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Abschrecken und kochen

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Abschrecken ist eine Wärmebehandlung, die häufig verwendet, um die Materialeigenschaften wie Härte und Duktilität zu ändern. Beim abschrecken und die ergänzenden des Glühens ein Material erwärmt und anschließend abgekühlt. Zum abschrecken, ist das Material sehr schnell abgekühlt, im Gegensatz zu glühen, wo es allmählich kontrolliert abgekühlt ist. Die Rate der Wärmeübertragung wird durch viele Faktoren wie die Wärmeleitfähigkeit eines Objekts und der umgebenden Flüssigkeit, Geometrie und Temperatur Verteilung bestimmt. Das Zusammenspiel dieser Faktoren zu verstehen ist wichtig für den Aufbau der Verbindung zwischen einer besonderen Wärmebehandlung und die daraus resultierende Veränderung der Materialeigenschaften. Dieses Video wird abschrecken im Fokus und zeigen, wie man eine einfache Analyse der die Wärmeübertragung bei diesem Vorgang durchführen.

Nach eine Probe erhitzt wird, erfordert das abschrecken schnelle Wärmeübertragung an die Umgebung, die häufig durch Eintauchen der Probe in einem flüssigen Bad wie Wasser oder Öl erreicht wird. Wärmeübertragung auf der umgebenden Flüssigkeit kann Gefahren werden durch freie Konvektion, wo führt lokale Erwärmung durch die Probe Auftrieb getrieben Zirkulation oder erzwungener Konvektion, wo die Probe durch die Flüssigkeit bewegt. Bei höheren Temperaturen der Probe kann Blasenbildung Wärmeübertragungsrate, ein Effekt, bekannt als kochendes Erweiterung erhöhen. Jedoch wenn die Probe durch geringe thermische Leitfähigkeit Dampf bedeckt wird, gibt es eine kochende Krise und die Wärmeübertragung reduziert werden. Temperatur der Probe ist im Allgemeinen nicht gut definiert, da die Temperaturverteilung innerhalb der Probe nicht einheitlich ist, wie es abkühlt. Das heißt, die Temperatur hängt nicht nur von Zeit, es hängt von der Position innerhalb der Probe sowie. Allerdings ist die interne Wärme Übergangswiderstand klein im Verhältnis zu den externen thermischen Widerstand von der Oberfläche zu der umgebenden Flüssigkeit, Temperatur der Probe kann davon ausgegangen werden, fast einheitlich bleiben und die Analyse vereinfacht. Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Widerständen wird ausgedrückt quantitativ von Biot-Zahl, eine dimensionslose Quantität benannt nach dem französischen Physiker des 19. Jahrhunderts, Jean-Baptiste Biot. Die Biot-Zahl ist das Verhältnis von der internen Hitzebeständigkeit der Wärmeleitung an den externen Konvektion Widerstand. Die interne Leitung Widerstand ist die charakteristische Längenskala des Objekts geteilt durch seine Wärmeleitfähigkeit. Der externe Konvektion Widerstand ist eine über den Konvektionskoeffizienten. Biot-Zahl kleiner als 0,1 ist, wird die Temperaturverteilung innerhalb der Probe im Allgemeinen fast einheitlich bleiben. In diesem Regime kann eine konzentrierte Kapazität Analyse verwendet werden, um die Wärmeübertragungsrate zu modellieren, durch den Ausgleich des inneren Energieverlust der Probe mit der Konvektionswärme Entfernungsrate von Newtons Gesetze der Kühlung. Das Ergebnis ist eine erste Bestellung Differentialgleichung für die Probentemperatur. Im nächsten Abschnitt zeigen wir diese Grundsätze durch einen kleinen, festen, Kupfer Zylinder repräsentativ für kleine, wärmebehandelter Teile abschrecken.

