Теплопроводность стали: свойства, зависимость от температуры и применение
Теплопроводность - одно из важнейших свойств стали, от которого напрямую зависит эффективность многих технических систем: от компьютерных процессоров до промышленных теплообменников. Далее разберем, как рассчитать этот показатель для различных марок стали, от чего зависит теплопроводность, приведем практические рекомендации для инженеров.
Определение теплопроводности стали и единицы измерения
Теплопроводность характеризует способность материала проводить тепло. Этот параметр показывает, какое количество теплоты может передаваться через единицу площади поперечного сечения вещества при градиенте температуры.
Коэффициент теплопроводности стали обозначается буквой λ и измеряется в Вт/(м·°C) или Вт/(м·К). Эта величина зависит от многих факторов, о которых речь пойдет далее.
Факторы, влияющие на теплопроводность стали
На теплопроводность стали влияют:
- Химический состав
- Структура материала
- Наличие дефектов и неоднородностей
- Плотность
- Температура
Рассмотрим подробнее каждый из этих факторов.
Химический состав. Чем выше содержание легирующих элементов, особенно углерода, тем ниже теплопроводность стали. Это связано с искажением кристаллической решетки железа примесями, что затрудняет перенос тепла.
Структура материала тоже играет большую роль. Например, аустенитные хромоникелевые стали обладают заметно меньшей теплопроводностью по сравнению с ферритными и мартенситными сталями.
Зависимость от температуры нагрева
У большинства марок стали с повышением температуры коэффициент теплопроводности понижается. Это объясняется увеличением интенсивности тепловых колебаний атомов, что препятствует распространению тепла.
Математически эта зависимость выражается формулой:
λ = λ0/(1+a·t+b·t2)
где λ0 - теплопроводность при 0°С, а и b - эмпирические коэффициенты, t - температура в °С.
Для некоторых сплавов характерен экстремум зависимости λ(t), когда после спада теплопроводность вновь начинает возрастать при высоких температурах.
Правило: чем выше содержание углерода, тем ниже теплопроводность
Как уже отмечалось, концентрация легирующих элементов, в первую очередь углерода, значительно влияет на теплопроводность стали. Чем выше процент углерода, тем меньше значение коэффициента λ. Это объясняется искажением кристаллической решетки сплава, затрудняющим теплопередачу.
Так, для низкоуглеродистой стали с 0,05-0,25% C теплопроводность составляет 35-50 Вт/(м·°C). А для инструментальных и конструкционных сталей с 0,6-1,7% C этот показатель не превышает 30 Вт/(м·°C).
Поэтому при разработке узлов, в которых важен эффективный отвод тепла, рекомендуется использовать малоуглеродистые стали.
Сравнение теплопроводности разных металлов
Для сравнения приведем значения теплопроводности некоторых металлов при 20°C:
| Металл | Теплопроводность, Вт/(м·°C) |
| Серебро | 429 |
| Сталь | 43-58 |
| Никель | 91 |
| Алюминий | 236 |
| Медь | 385-400 |
Видно, что теплопроводность большинства сталей заметно ниже, чем у цветных металлов. Это объясняется более сложным химическим составом и структурой стальных сплавов по сравнению с чистыми металлами.
Почему важно учитывать теплопроводность стали
Знание теплопроводности конкретной марки стали необходимо в следующих случаях:
- Расчет теплообменных аппаратов
- Проектирование систем охлаждения
- Оптимизация режимов термообработки
- Предотвращение перегрева деталей в эксплуатации
Если не учитывать этот параметр, возможен выход из строя узлов из-за перегрева или недостаточного теплосъема. Поэтому теплопроводность обязательно контролируется при производстве и испытаниях стали.
Как определить теплопроводность стали на практике
Существует несколько методов экспериментального определения теплопроводности:
- Метод плоской стенки
- Метод цилиндрической стенки
- Метод параллельных пластин
- Метод раскаленной нити
Все они основаны на создании однонаправленного потока тепла через образец стали и измерении градиента температуры. По полученным данным рассчитывают коэффициент теплопроводности.
Примеры расчетов для конкретных марок сталей
В таблице приведены типичные значения теплопроводности некоторых распространенных марок стали в зависимости от температуры:
| Марка стали | Теплопроводность при 20°C, Вт/(м·°C) | Теплопроводность при 700°C, Вт/(м·°C) |
| Сталь 20 | 48 | 29 |
| Сталь 40 | 51 | 25 |
| Сталь 10 | 83 | 44 |
Видно, что при нагреве до 700°C теплопроводность снижается почти вдвое. Это важный факт, который необходимо учитывать в расчетах.
Влияние других материалов, контактирующих со сталью, на теплопроводность
На эффективность теплоотвода влияет не только теплопроводность самой стали, но и других элементов, контактирующих с ней. Например, качество теплопроводящей пасты между процессором и радиатором в компьютере.
Если вместо пасты использовать обычный клей, контакт будет хуже. Радиатор будет плохо отводить тепло от перегревающегося процессора. В результате процессор может выйти из строя от перегрева.
Применение в теплообменниках
При проектировании теплообменников обязательно учитывают теплопроводность используемых материалов. Чаще всего применяют стали 20, 15, 12Х18Н10Т. Их коэффициенты теплопроводности закладывают в инженерные расчеты.
Кроме того, нужно предусмотреть компенсацию падения теплопроводности при высоких температурах эксплуатации.
Значение при разработке теплоизоляторов
При создании теплоизоляционных материалов основное требование - это минимальная теплопроводность. Чем меньше этот коэффициент, тем лучше изолятор.
Поэтому часто используют вспененные полимеры, в структуре которых много воздуха. Теплопроводность воздуха очень мала, что обеспечивает низкое значение λ для таких пористых материалов.
Теплопроводность различных стальных изделий
Теплопередача не зависит от формы стального изделия. Теплопроводность листа, трубы или балки из одной марки стали при одинаковой температуре будет одинаковой.
Однако при выборе конкретного профиля или листа нужно обращать внимание на марку стали. У разных марок теплопроводность различается в 1,5-2 раза.
Рекомендации по выбору стали с оптимальной теплопроводностью
При конструировании узлов с интенсивным теплоотводом лучше использовать малоуглеродистые стали с высокой теплопроводностью. Например, стали 10, 15, 20.
Если же требуется теплоизоляция, подойдут высоколегированные коррозионностойкие стали типа 12Х18Н10Т с пониженной теплопроводностью.
Учет анизотропии теплопроводности в некоторых случаях
Для проката теплопроводность может быть разной вдоль и поперек направления прокатки. Это явление называется анизотропией.
При расчетах теплообменных аппаратов из листового или полосового проката анизотропию надо учитывать для повышения точности.
Исторический экскурс: открытие зависимости теплопроводности стали от температуры
Явление падения теплопроводности стали с ростом температуры было открыто еще в 19 веке немецкими учеными. Однако долгое время не было единой теории, объясняющей этот эффект.
Первые систематические исследования провел Э. Грюнайзен в начале 20 века. Он выявил, что коэффициент теплопроводности обратно пропорционален температурным колебаниям атомов решетки. В дальнейшем была разработана математическая модель этой зависимости, позволившая точно рассчитывать теплопередачу в стали при различных температурах.
Влияние структурных превращений в стали на теплопроводность
При нагреве стали могут происходить фазовые переходы, например, из феррита в аустенит. Это вызывает резкие скачки теплопроводности.
Поэтому на графиках зависимости λ(t) иногда наблюдаются пики или провалы. Их нужно учитывать при моделировании процессов теплопередачи.
Влияние пластической деформации на теплопроводность
Обработка металлов давлением, например, прокатка, ковка, штамповка, приводит к наклепу - повышению плотности дислокаций в кристаллической решетке.
Это ухудшает теплопередачу. Поэтому у сильно деформированной стали теплопроводность ниже, чем у отожженной.
Методы повышения теплопроводности стали
Иногда требуется увеличить теплопроводность стальных изделий, например, для теплоотводящих элементов.
Для этого применяют следующие методы:
- Легирование высокотеплопроводными элементами (медь, алюминий, никель)
- Оптимизация структуры и текстуры
- Уменьшение размера зерна
- Создание композитов со включением высокотеплопроводных частиц
Перспективно использование углеродных нанотрубок и графена для повышения теплопроводности на 15-20%.
Особенности расчета теплообменников со сталью
Из-за температурной зависимости теплопроводности стали при моделировании теплообменников нужно учитывать это свойство.
Рекомендуется разбивать теплообменную поверхность на несколько зон по температуре и для каждой задавать свое значение λ.
Теплопроводящие стали в электротехнике
Высокотеплопроводные электротехнические стали используются для изготовления сердечников трансформаторов и электрических машин.
Это позволяет эффективно отводить тепло от обмоток и предотвращать их перегрев.
Проблемы, связанные с анизотропией теплопроводности стали
Как уже упоминалось, у проката теплопроводность может отличаться вдоль и поперек направления прокатки. Это явление анизотропии.
Из-за него при расчетах теплопередачи могут возникать ошибки. Например, реальная температура стального листа в теплообменнике может отличаться от смоделированной.
Учет анизотропии на практике
Для учета анизотропии теплопроводности измеряют значения λ вдоль и поперек прокатки. Затем корректируют расчетные модели.
Однако такой подход усложняет инженерные расчеты. Поэтому часто ограничиваются средним значением теплопроводности.
Перспективы повышения теплопроводности стали
Активно ведутся работы по созданию композиционных материалов на основе стали с более высокой теплопроводностью.
Помимо нанотрубок, рассматриваются нитрид бора, карбид кремния и другие соединения в качестве наполнителей. Прогнозируется рост теплопроводности стали на 30-50% по сравнению с традиционными сплавами.