Тепловая диффузия металлов в зависимости от размера зерна

Введение

Наряду с теплопроводностью, λ, теплопроводность, a, является важным теплофизическим параметром. В отличие от теплопроводности, которая описывает стационарный теплообмен, тепловая диффузия, α, является параметром переходного теплообмена материала. Для расчета теплопроводности помимо удельной теплоемкости, _{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp}, и плотности, ρ, необходима тепловая диффузия, a:

λ = _{α-Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp-ρ}

Удельная теплоемкость зависит только от химического состава. Плотность зависит от макроскопической структуры материала (например, от наличия пор). Теплопроводность зависит от макроструктуры, а также частично от микроструктуры образца.

Ниже показана тепловая диффузия медного образца в зависимости от размера зерна. Как правило, чем smallбольше размер зерна (= чем больше границ между зернами), тем ниже теплопроводность. Структура медного образца, полученного методом аддитивного производства, характеризуется большим количеством зерен small и, следовательно, большим количеством границ зерен, что обусловлено относительно короткими циклами нагрева и быстрого охлаждения. Закалка образца (1 ч при 1000°C) дает структуру со значительно larger зернами и, соответственно, меньшим количеством границ зерен. Сравнение микроструктур представлено на рисунке 1.

Условия измерения

Измерение температуропроводности при комнатной температуре двух медных образцов проводилось с помощью прибора LFA 467 HyperFlash^®. Образцы LFA имели диаметр 12,7 мм и толщину 3 мм. Перед измерением образцы были слегка, но непрозрачно, покрыты графитом для улучшения эмиссионных и абсорбционных свойств медных образцов.

Результаты измерений

Результаты обобщены в таблице 1. Теплопроводность закаленного образца, равная 116,88 мм²/с, почти соответствует литературному значению для чистой меди, равному 117 мм²/с [1]. smallОбразец меди, полученный непосредственно после аддитивного производства, с более зернистой микроструктурой, показывает значительно меньшую теплопроводность - 108,97 мм²/с.

Заключение

LFA - это бесконтактный метод измерения, который позволяет надежно определять даже small различия, например, вызванные изменением микроструктуры, без мешающего влияния контактных сопротивлений.

Благодарность

Мы благодарим компанию Infinite Flex GmbH за аддитивное производство и закалку медных образцов, а также Университет Байройта, факультет металлов, за предоставленные микрофотографии.

Таблица 1: Тепловая диффузия чистой меди с различными структурами при комнатной температуре