Теплоемкость чугуна и стали - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Теплоемкость чугуна и стали

Теплофизические свойства чугуна

Коэффициент линейного расширения α, удельная теплоемкость с и теплопроводность λ зависят от состава и структуры чугуна, а также от температуры. Поэтому значения их приводят в соответствующем интервале температур. С повышением температуры значения α и с обычно увеличиваются, а λ уменьшается (табл 1).

Таблица 1. Теплофизические свойства серого чугуна в зависимости от температуры

Температура, °Cα, 1/°Cc, Дж/(кг∗°C)λ, Вт/(м∗°C)
6010,050254,4
16011,052350,2
26013,155348,1
36013,758646,0
51015,9620

Коэффициент линейного расширения α и удельная теплоемкость c реальных неоднородных структур, в том числе чугуна, может быть определена по правилу смешения:

Таблица 2. Теплофизические свойства структурных составляющих чугуна

Структурная составляющаяα 100 200, 1/°Cc 100 ,Дж/(кг∗°C)λ 100 Вт/(м∗°C)
Феррит12,0-12,6460-47072,8-75,5
Аустенит18-1950241,8
Цементит6,0-6,561549,0
Перлит10,0-11,648650,3-51,9
Графит1,4-3,7795355,8

Теплопроводность сплавов и смесей в отличие от коэффициента α и теплоемкости c не может быть определена по правилу смешения. Влияние отдельных элементов на теплопроводность расчетным путем можно установить лишь приближенно.

На коэффициент α и удельную теплоемкость с влияет главным образом состав чугуна, а на теплопроводность λ — степень графитизации, дисперсность структуры, неметаллические включения и т. п.

Коэффициент линейного расширения определяет не только изменения размеров в зависимости от температуры, но и напряжения, образующиеся в отливках. Уменьшение α является полезным с этих позиции и облегчает условия получения качественных отливок. Но в случае совместной работы чугунных деталей с деталями из цветных сплавов или других материалов, имеющих больший коэффициент линейного расширения, приходится стремиться к увеличению значения α для чугуна.

Теплоемкость и теплопроводность имеют большое значение для таких отливок, как отопительные трубы, изложницы, детали холодильных установок и двигателей внутреннего сгорания и т.д., так как определяют равномерность распределения температуры в отливках и интенсивность отвода теплоты.

В табл. 3 приведены теплофизические свойства чугунов различных групп.

Таблица 3. Теплофизические свойства чугуна

Чугунα20 100 ∗10 6 , 1/°Cc20 100 , Дж/(кг∗°C)c20 1000 , Дж/(кг∗°C)λ20 100 , Вт/(м∗°C)
Серый с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85):
СЧ10-СЧ1810-11502-544586-62846,0-54,4
СЧ20-СЧ3010-11502-544586-62841,8-50,2
СЧ3511,5-12,0502-544628-67037,6-46,0
Высокопрочный (ГОСТ 7293-85):
ВЧ 35-ВЧ 4511,5-12,5460-502586-62837,6-46,0
ВЧ 60-ВЧ 8010-11502-523628-67033,5-41,9
ВЧ 1009-10523-565628-67029,3-37,6
Ковкий (ГОСТ 7769-82):
КЧ 30-6/КЧ 37-1210,5-11,0460-511586-62854,4-62,8
КЧ 45-5/КЧ 65-310,3-10,8527-544628-67050,2-54,4
Легированный (ГОСТ 7769-82)
никелевый ЧН20Д2Ш17-19460-50217,4
с 35-37% Ni1,5-2,5
хромистый:
ЧХ1632,5 *1
ЧХ2225,5 *1
ЧХ289-1017,4 *1
ЧХ329-1019,8 *1
кремнистый:
ЧС514-17 *221,0 *3
ЧС15, ЧС174,7 *110,5
алюминиевый:
ЧЮ22Ш17,5 *115,1-28,0 *3
ЧЮ3022-23 *2
*1В интервале 20-200 °C.
*2В интервале 20-900 °C.
*3В интервале 20-500 °C.

Коэффициент линейного расширения α

Коэффициент линейного расширения α. Наибольшее влияние на коэффициент α оказывает углерод, в особенности в связанном состоянии. Одному проценту углерода соответствует примерно в 5 раз большее количество цементита, чем графита. Поэтому графитизирующие элементы (Si, Al, Ti, Ni, Сu и др.) повышают, а антиграфнтизирующие (Cr, V, W, Мо, Мn и др.) уменьшают коэффициент линейного расширения,

Наибольшим значением α отличаются аустенитные никелевые чугуны, а также ферритные алюминиевые чугуны типа чугаль и пирофераль. Поэтому при достаточно высоком содержании Ni, Сu, Мn значение α; резко увеличивается. Однако при содержании Ni>20% α понижается : и достигает минимума при 35—37 % Ni. Форма графита существенно влияет на коэффициент линейного расширения лишь при низких температурах; α высокопрочного чугуна с шаровидным графитом несколько выше, чем α чугуна с пластинчатым графитом.

Удельная теплоемкость чугуна

Удельная теплоемкость с чугуна, как и железа, увеличивается с повышением температуры (см. табл. 2) и характеризуется скачкообразным повышением при фазовом превращении Feα→Feλ; затем удельная теплоемкость чугуна резко падает, но с дальнейшим повышением температуры вновь увеличивается.

Графитизация понижает удельную теплоемкость чугуна; отсюда с белого; чугуна несколько выше, чем серого и высокопрочного (см. табл. 4).

Теплопроводность чугуна.

