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。qgradt
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，ac热扩散率也是热物性参数，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<750℃时，随着温度升高比热容逐渐增大；在750℃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>750℃，比容的下将有所缓慢。 除淬火组织外，常温到1000℃之间，高碳钢的导热和导温系数明显下降，降幅达50%左右。在750℃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100℃出现一个极小值，在250℃出现一个极大值。 除淬火组织，高碳钢的导温系数在750℃出现一个极小值，常温到750℃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100℃出现一个极小值，在250℃出现一个极大值。 (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，由于其部畸变程度较大，所以其吸热能力下降；然而，由于其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。然而由于部晶格畸变程度较高，其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，在一定温度围，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1℃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cp表示，其国际制单位为J/(kg.℃)。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 (Differential Scanning 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1m2，且两壁表面间的温差为1℃时，单位时间(小时)通过的传热量，单位是W/ (m.℃)。导热系数(热导率)=热扩散系数×密度×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α表示，国际标准单位为m2/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1~3mm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围进行试样测试，测试的材料包括瓷、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。 2pp2
1/2
1.388Lcct
其中t1/2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，pc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围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NM400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、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。 (1) 密度 比容与密度在数值上成倒数关系，单位质量的物质所占用的容积称为比容，单位容积(体积)的物质质量称之为密度，两者知其一，可求另一个的数值。算出含碳量在0~2%之间的钢在室温下各种组织的密度。对于室温下各组织的密度如下: 奥氏体密度PA=1/(0.1212+ 0.0033x0.23) = 8.1995 (g/cm3) 铁素体密度Pf =1/0.1271=7.8678 (g/cm3) 珠光体密度 Pp =1/(0.1271+ 0.0005×0.23) = 7.8607 (g/cm3) 贝氏体密度 Pb = 1 /(0.1271 + 0.0015× 0.23) = 7.8465 (g/cm3) 马氏体密度 Pm =1/(0.1271+ 0.0025×0.23) = 7.8324 (g/cm3) 对于混合相的组织，其混合相密度为各相密度和百分比的乘积之和，因此采用JmatPro对试样的热物性的模拟结果如图2所示，从图中可以看出，随着温度的增加,试样的密度降低，但在在700~800oC之间随着温度增加试样的密度增加，这主要是由于在700~800oC区间发生体心立方的α-Fe转变为面心立方结构的γ-Fe完全转变。在1400~1500oC区间随着温度增加，试样的密度急剧增加，主要是由于在这一温度区间发生面心立方的γ-Fe向体心立方的δ-Fe转变。合金含量越高，这两个转变区间的特征越明显，通过拟合可以看出，在35~658oC和800~1400oC五种钢的密度随温度变化呈现线性变化规律，而在658~800oC和1400~1500oC两个晶体结构转变区，船板（E36N和E36-T）和耐磨钢（NM400）随温度的变化呈现二元函数关系，而工具钢（NM30-1和P20H）呈现线性关系。对比得出工具钢随温度的变化密度的变化比较明显。 -2000200400600800100012001400160018006.87.07.27.47.67.88.0Density (g/cm3)Temperature(oC)E36-T-2000200400600800100012001400160018006.87.07.27.47.67.8Density (g/(cm)^3)
Temperature(oC)
E36N
-2000200400600800100012001400160018006.87.07.27.47.67.8Density (g/(cm)^3)T(oC)nm30-1-2000200400600800100012001400160018006.87.07.27.47.67.8Density(g.m-3)
Temperature(oC)
P20H
-2000200400600800100012001400160018006.87.07.27.47.67.88.0Density (g/(cm)^3)
T(oC)
NM400
钢种 E36N E36T 拟合 结果 钢种 Y=-3.376×10-4t+7.839 (35 oC Y=-6.64×10-3t+17.07 (1483C Y=-8.109×10-4t+8.207 (1492 oC NM30-1