книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

„Васильев Д . И.

Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением. Учеб. лособие для вузов. М., «Высш. школа», 1973.

631 с. с ил.

В книге приведены результаты аналитического исследова­ ния температурного поля деформируемого металла при различ­ ных процессах обработки давлением. Проанализированы резуль­ таты теоретических и экспериментальных исследований теплового состояния и напряжений, формирующихся в металле и деталях машин. Показаны пути повышения качества обрабатываемого металла и долговечности деталей машин.

заводов черной металлургии Днепропетровского метал­ лургического института.

©Издательство «Высшая школа», 1973 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

X X I V съезд КПСС поставил перед металлургами и машино­ строителями большие и ответственные задачи, решение которых неразрывно связано с внедрением в производство последних дости­ жений иауки и техники, повышением качества выпускаемой про­ дукции, созданием высокопроизводительных машин, улучшением использования оборудования, увеличением его прочности, надеж­ ности и долговечности.

Все более высокие скорости обработки металлов давлением, при­ менение новых высокомеханизированных и автоматизированных прокатных станов и кузнечно-штамповочных машин, постоянно рас­ тущие требования к качеству выпускаемой продукции обусловли­ вают необходимость учета в инженерных расчетах температурных изменений и напряженного состояния деформируемого металла и деталей оборудования.

Анализ температурного поля и напряженного состояния дефор­ мируемого металла и деталей оборудования для обработки давле­ нием представляет собой в каждом конкретном случае самостоя­ тельную сложную задачу, для решения которой необходимо приме­ нять методы теории теплообмена и механики сплошных сред. Поскольку систематизированные руководства, позволяющие выпол­ нять такой анализ, отсутствуют, авторы сделали попытку обобщить накопившийся в этой области материал, осветить аналитические и экспериментальные методы изучения температурного поля металлов и сплавов при обработке давлением, рассмотреть тепловое и на­ пряженное состояние деталей технологического оборудования, воз­ никающие в процессе эксплуатации, термостойкость и износостой­ кость соответствующих материалов.

3

ГЛ А ВА I

АН А Л И З ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА

Тепловая энергия переносится между двумя любыми частицами вещества или взаимодействующими физическими областями, имею­ щими разные температуры. Такой вид перераспределения энергии в пространстве называется теплообменом или теплопередачей. Ме­ ханизм или способ теплообмена зависит от свойств рассматривае­ мых частиц или физических систем и особенно от свойств находя­ щегося между ними вещества. Существуют три способа 'передачи тепловой энергии, а именно: теплопроводность, излучение и конвек­ ция [1—5].

Т е п л о п р о в о д н о с т ь

Между двумя частицами твердого тела, имеющего разные тем­ пературы, теплообмен осуществляется только путем теплопроводно­ сти *. В твердых металлах при средних температурах передача теп­ ла происходит вследствие движения свободных электронов. В не­ металлических твердых телах теплопроводность осуществляется в основном упругими акустическими волнами. Теплопроводность может наблюдаться не только в твердых телах, но и в тонких не­ подвижных прослойках жидкости или газа.

Приведем основные понятия и законы, характеризующие про­ цесс теплопроводности.

Температурным полем называется совокупность значений тем­ пературы во всех точках пространства, занятого телом. В общем

Удельный тепловой поток q представляет собой вектор, направ­ ленный по нормали к изотермической поверхности в сторону убы-

* Исключение составляют твердые тела в процессе деформации, а также про­ зрачные твердые вещества. В первом случае процесс теплопроводности сопровож­ дается конвективным тепло- и массообменом, а во втором — лучистым переносом тепла.

5

вания температуры и численно равный количеству тепла, прохо­ дящему в единицу времени через единицу поверхности *.

производной от температуры по избранной нормали. При всех об­ стоятельствах grad t направлен в сторону возрастания температуры и противоположно вектору удельного теплового потока.

Закон Фурье является основным законом теплопроводности и заключается в следующем: вектор удельного теплового потока про­ порционален градиенту температуры:

Составляющие вектора q по координатным осям имеют следую­ щие скалярные величины:

Коэффициент пропорциональности % называется коэффициентом теплопроводности и по абсолютной величине представляет собой удельный тепловой поток при единичном градиенте температуры. Коэффициент теплопроводности является физической характери­ стикой вещества и зависит от состояния, в котором находится ве­ щество, и прежде всего от температуры.

Зависимость между температурой, временем и точками коорди­ нат элементарного объема произвольной формы записывается в ви­ де дифференциального уравнения теплопроводности

где div (и) — дивергенция поля; с — теплоемкость вещества; р — плотность.

Решая дифференциальное уравнение теплопроводности при со­ ответствующих краевых условиях, находят функцию температур­ ного поля в исследуемой физической области.

И з л у ч е н и е

Если две частицы, имеющие различную температуру, разделе­ ны вакуумом, то теплообмен между ними осуществляется путем лучеиспускания. Тепловое излучение может испускаться по всем длинам волн — от самых коротких до самых длинных. Однако при встречающихся в технике температурах практически должно при-

* Иногда удельный тепловой поток называют плотностью теплового потока.

6

ниматься во внимание лишь то тепловое излучение, которое при­

ность между излучательной способностью тела и его абсолютной температурой в четвертой степени:

абсолютно черного тела составляет излучение серого тела. Степень черноты изменяется в зависимости от физических свойств излучаю­ щего тела от 0 до 1.

Коэффициент облучения представляет собой долю излучения по­ верхности Fi, идущую к поверхности F2. Остальная часть излучения поверхности Fi попадает на другие окружающие ее поверхности или рассеивается в окружающем пространстве. Коэффициенты об­ лучения называют также угловыми коэффициентами и обозначают

где Ті и Т2 — абсолютные температуры излучающих поверхностей; Сщшв — приведенный коэффициент излучения системы взаимно об­ лучающихся тел. Приведенный коэффициент излучения зависит от взаимного расположения поверхностей излучающих тел, их формы и степеней черноты.

7

Общее выражение приведенного коэффициента излучения для двух поверхностей записывается следующим образом:

б. Теплообмен происходит между двумя телами, первое из ко­ торых находится в полости другого. В этом случае излучение пер­

Если теплообмен осуществляется между тремя поверхностями, расчетная формула для СП рИ в усложняется.

К о н в е к ц и я

Пока объем жидкости или газа находится в состоянии покоя, теплообмен между отдельными его областями осуществляется пу­ тем теплопроводности и излучения. Как только этот объем приходит в движение, скорости теплообмена возрастают, так как отдельные частицы жидкости или газа, имеющие разные температуры, могут при этом сближаться. Таким образом, в данном случае на процесс передачи тепловой энергии оказывает существенное влияние пере­ нос массы вещества из одной точки пространства в другую. Такой вид теплопередачи, связанный с массообменом, называется кон­ векцией.

Конвекция наблюдается в жидкостях, газах, сыпучих материа­ лах и деформируемых твердых телах.

Если движение рассматриваемой среды обусловлено лишь изме­ нениями ллотности, вызванными неравномерным распределением

8

температуры, процесс называется свободной, или естественной, конвекцией. Свободная конвекция присуща жидкостям и газам.

Если движение среды вызвано другими причинами, в частности действием различного рода машин (вентилятора, насоса, компрес­ сора •— при перемещении объема жидкости или газа; прокатного стана, кузнечно-штамповочных машин — при деформации металла

ит. д.), процесс называется вынужденной конвекцией.

Вданном учебном пособии под конвективным теплообменом бу­ дем подразумевать передачу тепла между жидкостью или газом и твердой поверхностью.

Основным законом конвективного теплообмена является закон Ньютона, согласно которому количество тепла, передаваемое от теплоносителя к тепловоспринимающей поверхности, пропорцио­ нально разности температур между ними:

ности.

Коэффициент пропорциональности а называется коэффициен­ том теплоотдачи (ряд авторов называют а коэффициентом тепло­ обмена). По физическому смыслу коэффициент теплоотдачи пред­ ставляет собой количество тепла, проходящее через единицу теплоотдающей поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью и теплоносителем 1°С.

Определение численного значения коэффициента теплоотдачи представляет сложную задачу, так как он является функцией боль­ шого числа факторов: формы тела, его размеров и ориентации в пространстве, температуры поверхности и теплоносителя, физиче­ ских свойств теплоносителя (вязкости, теплоемкости, коэффициен­ та теплопроводности, плотности), режима движения потока и т. д. В силу этого основным методом определения коэффициента тепло­ отдачи является экспериментальный метод.

Обычно для каждого конкретного случая теплообмена произво­ дят экспериментальное исследование коэффициента теплоотдачи. Полученные результаты затем обрабатывают и представляют в ви­ де критериальных уравнений, которые можно использовать для определения а.

Приведем некоторые известные из литературы критериальные уравнения [6].

а. Теплоотдача от шаров, вертикальных труб и плит 'при сво­ бодном движении

9