Теплопроводность чугуна в большей мере, чем другие физические свойства, зависит от структуры, ее дисперсности и мельчайших загрязнений, т. е. является структурно-чувствительным свойством.

Графитизация повышает теплопроводность; следовательно, элементы увеличивающие степень графитизации и размер графита, повышают, а элементы, препятствующие графитизации и увеличивающие дисперсность структурных составляющих, понижают. Указанное влияние графитизация меньше для шаровидного графита (см. табл. 4).

Форма графита, его выделение и распределение также влияют на теплопроводность. Например, высокопрочный чугун имеет более низкую теплопроводность, чем серый чугун. Теплопроводность чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) выше, чем у ЧШГ, и близка к λ серого чугуна с пластинчатым графитом.

Высоколегированные чугуны характеризуются, как правило, более низкой теплопроводностью, чем обычные.

Материал чугун: основные свойства и важные характеристики

Чугун состоит из углерода, железа и некоторых примесей. Это один из главных материалов черной металлургии. Чугун используются при изготовлении предметов быта и коммунального хозяйства, деталей машин и в других отраслях. Его применяют в производстве, ориентируясь и учитывая его свойства и характеристики.

Данная статья как раз и призвана рассказать вам о плотности высокопрочного, жидкого, белого и серого чугуна, его температурах плавления и удельная теплоемкость также будут рассмотрены отдельно.

Тепловые свойства чугуна

У чугуна, как и у любого металла, присутствуют следующие свойства: тепловые, физические, механические, гидродинамические, электрические, технологические, химические. Каждые свойства рассмотрим подробнее.

Это видео рассказывается о структуре и составе чугунных сплавов и зависимости их свойств от определенного состава:

Теплоемкость

Тепловую емкость чугуна определяют с помощью правила смещения. Когда теплоемкость чугуна достигает температурного периода, начало которого начинается с температуры, значение которой больше фазовых превращений и заканчивается на отметке равной температуры плавления, то теплоемкость чугуна принимает значение 0,18 кал/Го С.

Если значение температуры плавления превышает абсолютное значение, то теплоемкость равна 0,23±0,03 кал/Го С. Если происходит процесс затвердения, то тепловой эффект равняется 55±5 кал. Тепловой эффект зависит от количества перлита, когда происходит перлитное превращение. Обычно он принимает значение 21,5±1,5кал/Г.

За величину объемной теплоемкости принимают произведение удельного веса на удельную теплоемкость. Для твердого чугуна эта величина составляет 1 кал/см 3 *ºС, для жидкого – 1,5 кал/см 3 *ºС.

Удельная теплоемкость чугуна и других металлов в виде таблицы

Теплопроводность

В отличие от теплоемкости, теплопроводность не определяется по правилу смещения. Только в случае изменения величины графитизации, на теплопроводность будет влиять состав чугуна.

Температуропроводность

Значение температуропроводности твердого чугуна (при крупных расчетах) может быть принята равной его теплопроводности, а жидкого чугуна – 0, 03 см 2* /сек.

О том, какую чугуны имеют температуру плавления, читайте ниже.

Температура плавления

Чугун плавится при температуре 1200ºС. Это значение температуры ниже температуры плавления стали на 300 градусов. При повышенном содержании углерода, этот химический элемент имеет на молекулярном уровне тесную связь с атомами железа.

В процессе плавления чугуна и его кристаллизации углеродная составляющая не может полностью пронизать структурную решетку железа. Вследствие этого материал чугун примеряет на себя свойство хрупкости. Чугун используют для деталей, от которых требуется повышенная прочность. Однако чугун не применяют при изготовлении предметов, на которые будут действовать постоянные динамические нагрузки.

В таблице ниже указана температура плавления чугуна в сравнении с другими металлами.

Температура плавления чугуна и других металлов

Физические характеристики

Масса

Вес материала меняется в зависимости от количества связанного углерода и наличия определенного процента пористости. Удельный вес чугуна при температуре плавления может существенно снижаться в зависимости от наличия в чугуне примесей.

Удельный вес каждого чугуна отличается в зависимости от вида материала. У серого чугуна удельная масса равна 7,1±0,2 г/см 3 , у белого — 7,5±0,2 г/см 3 , у ковкого — 7,3±0,2 г/см 3 .

Читайте также:  Присадка для сварки чугуна аргоном

О некоторых физических свойствах чугуна поведает видео ниже:

Объем

Объем чугуна, проходя через температуру фазовых превращений, достигает увеличения в 30%. Однако, при нагреве в 500ºС, объем увеличивается на 3%. Росту помогают графитообразующие элементы. Тормозят рост объема карбидообразующие составляющие. Та же росту препятствует нанесение на поверхность гальванических покрытий.

Содержание углерода обычно составляет не менее 2,14%. Благодаря углеродной доле чугун имеет отличную твердость. Однако пластичность и ковкость материала на этом фоне страдают.

О том, какова плотность чугуна, расскажем ниже.

Плотность

Плотность описываемого материала, чугуна, равна 7,2 гр/см 3 . Если сравнивать с чугуном другие металлы и сплавы, то это значение плотности достаточно высокое.

Благодаря хорошему значению плотности чугун широко применяют для литья разнообразных деталей в промышленности. По этому свойству чугун совсем незначительно уступает некоторым сталям.

Механические особенности

Предел прочности

Предел прочности чугуна при сжатии зависит от структуры самого материала. Составляющие структуры набирают свою прочность вместе с увеличением уровня дисперсности. На предел прочности оказывают сильное влияние количество, величина, распределение и формаграфитных включений. Предел прочности уменьшается на заметную величину, если графитные включения расположены в виде цепочки. Такое расположение уменьшает сплоченность металлической массы.

Предел прочности достигает максимального значения, когда графит принимает сфероидальную форму. Получается такая форма без влияния температуры, но при включении в чугунную массу церия и магния.

  • При повышении температуры плавления до 400ºС, предел прочности не изменяется.
  • Если температура поднимается выше этого значения, то предел прочности уменьшается.
  • Заметим, что при температуре от 100 до 200ºС предел прочности может снижаться на 10-15%.

Пластичность

Пластичность чугуна в большей степени зависит от формы графита, а так же зависят от структуры металлической массы. Если графитные включения имеют сфероидальную форму, то процент удлинения может достигать 30.

  • В обычном чугуне серого вида удлинение достигает только десятой доли.
  • В отожженном чугуне серого вида удлинение равно 1,5%.

Упругость

Упругость зависит от формы графита. Если графитные включения не менялись, а температура повышалась, то упругость остается при том же значении.

Модуль упругости считается условной величиной, так как он имеет относительное значение и прямо зависит от присутствия графитных включений. Модуль упругости снижается, если увеличивается количество графитных включений. Так же модуль упругости возрастает, если форма включений отдалена от глобулярной формы.

Ударная вязкость

Этот показатель отражает динамические свойства материала. Ударная вязкость чугуна повышается:

  • когда форма графитных включений приближена к шаровидной;
  • когда содержание феррита увеличивается;
  • когда уменьшается содержание графита.

Предел выносливости

Предел выносливости чугуна становится больше, когда увеличивается частота нагружений и становится больше предел прочности.

Гидродинамические свойства

Динамическая вязкость

Вязкость становится меньше, если в чугуне увеличивается количество марганца. Так же замечено уменьшение вязкости при снижении содержания серной примеси и прочих неметаллических оставляющих.

На процесс влияет значение температуры. Так вязкость становится меньше при прямопропорциональном отношении двух температур (температура проходящего опыты и начала затвердевания).

Поверхностное натяжение

Это показатель равен 900±100 дин/см 2 . Значение увеличивается при снижении количества углерода и терпит существенные изменения при наличии неметаллических составляющих.

Токсичность

Из чугуна часто изготавливают посуду. Дело в том, что как материал чугун не обладает токсичностью и прекрасно переносит перепады температур.

Электрические характеристики

Электропроводность чугуна оценивают с помощью закона Курнакова. Электросопротивление некоторых видов приведено ниже:

  • белый чугун — 70±20 Мк·ои·см.
  • серый чугун — 80±40 Мк·ои·см.
  • ковкий чугун — 50±20 Мк·ои·см.

Технологические особенности

Жидкотекучесть может быть определенная различными методами. Этот показатель зависит от формы и свойств чугуна.

Жидкотекучесть становится больше, когда:

  • увеличивается перегрев;
  • уменьшается вязкость;
  • становится меньше затвердевание.

Так же жидкотекучесть зависит от теплоты плавления и теплоемкости.

Химические свойства

Сопротивление коррозии материала зависит от внешней среды и его структуры. Если рассматривать чугун со стороны убывающего электродного потенциала, то его составляющие имеют следующее расположение: графит-цементит, фосфидная эвтектика-феррит.

Следует отметить, что разность потенциалов между графитом и ферритом равняется 0,56 В. В случае увеличения дисперсности, сопротивление коррозии становится меньше. При сильном уменьшении дисперсности происходит обратное действие, сопротивление коррозии уменьшается. На сопротивление чугуна так же влияют легирующие элементы.

Влияние примесей на характеристики металла

Промышленный чугун содержит примеси. Эти примеси сильно сказываются на свойствах, характеристиках и структуре чугуна.

  • Так, марганец тормозит процесс графитизации. Выделение графита приостанавливается, в результате чугун приобретает способность отбеливаться.
  • Сера ухудшает литейные и механические характеристики.
  • Сульфиды в основном образуются в сером чугуне.
  • Фосфор улучшает литейные свойства, увеличивает износостойкость и повышает твердость. Однако на этом фоне чугун все же остается хрупким.
  • Кремний больше всех влияет на структуру материала. В зависимости от количества кремня получаются белый и ферритный чугун.

Для получения определенных характеристик в чугун часто вводят специальные примеси при его изготовлении. Такие материалы получили название легированные чугуны. В зависимости от добавленного элемента чугуны могут называться алюминиевыми, хромистыми, серными. В основном элементы вводят с целю получить износостойкий, жаропрочный, немагнитный и коррозионностойкий материал.

В данном видео будет приведено сравнение свойств чугуна и стали:

Дамир.рф

Ванны и батареи физика

Принципы расчета теплоёмкости металлической посуды применимы для батарей и ванн.

Чугунная батарея остывает дольше.

Еще раз обращу внимание, что темпы остывания предмета напрямую зависят от массы и удельной теплоёмкости материала, из которого он изготовлен. Не путать теплоёмкость и теплопроводность!

Чугунная батарея тяжелее алюминиевой раза в три. Следовательно, обладает большей теплоёмкостью в 2,5 раза.

Очень часто задают вопрос: почему чугунные батареи остывают дольше стальных?

И удельные теплоёмкости — 540 Дж/(кг*К) для чугуна и 460 Дж/(кг*К) для стали — относительно мало отличаются (15%). А весь секрет — в значительной степени — заключается в существенно большей массе чугунных батарей.

