Diffusion thermique des métaux en fonction de la taille des grains

Introduction

Avec la conductivité thermique, λ, la diffusivité thermique, a, est un paramètre thermophysique important. Contrairement à la conductivité thermique, qui décrit le transfert de chaleur stationnaire, la diffusivité thermique, α, est un paramètre pour le transfert de chaleur transitoire d'un matériau. Pour calculer la conductivité thermique, la diffusivité thermique, a, est nécessaire en plus de la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique, _{Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp}, et de la densité, ρ :

λ = _{α-Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp-ρ}

La Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique ne dépend que de la composition chimique. La densité est fonction de la structure macroscopique du matériau (p. ex. pores). La diffusivité thermique dépend de la macrostructure, mais aussi en partie de la microstructure d'un échantillon.

Dans ce qui suit, la diffusivité thermique d'un échantillon de cuivre est présentée en fonction de la taille des grains. En règle générale, plus la taille des grains est petite (= plus il y a de joints de grains), plus la diffusivité thermique est faible. La structure d'un échantillon de cuivre produit par fabrication additive est caractérisée par de nombreux grains small et donc de nombreux joints de grains, en raison des cycles de chauffage relativement courts et des cycles de refroidissement rapides. Le revenu de l'échantillon (1 h à 1000°C) donne une structure avec des grains nettement plus gros et donc moins de joints de grains. Une comparaison des microstructures est présentée dans la figure 1.

Conditions de mesure

La mesure de la diffusivité thermique à température ambiante des deux échantillons de cuivre a été effectuée avec le LFA 467 HyperFlash^®. Les échantillons LFA avaient un diamètre de 12,7 mm et une épaisseur de 3 mm. Les échantillons ont été légèrement, mais pas de manière opaque, recouverts de graphite avant la mesure afin d'améliorer les propriétés d'émission et d'absorption des échantillons de cuivre.

Résultats des mesures

Les résultats sont résumés dans le tableau 1. L'échantillon trempé, à 116,88 mm²/s, présente une valeur proche de celle de la littérature pour le cuivre pur, à 117 mm²/s [1]. L'échantillon de cuivre obtenu directement après la fabrication additive, avec une microstructure à grains plus petits, présente une diffusivité thermique nettement plus faible de 108,97 mm²/s.

Conclusion

LFA est une méthode de mesure sans contact qui permet de résoudre de manière fiable des différences, même sur small, telles que celles causées par un changement de microstructure, sans l'influence perturbatrice des résistances de contact.

Remerciements

Nous tenons à remercier Infinite Flex GmbH pour la fabrication additive et la trempe des échantillons de cuivre, ainsi que l'université de Bayreuth, département des métaux, pour avoir fourni les micrographies.

Tableau 1 : Diffusion thermique du cuivre pur avec différentes structures à température ambiante