Звоните, мы сейчас работаем:
Бесплатный номер 8 (800) 301-99-67
Офис в Москве +7 (499) 403-38-65
Скопировать sale10@vt-metall.ru
sale10@vt-metall.ru
Заказать звонок
Металлообрабатывающая компания VT-METALL
Звоните, мы сейчас работаем
8 (800) 301-99-67 sale10@vt-metall.ru
МЕНЮ
  • Главная >
  • Блог >
  • Теплопроводность металлов: характеристики, методы изучения
30.12.2022
315
Время чтения: 10 минут

Теплопроводность металлов: характеристики, методы изучения

Редакция сайта VT-Metall
Сохранить статью:

Вопросы, рассмотренные в материале:

  • Отличия теплоемкости от теплопроводности металлов
  • Теплопроводность стали
  • Коэффициенты теплопроводности сплавов
  • Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов
  • Учет теплопроводности в отопительных системах
  • Методы изучения параметров теплопроводности металлов

Отличия теплоемкости от теплопроводности металлов

Металлами называют химические элементы с кристаллической структурой, обладающие рядом отличительных свойств, таких как ковкость, характерный блеск, высокая электро- и теплопроводность. При значительной температуре они нагреваются, становясь текучими. Некоторые из этих веществ плавятся при относительно небольшом нагреве. Например, кусочек олова или свинца можно расплавить, подержав над свечой.

Для расплавления других используют специальные печи. Чтобы снизить температуру плавления, в их состав добавляют специальные компоненты, получая более плавкие соединения. У ряда сортов стали, бронзы, чугуна или латуни такой порог значительно ниже, чем у основного металла.

Теплопроводность металлов

Разберемся, что определяет температуру плавления. Все металлы и сплавы обладают в той или иной степени теплоемкостью и теплопроводностью. Численным выражением способности материала поглощать теплоту служит удельная теплоемкость, то есть количество поглощаемой энергии на единицу массы при нагревании на 1 °С.

У большей части металлов этот показатель колеблется в диапазоне от 300 до 400 Дж/(кг*К), а у сплавов может варьироваться от 100 до 2 000 Дж/(кг*К). Теплопроводностью определяется, в частности, количество топлива, необходимого для плавки того или иного объема металла.

Теплопроводность металлов описывается законом Фурье. Она проявляется в передаче тепловой энергии от атомов, молекул или электронов с большей температурой к частям с меньшей в ходе их хаотичного движения. Величина этого показателя зависит от агрегатного состояния, структуры и других физических характеристик материала.

Перенос энергии (теплопроводность) в металлах осуществляется электронами. В прочих твердых телах это явление происходит за счет колебания атомов или молекул, находящихся в узлах решетки, которые называют фононами. У металлов величина этого показателя зависит от его кристаллической структуры. Чем меньше она искажена примесями, тем выше способность к передаче тепла. Как уже упоминалось, для снижения теплопроводности в состав сплава вводят легирующие элементы.

Все металлы отличаются относительно высокой теплопроводностью, но она может существенно различаться у разных представителей этой группы. К тем, что хорошо проводят тепловую энергию, относятся золото, серебро и медь. Несколько ниже этот показатель у олова, алюминия и железа.

Способность проводить тепло может быть как положительной, так и отрицательной характеристикой для применения в той или иной области. Наглядно демонстрирует сказанное пример кухонной посуды. Если ручка сковороды выполнена из металла с высокой теплопроводностью, она будет обжигать руки. А вот сковородка должна быстро нагревать еду до высокой температуры, поэтому ее корпус обычно изготавливают из металла или сплава, хорошо проводящего тепло.

Металлы с низкой теплопроводностью обычно отличает высокая концентрация примесей

Металлы с низкой теплопроводностью обычно отличает высокая концентрация примесей, которые искажают кристаллическую решетку и делают структуру мелкозернистой. Чем меньше размер зерен, тем хуже передается тепло. Дисперсная смесь различных фазовых состояний (эвтектиков и эвтектоидов) в структуре металла снижает его способность проводить тепловую энергию по сравнению с основой сплава. Предельно низкой теплопроводностью обладают пористые материалы и газ.