Der Prüfling wird ab einer Länge von 9,53 mm Kupfer-Stab erfolgen. Berechnen Sie bevor Sie fortfahren die Biot-Zahl, um die Verwendung einer konzentrierten Kapazität Analyse zu rechtfertigen. Davon ausgehen, dass die externe Leitung-Koeffizient nicht mehr 5.000 Watt pro als meter Quadrat Kelvin und die charakteristische Länge für einen Zylinder ist der halbe Durchmesser verwenden. Einen veröffentlichten Wert für die thermische Leitfähigkeit von Kupfer suchen und das Ergebnis zu berechnen. Da die Biot-Zahl kleiner als 0,1 ist, fahren Sie mit der Vorbereitung des Prüflings. Nehmen Sie eine Aktie und schneiden Sie ca. 25 mm vom Ende. Ecken und Kanten auf dem Stück zu entfernen und dann die Masse und endgültige Länge messen. In der Nähe von jedem Ende Bohren Sie eine thermische Cupel gut, 1,6 mm im Durchmesser, auf der Mittelachse. Der Brunnen sollte tief genug, um die gesamte thermische Cupel Spitze einbetten. Diese Vertiefungen sind relativ klein, so dass sie keinen signifikanten Effekt auf das allgemeine Verhalten der Wärme-Übertragung. Als Nächstes verwenden Hochtemperatur-Epoxy, Hochtemperatur-thermische Cupel Sonde in jedem Bohrloch zu versiegeln. Sicherstellen Sie, dass die Prüfspitzen sind vollständig umhüllt und in die Mitte des Prüfmusters als Epoxy-Sets gedrückt. Andernfalls können die Sonden Wasserbad anstelle der Probentemperatur Temperaturmessung. Sobald der Prüfling vorbereitet ist, richten Sie das abschrecken Bad. Fügen Sie eine Referenz thermische Cupel in das Bad in der Nähe, wo die Probe abgeschreckt werden. Verbinden Sie alle drei thermischen Schalensteine mit einem Datenerfassungssystem. Richten Sie ein Programm kontinuierlich transiente Temperaturmessungen rund zehnmal pro Sekunde anmelden. Alles ist jetzt bereit, das Experiment durchführen.

Dieses Experiment erfordert offener Flamme Heizung so, bevor Sie beginnen zu gewährleisten, dass ein Feuerlöscher griffbereit ist und dass keine brennbaren Materialien in der Nähe sind. Befolgen Sie alle üblichen Vorsichtsmaßnahmen für den Brandschutz. Richten Sie den Brenner in der Nähe von abschrecken Bad und Licht der Flamme. Abholen der Prüfling durch die thermische Cupel führt und aus der Ferne sicheres halten, langsam über der Flamme erhitzen, bis es die gewünschte Temperatur erreicht hat. Nun starten Sie die Datenerfassung und Tauchen Sie den Prüfling in dem abschrecken Bad ein. Halten Sie das Stück so ruhig wie möglich, Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion zu minimieren. Während die Probe abkühlt, achten auf und beachten Sie alle kochenden Verhalten. Bei Probe Temperaturabfall innerhalb von ein paar Grad die Badtemperatur, das Daten-Erwerb-Programm beenden. Wiederholen Sie diesen Vorgang für schrittweise höhere Erstmuster-Temperaturen bis zu etwa 300 Grad Celsius.

