de biens outillage. Certains alliages d’acier peuvent être recuits pour réduire la dureté pour usinage et travail. Une fois formé, il peuvent être éteint puis pour obtenir une dureté élevée. Nombreux composants machinés, tels que les processeurs de l’ordinateur, l’expérience de fluctuations importantes de température tout au long de leur cycle de vie. Les processeurs chauffent rapidement lors de l’exécution des programmes par le calcul intensifs et l’élévation de température déclenche des vitesse de ventilation accrue pour améliorer le refroidissement. La prédiction et la caractérisation des taux de transfert de chaleur est important pour la conception de composants qui ne sera pas échouer en raison d’une surchauffe ou de fatigue.

Vous avez juste regardé Introduction de Jove au refroidissement. Vous devez maintenant comprendre comment cet commun traitement thermique est effectué ainsi que certains des principaux facteurs que l’effet de transfert de chaleur pendant le processus de trempe. Vous devez également savoir comment effectuer une analyse de capacitance forfaitaire pour prédire les changements de température et comment utiliser le nombre de Biot pour déterminer quand cette analyse est justifiée. Merci de regarder.

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