材料科学金属的加热

三、热处理加热时间的确定
2、t加的理论计算 薄件：t加与工件的厚度成线性关系。 厚件：t加与工件的厚度成非线性关系。
对于薄件：
t加
C
k
•
V F
ln
t炉 t始 t 炉 -t 终
参数：c比热，γ密度，K介质到工件的传热系数， F工件表面积，V工件的体积，t炉-炉温，t始-工件 的初始温度，t终-工件要加热到的温度。
➢当发热体与工件之间存在挡板等遮热物时， 辐射能量将减少。
3、传导传热：
定义：热量直接由工件的一 部分传递至另一部分，或由 加热介质把热量传递到与其 相邻的工件而无需媒介质点 移动的传热过程。
b：基本定律
4、综合传热： 实际工件在传加热过程中，三种传热方式同时存在； 但不同场合以不同传热方式为主，要综合考虑 。
高温入炉加热：将零件装入炉温比需要的最 高加热温度高100-200 ℃的炉中进行加热。
适用于形状简单的碳素钢及低合金钢零件。
加热速度：随炉加热→预热加热→到温入炉加 热→高温入炉加热依次增大。
2、加热介质及工件放置方式的影响（影响α的因素） 1）加热介质的影响
固体加热： ※综合传热； ※金属传导，固态颗粒，流动粒子；
3、生产实际中t加的计算
t加=K×H= αAH
K，加热系数； H，有效厚度； 例如：圆柱：H=D，板件：H=t，筒件：H=壁厚； α，与加热有关的常数； A，堆放系数，可取1~1.5。
四、影响热处理工件加热的因素
1、加热方式的影响
随炉加热：把需要加热的零件装入，随炉将零 件升至所需要的温度。
其加热速度应控制在150 ℃左右。就经济观点来 看，这种加热方法不符合节约原则。因此，只有在 下列条件下才考虑采用： ➢装炉零件多，为装炉方便，如大批铸件退火等。 ➢零件在加热前有极大的残余应力，如铸件、冷作件。 ➢杂质极高的铸钢件和导热性不良的钢，如合金含量较 高的合金工具钢、高速钢等。
紊流时的对流给热系数较大。
2）流体的物理性质: 导热系数λ ，比热C，密度及粘度系数等。
3）工件表面形状及其在炉内放置位置：
工件形状和放置位置对流体流动越有利， 则给热系数愈大。
2、辐射传热：
在高于 700度 主要是 辐射传 热。
辐射传热基本特点：
辐射传热基本定律：
工件放在炉内加热，吸收发热体、炉壁等辐射 来的热量，反射部分热量；同时本身向外辐射 一部分热量。 在辐射传热时工件表面吸收的热量可表示为：
一、金属在加热时的氧化反应及氧化过程
1、氧化: 材料中金属元素与氧化性气氛形成氧化 物层。其危害是不仅使工件表面变色，失去光泽， 而且使机械性能变坏（如疲劳性能）。
2、根据加热温度不同，常见的氧化反应有： ➢加热温度<570℃时: ➢加热温度>570℃时:
3Fe+2O2→Fe3O4 3Fe+4H2O≒Fe3O4+4H2 3Fe+4CO2≒Fe3O4+4CO
2）工件在炉内排布方式的影响
工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道。 如：辐射传热中的挡热现象及对流传热中影响气流运 动情况等。
由图1-3可以看出，工 件在炉中四面都可被加 热时修正系数最小（等 于1）。而当堆积时修正 系数最大（等于4）。修 正系数越大则工件所需 的加热时间越长。
3）工件本身的影响
液体介质中加热： ※综合传热； ※金属浴（铅浴）、油浴、盐浴； ※加热速度快，加热均匀，氧化、脱碳、变形倾
向小，加热易控制。
真空加热： ※辐射传热； ※低压充气，高纯度加热； ※间接加热。
气体介质中加热： ※综合传热，在高温区以辐射传热为主； ※空气加热，具有保护气氛、可控气氛、高温火
焰等形式； ※生产效率高，容易实现机械化和自动化。
※钢中的合金元素降低钢的热传导系数。
※在低温时合金元素强烈降低钢的热传导系数，随温 度的升高，其影响减弱。高于900 ℃时影响很小。
三、热处理加热时间的确定
1、t加的含义：
t加=t升+t透+t保
t升和加热功率有关，和加热介质有关，和加热制 度、工件的体积、装炉数量等有关； t透热和工件本身体积、截面尺寸、材料导热性等 有关； t保温，根据热处理工艺要求确定。 例如：A均匀化，去应力退火等，t保温短；扩散 退火、球化退火、回火，t保温要求长。
2Fe+O2 ≒ 2FeO Fe+H2O≒FeO+H2 Fe+CO2≒FeO+CO
根据质量作用定律，不同温度化学反应进行的方向取 决于该温度下的平衡常数Kp及参与反应物质的浓度。
✓通常对升温时间不作规定，保温时间应按零件的 大小及装炉的具体情况决定。
预热加热：将工件装入已升温至较低温度 的炉内加热，到温后再转移至预定工件加热 温度的炉内达到所要求的温度。
到温入炉加热（也叫热炉装料加热）：将零件装 入炉温约等于零件需要加热温度的炉中。大多数 零件都可采用这种方法加热。
应该注意，零件装炉后会使炉温降低。因此装炉 速度要快，不使炉温降低过多；或者采用先将炉温 升至高于零件所需加热温度20-30 ℃时装炉。
1.1 金属加热的物理过程及其影响因素
一、加热介质和工件表面的传热过程 热处理加热工序大多在各种热处理炉中进行，在加热 过程中炉膛和工件之间建立温度梯度。在温度场中， 工件主要依靠辐射、对流、传导传热。
1、对流传热：
a ：定义
b：基本定律（牛顿冷却公式）
c：影响对流给热系数αc பைடு நூலகம்因素
1）流体流动情况 自然对流： 强迫对流：层流与紊流
综合传热Q： Q=Qc+Qr+Qcd
式中：Qc、Qr、Qcd分别为对流、辐射和传导传热的热量。
综合传热Q可用下式表示： Q= α （t介-t工件）
式中： α为综合传热给热系数， α= αc+ αr+ αcd
二、工件内部的热传导过程
工件内部传热主要是传导传热: 工件表面获取能量后，表面温度升高，在表面和心部 存在温度梯度，发生传导传热。
工件的几何形状、表面积与体积之 比、物理性质等直接影响工件内部的 热量传递及温度场。
不同形状和尺寸的同种材料 制成的工件，当其特征尺寸S 与形状系数k乘积相等时，以同 种方式加热则加热时间相等。
1-2金属及合金在不同介质中加热时常见的 物理化学现象及加热介质选择
工件在不同介质中加热时，必定要和周围介质 发生作用，即化学反应，最典型是氧化，脱碳。