邢 磊，張立文，張興致，岳重祥

(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116085)

TP2銅具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、抗磁性和抗大氣腐蝕性，因此，TP2銅管被廣泛地應(yīng)用于空調(diào)和冰箱制冷管、熱交換器用管、蒸汽管和蒸餾裝置用管等[1?2]。在銅管鑄坯的軋制過(guò)程中，坯料與軋輥間的接觸換熱系數(shù)影響著銅管的質(zhì)量和軋輥的使用壽命，接觸換熱系數(shù)也是影響銅管軋制過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵參數(shù)[3?4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用穩(wěn)態(tài)熱流法對(duì)不同材料間接觸換熱系數(shù)進(jìn)行研究，獲得一些有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5?10]。實(shí)際熱加工是坯料與工模具的瞬態(tài)接觸過(guò)程，溫度場(chǎng)在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，其物理機(jī)制與穩(wěn)態(tài)過(guò)程有一定差別，因此，有必要對(duì)金屬界面間瞬態(tài)接觸換熱過(guò)程進(jìn)行研究。BECK等[11]分析這種瞬態(tài)接觸，給出界面平均溫度的解析表達(dá)式，并采用非穩(wěn)定表面元(USE)法求解線(xiàn)性瞬態(tài)接觸換熱問(wèn)題。FIEBERG等[12]利用紅外測(cè)溫儀對(duì)不同溫度的鋼與鋁合金接觸后的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，求解瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程得到接觸換熱系數(shù)。目前，國(guó)外對(duì)瞬態(tài)接觸換熱過(guò)程的研究甚少，且測(cè)量溫度較低(＜280 ℃)，國(guó)內(nèi)關(guān)于這方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文作者基于反傳熱算法，制造一套瞬態(tài)接觸換熱系數(shù)測(cè)量裝置，研究TP2銅與3Cr2W8V模具鋼之間的瞬態(tài)接觸換熱過(guò)程，探討不同初始溫度與不同接觸載荷條件下接觸換熱系數(shù)的變化規(guī)律，為銅管軋制及其數(shù)值模擬研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)

將TP2銅鑄坯及3Cr2W8V模具鋼材料加工成尺寸為d 20 mm×50 mm的圓柱試樣，試樣側(cè)面沿軸線(xiàn)方向打3個(gè)d 1.0 mm×10 mm的熱電偶插孔，分別作為近表面測(cè)點(diǎn)、校核測(cè)點(diǎn)與內(nèi)部測(cè)點(diǎn)，距離待接觸面距離分別為1、11和21 mm，實(shí)驗(yàn)前用400#砂紙將試樣接觸面打磨平整。實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)校準(zhǔn)的d1.0 mm鎳鉻?鎳硅裸端式熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，響應(yīng)時(shí)間約為0.01 s。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置如圖1所示，整個(gè)裝置主要由4部分組成，包括加熱系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)和溫度采集系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)最高加熱溫度能夠達(dá)到1 000 ℃，最大實(shí)驗(yàn)載荷可達(dá)30 MPa。帶自動(dòng)增益的高速A/D轉(zhuǎn)換卡通過(guò)16通道的前端放大板將測(cè)溫?zé)犭娕夹盘?hào)輸入采集軟件，實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣外側(cè)纏繞隔熱石棉布，盡量減少對(duì)流和輻射傳熱對(duì)試樣溫度的影響。試樣分別置于高溫與低溫加熱爐加熱到一定的溫度，保溫一段時(shí)間，使試樣初始溫度分布均勻，然后通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使兩試樣快速接觸，加載機(jī)構(gòu)會(huì)使預(yù)先設(shè)定的載荷逐漸施加在接觸面上并保持一定時(shí)間，與此同時(shí)，溫度采集系統(tǒng)通過(guò)測(cè)溫?zé)犭娕?、前端放大板、A/D轉(zhuǎn)換板將溫度信號(hào)實(shí)時(shí)顯示在工控機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集軟件上。

圖1 接觸換熱系數(shù)測(cè)量裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat transfer coefficient test apparatus: 1—Transmission mechanism; 2—Resistance furnace;3—Specimen; 4—Load mechanism; 5—Supporting part; 6—Industrial computer; 7—PCL-789D amplifier board; 8—Thermocouples for measurement; 9—Thermocouples for controlling; 10—AI thermometer

2 反傳熱問(wèn)題求解

由于瞬態(tài)接觸和穩(wěn)態(tài)接觸在物理過(guò)程上的差異，不能采用線(xiàn)性外推法[6]進(jìn)行計(jì)算?？紤]到試樣外側(cè)近似絕熱效果，根據(jù)Beck提出的非線(xiàn)性估算方法[13?15]，建立一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型，由試樣近表面測(cè)點(diǎn)與內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量值計(jì)算接觸表面上的溫度與熱流密度。其溫度場(chǎng)T(x，t)的控制方程為式中：模型長(zhǎng)度L取為21 mm；瞬時(shí)熱流密度qM在tM?1和tM時(shí)刻之間為常數(shù)；ρ、c和k分別為材料的密度、比熱容和熱導(dǎo)率；TM?1(x)為試樣在 tM?1時(shí)刻的溫度分布，Tw(tM?1)為內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度值。定義敏感系數(shù)為溫度關(guān)于熱流密度的一階微商，如式(2)所示，表示對(duì)近表面溫度測(cè)量誤差的敏感程度。

由此可見(jiàn)，敏感系數(shù)場(chǎng)和溫度場(chǎng)具有相同形式的微分方程，可通過(guò)有限差分方程進(jìn)行求解，對(duì)任意給定的熱流密度q*進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)可得：式中：TM為近表面測(cè)點(diǎn)在tM時(shí)刻的溫度；YM是在tM?1時(shí)刻溫度場(chǎng)已知的情況下，根據(jù)q*求解的tM時(shí)刻的溫度，XM為近表面測(cè)點(diǎn)在 tM時(shí)刻的敏感系數(shù)，對(duì)式(3)進(jìn)行反復(fù)迭代運(yùn)算即可得到qM。

瞬態(tài)條件下，接觸換熱系數(shù)hc可由式(4)得到：

式中：q′M與 ΔTM分別為 tM?1和 tM時(shí)刻之間的界面平均熱流密度和溫差。

3 結(jié)果與討論

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)TP2銅與3Cr2W8V模具鋼試樣接觸過(guò)程進(jìn)行測(cè)量，高溫銅試樣初始溫度分別為400、500、600 ℃，對(duì)應(yīng)低溫模具鋼試樣溫度分別為 100、200、300 ℃，實(shí)驗(yàn)載荷范圍為 1.56~7.80 MPa。

3.1 溫度場(chǎng)驗(yàn)證

初始試樣溫度分別為600 ℃和300 ℃，接觸載荷為4.68 MPa時(shí)，近表面測(cè)點(diǎn)溫度值與表面溫度推算值如圖2所示。

圖2 試樣表面及近表面測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.2 Change of temperature at surface and near surface of test specimens with time

由圖2可見(jiàn)，接觸面溫度在接觸后5 s內(nèi)發(fā)生劇烈變化，由于兩種材料熱物性的差異，模具鋼熱導(dǎo)率低，熱量來(lái)不及向后傳遞，試樣溫度快速上升至510 ℃，并且表面與近表面測(cè)點(diǎn)存在較大溫差，高熱導(dǎo)率的銅試樣溫度變化則相對(duì)緩慢，表面溫度與近表面測(cè)點(diǎn)溫度基本相同。圖3所示為校核測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)量值與計(jì)算值比較。由圖3可看出，二者吻合較好，溫度偏差主要是測(cè)量與計(jì)算的誤差所致，這一結(jié)果表明數(shù)據(jù)采集方法與反傳熱問(wèn)題的求解是合理的。

3.2 瞬態(tài)接觸換熱系數(shù)

圖3 校核測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)量值與計(jì)算值比較Fig.3 Comparison of calculated and measured temperature at verification position