Öffnen Sie eine der Dateien. Bei jedem Zeitschritt ist eine Lesung des die Badtemperatur und zwei der Temperatur der Probe. Führen Sie die folgenden Berechnungen für jedes Mal. Berechnen Sie die durchschnittliche Probentemperatur, indem man das arithmetische Mittel der beiden Probe Lesungen. Berechnen Sie die momentane Abkühlgeschwindigkeit ist die Veränderung der Temperatur geteilt durch die Änderung in der Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen. Glätten Sie dann die Ergebnisse mit einem Zweipunkt-gleitenden Durchschnitt, einige der Messrauschen herauszufiltern. Mithilfe der Differentialgleichung, abgeleitet aus der konzentrierten Kapazität Analyse der momentanen Wärmeübergangskoeffizienten berechnen. Der Wärmeübergangskoeffizient kann auch anhand von theoretischen oder empirischen abgeleitete Wärme Übertragung Modellen vorhergesagt werden. Diese Modelle in der Regel melden den Konvektionskoeffizienten in Bezug auf die Nusselt-Zahl, eine dimensionslose Quantität. Entnehmen Sie den Text auf, wie diese Berechnung durchzuführen. Mit den Gleichungen für die theoretische Wärmeübergangskoeffizient können Sie auch die Probe Kühlung im Laufe der Zeit vorhersagen. Um dies zu tun, nehmen Sie Ausgangspunkt aus den experimentellen Daten wo die Probentemperatur unter 100 Grad Celsius. Wählen Sie einen kleine numerische Zeitschritt und davon ausgehen Sie, dass die Temperatur konstant bleibt. Nun, numerisch integrieren Sie die Differentialgleichung von der konzentrierten Kapazität Analyse. Bald werden wir dieses theoretische Vorhersage mit unserer Messungen vergleichen. Nachdem Sie diese Analyse für jede Datendatei wiederholen, können Sie die Ergebnisse anzusehen. Zeichnen Sie die Temperatur der Probe im Vergleich zur Zeit für einen einzigen Test zusammen mit der theoretischen Vorhersage. Die schneller erste Abkühlgeschwindigkeit ist wahrscheinlich durch die erzwungene Konvektion wie die Probe in die Wanne fallen gelassen wird. Und spätere Schwingungen könnte durch kleine Bewegungen von der Person, die die Probe verursacht werden. Da die Temperatur Vorhersage bald eingestellt wird auftritt nur freier Konvektion, ist es besser, die Integration von einem Punkt nach der erzwungenen Konvektion-Stationen zu initialisieren. Wenn dieser Schritt getan ist, prognostiziert die Theorie sehr genau wie die Probe im Laufe der Zeit abkühlt. Nun, Plotten der Wärmeübergangskoeffizient gegen die Probe Temperaturdifferenz für alle Tests gemeinsam Baden. Fügen Sie die theoretische Vorhersage für den Wärmedurchgangskoeffizienten unterhalb des Siedepunktes. Beachten Sie den starken Anstieg bei höheren Temperaturen der Probe während des Kochprozesses kräftiger wird. In diesem Experiment wird nur kochendes Verbesserung beobachtet. Das geringe Volumen Flüssigkeitstemperatur verhindert in diesem Fall der Beginn einer kochenden Krise.

Nun, da Sie mit der Abschreckprozess vertrauter sind, schauen wir uns einige Möglichkeiten, in denen es in der realen Welt angewendet wird. Wärmebehandlung Schritte wie abschrecken und Tempern kritischen bei der Herstellung langlebiger Werkzeuge. Gewisse Stahllegierungen können geglüht werden, um Härte für Bearbeitung und arbeiten zu reduzieren. Sobald gebildet, können sie dann abgeschreckt werden, um hohe Härte zu erreichen. Viele technische Komponenten wie Computerprozessoren, erleben Sie große Temperaturschwankungen während ihres gesamten Lebenszyklus. Prozessoren erwärmen sich schnell wenn rechenintensive Programme laufen und die Temperaturerhöhung löst höhere Drehzahlen um die Kühlung zu verbessern. Die Vorhersage und Charakterisierung von Hitze Übertragungsraten ist wichtig für die Gestaltung von Komponenten, die nicht scheitern aufgrund von Überhitzung oder Müdigkeit.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Sprüh beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie diese gemeinsame Wärmebehandlung sowie einige der wichtigsten Faktoren, die Wärmeübertragung bei der Abschreckprozess Wirkung durchgeführt wird. Sie sollten auch wissen, wie ein Klumpen Kapazität Analyse um die Veränderung der Temperatur vorherzusagen und die Biot-Zahl verwenden, um festzustellen, wann diese Analyse gerechtfertigt ist. Danke fürs Zuschauen.

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