Теплоемкость чугуна и стали

Теплофизические свойства чугуна

Коэффициент линейного расширения α, удельная теплоемкость с и теплопроводность λ зависят от состава и структуры чугуна, а также от температуры. Поэтому значения их приводят в соответствующем интервале температур. С повышением температуры значения α и с обычно увеличиваются, а λ уменьшается (табл 1).

Таблица 1. Теплофизические свойства серого чугуна в зависимости от температуры

Температура, °C	α, 1/°C	c, Дж/(кг∗°C)	λ, Вт/(м∗°C)
60	10,0	502	54,4
160	11,0	523	50,2
260	13,1	553	48,1
360	13,7	586	46,0
510	15,9	620	—

Коэффициент линейного расширения α и удельная теплоемкость c реальных неоднородных структур, в том числе чугуна, может быть определена по правилу смешения:

Таблица 2. Теплофизические свойства структурных составляющих чугуна

Структурная составляющая	α 100 ₂₀₀, 1/°C	c 100 ,Дж/(кг∗°C)	λ 100 Вт/(м∗°C)
Феррит	12,0-12,6	460-470	72,8-75,5
Аустенит	18-19	502	41,8
Цементит	6,0-6,5	615	49,0
Перлит	10,0-11,6	486	50,3-51,9
Графит	1,4-3,7	795	355,8

Теплопроводность сплавов и смесей в отличие от коэффициента α и теплоемкости c не может быть определена по правилу смешения. Влияние отдельных элементов на теплопроводность расчетным путем можно установить лишь приближенно.

На коэффициент α и удельную теплоемкость с влияет главным образом состав чугуна, а на теплопроводность λ — степень графитизации, дисперсность структуры, неметаллические включения и т. п.

Коэффициент линейного расширения определяет не только изменения размеров в зависимости от температуры, но и напряжения, образующиеся в отливках. Уменьшение α является полезным с этих позиции и облегчает условия получения качественных отливок. Но в случае совместной работы чугунных деталей с деталями из цветных сплавов или других материалов, имеющих больший коэффициент линейного расширения, приходится стремиться к увеличению значения α для чугуна.

Теплоемкость и теплопроводность имеют большое значение для таких отливок, как отопительные трубы, изложницы, детали холодильных установок и двигателей внутреннего сгорания и т.д., так как определяют равномерность распределения температуры в отливках и интенсивность отвода теплоты.

В табл. 3 приведены теплофизические свойства чугунов различных групп.

Таблица 3. Теплофизические свойства чугуна

Чугун	α₂₀ 100 ∗10 6 , 1/°C	c₂₀ 100 , Дж/(кг∗°C)	c₂₀ 1000 , Дж/(кг∗°C)	λ₂₀ 100 , Вт/(м∗°C)
Серый с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85):
СЧ10-СЧ18	10-11	502-544	586-628	46,0-54,4
СЧ20-СЧ30	10-11	502-544	586-628	41,8-50,2
СЧ35	11,5-12,0	502-544	628-670	37,6-46,0
Высокопрочный (ГОСТ 7293-85):
ВЧ 35-ВЧ 45	11,5-12,5	460-502	586-628	37,6-46,0
ВЧ 60-ВЧ 80	10-11	502-523	628-670	33,5-41,9
ВЧ 100	9-10	523-565	628-670	29,3-37,6
Ковкий (ГОСТ 7769-82):
КЧ 30-6/КЧ 37-12	10,5-11,0	460-511	586-628	54,4-62,8
КЧ 45-5/КЧ 65-3	10,3-10,8	527-544	628-670	50,2-54,4
Легированный (ГОСТ 7769-82)
никелевый ЧН20Д2Ш	17-19	—	460-502	17,4
с 35-37% Ni	1,5-2,5	—	—	—
хромистый:
ЧХ16	—	—	—	32,5 _*1
ЧХ22	—	—	—	25,5 _*1
ЧХ28	9-10	—	—	17,4 _*1
ЧХ32	9-10	—	—	19,8 _*1
кремнистый:
ЧС5	14-17 _*2	—	—	21,0 _*3
ЧС15, ЧС17	4,7 _*1	—	—	10,5
алюминиевый:
ЧЮ22Ш	17,5 _*1	—	—	15,1-28,0 _*3
ЧЮ30	22-23 _*2	—	—	—
_*1В интервале 20-200 °C.
_*2В интервале 20-900 °C.
_*3В интервале 20-500 °C.

Коэффициент линейного расширения α

Коэффициент линейного расширения α. Наибольшее влияние на коэффициент α оказывает углерод, в особенности в связанном состоянии. Одному проценту углерода соответствует примерно в 5 раз большее количество цементита, чем графита. Поэтому графитизирующие элементы (Si, Al, Ti, Ni, Сu и др.) повышают, а антиграфнтизирующие (Cr, V, W, Мо, Мn и др.) уменьшают коэффициент линейного расширения,

Наибольшим значением α отличаются аустенитные никелевые чугуны, а также ферритные алюминиевые чугуны типа чугаль и пирофераль. Поэтому при достаточно высоком содержании Ni, Сu, Мn значение α; резко увеличивается. Однако при содержании Ni>20% α понижается : и достигает минимума при 35—37 % Ni. Форма графита существенно влияет на коэффициент линейного расширения лишь при низких температурах; α высокопрочного чугуна с шаровидным графитом несколько выше, чем α чугуна с пластинчатым графитом.

Удельная теплоемкость чугуна

Удельная теплоемкость с чугуна, как и железа, увеличивается с повышением температуры (см. табл. 2) и характеризуется скачкообразным повышением при фазовом превращении Fe_α→Fe_λ; затем удельная теплоемкость чугуна резко падает, но с дальнейшим повышением температуры вновь увеличивается.

Читать еще: Как плавить сталь в домашних условиях

Графитизация понижает удельную теплоемкость чугуна; отсюда с белого; чугуна несколько выше, чем серого и высокопрочного (см. табл. 4).

Теплопроводность чугуна.

Теплопроводность чугуна в большей мере, чем другие физические свойства, зависит от структуры, ее дисперсности и мельчайших загрязнений, т. е. является структурно-чувствительным свойством.

Графитизация повышает теплопроводность; следовательно, элементы увеличивающие степень графитизации и размер графита, повышают, а элементы, препятствующие графитизации и увеличивающие дисперсность структурных составляющих, понижают. Указанное влияние графитизация меньше для шаровидного графита (см. табл. 4).

Форма графита, его выделение и распределение также влияют на теплопроводность. Например, высокопрочный чугун имеет более низкую теплопроводность, чем серый чугун. Теплопроводность чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) выше, чем у ЧШГ, и близка к λ серого чугуна с пластинчатым графитом.

Высоколегированные чугуны характеризуются, как правило, более низкой теплопроводностью, чем обычные.

Дамир.рф

Ванны и батареи физика

Принципы расчета теплоёмкости металлической посуды применимы для батарей и ванн.

Чугунная батарея остывает дольше.

Еще раз обращу внимание, что темпы остывания предмета напрямую зависят от массы и удельной теплоёмкости материала, из которого он изготовлен. Не путать теплоёмкость и теплопроводность!

Чугунная батарея тяжелее алюминиевой раза в три. Следовательно, обладает большей теплоёмкостью в 2,5 раза.

Очень часто задают вопрос: почему чугунные батареи остывают дольше стальных?

И удельные теплоёмкости — 540 Дж/(кг*К) для чугуна и 460 Дж/(кг*К) для стали — относительно мало отличаются (15%). А весь секрет — в значительной степени — заключается в существенно большей массе чугунных батарей.

Масса секции батарей:

Металл секции	Масса секции, кг
алюминий	0,5 — 1,5
биметалл (сталь с алюминием)	1,5
чугун	3,7 — 5,9

Если же сравнивать две одинаковые по массе батареи — из стали и чугуна — то при одинаковой температуре прогрева чугунная батарея сохранит тепла больше на 15%.

Чугунная ванна сохраняет тепло.

Чугунная ванна:

Масса	100 кг
Коэффициент удельной теплоёмкости чугуна	540 Дж/(кг*К)
Теплоёмкость самой ванны из чугуна	100 кг * 540 Дж/(кг*К) = 54 кДж/К

Стальная ванна:

Масса	30 кг
Коэффициент удельной теплоёмкости стали	720 Дж/(кг*К)
Теплоёмкость самой ванны из стали	30 кг * 720 Дж/(кг*К) = 21,6 кДж/К

То есть количество выделяемого тепла при остывании на 1 градус у чугунной ванны больше, чем у ванны из стали (в нашем примере) в 2,5 раза.

Теплоёмкость воды в ванне:

Объем	100 литров = 0,1 куб. м
Плотность воды	1000 кг/куб. м
Коэффициент удельной теплоёмкости воды	4183 Дж/(кг*К)
Теплоёмкость воды в ванне	0,1 куб. м * 1000 кг/куб. м * 4183 Дж/(кг*К) = 418,3 кДж/К

Из чего следует, температура горячей воды (40 градусов), налитая в ванну при комнатной температуре (20 градусов) упадет на 1 градус для стальной ванны и на 2,5 градуса для чугунной ванны.

Металлическая посуда глазами физика

Возвращаясь к теме металлической посуды, покажу в цифрах физику процессов.

Теплопроводимость.

Теплопроводность численно равна количеству теплоты (Дж), проходящее через единицу площади (кв.м) за единицу времени (сек) при единичном температурном градиенте.

Коэффициенты теплопроводности из справочника:

Металл	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)
Медь	390
Алюминий	236
Сталь	47
Чугун	42

Вывод: чугун распределяет тепло медленно. Иными словами, мясо на чугунной сковороде не будет пригорать (в том числе) из-за более равномерного распределения тепла.

Похожая ситуация в приготовлении шашлыка на природе. Приготовление мяса на углях позволяет пропечь куски. Приготовление на открытом огне просто зажаривает внешнюю часть кусков мяса, оставив внутренние части сырыми.

Теплоёмкость.

Теплоёмкость численно равна количеству теплоты (Дж), которое необходимо передать, чтобы изменить его температуру на единицу (К).

Удельная теплоёмкость.

Удельная теплоёмкость – количество теплоты (Дж), которое необходимо передать единице массы вещества (кг), чтобы его температура изменилась на единицу температуры (К).

Иными словами, чтобы посчитать теплоёмкость металлической посуды – сколько тепловой энергии будет в прогретой до нужной температуры посуде – необходимо массу посуды (кг) умножить на удельную теплоёмкость металла (Дж/(кг*К)), из которого она изготовлена.

Значения удельной теплоёмкости из справочника:

Металл	Удельная теплоёмкость, Дж/(кг*К)
Алюминий	930
Чугун	540
Сталь	460
Медь	385

Приблизительные массы металлических сковород:

Сковорода	Масса, кг
Алюминиевая сковорода с ручкой (диаметр 260 мм)	0,65
Чугунная сковорода с ручкой (черный чугун; диаметр 250 мм; глубина 40 мм)	2,10

Вывод: чугунная посуда массой 2,1кг будет почти в два раза (1,9 раза) больше отдавать тепла, чем алюминиевая посуда массой 0,65кг. И наоборот, чугунная посуда требует в два раза больше энергии для прогрева, чем алюминиевая посуда.

Иными словами, для поддержания (сохранения) температуры готовки чугунная посуда подходит лучше. А для разогрева еды будет более пригодна алюминиевая посуда.

Чугун СЧ30

Марка: СЧ30	Класс: Чугун серый
Использование в промышленности: для изготовления отливок

Поставщик АО “Завод специального машиностроения “Маяк”, zsm-m.ru
Купить: г. Калуга +7(4842) 75-10-21, 201-248, +7 900 579-08-39 (многоканальные), zsm-mk[æ]yandex.ru
Литье марки СЧ30

Химический состав в % чугуна СЧ30
C	3 – 3,2
Si	1,3 – 1,9
Mn	0,7 – 1
S	до 0,12
P	до 0,2
Fe

Свойства и полезная информация:

На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества и другие термодинамические параметры.
В качестве примера, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 °C и 60 °C.
Кроме того, удельная теплоёмкость зависит от того, каким типом позволено изменяться термодинамическим параметрам вещества ( давлению, объёму и т. д. ) ;
например, удельная теплоёмкость при непрерывном давлении ( C P ) и при непрерывном объёме ( C V ), вообще разговаривая, разные.

Жидкотекучесть зависит от характеристик металла и фигуры : она может быть установлена различными методами.
Чаще всего, жидкотекучесть, определяемая длиной L заполненной пробы, растет при уменьшении вязкости, увеличении перегрева ( при этом великое влияние жидкотекучесть оказывает перегрев выше температуры начала затвердевания ), уменьшении интервала затвердевания ( наибольшая жидкотекучесть наблюдается при эвтектическом составе ) и зависит от скрытой теплоты плавления q и теплоемкости с, отложенных к единице объема.

Сопротивление коррозии зависит от структуры чугуна и от наружной сферы ( ее состав, температура, а также ее движения ).
По убывающему электродному потенциалу структурные составляющие чугуна могут быть размещены в таковой последовательности : графит ( наиболее твердый ) – цементит, фосфидная эвтектика – феррит.
Разность потенциалов между ферритом и графитом составляет 0, 56 в.
Сопротивление коррозии уменьшается по степени увеличения степени дисперсности структурных составляющих.
Однако чрезмерное снижение степени дисперсности графита также снижает сопротивление коррозии.
Легирующие элементы оказывают влияние на сопротивление чугуна коррозии в соответствии с их действием на структуру.
Повышенное сопротивление коррозии наблюдается у чугунных отливок с сохранившейся литейной коркой.
Скорость коррозии по взаимоотношению к различным средам приведена в табличках 7, 8 и 9.

который часто используют в качестве калильного элемента в каменке.
Действительно это значит, что при одном объеме каменки при использовании чугунных камней париться, не подкладывая дров в топку, можно в три раза дольше.
Особые чугунные камни для выговоров не уступают по привлекательности настоящим породам : они могут быть любой формы и величины, с декоративными узорами и надписями.
Прямоугольные, квадратные чушки удобно высказывать в печи.
Целые могут быть схожими на настоящие булыжники и основы, а таблетки из чугуна выглядят оригинально.
Специально разработанные камни из чугуна – это экологически, химически и биологически безопасный наполнитель.

Если вы усвоили правила приготовления на чугуне, у вас не будет проблем с отмыванием даже дешевейшей чугунки.
Совершенно довольно будет просто промыть ее под струей воды губкой, высушить на тихом огоньке, потом побрызгать масло и еще немного подержать на огоньке.
Но редко случаются и казусы.
В этом случае сковроду, увы, придется замочить, а потом оттирать, используя маленькую повареную соль.
Не стоит отскребать пригоревшую пищу от чугунной сковородки жестяными мочалками, ножиками и т.п.
Чугунка, конечно, крепче тефлона, но царапины на ней все же остаются.
Если на сковороде полно тука, подержите ее под струей горячей водички, чтобы растаявший жир смыло, потом скоро промойте моющим средством.
После замачивания и использования моющих средств сковородку следует не просто просушивать, а слегка прокаливать.

Особенностями структуры матрицы высокопрочного чугуна с шаровидным графитом являются : а ) расположение феррита преимущественно в виде оторочек вокруг включений шаровидного графита ;
б ) тонче, чем у серого чугуна, строение пластинчатого перлита, часто напоминающее сорбитообразный перлит.
Излом высокопрочного чугуна с шаровидным графитом посветлее и мелкозернистый, чем серого чугуна.
Химический состав является одним из главных параметров при выборе чугуна для конкретной подробности.

Особую группу легированного чугуна составляет, который был помянут, для работы в условиях абразивного износа ( таблице 25 ).
Основным легирующим элементом чугуна является хром : кроме того в его составе имеется никель или молибден, в некоторых случаях проводят дополнительное легирование титаном и бором.

Оценка статьи:

Загрузка...