热物性系数的研究0001

热物性系数的研究

热物性是指钢的比热容、导热系数和导温系数。导热系数、热扩散率、比热、热膨胀 系数、热辐射率等与热关系十分密切的物理性能。热物理性能作为材料的基本性能。它与 材料结构、成分和使用温度具有密切而敏感的关系、由此可解决研究中遇到的许多难题。 通过测量热物性可预测其它性能，这是基于热物性与其它某性能基于同一微观机制。对于 钢铁材料，热物性主要的影响因素是温度、成分和显微组织。热物性主要包括以下参数参 数：

比热容：是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放 的热量。比热容是表示物质比热容表示物体吸热（或散热）能力的物理量。通常用符号 C

表示。

导热系数：表征物体导热能力的，影响导热系数的因素很大，包括物质的种类、含水 率、温度、压力等。数值上导热系数等于单位温度下热流的密度矢量的模。

导温系数：导温系数反应物体导热能力和单位体积热容量的大小，

a

热扩散率也

c

是热物性参数，其只与物质的种类有关。

热常数、导热系数、热扩散率与比热、之间具有确定关系，即导热系数与比热、表观 密度和热扩散率三者的乘积存在一定关系。热常数的测量方法分为两大类，一为稳态法， 另一为非稳态法，稳态法主要特点为：在测试过程中，被测样品的温度场不随时间变化， 直接测得导热系数；非稳态法为测量过程中样品温度场随时间变化，直接测得热扩散率。 1热物性的影响因素 （1）温度

高碳钢的比热容在温度<7500时，随着温度升高比热容逐渐增大；在 750C 左右会出 现一个居里点，到达最大值，然后随温度的上升而开始下降，当温度 >750C ，比容的下将 有所缓慢。

除淬火组织外，常温到10000之间，高碳钢的导热和导温系数明显下降，降幅达 50% 左右。在750C 之前，导热系数下降很快，此后下降速度有所减缓，对于淬火组织在100C 出现一个极小值，在250C 出现一个极大值。

除淬火组织，高碳钢的导温系数在 750C 出现一个极小值，常温到 750C 之间，导温 系数从

0.11左右下降到0.02.之后，导温系数开始上升。淬火组织在 100C 出现一个极小 值，在250C 出现

q gradt

一个极大值。

(2)成分随着碳含量的增加，高碳钢的比热容增大，导热系数和导温系数均减小，其他元素的影响有待进一步研究。

(3)组织

对于不同组织，其热物性差别很大，随着显微组织中稳定性的提高，比热容逐渐下降，而导热系数和导温系数则逐渐上升，对于平衡程度较低的组织，其内部组织的畸变能较大，所以其吸热能力降低，即比热容下降；然而，由于其内部畸变程度较大，所以其吸热能力下降；然而，由于其内部的晶格畸变程度较大，所以其吸热能力降低，即比热容下降。然而由于内部晶格畸变程度较高，其内部的电子声子等自由程度降低，造成导热系数和导温系数下降。导热系数符合随着组织稳定性的提高，导热系数增加，比热容减小。晶粒越大，导热系数越大，比热容越大。

2 热物性的测量方法

(1)热膨胀系数的测量

热膨胀系数是表征物体热膨胀特性的物理参数, 是由原子热振动引起的。它的大小表示该物质由温度变化引起本身长度或体积变化的能力。由于高强度钢板的热成形是一个复杂的过程，成形过程中，不仅有外力参入，而且由于构成板料的各相组织热膨胀系数不同，随着温度变化极易产生内应力，影响成形极限和精度。所以考虑热成形过程中钢板材料各相热膨胀系数的影响，对应用数值模拟研究热冲压板料成形和内部变化机理有重要的价值。通常使用线膨胀系数和体膨胀系数来定量表征材料的热胀冷缩特性。线膨胀是材料在受热膨胀时，在一维方向上的伸长，在一定温度范围内，材料的长度一般随温度的升高而增加。

(2)比热容的测量比热容简称为比热，用来表示单位质量物质的热容量。在恒定压强下，物质温度升

高

1C所需吸收的热量与其质量的比值，为该物质的“定压比热容”，用符号C p表示，其国

际制单位为J/(kg. C)。由于固体在没有物态变化的情况下，外界供给的热量几乎全部用来改变温度，其本身体积变化很小，因此固体的定压比热容和定容比热容的差别不大，因此不需加以区别。一般采用德国耐驰公司生产的高温型差示扫描量热计DSC

(Differe ntial Sca nning Calorimetry) ，通过间接法进行各相试样的比热测试。

(3)导热系数测定

导热系数是指物质厚度为1m通过单位面积1m,且两壁表面间的温差为1C时，单位时间(小时)内通过的传热量，单位是W/(m. C)。导热系数(热导率)=热扩散系数X密度x比热容。热扩散系数

(thermal diffusion coefficient) ，又称为导温系数，表征物体

热量扩散能力的一种物性参数，用符号a表示，国际标准单位为n2/s，是材料传播温度变化能力大小的指标，其值越大，则材料中温度变化传播的越快。

热导率的方法可以分为稳态法和非稳态法两类。稳态法一般用来测量热导率较低的材料，非稳态法的适用范围比较广泛。闪光法(Flash Method)就是目前最为常用的非稳态法

之一。这种方法所需要的试样较小(试样直径大约6mm厚度在1~3mn范围)、试样达到实验温度后，从闪光到求解热扩散系数所需的数据只需要几秒到几分钟时间，所以测试时间较短，而且可在温度

90~3000K范围进行试样测试，测试的材料包括陶瓷、晶体、半导体、金属等诸多类型，所以目前被大量和广泛地应用于各种材料热扩散系数的测定。

Cp 1.388 Cp —2-—

t

1/2

其中t 1/2为在激光脉冲照射下，样品背面温度达到最大温度一半值时的时间。

L为样品厚度；为密度，c p为比热。

(4)弹性模量和泊松比

弹性模量映射原子间的结合力，是描述材料在弹性变形范围内应力与应变关系的一种参数。根据测量时应变速率不同，将测量方法分为静态法和动态法两种：应变速率趋近于

零时的测试方法为静态法，测量过程近于等温过程，所得弹性常数为等温常数或静态常数，动态法的应变速率趋近无穷大，测量过程近于绝热过程，所得弹性常数称为绝热常数或动态常数。绝热弹性模量(由声共振法测试)是动态杨氏模量与动态剪切模量(刚性模量)的统称，是由材料成分决定的结构不敏感参数，通常情况下只与材料的化学成分相关，与温度相关，与组织变化无关，与热处理状态无关，在材料发生热弹性马氏体相变等情况时，它是结构敏感的，此时结构变化也会导致弹性模量的变化，一般情况下其值随温度的升高而降低。泊松比表达不同方向上的应力与应变关系，根据动态杨氏模量与动态剪切模量的值来确定。一般采用动态法测试钢的弹性模量，根据加热温度将试样分两种情况进行测试分析：中低温时，组织为体心立方晶格结构(马氏体、贝氏体、铁素体或珠光体组

织) ；高温时，组织为面心立方晶格结构(奥氏体组织)。

3 南钢材料热物性的测量

结合实际情况我们分别对南钢E36N E36-T、NM30-1 P20H和NM40C钢采用JmatPro 软件分别对五种不同种类钢的密度、延伸系数、传热系数、杨氏模量和比热容等参数进行拟合，具体的拟合结果如下所示。