Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education Library
Mechanical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 

焼入れと沸騰

Article

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

焼入硬度、靭性など材料特性を変更するのには一般的に使用される熱処理です。焼入れと熱処理の相補的なプロセス、材料を加熱し、その後冷却します。焼入れの材料は非常に迅速にそれは制御された方法で徐々 に冷却、熱処理とは対照的に冷却されます。熱伝達の率は、物体の周囲の流体、ジオメトリと温度分布熱伝導率を含む多くの要因によって決定されます。これらの要因間の相互作用を理解することは、特定の熱処理と材料特性の変更の結果の間のリンクを構築するために重要です。このビデオは、焼入れに焦点を当てるが、このプロセス中に熱伝達の簡単な分析を実行する方法を示します。

サンプルを加熱すると後、焼入れには、一般的に水や油などの流体のバースのサンプルを浸すことによって達成は、周囲の環境への急速な熱伝達する必要があります。周囲の流体の熱伝達で駆動可能自由対流、サンプルによる局所加熱した結果浮力循環または強制対流の液体を通してサンプルの移動先。高温サンプル、気泡の熱伝導率、沸騰改善と呼ばれる効果を増やすことができます。ただし、サンプルになる熱伝導率低い蒸気で覆われた、沸騰の危機があるし、熱伝達が減ります。一般で冷えると試料内部の温度分布は一様ではないために、サンプル温度はよく定義されたではないです。つまり、温度が時間に依存しないだけ、それもサンプル内の位置に依存します。ただし、内部熱抵抗が周囲流体の表面から外部の熱抵抗に比べて小さい場合、試料温度が全体にほぼ均一のままに想定される、分析が簡素化します。これらの 2 つの抵抗のバランスを表現定量的ビオ数によって無次元数は、19 世紀フランス物理学者、ジャン = バティスト ・ ビオにちなんで命名します。ビオ数は、外部熱伝達抵抗と内部の熱伝導抵抗の比率です。内部伝導抵抗は、その熱伝導率で割った値オブジェクトの特徴的な長さのスケールです。外部熱伝達抵抗は熱伝達係数上の 1 つです。一般的には、ビオ数は 0.1 未満で、試料内部の温度分布はほぼ均一に残ります。このレジームでは、ニュートンの冷却の法律からの対流熱除去率とサンプルの内部エネルギー損失を分散させることによって熱伝導率をモデル化する集中キャパシタンス解析を使用できます。結果は、試料温度の 1 次微分方程式です。次のセクションでは、小型熱処理部品の代表者である小さい、固体、銅の円柱の焼入れによる、これらの原則を示します。

試験片は、9.53 mm の銅棒の長さから行われます。前に、集中キャパシタンスの分析の使用を正当化するビオ数を計算します。外部伝導係数は 5,000 ワットを超えないことを前提としてメートル平方ケルビンと直径の半分であるシリンダーの特徴的な長さを使用します。銅の熱伝導率の公表された値を検索し、結果を計算します。ビオ数は 0.1 未満なので、試験片の準備を進めます。株式を取得し、端から約 25 mm カットします。作品上の大まかなエッジを削除して、質量と最終的な長さを測定します。各端に近いドリル熱灰吹炉、中心軸まで、直径 1.6 mm。井戸は全体の熱灰吹炉チップを埋め込むに十分な深さにする必要があります。これらの井戸は、彼らは全体の熱移動挙動に大きな影響があるないので、比較的小さなもの。次に、各ウェルに灰吹炉高温サーマル プローブをシールに使用高温エポキシ。プローブ ・ チップが完全に鉄骨し、エポキシ セットとして試験片の中心に押されることを確認します。それ以外の場合、プローブは試料温度の代わりに水お風呂温度を測定があります。試験片を準備すると、焼入れのバスを設定します。サンプルが急冷される近くバス参照熱灰吹炉に挿入します。すべての 3 つの熱灰吹炉用をデータ集録システムに接続します。継続的に 1 秒あたりの非定常温度分布測定の約 10 倍をログに記録するプログラムを設定します。実験を実行する準備はすべて整いました。

この実験が必要です開炎を開始する前にこれを加熱は、消火器は手に近くに可燃物がないことを確認します。火災安全のすべての標準的な注意事項に従ってください。光炎と焼入お風呂近くのバーナーを設定します。熱の灰吹炉リードと安全保持距離から試験片を拾う、徐々 に望ましい温度に達するまで炎の上に加熱します。今データ集録を開始し、焼入浴中に試験片を浸漬します。強制対流で熱伝達を最小限に抑える可能性として安定の部分を保持します。サンプルを冷却すると中を監視し、沸騰行為に注意してください。サンプル気温が下がるお風呂温度を数度以内データ収集プログラムを停止します。300 ° c 前後まで徐々 に高い初期サンプルの温度のためには、この手順を繰り返します。

データ ファイルのいずれかを開きます。すべての時間ステップで風呂の温度の 1 つの読書と試料温度の 2 つがあります。時間ごとに以下の計算を実行します。2 つのサンプルの測定値の算術平均を取って、平均サンプル温度を計算します。2 つの連続した測定値の間の時間の変化で割った値の温度変化である瞬時の冷却速度を計算します。騒音測定のいくつかを除外する 2 点移動平均により滑らかな。瞬時熱伝達率を計算するのに集中キャパシタンス分析から得られた微分方程式を使用します。熱伝達率は、理論的または実証的派生伝熱モデルを使用しても予測できます。これらのモデルは一般的に報告ヌッセルト数の面で熱伝達係数無次元量。この計算を実行する方法の詳細については、本文を参照してください。理論的熱伝達率の式では、時間をかけて冷却サンプルも予測できます。これを行うには、試料温度が 100 ° c 以下、実際に実験データの開始点を取る。小さな数値の時間ステップを選択し、浴温度が一定と仮定します。今、集中キャパシタンス分析から微分方程式数値積分します。すぐに、我々 は、我々 の測定とこの理論的予測を比較します。すべてのデータ ファイルのこの分析を繰り返すと後の結果を見てする準備が整いました。理論的な予測とともに 1 つのテストのための時間とサンプル温度をプロットします。高速の初期冷却速度は、サンプルをお風呂に落ちて強制対流による可能性が高い。後で振動はサンプルを持っている人から小動きによって引き起こされるかもしれない。気温予測がすぐに設定されているので、強制対流停止後の点から統合を初期化することをお勧めのみ自由対流が発生します。この手順を実行すると、理論は非常に正確に時間をかけてサンプルの冷却方法を予測します。今、すべてのテストの温度差を一緒にお風呂にサンプルに対する熱伝達率をプロットします。沸点以下の熱伝達係数の理論的予測を追加します。高温サンプル沸騰プロセスがより旺盛になり、急激な上昇に注意してください。この実験でのみ強化を沸騰を観察しました。低嵩流体温度は、この場合、沸騰危機の発症を防ぎます。

焼入プロセスに精通して、今、それが現実の世界で適用されているいくつかの方法を見てみましょう。熱処理焼入、焼鈍、重要なステップ耐久性の製造に金型。特定の合金鋼は加工作業の硬度を減らすためにアニールすることができます。いったんつくと、彼らは、高硬度を達成するために急冷することができます。コンピューターのプロセッサなど多くの加工部品は、ライフ サイクルにわたって大規模な温度変動を経験します。計算量の多いプログラムを実行するプロセッサは急速を加熱し、温度上昇が冷却を強化する高められたファンの速度をトリガーします。予測と熱伝達率の評価は、過熱が原因で失敗しないか、または疲労のコンポーネントを設計するため重要です。

焼入れのゼウスの概要を見てきただけ。今、焼入処理中に熱伝達に影響を与える主要な要因のいくつかだけでなく、この一般的な熱処理を実行する方法を理解しておくべき。また、温度の変化を予測する塊の容量分析を実行する方法とビオ数を使用して、この分析が正当化される場合を確認する方法を知っておく必要があります。見ていただきありがとうございます。

Read Article

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter