Скорость остывания металла на воздухе

Обновлено: 04.10.2024

Зима. Мороз. Аварийно отключено водяное отопление. Сколько времени есть на ремонт и восстановление работоспособности системы отопления без слива до размораживания? За какое время воздух в помещении остынет до критической температуры, при которой возникнет.

. опасность замерзания воды в трубах?

Критическим значением температуры внутреннего воздуха помещений принято считать +8°C. Предполагается, что при этом в подвалах, технических помещениях, на лестничных клетках температура может оказаться уже отрицательной, и последствия могут быть катастрофическими.

На скорость остывания дома влияют множество факторов: температура и влажность наружного воздуха, скорость и направление ветра, уровень и продолжительность инсоляции, наличие или отсутствие иных внутренних источников тепла (включая людей и животных), инфильтрация, вентиляция.

В расчете, представленном далее, будет учитываться только температура наружного воздуха. Этот факт не добавляет точности, делая расчет, по сути, оценочным, зато существенно его упрощает.

Теория.

По классическому закону Ньютона-Рихмана время нагрева (охлаждения) тела в среде с постоянной температурой определяется по формуле:

z=(LN (ABS (t_н-t₁)) -LN (ABS (t_н-t₂)))·c·ρ·V/(α·F), с (1)

t_н — температура среды, °C
t₁ — начальная температура тела, °C
t₂ — температура тела по истечении времени z, °C
c — удельная теплоемкость тела, Дж/(кг·К)
ρ — плотность тела, кг/м3
V — объем тела, м3
α — коэффициент теплоотдачи на границе поверхность тела — среда, Вт/(м2·К)
F — площадь поверхности тела, м2

Выделим правую часть формулы и обозначим β:

β=c·ρ·V/(α·F), с (2)

β имеет размерность времени — секунда:

В строительной теплотехнике величину β принято называть коэффициентом аккумуляции тепла здания и считать не в секундах, а в часах.

Наиболее надежным, достаточно точным и простым способом определения коэффициента аккумуляции здания β является практический замер температуры воздуха в помещении (как правило, в угловом) при отключенном отоплении и достаточно стабильной наружной температуре при пасмурной безветренной погоде без осадков.

Если температура воздуха в точке замера снизится с t₁ до t₂ за z часов, то согласно тем же формулам (1) и (2):

β=z/LN ((t₁-t_н)/(t₂-t_н)), час (3)

Для некоторых типов зданий значения β приведены в таблице:

* МДС 41-6.2000, Таблица 2, автор таблицы: к.т.н. Брайнина Е.Ю.

** Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление, Москва, Стройиздат, 1991, стр. 81

Зная коэффициент аккумуляции β, можно достаточно легко смоделировать процесс остывания, вычислив время и среднюю скорость остывания дома:

z=β·LN ((t₁-t_н)/(t₂-t_н)), час (4)

Расчет в Excel скорости и времени остывания помещения.

На скриншотах далее представлен пример выполнения расчета, реализованного в Excel, с интерактивным отображением графика остывания помещения.

Задав исходные данные, вписав их в ячейки со светло-зеленой и светло-бирюзовой заливкой, пользователь получает автоматически вычисленные время z и скорость остывания v в ячейках листа Excel со светло-желтой заливкой фона.

Меняя шаг времени (в примере задан шаг 2 часа), можно визуально оценить темп остывания в разные по длине периоды времени.

В примере на скриншотах воздух в некоем помещении с коэффициентом аккумуляции β=20 часов остывает с t₁=20°C до t₂=8°C при температуре наружного воздуха t_н=-10°C. Расчет в Excel показывает, что этот процесс по времени займет z=10,2 часа.

Средний темп падения температуры или скорость остывания в течение этого промежутка времени составит v=1,2°C/час. Самая большая скорость остывания будет в первый час после отключения отопления: v_max=1,4°C/час.

Беглого взгляда на график достаточно, чтобы понять, что отрицательной температура воздуха в помещении станет через 22 часа.

Программу можно использовать для расчета коэффициента аккумуляции β или температуры воздуха в помещении t₂ по известному времени остывания z при помощи сервиса Excel «Подбор параметра».

Заключение.

Скорость остывания дома при отключении отопления зависит в первую очередь при отсутствии инфильтрации от коэффициента аккумуляции здания и от разницы между внутренней и внешней температурой воздуха.

Наибольшей способностью аккумулировать (запасать и сохранять) тепло обладают тяжелые массивные кирпичные старые здания с чугунными радиаторами и большим объемом воды в системе отопления. У таких домов коэффициент аккумуляции β достигает порой 120 часов.

С увеличением в здании количества и размеров окон, с уменьшением толщины стен в связи с широким использованием легких утеплителей, с распространением конвекторов, обуславливающих относительно небольшой объем теплоносителя в системе современные легкие дома плохо аккумулируют тепло. У таких зданий β может быть 40-20 часов и даже меньше.

Для одного и того же здания коэффициент аккумуляции угловых помещений верхних этажей меньше чем у срединных помещений средних этажей в 1,5-2 раза.

Прошу уважающих труд автора скачивать файл с программой расчетов после подписки на анонсы статей!

Скорость остывания дома без отопления

Коэффициент теплоотдачи поверхность — воздух

В статье рассмотрен расчет мощности теплового потока от горизонтальных и вертикальных плоских поверхностей тела, помещенного в «безразмерное» воздушное пространство при принудительной и естественной конвекции с учетом радиационной составляющей теплоотдачи.

Зная коэффициент теплоотдачи на поверхности (α), разделяющей твердое тело и окружающее это тело воздушное пространство, очень просто определить мощность теплового потока (Q) по известной разности температур (Δt).

Q=α*A*Δt, Вт – мощность теплового потока от или к поверхности тела.

Основная сложность расчета заключается в определении коэффициента конвективной теплоотдачи (α_к)! Автоматизировать в первую очередь решение этой трудоемкой задачи поможет Excel.

Нестабильность процесса естественной конвекции у поверхностей различной формы и расположения в пространстве породила большое разнообразие эмпирических формул для вычисления коэффициента конвективной теплоотдачи (α_к). Неизбежные погрешности экспериментальных данных привели к тому, что результаты вычислений для одних и тех же поверхностей и условий по формулам разных авторов отличаются друг от друга на 20% и более.

После тщательного детального ознакомления с материалами современных западных изданий по теплообмену (список литературы – в конце статьи) были выбраны формулы, рекомендованные к применению большинством авторов, для использования в представленной далее программе в Excel.

Схемы теплообмена:

На представленных ниже рисунках показаны 8 вариантов схем, для которых программа может выполнить вычисления.

Розовый цвет пластин свидетельствует о том, что они горячее окружающего воздуха. Голубой цвет – пластины холоднее воздуха.

На схемах 1а и 1б воздух принудительно движется (вентилятор, ветер) вдоль поверхности пластины независимо от её ориентации в пространстве. На всех остальных схемах окружающий воздух находится в спокойном состоянии (помещение, полный штиль), а положение пластин сориентировано в пространстве.

Расчет в Excel:

Формулы алгоритма программы:

t₀=(t_в+t_п)/2

l₀=L – для схем 1а и 1б

l₀=(B*L)/(2*(B+L)) – для схем 2а, 2б, 3а, 3б, 4а, 4б

Для определения теплофизических параметров воздуха при определяющей температуре (t₀) в диапазоне -70°C … +1200°C использованы формулы из предыдущей статьи на сайте.

Re=w*l₀/ν

Gr=g*β*|t_п— t_в|*l₀ 3 /ν 2

Ra=Gr*Pr

α_к=Nu*λ/l₀

α_р=ε*0,00000005670367*((t_п+273,15) 4 — (t_в+273,15) 4 )/(t_п-t_в)) – при t_вt_п

*) α_р=0 – при t_в>t_п

α=α_к+α_р

q=α*(t_п-t_в)

Q=q*B*L

*) Нагрев поверхностей Солнцем или иными источниками теплового излучения программой игнорируется.