Масса секции батарей:

Металл секцииМасса секции, кг
алюминий0,5 — 1,5
биметалл (сталь с алюминием)1,5
чугун3,7 — 5,9

Если же сравнивать две одинаковые по массе батареи — из стали и чугуна — то при одинаковой температуре прогрева чугунная батарея сохранит тепла больше на 15%.

Чугунная ванна сохраняет тепло.

Чугунная ванна:

Масса100 кг
Коэффициент удельной теплоёмкости чугуна540 Дж/(кг*К)
Теплоёмкость самой ванны из чугуна100 кг * 540 Дж/(кг*К) = 54 кДж/К

Стальная ванна:

Масса30 кг
Коэффициент удельной теплоёмкости стали720 Дж/(кг*К)
Теплоёмкость самой ванны из стали30 кг * 720 Дж/(кг*К) = 21,6 кДж/К

То есть количество выделяемого тепла при остывании на 1 градус у чугунной ванны больше, чем у ванны из стали (в нашем примере) в 2,5 раза.

Теплоёмкость воды в ванне:

Объем100 литров = 0,1 куб. м
Плотность воды1000 кг/куб. м
Коэффициент удельной теплоёмкости воды4183 Дж/(кг*К)
Теплоёмкость воды в ванне0,1 куб. м * 1000 кг/куб. м * 4183 Дж/(кг*К) = 418,3 кДж/К

Из чего следует, температура горячей воды (40 градусов), налитая в ванну при комнатной температуре (20 градусов) упадет на 1 градус для стальной ванны и на 2,5 градуса для чугунной ванны.

Похожие статьи:

Металлическая посуда глазами физика

Возвращаясь к теме металлической посуды, покажу в цифрах физику процессов.

Теплопроводимость.

Теплопроводность численно равна количеству теплоты (Дж), проходящее через единицу площади (кв.м) за единицу времени (сек) при единичном температурном градиенте.

Коэффициенты теплопроводности из справочника:

МеталлКоэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)
Медь390
Алюминий236
Сталь47
Чугун42

Вывод: чугун распределяет тепло медленно. Иными словами, мясо на чугунной сковороде не будет пригорать (в том числе) из-за более равномерного распределения тепла.

Похожая ситуация в приготовлении шашлыка на природе. Приготовление мяса на углях позволяет пропечь куски. Приготовление на открытом огне просто зажаривает внешнюю часть кусков мяса, оставив внутренние части сырыми.

Теплоёмкость.

Теплоёмкость численно равна количеству теплоты (Дж), которое необходимо передать, чтобы изменить его температуру на единицу (К).

Удельная теплоёмкость.

Удельная теплоёмкость – количество теплоты (Дж), которое необходимо передать единице массы вещества (кг), чтобы его температура изменилась на единицу температуры (К).

Иными словами, чтобы посчитать теплоёмкость металлической посуды – сколько тепловой энергии будет в прогретой до нужной температуры посуде – необходимо массу посуды (кг) умножить на удельную теплоёмкость металла (Дж/(кг*К)), из которого она изготовлена.

Значения удельной теплоёмкости из справочника:

МеталлУдельная теплоёмкость, Дж/(кг*К)
Алюминий930
Чугун540
Сталь460
Медь385

Приблизительные массы металлических сковород:

СковородаМасса, кг
Алюминиевая сковорода с ручкой (диаметр 260 мм)0,65
Чугунная сковорода с ручкой (черный чугун; диаметр 250 мм; глубина 40 мм)2,10

Вывод: чугунная посуда массой 2,1кг будет почти в два раза (1,9 раза) больше отдавать тепла, чем алюминиевая посуда массой 0,65кг. И наоборот, чугунная посуда требует в два раза больше энергии для прогрева, чем алюминиевая посуда.

Иными словами, для поддержания (сохранения) температуры готовки чугунная посуда подходит лучше. А для разогрева еды будет более пригодна алюминиевая посуда.

Удельная теплоемкость стали

Удельная теплоемкость стали распространенных марок

В сводной таблице представлена удельная теплоемкость стали распространенных марок: углеродистых, низко- и высоколегированных сталей, а также чугуна при различной температуре.

Приведены значения средней удельной теплоемкости низколегированных сталей, углеродистых сталей при различных температурах, указана теплоемкость высоколегированных сталей с особыми свойствами в зависимости от температуры.

По данным таблицы видно, что значение удельной теплоемкости стали с ростом температуры увеличивается. Следует отметить, что теплоемкость стали при комнатной температуре находится в диапазоне от 440 до 550 Дж/(кг·град); удельная теплоемкость стали в таблице представлена в интервале температуры от 20 до 1000°С.

Удельная теплоемкость стали при различных температурах

Марка сталиТемпература, °СТеплоемкость стали, Дж/(кг·град)
02Х17Н11М220…400…600…800470…560…610…650
02Х22Н5АМ320…100…200…300…400480…500…530…550…590
03Х24Н6АМ3 (ЗИ130)20…100…200…300…400480…500…530…550…570
05ХН46МВБЧ (ДИ65)100…200…300…400…500…600…700…800445…465…480…490…500…510…515…520
06Х12Н3Д100…200…300…400523…544…577…594
07Х16Н6 (Х16Н6, ЭП288)100…200…300…400…500…600…700440…500…550…590…630…670…710
08100…200…400…600465…477…510…565
08кп100…200…300…400…500…600…700…800…900482…498…514…533…555…584…626…695…695
08Х13 (0Х13, ЭИ496)20462
08Х14МФ20…100…200…300…400…500…600460…473…502…540…574…682…754
08Х17Т (0Х17Т, ЭИ645)20462
08Х17Н13М2Т (0Х17Н13М2Т)20504
08Х18Н10 (0Х18Н10)20504
08Х18Н10Т (0Х18Н10Т, ЭИ914)20…100…200…300…400…500…600…700461…494…515…536…549…561…574…595
08ГДНФЛ100…200…300…400…500…600…700…800…900483…500…517…529…554…571…613…697…693
09Х14Н19В2БР1 (ЭИ726)20502
015Х18М2Б-ВИ (ЭП882-ВИ)100…200…300…400473…519…578…636
1Х14Н14В2М (ЭИ257)20…100…200…300…400…500…600…700461…486…515…536…544…557…590…624
4Х5МФ1С (ЭП572)20…100…200…300…400…500…600…700…800431…477…519…565…620…703…888…766…749
10100…200…400…600465…477…510…565
10кп100…200…400…600466…479…512…567
10Х12Н3М2ФА(Ш) (10Х12Н3М2ФА-А(Ш))100…200…300…400…500510…538…562…588…627
10Х13Н3М1Л20495
10Х17Н13М2Т (Х17Н13М2Т, ЭИ448)20504
10Х17Н13М3Т (Х17Н13М3Т, ЭИ432)20504
10Х18Н9Л100504
10ГН2МФА, 10ГН2МФА-ВД, 10ГН2МФА-Ш100…200…300…400469…553…599…628
12МХ20…200…300…400…500…600…700498…519…569…595…653…733…888
12X1МФ (ЭИ575)100…200…300…400…500…600…700…800507…597…607…643…695…783…934…1025
12Х13 (1Х13)20…100…200…300…400…500…600…700…800473…487…506…527…554…586…636…657…666
12Х13Г12АС2Н2 (ДИ50)100…200…300…400…500…600…700523…559…602…613…648…668…690
12Х18Н9 (Х18Н9)20504
12Х18Н9Т (Х18Н9Т)20…100…200…300…400…500…600…700…800469…486…498…511…519…528…532…544…548
12Х18Н12Т (Х18Н12Т)20…100…200…300…400…500…600…700461…494…515…540…548…561…574…595
14Х17Н2 (1Х17Н2, ЭИ268)20462
15100…200…400…500469…481…523…569
15Г100…300…500496…538…592
15К100…200…400…500469…482…524…570
15кп100…200…300…400…500…600…700…800465…486…515…532…565…586…620…691
15Л100…200…400…600469…477…515…570
15Х2НМФА-А, 15Х2НМФА-А класс 1100…200…300…400490…515…540…569
15Х11МФБЛ (1Х11МФБЛ, Х11ЛА)100…200…300…400…500…600494…528…574…641…741…867
15Х25Т (Х25Т, ЭИ439)20462
15ХМ100486
17Х18Н920504
18Х11МНФБ (2Х11МНФБ, ЭП291)100…200…300…400…500…600490…540…590…666…766…900
18ХГТ100…200…300…400…500…600…700…800495…508…525…537…567…588…626…705
20100…200…400…500469…481…536…569
20Г100…200…400…500469…481…536…569
20ГСЛ100…200…400…500469…482…536…569
20К100…200…400…500469…482…524…570
20Л100…200…400…600469…481…536…570
20кп100…200…300…400…500…600…700…800…900486…498…514…533…555…584…636…703…695
20ХМЛ100…200…300…400…500498…572…588…612…660
20ХМФЛ100…200…300…400…500…600498…574…590…615…666…741
20Х3МВФ (ЭИ415, ЭИ579)100…200…300…400…500…600502…561…611…657…716…754
20Х23Н13 (Х23Н13, ЭИ319)20538
20Х23Н18 (Х23Н18, ЭИ417)20538
20ХН3А100…200…300…400…500…600…700…800494…507…523…536…565…586…624…703
22К100…200…400…500469…481…519…569
25100…200…400…500469…482…524…570
25Л100…200…400…600469…481…519…570
25Х1МФ20461
25Х2М1Ф (ЭИ723)100…200…300…400…500…600536…574…607…632…674…733
25ХГСА20…100…200…300…400…500…600…700496…504…512…533…554…584…622…693
30100…200…300…400…500469…481…544…523…762
30Г100…200…300…400…500469…481…544…599…762
30Л100…200…400…600469…481…523…570
30Х13 (3Х13)20…100…200…300…400…500…600…700…800473…486…504…525…532…586…641…679…691
30ХГТ100…200…300…400…500…600…700…800495…508…525…537…567…588…626…705
30Х20…100…200…300…400…500…600…700…800…900482…496…513…532…555…583…620…703…687…678
30ХН2МФА (30ХН2МВА)20…100…200…300…400466…508…529…567…588
30ХН3А100…200…300…400…500…600…
700…800…900…1000
494…504…518…536…558…587…
657…703…695…687
33ХС20…100…200…300…400…500…600…700466…508…529…563…599…622…634…664
35100…200…400…500469…482…524…570
35Л100…200…400…600469…481…523…574
35ХГСЛ100…200…300…400…500…600…700…800…900496…504…512…533…554…584…622…693…689
35ХМЛ100…200…300…400…500…600…700…800…900479…500…512…529…550…580…617…689…685
36Х18Н25С2 (4Х18Н25С2, ЭЯ3С)20515
40100…200…300…400…600469…481…519…523…574
40Г100…200…400…600486…481…490…574
40Л100…200…400…600469…481…523…574
40Х10С2М (4Х10С2М, ЭИ107)300…400…500532…561…586
40Х13 (4Х13)20…100…200…300…400…500…600…700…800452…477…502…528…553…578…620…666…691
40ХЛ100…200…300…400…500…600…700…800…900491…508…525…538…569…588…626…701…689
45100…200…400…500469…482…524…574
45Г2100…200444…427
45Л100…200…400…600469…481…523…569
45Х14Н14В2М (ЭИ69)300…400…500…600507…511…523…528
50300…400…500561…641…787
50Г20…100…200…300…400…500…600…700487…500…517…533…559…584…609…676
50Л100…200…400…600478…511…511…569
55100…200…400…500477…486…523…569
60100…200…400…600481…486…528…565
ХН35ВТ (ЭИ612)100…200…300…400…500…600511…544…569…590…595…595
ХН64ВМКЮТЛ (ЗМИ3)20…100…200…300…400…500…600…
700…800…900…1000
430…450…470…490…515…540…565…
590…625…650…1008
ХН65ВКМБЮТЛ (ЭИ539ЛМУ)20…100…200…300…400…500…600…
700…800…900…1000
424…436…480…493…505…518…548…
596…650…692…710
ХН65ВМТЮЛ (ЭИ893Л)20…100…200…300…400…500…600…700…800425…430…440…470…500…510…550…615…650
ХН65КМВЮТЛ (ЖС6К)20…100…200…300…400…500…600…700…800…900380…400…420…445…470…485…515…560…610…660
ХН70БДТ (ЭК59)100…200…300…400450…475…500…505
ХН70КВМЮТЛ (ЦНК17П)20440
ХН80ТБЮА (ЭИ607А)100…200…300…400…500…600494…547…607…678…749…829
Х15Н60-Н20460
Х20Н80-Н20460
Х23Ю5Т20…800480…750
Х27Ю5Т20…800500…690
А12100…300…400…600469…477…515…569
Р6М5100…200…300…400…500…600…700440…470…500…550…580…670…900
Р18100…200…300…400…500…600…700420…450…470…510…550…610…690
У8, У8А20…100…200…300…400…500…600…700…800…900477…511…528…548…565…594…624…724…724…703
У12, У12А20…100…200…300…400…500…600…700…800…900469…503…519…536…553…720…611…712…703…699

Средняя удельная теплоемкость высоколегированных сталей

В таблице даны значения массовой удельной теплоемкости высоколегированных сталей с особыми свойствами таких, как сталь Г13 и сталь Р18.
Теплоемкость сталей Г13 и Р18 приведена в размерности кДж/(кг·град) при температурах 50…1300°С.

Средняя удельная теплоемкость сталей низколегированных

В таблице представлены значения массовой удельной теплоемкости низколегированных сталей. Даны значения теплоемкости для следующих марок стали: сталь 30Х, 30Н3, 30ХН3, 30Г2, 50С2Г. Удельная теплоемкость сталей в таблице выражена в кДж/(кг·град) и указана в зависимости от температуры — в интервале от 50 до 1300°С.

Удельная теплоемкость углеродистых сталей и чугуна при различной температуре

В таблице приведены значения удельной (массовой) теплоемкости следующих углеродистых сталей и чугуна: сталь 08, ст.20, ст.35, ст.У8, сталь листовая электротехническая, чугун белый, чугун СЧ10. Теплоемкость представлена в таблице в интервале температуры от 80 до 1573 К в размерности кДж/(кг·град) .

Удельная теплоемкость легированных сталей при различной температуре

В таблице представлены значения массовой удельной теплоемкости стали следующих марок: сталь 15Л, 25Л, 45Л, 55Л, 13Н2ХА, Р18, 11Р3АМ3Ф2, Р6М5, 4Х13, 1Х12В2МФ, Х5М, 30ХМ, 30ХМА, 30ХГС, 30ХГСА, 1Х11МФ, 1Х12ВИМФ, 25Х2МФА, ХН35ВТ (ЭИ612, ЭИ612К), Х17Н13М2Т (ЭИ448), Х16Н25М6 (ЭИ395), Х22Н26, ВЖ100, ШХ15. Массовая теплоемкость легированных сталей в таблице выражена в кДж/(кг·град) в зависимости от температуры — в интервале от 300 до 1400К.

Средняя удельная теплоемкость углеродистых сталей

В таблице представлены значения массовой теплоемкости железа и следующих углеродистых сталей: сталь 08КП, ст. 08, сталь 20, 40, сталь У8, У8′, у12. Массовая удельная теплоемкость углеродистых сталей в таблице дана в размерности кДж/(кг·град) в интервале температуры от 50 до 1300°С.

Источники:

Теплоемкость стали от температуры. Теплофизические свойства чугуна

Удельная теплоемкость – важный параметр, определяющий характеристики стали. Он показывает количество тепла, которое нужно затратить на нагрев килограмма сплава на 1 градус. На теплоемкость влияют разные особенности стали, что особо важно при

Под удельной теплоемкостью стали понимается количество тепла, необходимое для увеличения температуры одного килограмма вещества ровно на один градус. В равной степени может использоваться и шкала Цельсия, и Кельвина.

На теплоемкость влияют многочисленные факторы:

  • агрегатное состояние нагреваемого вещества;
  • атмосферное давление;
  • способ нагрева;
  • тип стали.

В частности высоколегированные стали содержат большие объемы углеродов, относятся к тугоплавким. Соответственно, чтобы нагреть на один градус необходимо больше тепла, чем стандартные 460 Дж/(кг*К). Низколегированные стали нагреваются быстрее и легче. Максимальное количество тепла и энергии необходимо для нагрева жаропрочных материалов, с антикоррозийной обработкой.

Расчет теплоемкости производится для каждого конкретного случая. Необходимо учитывать и то, что с повышением температуры нагреваемого вещества меняется его теплоемкость.

Удельная теплоемкость важна при проведении индукционной закалки или отпуске деталей из стали, чугуна, композитных материалов. При повышении температуры изделия на определенное количество градусов в структуре происходят фазовые изменения, соответственно, меняется и удельная теплоемкость. Для дальнейшего нагрева потребуются большие/меньшие объемы тепла.

Удельная теплоемкость характеризует не только процесс нагрева стали или композитных материалов, но и их охлаждение. Каждый материал при остывании отдает определенное количество тепла и/или энергии. Удельная теплоемкость позволяет рассчитать, какое количество тепла будет получено при остывании одного килограмма металла на один градус. На теплоотдачу влияют площадь охлаждаемого материала, наличие/отсутствие дополнительной вентиляции.

Как рассчитывают удельную теплоемкость

Рассчитывают удельную теплоемкость чаще по шкале Кельвина. Но благодаря лишь разнице в точке отсчета, показатель можно перевести в градусы Цельсия.

Параметр удельной теплоемкости определяет количество топлива, нужного для нагрева детали до заданной точки. От этого зависит тип и марка стали. Высоколегированный сплав имеет более высокое значение параметра при одинаковой температуре. Низколегированные и углеродистые стали – меньше.

Пример:

Для сравнения, сталь Г13 имеет теплоемкость 0,520 кДж/(кг*град) при температуре в 100оС. Этот сплав высоколегированный, то есть содержит больше хрома, никеля, кремния и других дополнительных элементов. Углеродистая сталь марки 20 при аналогичной температуре имеет удельную теплоемкость 0,460 кДж/(кг*град).

Таким образом, удельная теплоемкость зависит не только от температуры, но и от вида стали. Высоколегированные стали менее устойчивы к образованию трещин, хуже поддается сварке. Тугоплавкость у таких материалов повышена. Эти показатели прямо влияют на , которые делают из разных марок стали. Устойчивость, легкость, прочность – важнейшие критерии, которые определяются качеством такого сплава.

В таблицах можно наблюдать показатели удельной теплоемкости высоколегированных сталей Г13 и Р18, а также ряда низколегированных сплавов. Диапазоны температур – 50:650оС.

α , удельная теплоемкость с и теплопроводность λ зависят от состава и структуры чугуна, а также от температуры. Поэтому значения их приводят в соответствующем интервале температур. С повышением температуры значения α и с обычно увеличиваются, а λ уменьшается (табл 1).

Коэффициент линейного расширения α и удельная теплоемкость c реальных неоднородных структур, в том числе чугуна, может быть определена по правилу смешения:

где x 1 , х 2 , . х nα или c структурных составляющих (табл. 2);
a 1 , a 2 , . a n – количественное содержание их.

Теплопроводность сплавов и смесей в отличие от коэффициента α и теплоемкости c не может быть определена по правилу смешения. Влияние отдельных элементов на теплопроводность расчетным путем можно установить лишь приближенно.

На коэффициент α и удельную теплоемкость с влияет главным образом состав чугуна, а на теплопроводность λ – степень графитизации, дисперсность структуры, неметаллические включения и т. п.

Коэффициент линейного расширения определяет не только изменения размеров в зависимости от температуры, но и напряжения, образующиеся в отливках. Уменьшение α является полезным с этих позиции и облегчает условия получения качественных отливок. Но в случае совместной работы чугунных деталей с деталями из цветных сплавов или других материалов, имеющих больший коэффициент линейного расширения, приходится стремиться к увеличению значения α для чугуна.

Теплоемкость и теплопроводность имеют большое значение для таких отливок, как отопительные трубы, изложницы, детали холодильных установок и двигателей внутреннего сгорания и т.д., так как определяют равномерность распределения температуры в отливках и интенсивность отвода теплоты.

В табл. 3 приведены теплофизические свойства чугунов различных групп.

Таблица 3. Теплофизические свойства чугуна

Чугунα 20 100 ∗10 6 , 1/°Cc 20 100 , Дж/(кг∗°C)c 20 1000 , Дж/(кг∗°C)λ 20 100 , Вт/(м∗°C)
Серый с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85):
СЧ10-СЧ1810-11502-544586-62846,0-54,4
СЧ20-СЧ3010-11502-544586-62841,8-50,2
СЧ3511,5-12,0502-544628-67037,6-46,0
Высокопрочный (ГОСТ 7293-85):
ВЧ 35-ВЧ 4511,5-12,5460-502586-62837,6-46,0
ВЧ 60-ВЧ 8010-11502-523628-67033,5-41,9
ВЧ 1009-10523-565628-67029,3-37,6
Ковкий (ГОСТ 7769-82):
КЧ 30-6/КЧ 37-1210,5-11,0460-511586-62854,4-62,8
КЧ 45-5/КЧ 65-310,3-10,8527-544628-67050,2-54,4
Легированный (ГОСТ 7769-82)
никелевый ЧН20Д2Ш17-19460-50217,4
с 35-37% Ni1,5-2,5
хромистый:
ЧХ1632,5 *1
ЧХ2225,5 *1
ЧХ289-1017,4 *1
ЧХ329-1019,8 *1
кремнистый:
ЧС514-17 *221,0 *3
ЧС15, ЧС174,7 *110,5
алюминиевый:
ЧЮ22Ш17,5 *115,1-28,0 *3
ЧЮ3022-23 *2
*1 В интервале 20-200 °C.
*2 В интервале 20-900 °C.
*3 В интервале 20-500 °C.

Коэффициент линейного расширения α

Коэффициент линейного расширения α . Наибольшее влияние на коэффициент α оказывает углерод, в особенности в связанном состоянии. Одному проценту углерода соответствует примерно в 5 раз большее количество цементита, чем графита. Поэтому графитизирующие элементы (Si, Al, Ti, Ni, Сu и др.) повышают, а антиграфнтизирующие (Cr, V, W, Мо, Мn и др.) уменьшают коэффициент линейного расширения,

Наибольшим значением α отличаются аустенитные никелевые чугуны, а также ферритные алюминиевые чугуны типа чугаль и пирофераль. Поэтому при достаточно высоком содержании Ni, Сu, Мn значение α ; резко увеличивается. Однако при содержании Ni>20% α понижается: и достигает минимума при 35-37 % Ni. Форма графита существенно влияет на коэффициент линейного расширения лишь при низких температурах; α высокопрочного чугуна с шаровидным графитом несколько выше, чем α чугуна с пластинчатым графитом.

Удельная теплоемкость чугуна

Удельная теплоемкость с чугуна, как и железа, увеличивается с повышением температуры (см. табл. 2) и характеризуется скачкообразным повышением при фазовом превращении Fe α →Fe λ ; затем удельная теплоемкость чугуна резко падает, но с дальнейшим повышением температуры вновь увеличивается.

Графитизация понижает удельную теплоемкость чугуна; отсюда с белого; чугуна несколько выше, чем серого и высокопрочного (см. табл. 4).

Теплопроводность чугуна.

Теплопроводность чугуна в большей мере, чем другие физические свойства , зависит от структуры, ее дисперсности и мельчайших загрязнений, т. е. является структурно-чувствительным свойством.

Графитизация повышает теплопроводность; следовательно, элементы увеличивающие степень графитизации и размер графита, повышают, а элементы, препятствующие графитизации и увеличивающие дисперсность структурных составляющих, понижают. Указанное влияние графитизация меньше для шаровидного графита (см. табл. 4).

Форма графита, его выделение и распределение также влияют на теплопроводность. Например, высокопрочный чугун имеет более низкую теплопроводность, чем серый чугун. Теплопроводность чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) выше, чем у ЧШГ, и близка к λ серого чугуна с пластинчатым графитом.

Высоколегированные чугуны характеризуются, как правило, более низкой теплопроводностью, чем обычные.

Принципы расчета теплоёмкости металлической посуды применимы для батарей и ванн.

Чугунная батарея остывает дольше.

Еще раз обращу внимание, что темпы остывания предмета напрямую зависят от массы и удельной теплоёмкости материала, из которого он изготовлен. Не путать теплоёмкость и теплопроводность!

Чугунная батарея тяжелее алюминиевой раза в три. Следовательно, обладает большей теплоёмкостью в 2,5 раза.

Очень часто задают вопрос: почему чугунные батареи остывают дольше стальных?

И удельные теплоёмкости – 540 Дж/(кг*К) для чугуна и 460 Дж/(кг*К) для стали – относительно мало отличаются (15%). А весь секрет – в значительной степени – заключается в существенно большей массе чугунных батарей.

Масса секции батарей:

Если же сравнивать две одинаковые по массе батареи – из стали и чугуна – то при одинаковой температуре прогрева чугунная батарея сохранит тепла больше на 15%.

Чугунная ванна сохраняет тепло.

То есть количество выделяемого тепла при остывании на 1 градус у чугунной ванны больше, чем у ванны из стали (в нашем примере) в 2,5 раза.

Теплоёмкость воды в ванне:

Из чего следует, температура горячей воды (40 градусов), налитая в ванну при комнатной температуре (20 градусов) упадет на 1 градус для стальной ванны и на 2,5 градуса для чугунной ванны.

Металлическая посуда глазами физика

Возвращаясь к теме металлической посуды , покажу в цифрах физику процессов.

Теплопроводимость.

Теплопроводность численно равна количеству теплоты (Дж), проходящее через единицу площади (кв.м) за единицу времени (сек) при единичном температурном градиенте.

Коэффициенты теплопроводности из справочника:

Вывод: чугун распределяет тепло медленно. Иными словами, мясо на чугунной сковороде не будет пригорать (в том числе) из-за более равномерного распределения тепла.

Похожая ситуация в приготовлении шашлыка на природе. Приготовление мяса на углях позволяет пропечь куски. Приготовление на открытом огне просто зажаривает внешнюю часть кусков мяса, оставив внутренние части сырыми.

Теплоёмкость.

Теплоёмкость численно равна количеству теплоты (Дж), которое необходимо передать, чтобы изменить его температуру на единицу (К).

Удельная теплоёмкость.

Удельная теплоёмкость – количество теплоты (Дж), которое необходимо передать единице массы вещества (кг), чтобы его температура изменилась на единицу температуры (К).

Иными словами, чтобы посчитать теплоёмкость металлической посуды – сколько тепловой энергии будет в прогретой до нужной температуры посуде – необходимо массу посуды (кг) умножить на удельную теплоёмкость металла (Дж/(кг*К)), из которого она изготовлена.

Значения удельной теплоёмкости из справочника:

Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector