固体状態での比熱容量。 タグのアーカイブ: 熱容量
金属製器具の熱容量を計算するための原則は、バッテリーと浴槽に適用されます。
鋳鉄製バッテリーの冷却時間が長くなります。
繰り返しますが、物体の冷却速度は、その物体が作られている材料の質量と比熱に直接依存するという事実に注意を向けたいと思います。 熱容量と熱伝導率を混同しないでください！
鋳鉄製のバッテリーは、アルミ製のバッテリーの 3 倍の重量があります。 したがって、 より高い熱容量 2.5倍。
よく質問されるのは、なぜ鋳鉄製のバッテリーはスチール製のバッテリーよりも長く冷えるのですか?
また、比熱容量 - 鋳鉄の場合は 540 J / (kg * K)、鋼の場合は 460 J / (kg * K) - の違いは比較的わずかです (15%)。 そして、その秘密の大部分は、鋳鉄製バッテリーの非常に大きな質量にあります。
電池部重量：
同じ質量の 2 つのバッテリー (スチール製と鋳鉄製) を比較すると、加熱温度が同じであれば、鋳鉄製バッテリーは 15% 多く熱を保持します。
鋳鉄製の浴槽は熱を保持します。
鋳鉄浴:
スチールバス：
つまり、鋳鉄浴で1度冷却する間に放出される熱量は、鋼浴の2.5倍です（この例では）。
風呂水の熱容量：
以下から温度は お湯室温（20度）の浴槽に（40度）を注ぐと、鋼の浴槽で1度、鋳鉄の浴槽で2.5度下がります。
物理学者の目を通して見た金属器具
金属器具の話に戻り、プロセスの物理を数字で示します。
熱伝導率。
熱伝導率は、単位温度勾配で単位時間 (秒) あたりに単位面積 (平方メートル) を通過する熱量 (J) に数値的に等しくなります。
参考書の熱伝導率係数:
結論: 鋳鉄はゆっくりと熱を分散させます。 言い換えれば、鋳鉄製の鍋の肉は、熱がより均一に分散されるため、燃えません (含む)。
自然の中でバーベキューを調理する場合も状況は似ています。 肉を炭火で調理すると、肉を焼くことができます。 直火で調理すると、肉のカットの外側を焼き、内側を生のままにします.
熱容量。
熱容量は、温度を 1 単位 (K) 変化させるために伝達する必要がある熱量 (J) に数値的に等しくなります。
比熱。
比熱容量 - 温度が単位温度 (K) 変化するために物質の単位質量 (kg) に伝達されなければならない熱量 (J)。
つまり、金属製の皿の熱容量 (目的の温度に加熱された皿の熱エネルギー量) を計算するには、皿の質量 (kg) に比熱容量を掛ける必要があります。それが作られている金属（J /（kg * K））。
ハンドブックの比熱値:
比熱は、鋼の特性を決定する重要なパラメータです。 これは、1kgの合金を1度加熱するのに必要な熱量を示しています。 熱容量は、鋼のさまざまな機能の影響を受けます。これは、次の場合に特に重要です。
下 比熱鋼とは、1 キログラムの物質の温度をちょうど 1 度上昇させるのに必要な熱量を指します。 摂氏とケルビンの目盛りはどちらも同じように使用できます。
熱容量は、多くの要因の影響を受けます。
- 加熱された物質の凝集状態;
- 大気圧;
- 加熱方法;
- スチールタイプ。
特に、高合金鋼は大量の炭素を含み、耐火性があります。 したがって、1度加熱するには、標準の460 J /（kg * K）よりも多くの熱が必要です。 低合金鋼は、より速く簡単に加熱されます。 耐食処理を施した耐火物を加熱するには、最大量の熱とエネルギーが必要です。
熱容量の計算は、特定のケースごとに行われます。 加熱された物質の温度が上昇すると、その熱容量が変化することも考慮に入れる必要があります。
鋼、鋳鉄、複合材料で作られた部品の高周波焼入れまたは焼き戻しを行う場合、比熱容量は重要です。 製品温度が一定度上昇すると、構造に相変化が起こり、それに伴い比熱容量も変化します。 さらに加熱するには、より多くの/より少ない量の熱が必要になります。
比熱容量は、鋼または複合材料を加熱するプロセスだけでなく、それらの冷却も特徴付けます。 各材料は、冷却されると、一定量の熱および/またはエネルギーを放出します。 比熱容量を使用すると、1 キログラムの金属を 1 度冷却したときに得られる熱量を計算できます。 熱伝達は、冷却された材料の面積、追加の換気の有無によって影響を受けます。
比熱容量はどのように計算されますか?
カウンティング 比熱多くの場合、ケルビン スケールで。 しかし、基準点の違いだけで、インジケーターを摂氏に変換できます。
比熱パラメータは、部品を特定のポイントまで加熱するために必要な燃料の量を決定します。 これは、鋼の種類と等級によって異なります。 高合金合金は、同じ温度でより高いパラメータ値を持ちます。 低合金鋼および炭素鋼 - 少ない。
例：
比較のために、G13 鋼の熱容量は 100 °C で 0.520 kJ / (kg * deg) です。 この合金は高度に合金化されています。つまり、クロム、ニッケル、シリコン、その他の追加元素が多く含まれています。 同様の温度での炭素鋼グレード 20 の比熱容量は 0.460 kJ / (kg * deg) です。
したがって、比熱容量は温度だけでなく、鋼の種類にも依存します。 高合金鋼は割れにくく、溶接性も劣ります。 そのような材料の耐火性は増加します。 これらの指標は、異なる等級の鋼から作られているものに直接影響します。 安定性、軽さ、強度は、そのような合金の品質によって決定される最も重要な基準です。
表では、高合金鋼G13とR18、および多くの低合金鋼の比熱容量の指標を観察できます。 温度範囲 - 50:650°C。
鋳鉄は鉄と炭素の組み合わせです。 主な特性には、グラファイト不純物の質量、形状、体積、および配置があります。 熱力学的平衡状態では、鉄-炭素合金の構造は図で表すことができます。 構成変更の変更中:
共晶温度 (o C) T \u003d 1135 + 5 * Si - 35 * P - 2 * Mn + 4 * Cr;
炭素による共晶の飽和 (%) С = 4.3 - 0.3*(Si+P) - 0.04*Ni - 0.07*Cr;
共析変態温度 (o C) T = 723 + 20*Si + 8*Cr - 30*Ni - 10*Cu - 20*Mn;
炭素による共析の飽和 (%) C = 0.8 - 0.15 * Si - 0.8 * Ni - 0.05 * (Cr + Mn)。
重要なポイントの配置は、加熱の程度によって異なります。冷却の場合、それらはわずかに下に移動します。 合金成分を含まない圧倒的な数に対して、最も正確で単純な式が確立されています。
炭素 C による共晶の飽和 = 4.3 – 0.3*(Si+P);
炭素 C による共析の飽和 = 0.8 - 0.15 * Si。
構造に対する化合物の影響を表 1 に示します。条件付き黒鉛化効果を決定する係数は、(C) (約 3%) とシリコン (Si) (約 2%) の存在下でのみ考慮できます。 ）。
表 1. 鋳鉄の構造に対する元素のおおよその影響
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要素 |
相対的黒鉛化作用 |
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主な金属塊について |
グラファイトについて |
固まると |
固体状態で |
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パーライト削減 |
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パーライト削減 |
数を増やして集約 |
+0.2 ～ +0.5 |
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マンガン |
0.8以上 |
研削パーライト |
弱い破砕 |
-0.2 ～ +0.5 |
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硫化マンガンの形成 |
同じだが少ない |
-0.2 ～ +0.5 |
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硫化物の形成 |
数量削減 |
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研削パーライト |
量を増やして弱めに研ぐ |
+4～-0.2 |
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研削パーライト |
量を減らして弱めに研ぐ |
-1.2 ～ -3.0 |
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影響しない |
インストールされていない |
+0.3 ～ -0.2 |
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モリブデン |
パーライトの研磨。 針構造形成 |
-0.5 ～ -1.5 |
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研削パーライト |
数量削減。 かなりの破砕 |
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アルミニウム |
パーライト削減 |
数を増やして集約 |
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セリウムとマグネシウム |
スフェロイジン化 |
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物理的および機械的特性
鋳鉄の微細構造の物理的および機械的特性の最も重要な指標を表に示します。 2、物理的特性 - 表で。 3. 3 番目の表に指定されています。 カーボンの結合体積の変動や細孔数の変化により、比重が大きく変動することがあります。 溶解時の鋳鉄の比重は7±0.1g/cm3です。 様々な単純不純物を加えると減少します。 表3に示す熱膨張係数は、鋳鉄の組織に影響されます。
物理系で平衡相転移が起こる温度変化の場合、体積の強い不可逆的増加が起こる。 インジケータは 30% に達することができますが、多くの場合、500 ° C に加熱すると 3% を超えません。体積の増加は、グラファイトを形成する成分によって促進され、炭化物を形成する成分が干渉し、キャストのコーティングも同様です。エナメル、メタライゼーション、亜鉛メッキによる鉄。
表 2. 純鋳鉄の構造コンポーネントの物理的および機械的特性
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構造部品 |
比重 G/cm 3 |
熱線膨張係数 a * 10 - in 1/o C 温度 20 -100 o C |
o Cの温度でのcal / G * o Cの熱容量 |
熱伝導率 cal / cm * 秒 C について |
電気抵抗 (µΩ 9 cm) |
引張強度 σ in kg / mm 2 |
伸び σ (%) |
硬度HB |
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オーステナイト |
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セメンタイト |
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熱特性
特定の組成の鋳鉄の熱容量指数は、表 2 に示す情報を使用して、混合法則に従って確立できます。融解温度。 融点を克服した後 - 0.00023 ± 0.00003 kcal/(g o C)。 凝固時の熱影響は 0.055 ± 0.005 kcal/g であり、オーステナイトの共析の場合、含まれるパーライトの量によって決まり、0.8% C の共析濃度で 0.0215 ± 0.0015 kcal/g に達することができます。セント。
この物質の単位体積あたりの熱容量は、拡大計算に使用できます。固体状態の鋳鉄の場合-約0.001 kcal / cm 3 o C、液体状態-0.0015 kcal / cm 3 o C.
混合の法則によって熱伝導率を確立することはできません。 表に示します。 2、要素の指標は、分散システムでのサイズの増加に伴い、減少します。 熱伝導率の代表的な指標を表に示します。 3. 熱伝導率の変化における鋳鉄に含まれる成分の役割は、黒鉛化レベルの偏差に見ることができます。 鉄の熱伝導率は、それに含まれるさまざまな添加剤の量が増加すると減少します。
溶融状態の鋳鉄の熱伝導率は約 0.04 cal/cm s o C です。
拡大計算を使用すると、固体状態の鋳鉄の熱伝導率はその熱伝導率と等しくなり、溶融状態では0.3 mm 2 / sになります。
表 3. 標準 物理的特性鋳鉄
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鋳鉄タイプ |
温度が上昇すると注意してください。「+」 - 増加します。 "-" - 低下する |
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比重 G/cm 3 |
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熱線膨張係数a 10 - 1 / o Cで、20〜100 o Cの温度で |
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実際の収縮率 (%) |
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熱伝導率 (cal/cm 秒 o C) |
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液相線温度における動的粘度 dyn sec/cm 2 |
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ダイン/cm 2の表面張力 |
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Mk オーム cm 単位の電気抵抗 |
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熱容量（cal/G o C） |
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eの保磁力 |
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gs単位の残留磁気 |
流体力学的特性
絶対粘度指標は表にあります。 4. 粘度は、シェアの増加に伴って減少する傾向があり、温度インジケーターにより、非金属起源の硫黄および添加剤の部分が減少した場合と同様に減少する傾向があります。
粘度の低下と、実験の絶対温度と凝固の瞬間の比率は正比例します。 凝固開始温度の推移では粘度が急激に上昇する。
粗粒計算用の鋳鉄の表面張力に関するデータは、表 3 から取得できます。炭素の割合が減少すると増加し、非金属起源の成分が組成に追加されると急速に変化します。
電気的特性を決定するには、クルナコフの法則を使用できます。 おおよその不純物値を表に示します。 2、そして、具体的には鋳鉄 - 表中。 3. 電気抵抗に対する流入成分の影響 個体条件付きで、(Si)、マンガン (Mn)、(Cr)、(Ni)、(Co) の順に並べることができます。
表 4. 鋳鉄の粘性係数
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温度（℃） |
粘度係数 (ダイン秒/cm 2) 炭素含有量 % の鋳鉄 |
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鋳鉄が白くなる |
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鋳鉄は灰色に変わります |
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機械的性質
統計的特徴。 鋳鉄の引張強度（機械的応力閾値）は、表2に示す指標に従って、その構造に基づいて定性的に計算できます。鋳鉄の構造に含まれるコンポーネントの強度は、それらの増加とともに増加します分散システムでの加重サイズ。 グラファイト コンポーネントの構造、数、体積、および位置は、機械的応力のしきい値に最も大きな影響を与えます。 金属の総質量の構造はそれほど重要ではありません。
強度の最大の低下は、鎖状のグラファイト コンポーネントを配置したときに観察され、金属構造がそれほど連続的ではなくなります。 金属の最大強度指標は、グラファイトの球状構造によって与えられます。 テストプロセスの温度が上昇しても、機械的応力のしきい値は、概して400°Cまで変化しません（100〜200°Cの範囲では、強度は10〜15％以内でわずかに低下します）。 400°Cの指標を克服した後、機械的ストレス閾値指標の一定の損失が記録されます。
可塑性特性は、金属の総質量の構造（表2に示す指標による）によって決定されますが、さらに重要なのは、グラファイト不純物の形態によって決定されます。 形状が球形の場合、伸びは最大 30% に達することがあります。 ねずみ鋳鉄では、このような伸びが 10 分の 1 パーセントに達することはほとんどありません。 焼きねずみ鋳鉄 (フェライト) の伸びは、約 1.5% です。
弾性は、概してグラファイト構造によって決定されます。 グラファイト不純物の形態に変化がなければ、鋳鉄に対する熱作用の過程で変化しません。 曲げ試験では、全変形の 50 ～ 80% に相当する弾性変形の割合が示されています。
鋳鉄のクリープを成長の場合と混同しないでください（その体積の不可逆的な増加）。 合金成分を含まない鋳鉄は、550°C 以上に加熱すると、その成長に応じて、クリープの測定で許容される変形を超える永久変形を特徴とします。 その速度が毎時0.00001％の場合、3 kg / mm 2の負荷で1000時間、合金成分のないねずみ鋳鉄は400°C以内の温度で安定性を示し、合金成分を含む鋳鉄は最大500°ですクリープ抵抗の増加は、オーステナイト鋳鉄、ならびにモリブデンを添加した鋳鉄、またはニッケルとクロムの存在を増加させた鋳鉄で達成できます。
鋳鉄にグラファイトの形で添加物がある場合、その弾性率は条件付きになります。 この指標は、金属の大部分の構造によって決定されるのではなく、グラファイト添加剤の割合とその構造によって特徴付けられます。グラファイト添加剤の割合が増加し、球状構造との類似性が低下すると減少します。 .
衝撃強度は、動的特性の完全に正確な特性ではありません。 グラファイト介在物が減少した場合、およびグラファイト成分の構造が球状のものに可能な限り似ている場合、フェライト介在物が増加すると成長します。 不均一な負荷期間では、負荷の適用方向に発生する応力の増加により、疲労限界が最大に達します。 疲労限度は、機械的応力のしきい値と負荷の再現性の増加に伴い増加します。
技術的特性
流動性は、金属の特性と構造によって決まります。 多くの場合、充填される鋳物の長さに依存し、粘度の低下、過熱の増加 (ただし、流動性は流動点を超える過熱によって最も影響を受けます)、凝固間隔の減少とともに増加し、次の式によって決定されます。体積で表される融解潜熱と熱容量。
化学的特性
耐酸化性の程度は、鋳鉄の構造によるものであり、 環境 (化学組成、温度とその経過）。 鋳鉄を構成する元素には電極電位があります。 この値を小さくすると、グラファイト (炭化鉄)、二重リン化物または三重リン化物共晶 - オキシファーの順序で配置できます。
グラファイトとオキシファー (フェライト) 間の電圧は 0.56 ボルトです。 耐腐食性の程度は、構成成分の分散レベルの対応する増加とともに減少します。 ただし、炭化鉄の粉末度を下げすぎると、耐酸化性が低下します。 合金成分は、構造組成への影響とともに、鋳鉄の耐酸化性に影響を与えます。 酸化プロセスに対する過度の耐性は、後にクラストが保存された鋳鉄鋳物に見られます。
α 、比熱容量 とと熱伝導率 λ 鋳鉄の組成と構造、および温度に依存します。 したがって、それらの値は適切な温度範囲で与えられます。 温度値の上昇に伴い α と と通常は増加し、 λ 減少します (表 1)。
線膨張係数 α および比熱容量 c鋳鉄を含む実際の不均一な構造は、混合規則によって決定できます。
どこ x 1、x 2、...、x n - α
また c構造コンポーネント (表 2);
a 1 、a 2 、...、a n- その定量的内容。
係数とは対照的に、合金および混合物の熱伝導率 α と熱容量 c混合則では判断できません。 熱伝導率に対する個々の要素の影響は、計算によってのみ近似的に確立できます。
係数あたり α および比熱容量 と主に鋳鉄の組成と熱伝導率に影響します λ - 黒鉛化の程度、構造の分散、非金属介在物など
線膨張係数は、温度による寸法の変化だけでなく、鋳物に形成される応力も決定します。 下降 α これらの位置から有用であり、高品質の鋳物を得るための条件を容易にします。 ただし、鋳鉄部品と非鉄合金またはその他の線膨張係数の高い材料で作られた部品との共同作業の場合、値を大きくするよう努める必要があります。 α 鋳鉄用。
熱容量と熱伝導率は、 非常に重要加熱管、金型、部品などの鋳物用 冷凍ユニットとエンジン 内燃機関鋳物内の温度分布の均一性と除熱の強度を決定するためです。
表で。 図3は、さまざまなグループの鋳鉄の熱物理特性を示しています。
| 鋳鉄 | α 20 100 ∗10 6 , 1/℃ | c 20 100 , J/(kg*°C) | c 20 1000 , J/(kg*°C) | λ 20 100 , W/(m*°C) |
|---|---|---|---|---|
| ラメラグラファイトを含むグレー（GOST 1412-85）： | MF10-MF18 | 10-11 | 502-544 | 586-628 | 46,0-54,4 |
| MF20-MF30 | 10-11 | 502-544 | 586-628 | 41,8-50,2 |
| MF35 | 11,5-12,0 | 502-544 | 628-670 | 37,6-46,0 |
| 高強度 (GOST 7293-85): | ||||
| HF 35-HF 45 | 11,5-12,5 | 460-502 | 586-628 | 37,6-46,0 |
| HF60～HF80 | 10-11 | 502-523 | 628-670 | 33,5-41,9 |
| HF100 | 9-10 | 523-565 | 628-670 | 29,3-37,6 |
| 可鍛性 (GOST 7769-82): | ||||
| KCh 30-6/KCh 37-12 | 10,5-11,0 | 460-511 | 586-628 | 54,4-62,8 |
| KCh 45-5/KCh 65-3 | 10,3-10,8 | 527-544 | 628-670 | 50,2-54,4 |
| 合金 (GOST 7769-82) | ||||
| ニッケル ChN20D2Sh | 17-19 | — | 460-502 | 17,4 |
| 35 ～ 37% の Ni を含む | 1,5-2,5 | — | — | — |
| クロム: | ||||
| CH16 | — | — | — | 32,5 *1 |
| CH22 | — | — | — | 25,5 *1 |
| CH28 | 9-10 | — | — | 17,4 *1 |
| CH32 | 9-10 | — | — | 19,8 *1 |
| 珪質: | ||||
| CHS5 | 14-17 *2 | — | — | 21,0 *3 |
| ChS15、ChS17 | 4,7 *1 | — | — | 10,5 |
| アルミニウム： | ||||
| ChYu22Sh | 17,5 *1 | — | — | 15,1-28,0 *3 |
| CHJ30 | 22-23 *2 | — | — | — |
| ※1 20～200℃の間。 | ||||
| ※2 20～900℃の間。 | ||||
| ※3 20～500℃の間。 | ||||
線膨張係数 α
線膨張係数 α . 係数への最大の影響 α 特に結合状態で炭素を発揮します。 1パーセントの炭素は約5倍に相当します 大量グラファイトよりもセメンタイト。 したがって、黒鉛化要素 (Si、Al、Ti、Ni、Сuなど)増加、および抗移植 (Cr、V、W、Mo、Mnなど)線膨張係数を下げ、
最高値 α オーステナイト ニッケル鋳鉄は、鋳鉄およびパイロフェラル タイプのフェライト アルミニウム鋳鉄と同様に異なります。 したがって、十分に高い含有量で Ni、Cu、Mn意味 α ; 急激に増加します。 ただし、内容によっては Ni>20% α 減少: 35-37% Ni で最小値に達します。 グラファイトの形状は、低温でのみ線膨張係数に大きく影響します。 α 球状黒鉛を含むダクタイル鋳鉄は、 α ラメラグラファイトを含む鋳鉄。
鋳鉄の比熱容量
鋳鉄の比熱容量は、鉄と同様に、温度の上昇とともに増加し (表 2 を参照)、相変態中に急激に増加するという特徴があります。 Fe α → Fe λ ;次に比熱 鋳鉄急激に低下しますが、さらに温度が上昇すると再び上昇します。
黒鉛化は鋳鉄の比熱容量を低下させます。 ここから白から。 鋳鉄は、ねずみ鋳鉄や高強度鋳鉄よりもわずかに高くなっています (表 4 を参照)。
鋳鉄の熱伝導率。
鋳鉄の熱伝導率は他よりも大きい 物理的特性、構造、その分散、および最小の不純物に依存します。つまり、構造に敏感な特性です。
黒鉛化により熱伝導率が向上します。 そのため、黒鉛化度と黒鉛サイズを増加させる元素が増加し、黒鉛化を防止して構成成分の分散を増加させる元素が減少します。 示されている黒鉛化の効果は、球状黒鉛では少ない (表 4 を参照)。
グラファイトの形状、その析出および分布も熱伝導率に影響します。 たとえば、ダクタイル鋳鉄はねずみ鋳鉄よりも熱伝導率が低くなります。 圧縮黒鉛鉄 (CVG) の熱伝導率は、圧縮黒鉛鉄の熱伝導率よりも高く、 λ ラメラグラファイトを含むねずみ鋳鉄。
高合金鋳鉄は、原則として、通常の鋳鉄よりも熱伝導率が低いという特徴があります。