圖4所示為為流密度隨時(shí)間的變化。從圖4中可看出，熱流密度在接觸后 1.5 s后就達(dá)到峰值 1.44 MW/m2，然后迅速下降；5 s后，熱流密度的下降趨勢(shì)開(kāi)始變得緩慢，說(shuō)明接觸載荷由0增加至4.68 MPa的時(shí)間為1.5 s，接觸界面間劇烈的熱量交換在5 s內(nèi)已經(jīng)基本完成。接觸換熱系數(shù)在這段時(shí)間內(nèi)快速上升至恒定值27.331 kW/(m2·℃)(見(jiàn)圖5)。由圖5可看出，由于載荷的作用，接觸表面上的微小接觸體將發(fā)生彈性或塑性變形，使實(shí)際接觸面積增大，界面換熱能力提高。從曲線(xiàn)上看，接觸換熱系數(shù)存在一定程度的波動(dòng)，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，波動(dòng)幅度變大。原因有如下兩個(gè)方面：1) 溫度信號(hào)采集速度較快，相鄰時(shí)刻的溫度測(cè)量值會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，外界干擾對(duì)溫度數(shù)據(jù)也會(huì)產(chǎn)生一定影響；2) 隨著時(shí)間增加，界面溫差及熱流密度逐漸減小，計(jì)算誤差增大。平滑濾波后發(fā)現(xiàn)，接觸換熱系數(shù)在5 s后呈現(xiàn)后續(xù)的緩慢增加趨勢(shì)，這是因?yàn)楦邷卦嚇拥那?qiáng)度下降，接觸表面的微小接觸體在原有變形的基礎(chǔ)上，繼續(xù)發(fā)生緩慢變形，進(jìn)一步增大實(shí)際接觸面積。

圖4 熱流密度隨時(shí)間的變化Fig.4 Change of heat flux with time

圖5 接觸換熱系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of contact heat transfer coefficient with time

3.3 載荷對(duì)接觸換熱系數(shù)的影響

圖6所示為試樣初始溫度分別為600和300 ℃時(shí)不同壓強(qiáng)條件下接觸換熱系數(shù)隨時(shí)間的變化。由圖 6可看出，隨著接觸載荷的增加，表面微小接觸體的變形程度增大，實(shí)際接觸面積增加，換熱能力增強(qiáng)，界面間溫差變小，熱流密度增大，因此，接觸換熱系數(shù)隨著載荷的增加逐漸變大。從圖6還可看出，b線(xiàn)(3.12 MPa)與c線(xiàn)(4.68 MPa)之間接觸換熱系數(shù)的變化幅度相對(duì)較大，當(dāng)壓強(qiáng)大于4.68 MPa時(shí)，接觸換熱系數(shù)隨時(shí)間的后續(xù)增加趨勢(shì)明顯，這說(shuō)明接觸換熱系數(shù)可能受其他因素影響，對(duì)較小載荷的變化不敏感，當(dāng)載荷達(dá)到某一臨界值時(shí)，才能起主導(dǎo)作用。

圖7所示為試樣在不同初始溫度條件下5 s時(shí)接觸換熱系數(shù)隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[16]的結(jié)果，接觸換熱系數(shù)隨接觸壓強(qiáng)的變化呈冪指數(shù)關(guān)系，即

圖6 不同壓強(qiáng)下接觸換熱系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.6 Change of contact heat transfer coefficient with time at different contact pressures

圖7 接觸換熱系數(shù)隨壓強(qiáng)的變化Fig.7 Change of contact heat transfer coefficient with contact pressure

hc~pn。對(duì)實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)范圍內(nèi)的各組數(shù)據(jù)進(jìn)行冪指數(shù)擬合后發(fā)現(xiàn)，結(jié)果吻合較好，對(duì)于不同的初始溫度，曲線(xiàn)冪指數(shù)是不同的，溫度越高，指數(shù)值越大，接觸換熱系數(shù)增加速率也越快。當(dāng)載荷小于3.12 MPa時(shí)，接觸換熱系數(shù)值對(duì)曲線(xiàn)產(chǎn)生一定偏離，這主要是因?yàn)殂~在高溫下非常容易氧化，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，600 ℃時(shí)接觸表面將產(chǎn)生厚度約為50 μm的氧化層，當(dāng)載荷較小時(shí)，接觸表面變形程度低，實(shí)際接觸面積小，而氧化層的隔熱作用顯著，二者的綜合作用導(dǎo)致了上述現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

1) 制造一套瞬態(tài)接觸換熱系數(shù)測(cè)量裝置，獲得TP2銅與 3Cr2W8V模具鋼試樣在不同初始溫度與不同接觸載荷條件下的瞬態(tài)接觸換熱系數(shù)。

2) 通過(guò)校核測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)量值與計(jì)算值的對(duì)比，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的合理性與計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3) 在瞬態(tài)條件下，接觸換熱系數(shù)隨接觸時(shí)間的延長(zhǎng)而快速增大到某一恒定值，并產(chǎn)生后續(xù)的緩慢增加過(guò)程。

4) 在實(shí)驗(yàn)載荷范圍內(nèi)，接觸換熱系數(shù)隨接觸載荷增加而增大，呈冪指數(shù)關(guān)系，試樣初始溫度越高，接觸換熱系數(shù)增大速率越快。

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