| Published: 

Топлинна дифузия на металите като функция на размера на зърната

Въведение

Заедно с топлопроводността λ, топлодифузията a е важен термофизичен параметър. За разлика от топлопроводимостта, която описва стационарния топлообмен, топлодифузията, α, е параметър за преходния топлообмен на даден материал. За да се изчисли топлопроводността, освен специфичния топлинен капацитет, Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp, и плътността, ρ , се изисква и топлинната дифузия, a :

λ = α-Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp

Специфичният топлинен капацитет зависи само от химичния състав. Плътността е функция на макроскопичната структура на материала (напр. пори). Топлинната дифузия зависи от макроструктурата, но отчасти и от микроструктурата на образеца.

По-долу е показана термичната дифузия на меден образец като функция на размера на зърната. Като правило, колкото по-малък е размерът на зърната (= колкото повече са границите на зърната), толкова по-малка е термичната дифузия. Структурата на меден образец, произведен чрез адитивно производство, се характеризира с много small зърна и следователно с много граници на зърната, поради относително кратките цикли на нагряване и бързо охлаждане. Закаляването на образеца (1 h при 1000 °C) води до структура със значително по-големи зърна и следователно с по-малко граници на зърната. Сравнението на микроструктурите е показано на фигура 1.

1) Структура на образец от мед с висока чистота (99,3%), произведен чрез адитивно производство. Вляво: мед непосредствено след производството; вдясно: темперирана мед (1 час при 1000°C)

Условия за измерване

Измерването на топлинната дифузия при стайна температура на двата медни образеца е извършено с LFA 467 HyperFlash®. Образците LFA са с диаметър 12,7 mm и дебелина 3 mm. Преди измерването образците бяха леко, но не непрозрачно, покрити с графит, за да се подобрят свойствата на излъчване и поглъщане на медните образци.

Резултати от измерването

Резултатите са обобщени в таблица 1. Темперираната проба, със 116,88 mm²/s, показва почти същата литературна стойност за чиста мед, със 117 mm²/s [1]. Медната проба непосредствено след адитивното производство, с по-малко зърнеста микроструктура, показва значително по-ниска термична дифузия от 108,97 mm²/s.

Заключение

LFA е безконтактен метод за измерване, който може надеждно да определи дори small разлики, като например тези, причинени от промяна в микроструктурата, без смущаващото влияние на контактните съпротивления.

Потвърждение

Бихме искали да благодарим на Infinite Flex GmbH за адитивното производство и темперирането на медните проби и на Университета в Байройт, катедра "Метали", за предоставянето на микрографиите.

Таблица 1: Топлинна дифузия на чиста мед с различни структури при стайна температура

ОбразецТоплинна дифузия/mm²/sОтклонение от литературната стойност за чиста мед
Мед, директно след адитивно производство108.97-6.8%
Мед, темперирана (1 час при 1000°C)116.88-0.1%

Literature

  1. [1]
    Y.S. Touloukian; Термофизични свойства на материята - том 10 - част 1 - Топлинна дифузия