Вычисление теплофизических параметров воздуха и числа Нуссельта, как видно из вышеприведенных формул, являются ключевыми и самыми трудоемкими при определении конвективного коэффициента теплоотдачи.

Тестирование программы проводилось на примерах из книг, представленных в конце статьи. Отклонения результатов в основном не выходили за пределы ±5%.

Замечание:

В отечественной теплотехнической литературе для решения рассмотренных задач широко используются формулы второй половины прошлого века М.А. Михеева и В.П. Исаченко, которые в современной западной литературе не упоминаются. Беглый сравнительный анализ результатов расчетов по формулам разных авторов дал противоречивые и неоднозначные ответы. Если при принудительной конвекции результаты фактически идентичны, то при естественной конвекции отличаются порой на 30% и более, но иногда почти совпадают…

Литература:

Прошу уважающих труд автора скачать файл с программой после подписки на анонсы статей!

P. S. (01.11.2020)

Дополнение по естественной конвекции у вертикальной поверхности:

Если построить графики по вышеприведенным формулам Черчилля и Чу для числа Нуссельта при естественной конвекции у вертикальной изотермической поверхности (схемы 2а и 2б), то можно увидеть, что при Ra=10 9 кривые не совпадают!

По этому поводу авторы формул Черчилль и Чу дают примерно следующее пояснение: «уравнение, основанное на исследованиях Черчилля и Усаги Nu=(0,825+0,387*Ra 1/6 /(1+(0,492/Pr) 9/16 ) 8/27 ) 2 дает хорошие результаты для средней теплопередачи при свободной конвекции у изотермической вертикальной пластины во всем диапазоне значений Ra и Pr от 0 до ∞, даже если оно не работает для обозначения дискретного перехода от ламинарного к турбулентному потоку». Линхарды в [1] отмечают, что рассматриваемое уравнение чуть менее точно для ламинарных условий при Ra и рекомендуют в этом диапазоне использовать первое уравнение тех же авторов Nu=0,68+0,67*Ra ¼ /(1+(0,492/Pr) 9/16 ) 4/9 . Хотя, судя по графикам, в диапазоне Ra для воздуха обе функции чрезвычайно близки друг к другу.

Еще один нюанс, который встретился только у Линхардов в [1]: «свойства флюида следует оценивать при t₀=(t_в+t_п)/2 за одним исключением, если флюид – газ, то коэффициент объемного расширения β следует определять при t₀=t_в». Но сами авторы зависимостей Черчилль и Чу о таком условии ничего не пишут. По этому поводу в их статье [7], говорится, что «для больших температурных перепадов, когда физические свойства существенно различаются, Ид рекомендует оценивать физические свойства как средние значения температуры поверхности и объема, а Уайли дает более подробные теоретические указания для режима ламинарного пограничного слоя».

Максимальная относительная ошибка для Nu=(0,825+0,387*Ra 1/6 /(1+(0,492/Pr) 9/16 ) 8/27 ) 2 , если β=1/t_в вместо β=2/( t_в+t_п), составляет в процентах:

ε=(((t_в+t_п)/(2*t_в)) 1/3 -1)*100%, или

ε=((|(t_п— t_в)|/(2*t_в)+1) 1/3 -1)*100%

Как видно из графика при температуре среды - воздуха t_в=20°C=293,15K и при перепаде температур поверхности и воздуха Δt=|t_п— t_в| °C максимальная погрешность ε не превышает 5%.

При Δt>90 °C расхождение результатов быстро нарастает.

Правы Линхарды или множество других авторов, рассчитывающих все свойства флюидов при одном значении определяющей температуры t₀=(t_в+t_п)/2? Однозначного ответа у меня нет.

(По материалам Обри Джаффера [8].)

Эмпирические уравнения для суммарного коэффициента теплоотдачи:

В инженерных расчетах для быстрого приближенного определения суммарного коэффициента теплоотдачи, учитывающего и конвекцию, и излучение на границе поверхность тела – среда, можно использовать более простые зависимости, приведенные в [9].

При расчете тепловых потерь через наружные поверхности тел, которые находятся в спокойном воздухе закрытых помещений, можно применить нижеприведенные формулы. Результаты вычислений по этим формулам достаточно близки к результатам более точных расчетов.

α=9,74+0,07*(t_п-t_в), Вт/(м2*°C) при t_п °C

α=9,3+0,058*t_п, Вт/(м2*°C) при t_п=50…350 °C

On-line калькуляторы для расчетов коэффициентов конвективной теплоотдачи от плоских, цилиндрических и сферических поверхностей:

Инструменты представлены Группой исследований теплопередачи (HTRG). Группа была создана в 2014 году преподавателями Лаборатории теплотехники и жидкостей факультета машиностроения инженерной школы Сан-Карлоса (EESC) Университета Сан-Паулу (USP) для проведения передовых, качественных фундаментальных и прикладных исследований по вопросам теплопередачи для многофазных и однофазных систем.

Расчет времени нагрева, выдержки и охлаждения при проведении термической обработки , страница 6

Примечание. Общее время нагрева штанги t_общ с учетом времени выдержки составит 36 мин + 12 мин = 48 мин, а с учетом выбранной схемы укладки (например по схеме 3 таблица 9 приложения):

t_общ = 36 × 2 + 12 = 84 мин = 1 ч 42 мин.

4 Расчет времени охлаждения

4.1 Расчет времени охлаждения в среде с постоянной температурой

Пример 4. Определить продолжительность охлаждения центра вала из стали 40Х, диаметром 600 мм, длиной 3 м с температурой 850ºС до температуры 200ºС в различных охлаждающих средах (вода, масло, воздух).

По таблице 3 приложения принимаем коэффициент теплоотдачи.

a_воды = 1163 Вт/м 2 ºС;

a_масло = 348,9 Вт/м 2 ºС;

a_воздух = 98,9 Вт/м 2 ºС.

Средний коэффициент теплопроводности l_ср(от температуры нагрева до температуры охлаждения) будет равен » 37,75 Вт/м 2 °С (по таблице 5 приложения). Зная l и R находим критерий Био по формуле (13):

при охлаждении в воде:

при охлаждении в масле:

при охлаждении на воздухе:

Определяем температурный критерий q(для случая охлаждения):

Для случая охлаждения в воде или на воздухе:

Для случая охлаждения в масле:

Тогда критерий Фурье, определенный по рисунку А.1, б (приложение):

при охлаждении в воде Fo= 0,4 (Bi = 9,03; θ = 0,21);

при охлаждении в масле Fo = 0,68 (Bi = 2,77; θ = 0,19); при охлаждении на воздухе Fo = 1,4 (Bi = 0,79; θ = 0,21).

Коэффициент теплопроводности взят для аустенитного состояния при 800ºС, λ = 26,7 Вт/мºС (таблица 5, приложение), теплоемкость С = 687 Дж/кгºС (таблица 6, приложение) и γ = 7830 кг/м 3 .

Определим коэффициент температуропроводности по формуле (21):

Критерий Фурье по формуле (20):

Подставляя значения Foдля различных сред охлаждения, находим: при охлаждении в воде:

при охлаждения на воздухе:

4.2 Расчет времени охлаждения в среде о переменной

температурой

4.2.1 Расчет времени охлаждения в масле

Пример 5. Определить время охлаждения центра вала диаметром 200 мм, длиной 3 м, весом 700 кг с температурой 800ºС до 200ºС в баке о маслом объемом 4 м 3 при начальной температуре масла 30ºС.

«Водяное число» масла при удельном весе γ_ж = 0,9 кг/л с теплоемкостью С_ж = 2,06 кДж/кгºС определим по формуле:

где V_ж – объем жидкости (масла);

γ_ж – удельный вес жидкости (масла);

С_ж – теплоемкость жидкости (масла).

«Водяное число» вала весом G_м = 700 кг и с теплоемкостью С_м = 0,687 кДж/кгºС (таблица 6, приложение) определим по формуле:

Отношение «водяных чисел»:

Подставляя значения, «водяных чисел» в уравнение (23) получим:

Следовательно, температура масла повысится с 30º до 78ºС, т.е. на 48ºС, а температура охлаждаемого металла снизится с 800º до 800 – 78 = 722ºС.

Принимая a =581,5 Вт/м 2 ºС (см. пункт 1.4), l =34,9 Вт/м 2 ºС (таблица 5, приложение).

Подставляя наеденные значения (для встречного потока) в уравнение (26) получим:

Значение температурного коэффициента θ находим по формуле (19):

По значениям Bi_усл=1,61 и θ=0,17 по рисунку А.1, б (приложение) находим Fo=0,8, что соответствует расчетным данным по формуле (20), которая была преобразована в формулу (22), определяем время охлаждения:

Поскольку охлаждение ведется в баке с маслом, без принудительного охлаждения его происходит постепенное повышение его температуры за счет вносимого металлом тепла. Для того, чтобы при закалке не происходило резкого повышения температуры масла, рекомендуется принимать отношение веса жидкости к весу закаливаемого металла равным:

В нашем примере

4.2.2 Расчет времени охлаждения изделий при душевой закалке

Пример 6: Определить время охлаждения сложных профилей при душевой закалке: швеллера №20 (200×55×3,2 мм), уголка №9 (90×90×6 мм), балки №20 (200×65×3,2 мм) с температуры конца прокатки (1000ºС) до температуры начала самоотпуска 450ºС при закалке изделий обрызгиванием (душевая закалка) для малоуглеродистой и низколегированной сталей.

Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали

Этот вопрос удобнее выяснить на примере эвтектоидной стали (С = 0,8%). Из этой стали изготавливается серия образцов, все они нагреты до аустенитного состояния, т.е. выше 727°С и в дальнейшем каждый образец охлаждается с разной скоростью (рис. 38).

Рис. 38. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали с наложенными на нее кривыми охлаждения:

а – общий вид; б – получаемые структуры

Превращение аустенита при температурах 550°С и выше называется перлитным превращением, при 550°С…М_Н – мартенситным (М_Н – начало_, М_К – конец мартенситного превращения).

Перлитное превращение. В интервале температур перлитного превращения образуются пластинчатые структуры из кристаллов феррита и цементита, которые отличаются степенью дисперсности частиц Ф и Ц.

Дисперсность перлитных структур оценивается межпластинчатым расстоянием S соседних пластинок феррита и цементита (рис. 39).

Чтобы не спутать цементит с ферритом используют специальный травитель – пикрат натрия, который окрашивает цементит в черный цвет. Феррит при этом не окрашивается, т.е. остается светлым.

Рис. 39. Феррито-цементитная структура

Если превращение идет при температурах 650–670°С, то образуется перлит, S = 6·10 -4 мм .

При температурах превращения 640–590°С образуется сорбит,

При температурах превращения 580–550°С образуется троостит, S = 1´10 -4 мм.

Как видно из опыта с увеличением скорости охлаждения зерна феррито-цементитной смеси измельчаются все сильнее, что резко влияет на свойства. Так, например, у перлита НВ 2000, у сорбита НВ 3000. а у троостита НВ 4200, МПа.

Промежуточное (бейнитное) превращение. В результате промежуточного превращения образуется бейнит, представляющий собой структуру, состоящую из a-твердого раствора несколько пересыщенного углеродом и частиц цементита. Бейнитное превращение сочетает в себе элементы перлитного и мартенситного превращений. В аустените образуются объемы, обогащенные и обедненные углеродом. Обедненные углеродом участки аустенита претерпевают g ® a превращение бездиффузионным путем (мартенситным). В объемах аустенита, обогащенных углеродом, при t = 400–550°С происходит выделение частиц цементита. При t < 400°С частицы цементита выделяются в кристаллах a-фазы.

Бейнит, образовавшийся при температурах 400–550°С называется верхним бейнитом, он имеет перистое строение с худшими механическими свойствами (пониженные s_в, КСU и d).

При более низких температурах (ниже 400°C) образуется нижний бейнит, он имеет игольчатое строение с лучшими механическими характеристиками (большим s_в, КСU и d).

Мартенситное превращение аустенита. Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода вFe_α

Мартенсит образуется только из аустенита в результате сильного переохлаждения последнего со скоростью не менее критической скорости закалки (V_кр = – касательная к диаграмме, см. рис. 38, а).

Мартенситные пластины (иглы) образуются почти мгновенно, со скоростью более 1000 м/с, только в пределах аустенитного зерна и не переходят границу между зернами. Поэтому размер игл мартенсита зависит от размера зерен аустенита. Чем мельче зерна аустенита, тем мельче иглы мартенсита и структура характеризуется как крупноигольчатый или мелкоигольчатый мартенсит. Решетка мартенсита тетрагональная, т.е. периоды с > а (рис. 40).

Рис. 40. Микроструктура и кристаллическая решетка мартенсита

Механизм мартенситного превращения состоит в том, что при температурах ниже М_Н решетка аустенита, хорошо растворяющая углерод (до 2014%С) оказывается неустойчивой, и перестраивается в решетку Fe_α, способность которой растворять углерод, очень мала (до 0,02%).

Из-за большой скорости охлаждения весь углерод, находящийся в аустените (ГЦК решетка) остается зафиксировать в Fe_α(ОЦК решетка), где места для его размещения нет. Поэтому избыточный углерод искажает решетку, вызывает появление больших внутренних напряжений и, как следствие, твердость и прочность растут, а ударная вязкость и пластичность падают.

Аустенитно-мартенситное превращение сопровождается увеличе- нием объема. Все структуры стали можно расположить (от максимального объема к минимальному) в следующий ряд: мартенсит – троостит – сорбит – перлит – аустенит.

Отличие от перлитного превращения:

1) большая скорость превращения;

2) превращение бездиффузионное, т.е. без предварительного выде- ления углерода и образования Fe₃C;

3) начинается превращение в точке М_Н и заканчивается в точке М_К, причем положение этих точек зависит только от химического состава сплава;

4) в структуре мартенсита всегда есть небольшое количество остаточного непревращенного аустенита (до 4%);

5) решетка мартенсита тетрагональная (а = b ¹ с).

Виды термической обработки. Термической обработкой называется такая технологическая операция, при которой путем нагрева сплава до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующего охлаждения происходят структурные изменения, вызывающие изменения свойств металлов.

Термическая обработка проводится обычно в тех случаях, когда наблюдаются:

1) полиморфные превращения;

2) ограниченная и переменная (увеличивающаяся с температурой) растворимость одного компонента в другом в твердом состоянии;

3) изменение строения металла под влиянием холодной деформации.

Основными параметрами режимов термической обработки являются: температура и скорость нагрева, продолжительность выдержки при заданной температуре, скорость охлаждения.

Температура нагрева стали зависит от положения критических точек, вида термической обработки и назначается на основании анализа диаграммы состояния сплава.

Скорость нагрева зависит от химического состава сплава, размера и формы обрабатываемых деталей, массы садки, характера расположения деталей в печи, типа нагревательного устройства и т.д.

Выдержка при заданной температуре необходима для завершения фазовых превращений, происходящих в металле, выравнивания концентрации по всему объему детали. Время нагрева (40) складывается из времени собственного нагрева t_н(2) и времени выдержки t_в:

где t_в принимается равным 1 мин на 1 мм толщины для углеродистых сталей и 2 мин для легированных.

где D– размер наибольшего сечения (размерная характеристика); K₁– коэффициент среды (для газа – 2, соли – 1, металла – 0,5); K₂ – коэффициент формы (для шара – 1, цилиндра – 2, пластины – 4, параллелепипеда – 2,5); K₃– коэффициент равномерного нагрева (всесторонний – 1, односторонний – 4).

Скорость охлаждения зависит, главным образом, от степени устойчивости аустенита, т.е. от химического состава стали, а также от структуры, которую необходимо получить.

В зависимости от скорости охлаждения углеродистой стали получают следующие структуры: феррит с перлитом, перлит, сорбит, тростит, мартенсит.

Согласно диаграмме состояния Fe-Fe₃C, температурные точки, образующие линию PSK, обозначаются А₁; линию GS – A₃; линию ES – А_ст. если рассматривается процесс нагрева, то перед цифровым индексом ставят букву С (А_С1, А_С3), а если в случае охлаждения r(А_r_з, A_r₁).

Углеродистые стали подвергаются следующим видам термической обработки: отжигу, нормализации, закалке и отпуску.

Отжиг стали. Цель отжига:

1) исправление структуры после горячей обработки (ковки, литья);

2) снижение твердости для облегчения обработки резанием;

3) снятие внутренних напряжений;

4) подготовка структуры к последующей термической обработке и холодной штамповке;

5) уменьшение химической неоднородности.

При полном отжиге сталь нагревается выше линии А_С3 на 30–50°С, выдерживается нужное время при этой температуре и затем медленно охлаждается, как правило, вместе с печью (рис. 41).

При нагреве выше точки А_С3 происходит перекристаллизация, в результате чего зерна измельчаются, внутренние напряжения устраняются, сталь становится мягкой и вязкой. Полному отжигу подвергают преимущественно доэвтектоидные стали.

В случае нагрева этих сталей ниже А_С3 часть зерен феррита остается в том же виде, в каком он был до отжига (большие размеры, пластинчатая форма), что приводит к понижению вязкости стали.

При неполном отжиге сталь нагревается выше линии А_С1 на 30–50°С и после выдержки медленно охлаждается вместе с печью. При неполном отжиге происходит лишь частичная перекристаллизация (перлит-аустенит). Этот вид применяется для заэвтектоидных сталей.

Нагрев этих сталей выше линии A_с_m(аустенитное состояние) нецелесообразен, так как растворенный в аустените цементит при последующем охлаждении будет выделяться по границам зерен перлита в виде сетки, что резко снижает пластичность и делает сталь хрупкой.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяется для выравнивания химической неоднородности по объекту кристалла в крупных отливках. Он проводится при температуре 1050–1150°С и при более длительных выдержках (10–18 ч).

Рекристаллизационный отжиг применяется при снятии наклепа и внутренних напряжений в стали после холодной обработки давлением (прокатка, штамповка, вытяжка и др.). Для углеродистых сталей этот вид отжига проводится при температуре 650–690°С. В результате чего твердость понижается, а пластичность растет.

Рис. 41. Оптимальные температуры нагрева при различных видах отжига

Нормализация стали. Вид термической обработки, состоящий в нагреве стали на 30–50°С выше линии GSE(А_cз и А_cm), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на спокойном воздухе называется нормализацией стали.

Цель нормализации – измельчение зерна, улучшение механических свойств, подготовка структуры для окончательной обработки (закалки и отпуска).

По сравнению с отжигом, скорость охлаждения при нормализации значительно выше, поэтому распад аустенита идет при больших переохлаждениях, что приводит к образованию мелкозернистых продуктов распада – феррита и перлита, и, следовательно, повышению твердости.

Нормализация, как вид термической обработки, применяется главным образом для низкоуглеродистых строительных сталей. Нормализацией устраняется цементитная сетка в заэвтектоидных сталях при подготовке их к закалке.

Закалка стали. Вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до температуры выше линии А_С3 (доэвтектоидной стали) или А_С1 (заэвтектоидной стали) на 30–50°С, выдержке при данной температуре и последующем быстром охлаждении в воде или масле (рис. 42) называется закалкой.

Рис. 42. Оптимальные температуры нагрева под закалку углеродистых сталей

Цель закалки – повышение твердости, прочности и износостойкости стали за счет получения структуры мартенсита, имеющего характерное игольчатое строение.

Для превращения аустенита в мартенсит скорость охлаждения должна быть больше критической скорости закалки V_кр.

Критической скоростью закалки называется наименьшая скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до мартенситного превращения. Если скорость охлаждения будет меньше V_кр, аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (тростит, сорбит, перлит, см. рис. 38).

Требуемая скорость охлаждения обеспечивается подбором охлаждающей среды. В производственной практике для закалки применяют воду, минеральные масла, водные растворы солей, щелочи. Основным преимуществом масел по сравнению с водой является медленное охлаждение в мартенситной области (ниже 300°С), вследствие чего закалка в масле дает меньшую деформацию, напряжения и склонность к образованию закалочных трещин.

Различают полную и неполную закалку стали. При полной закалке сталь нагревается на 30–50°С выше критической точки А_С3. Доэвтектоидные стали обязательно подвергают полной закалке, т.е. нагревают до полного перехода феррито-перлитной структуры в аустенитную. При последующем охлаждении со скоростью выше критической сталь приобретает структуру мартенсита.

Недогрев доэвтектоидной стали до точки А_С3 приводит к сохранению в структуре закаленной стали наряду с мартенситом некоторого количества феррита и, следовательно, к заниженным механическим свойствам после закалки. Такую закалку называют неполной, и для доэвтектоидной стали она является пороком (рис. 43, б).

Рис. 43. Структурные превращения в доэвтектоидной стали при закалке:

а – полная закалка; б – неполная закалка

При неполной закалке заэвтектоидной стали (нагрев выше точки А_С1, но ниже точки А_с_m) оставшийся нерастворенным цементит повышает твердость стали после закалки, так как является упрочняющей фазой. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше линии А_с_m, то в ее структуре будет крупноигольчатый мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита (см.рис. 44, б). Таким образом, если для доэвтектоидных сталей неполная закалка является дефектом, то для заэвтектоидных – основным видом закалки.

Отпуск стали. Вид термической обработки, состоящий из нагрева закаленной на мартенсит стали до температуры ниже линии PSK (А_С1), выдержке при этой температуре и последующего охлаждения называется отпуском.

Нагрев стали при отпуске облегчает переход из метастабильного состояния пересыщенного a-твердого раствора в более устойчивое. При отпуске с повышением температуры в закаленной стали происходит выделение углерода из мартенсита, что сопровождается уменьшением кристаллической решетки, образованием и коагуляцией (укрупнением) частичек цементита.

С повышением температуры отпуска предел прочности и твердость понижаются, а пластичность и ударная вязкость растут.

Рис. 44. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке:

а – неполная закалка; б – полная закалка

В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к изделиям на практике, применяют следующие виды отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск характеризуется невысокими температурами нагрева (150–250°С) и применяется для изделий, где требуется высокая твердость (HRC 56–64) и износостойкость. Низкий отпуск незначительно уменьшает твердость закаленной стали и увеличивает вязкость, снимая внутренние напряжения в изделиях. Свойства стали после отпуска зависят не только от температуры нагрева, но и от продолжительности выдержки. Низкий отпуск применяют для режущего инструмента, зубил, валков, калибров, шаблонов, изделий из цементуемых сталей.

Структура сталей после низкого отпуска – отпущенный мартенсит.

Средний отпуск характеризуется нагревом закаленной стали до температуры 300–400°С и обеспечивает относительно высокую твердость HRС 40–54 и максимальный предел упругости при достаточной прочности. Этот вид отпуска применяется для пружин, рессор, штампов, ударного инструмента и т.д. Структура изделий после среднего отпуска – тростит отпуска.

Высокий отпуск осуществляется нагревом закаленной стали до 500–600°С и применяется для изделий из конструкционных сталей, подвергаемых воздействию высоких динамических, знакопеременных или статических напряжений. Структура стали после высокого отпуска сорбит отпуска.

Читайте также: