Процессы, протекающие внутри нагреваемого металла

Важнейшими показателями процесса нагрева металла яв­ляются температура и скорость нагрева. Температурой на­грева называют конечную температуру, при которой ме­талл выдают из печи и которая определяется целями даль­нейшей обработки металла. Скорость нагрева — это изме­нение температуры металла во времени.

При термообработке температуру нагрева выбирают в соответствии с видом термообработки и критическими температурами, характерными для стали данной марки.

Обработка металла давлением требует такой темпера­туры нагрева, при которой металл обладает необходимыми пластическими свойствами. Температуру нагрева металла следует выбирать с учетом того, какая минимальная тем­пература допустима в конце обработки. На скорость нагре­ва накладывают ограничения те процессы, которые проте­кают внутри металла в процессе его нагрева. При терми­ческой обработке эти ограничения связаны со структурными изменениями металла; при нагреве перед обработкой давлением в металле возможны большая неравномерность нагрева по толщине металла и как следствие возникнове­ние недопустимых внутренних напряжений. Чем выше ско­рость нагрева металла, тем больше перепад температур по толщине металла и тем значительнее возникающие при на­греве температурные напряжения.

Перепад температур связан со скоростью нагрева сле­дующим выражением:

где С_н — скорость нагрева, К/с; S — толщина металла, м.

Температурные напряжения в металле опасны до воз­никновения в нем пластических свойств. Для стали напря­жения опасны в интервале температур 273—773 К. При температуре выше 773 К напряжения исчезают в результа­те возникновения пластической деформации. При нагреве малоуглеродистой стали, обладающей высокой пластично­стью, возникающие напряжения не опасны даже при тем­пературах ниже 773 К. Если толщина нагреваемого матери­ала незначительна (например, у листа), то значительный перепад температур, а следовательно, и напряжения воз­никнуть не могут.

Таким образом, при нагреве углеродистых и легирован­ных сталей в интервале температур от 273 до 773 К возникающие напряжения не должны превышать максимально допустимых. Иными словами, скорость нагрева следует вы­бирать так, чтобы не возникали чрезмерные, недопустимые температурные напряжения, которые способны вызвать разрушение металла.

За допустимое напряжение следует принимать истинное сопротивление разрыву, на основании которого можно оп­ределить допустимую скорость нагрева.

Наибольшие по абсолютной величине напряжения сжа­тия, наблюдающиеся на поверхности нагреваемого металла в форме пластины, могут быть определены по формуле, Па

где b — коэффициент линейного расширения, 1/К; Е — мо­дуль упругости, Па; v — пуассоново отношение; для стали принято v = 0,3; С_н — скорость нагрева, К/с; S — толщина пластины, м; а — коэффициент температуропроводности, м²/ч; DT — перепад между температурой поверхности и центра в нагреваемом материале, К.

Если в формуле (67) s принять за допускаемое напря­жение s_д, то для определения допустимой скорости нагре­ва стали получаем выражение

(68)

Из формулы (68) вытекает, что допустимая разность температур

Для того чтобы уменьшить перепад температур по тол­щине металла и прогреть его более равномерно, осущест­вляют выдержку (томление), при которой температура по­верхности металла не повышается, а тепло, поступающее на его поверхность, проникает внутрь и способствует повы­шению температуры его центра.