СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD TO DETERMINE THERMAL CONDUCTIVITY FACTOR FOR NANOSTRUCTURISED SURFACE LAYER OF ENGINEERED MATERIALS

Изобретение относится к области исследования изменения теплофизических свойств конструкционных материалов при наноструктурирующей обработке нестационарным методом неразрушающего контроля.
Теплопроводность поверхностного слоя является важной технологической характеристикой материала при назначении параметров режима обработки деталей из различных материалов. В диапазоне температур, соответствующих наноструктурирующей обработке, теплопроводность поверхности обрабатываемого материала зависит от химического состава, структуры и имеет максимальное значение после многократного отпуска. Теплопроводность поверхностного слоя уменьшается с увеличением накопленной степени деформации. Зависимость теплопроводности от степени деформации обусловлена видом, интенсивностью механической обработки и кратностью приложения нагрузки. Зависимость теплопроводности от вида и состояния материала может быть получена по измерениям данных, характеризующих индивидуальные свойства материала после его механической или термической обработки.
Известен способ определения теплопроводности твердых тел путем подвода к торцам образца равных по величине и противоположных по знаку мощностей, измерения разности температур, поддержания температуры средней точки образца равной его начальной температуре изменением мощности нагревателя и расчета по известной формуле коэффициента теплопроводности (а.с. №267131).
Известен способ определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в несимметричном разогреве образца, измерении тепловых потоков и температуры на двух изометрических поверхностях образца и в центре и расчете по известным формулам теплофизических характеристик (а.с. №219259).
Известен способ определения теплофизических свойств материалов, заключающийся в использовании нагревателя, воздействующего на испытуемый образец, и измерении температур в двух точках контроля в течение времени, равному одному периоду повторения тепловых импульсов, после чего находят временной сдвиг между максимумами первых гармоник сигналов, полученных от первого и второго датчиков, а искомые теплофизические свойства вычисляют по формуле (RU №2349908).
Известные способы имеют недостатки: невозможность определения теплопроводности тонкого поверхностного слоя, большие размеры измерительного устройства.
Наиболее близким является способ определения теплофизических характеристик материалов, состоящий в воздействии тепловым импульсом на поверхность образца и регистрации температуры на заданном расстоянии от места воздействия, регистрации временного интервала от начала теплового воздействия до достижения температурой в точке регистрации своего заранее заданного интегрального значения, определяемого тарировкой по материалу с известной теплопроводностью (RU №2436078).
Недостатком способа является невозможность измерения теплопроводности тонкого поверхностного слоя. Измерительный прибор и регистратор температуры расположить в контактной зоне, имеющей глубину 1-2 мкм и длину пятна контакта Lпк=200 мкм, неосуществимо. Существенная погрешность измерения из-за влияния температуры окружающей атмосферы на передаваемую по материалу испытательного образца температуру, т.к. воздействуют тепловым ударом на значительном расстоянии от регистратора.
Для реализации возможности измерения теплопроводности тонкого поверхностного слоя, исключения погрешности измерения предлагается способ определения коэффициента теплопроводности наноструктурированного поверхностного слоя конструкционных материалов, включающий воздействие тепловым импульсом на поверхность образца, регистрацию температуры и временного интервала. На контактную зону воздействуют тепловым импульсом через индентор, закрытый термоизолятором и имеющий встроенные датчик температуры и нагреватель. Сферическую рабочую часть индентора, выполненную из природного алмаза с силой, обеспечивающей заданную длину пятна контакта, вдавливают в обработанный поверхностный слой, нагревают до определенного фиксированного значения температуры, выключают нагреватель, регистрируют время, за которое температура уменьшится до заданного уровня, и определяют коэффициент теплопроводности λ по формуле:
,
где С - теплоемкость индентора;
m - масса индентора;
Lпк - длина пятна контакта;
t - время охлаждения индентора.
Отличительные признаки.
В прототипе: источник теплового импульса и датчик температуры расположены на исследуемом материале образца на расстоянии друг от друга. Тепловой импульс распространяется по всему объему материала. Фиксируют повышение температуры через заданный промежуток времени. Коэффициент теплопроводности определяют тарировкой по материалу с известной теплопроводностью.
В предлагаемом способе: источник теплового импульса и датчик температуры расположены в инденторе, который рабочей частью - алмазом, вдавлен в исследуемую поверхность. Фиксируют время от начала снижения температуры индентора до заданного значения. Коэффициент теплопроводности λ вычисляют по формуле:
,
где С - теплоемкость индентора;
m - масса индентора;
Lпк - длина пятна контакта;
t - время охлаждения индентора.
На фиг.1 изображена схема осуществления способа определения коэффициента теплопроводности тонкого поверхностного слоя конструкционных материалов после механической обработки.
Интентор 1 содержит рабочую часть 2, нагреватель 3, встроенную термопару 4, соединенную с компьютером 5, позволяющую регистрировать температуру в пятне контакта, термоизолятор 6. В качестве термоизолятора применялся фторопласт. Предварительно обработанная точением и выглаживанием деталь 7 имеет тонкий наноструктурированный поверхностный слой 8 с измененными свойствами.
Способ осуществляется следующим образом.
Для проведения исследований берут индентор, в который встраивают датчик температуры (термопара) 4 и нагреватель 3, после чего закрывают индентор термоизолятором 6. Рабочая часть 2 индентора - природный алмаз сферической формы R=1 мм, коэффициент теплопроводности которого λ≥1500 Вт/м*К. Устанавливают инструмент и вдавливают в обработанный поверхностный слой 8 детали 7 с силой Р=50Н, обеспечивающей длину пятна контакта Lпк=200 мкм. Включают нагреватель 3 и в течение 10 секунд в массе индентора накапливается тепло. Температура индентора составляет 120°С. Выключают нагреватель 3. Тепло переходит в деталь 7 со скоростью, зависящей от теплопроводности λ Вт/м*К поверхностного слоя материала обрабатываемой детали. Фиксируют время от начала снижения температуры и до достижении температуры 60°С, т.е. время (t) процесса перехода тепла в исследуемый материал. По формуле определяют коэффициент теплопроводности.
На основании проведенных исследований установлено, что при длине пятна контакта Lпк=200 мкм, диаметре обрабатываемого образца 0>50 мм, теплопроводности алмаза λ=1500 Вт/м*К и теплопроводности поверхностного слоя λ=2…20 Вт/м*К определяющим является контактное сопротивление поверхностного слоя, которое на несколько порядков больше термических сопротивлений индентора и материала образца. Для заданных значений параметров индентора С, m и пятна контакта Lпк теплопроводность поверхностного слоя зависит только от времени охлаждения индентора.
Применение предлагаемого способа позволяет определить теплопроводность наноструктурированного поверхностного слоя и исключить погрешность измерения коэффициента теплопроводности.