Теплопроводность стали

В справочных материалах по теплопроводности разных металлов особое место занимают значения этого показателя для различных сортов стали.

Справочники содержат рассчитанные и эмпирические данные, относящиеся к основным типам стали:

  • жаро- и коррозионностойким;
  • пружинным и быстрорежущим;
  • высоколегированным.
Теплопроводность стали

В таблицах собраны значения теплопроводности металлов при температуре в диапазоне от -263 °С до +1 200 °С. Специализированные справочники содержат усредненные данные для:

  • углеродистых сортов стали: 50–90 Вт/(м×град);
  • коррозионно-, жаро- и теплостойких мартенситных сплавов: 30–45 Вт/(м×град);
  • сплавов, относящихся к аустенитным: 12–22 Вт/(м×град).

При изготовлении звеньев и арматуры для трубопроводов используют низкоуглеродистые сплавы, обладающие высокой теплопроводностью, колеблющейся от 47 до 54 Вт/(м×К).

Коэффициенты теплопроводности сплавов

Для расчетов, относящихся к различным цветным, черным металлам и их сплавам, при проектировании пользуются таблицами из специальной справочной литературы, где содержатся значения, определенные при температуре от 0 до +600 °С.

Теплопроводность металлов и сплавов:

Металл

ВТ/(М×К)

Латунь

85,5

Бронза

47–58

Fe

74,4

Au

312,8

Al

209,3

Cu

389,6

Pl

70

Hg

29,1

Ar

418,7

Плохо проводящие тепловую энергию металлы, в частности, сплавы на основе олова используют в неразъемных соединениях.

Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов

При относительно высокой стоимости медь отличают как преимущества, так и связанные с ними недостатки. Высокая удельная теплопроводность этого металла обуславливает необходимость использования особых технологических приемов. При термообработке медных заготовок приходится намного точнее соблюдать температурный режим, чем при работе со сталью. Также часто требуется нагревать детали перед обработкой или в процессе.

Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов

При укладке медных труб важно помнить о теплоизоляции, особенно при обустройстве отопительных систем, что существенно повышает стоимость монтажа.

Не менее сложна и газовая сварка деталей из меди. Чтобы работать с медным листом толщиной от 8 до 10 мм, потребуется несколько горелок, из которых одной будет непосредственно производиться сварка, а остальные нужны для подогрева. Кроме того, для сваривания элементов из этого металла расходуется значительно больше вспомогательных материалов.

Обработка медных заготовок связана с применением специализированных инструментов и оборудования. Для резки латуни или меди толщиной в 1,5 см потребуется резак, которым можно работать с хромированной сталью. При обработке медной заготовки такой инструмент справится с толщиной не более 0,5 см.

Учет теплопроводности в отопительных системах

Отопительные системы используются для того, чтобы переносить в помещение тепловую энергию от теплоносителей. С этой целью здания оборудуют отопительными радиаторами или батареями.

Учет теплопроводности в отопительных системах

Отопительные радиаторы представляют собой конструкцию для перемещения теплоносителей. Главные характеристики таких элементов зависят от:

  • материала, из которого они выполнены;
  • конструктивных особенностей;
  • размеров и количества секций;
  • показателей теплоотдачи.

Ключевым параметром будет именно теплоотдача, определяющая количество тепловой энергии, передаваемой отопительной системой в помещение. Чем этот показатель ниже, тем больше теплопотери.

Пользуясь специальной справочной литературой, можно определить материалы, использование которых оптимально для тех или иных систем отопления. Изучая данные, можно сделать вывод, что наиболее эффективно будет работать отопительный радиатор из меди. Однако важно помнить, что ее высокая стоимость и сложности при обработке сводят на нет достоинства этого металла. Именно по этой причине применение меди, как правило, нецелесообразно.

В качестве материала для изготовления элементов отопительных систем нередко используют стальные или алюминиевые сплавы. Также популярны сочетания разных металлов. Биметаллические радиаторы часто выполняются из алюминия и стали.

Маркировка отопительных батарей и радиаторов обязательно содержит указание мощности теплоотдачи.

Современный рынок систем отопления предлагает широкий выбор чугунных, стальных, алюминиевых и биметаллических радиаторов.

Методы изучения параметров теплопроводности металлов

Изучая теплопроводность различных металлов, важно учитывать зависимость характеристик конкретных материалов от технологии их получения. Так, литой металл по своим параметрам всегда будет значительно отличаться от материалов, для изготовления которых использовались методы порошковой металлургии. А сырой металл всегда в корне меняет характеристики в ходе термической обработки.

Методы изучения параметров теплопроводности металлов

Практически все металлы в той или иной степени обладают термической нестабильностью, а значит, их свойства могут изменяться под воздействием высокой температуры. Например, причиной изменения параметров теплопроводности может быть рекристаллизация, уровень которой может по-разному меняться в ходе длительной термообработки.

Из сказанного можно сделать вывод о том, что для исследования теплопроводящих свойств металла или сплава следует брать образцы в определенном стандартном состоянии, к примеру, после термической обработки.

Также применение для исследования методов термического анализа требует измельчения изучаемого материала. Целый ряд исследовательских методик подразумевает соблюдение ряда обязательных условий. Часто для изучения необходимо использовать специально изготовленные металлические пластины или выполнить другую подготовку образцов.

Многие ограничения при использовании тепловых методов исследования физических характеристик связаны с термической нестабильностью металла, так как для анализа образец может подвергаться неоднократному нагреванию в течение требуемого времени.

Нередко для исследования характеристик материала используют релаксационно-динамический метод, предназначенный для массового измерения параметров теплоемкости металла. Здесь определяются температурные кривые образцов при их переходе из одного стационарного состояния в другое. Для проведения измерений в заготовках вызываются температурные скачки под воздействием энергии источника тепла.

Это относительный метод, построенный на разнице параметров испытуемого образца со сравнительным. Необходимым условием при проведении испытаний является наличие у обоих образцов излучающих поверхностей одинаковой площади. В ходе исследования на металл воздействуют ступенчато меняющейся температурой, на каждом этапе соблюдая определенные временные отрезки. Важно подобрать шаг и направление воздействия, чтобы добиться максимально равномерного прогрева заготовок.

При выравнивании тепловых потоков соотношение теплопроводности определяется разностью скорости изменения температуры. Часто в ходе исследования используют дополнительные источники тепла, чтобы подогревать оба образца. Также возможно создание дополнительных термических нагрузок на одну из заготовок.

Существующие методики измерения параметров теплопроводности (LFA, GHP, HFM и TCT) различаются размером и геометрией исследуемых образцов.

Эти аббревиатуры означают применение:

  • лазерной вспышки – LFA;
  • горячей охранной зоны – GHP;
  • теплового потока – HFM;
  • горячей проволоки – TCT.

Указанными методами исследуют металлы и сплавы, чтобы определить коэффициенты их теплопроводности. Также они могут быть применены для работы с огнеупорными материалами или минералокерамикой.

Крайне важно принимать во внимание коэффициент теплопроводности изделий, если их эксплуатация подразумевает возможный перегрев при взаимном трении. Благодаря способности к отведению избыточного тепла, способного вызвать перегрев и разрушение деталей, может быть существенно увеличен срок службы редукторов, шестеренчатых передач, раздаточных валов и многих других механизмов.

Зная особенность передачи тепла теми или иными материалами, можно выбрать для них оптимальную область применения.


Читайте также
Максим Игоревич Макаров
Максим Игоревич печатает ...

Узнайте цены на изделия со скидками
до 30%

Скачать прайс
Написать на почту

Напишите
письмо на почту

Позвонить бесплатно

Позвонить
бесплатно

Написать на почту

Написать
письмо на почту

Яндекс.Метрика