RU2521139C1 - Method to determine thermal conductivity factor for nanostructurised surface layer of engineered materials - Google Patents
Method to determine thermal conductivity factor for nanostructurised surface layer of engineered materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2521139C1 RU2521139C1 RU2013108259/28A RU2013108259A RU2521139C1 RU 2521139 C1 RU2521139 C1 RU 2521139C1 RU 2013108259/28 A RU2013108259/28 A RU 2013108259/28A RU 2013108259 A RU2013108259 A RU 2013108259A RU 2521139 C1 RU2521139 C1 RU 2521139C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- indenter
- thermal conductivity
- surface layer
- heater
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области исследования изменения теплофизических свойств конструкционных материалов при наноструктурирующей обработке нестационарным методом неразрушающего контроля.The invention relates to the field of investigation of changes in the thermophysical properties of structural materials during nanostructural processing by the non-stationary method of non-destructive testing.
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.The thermal conductivity of the surface layer is an important technological characteristic of the material when assigning the parameters of the processing mode of parts from various materials. In the temperature range corresponding to the nanostructuring treatment, the thermal conductivity of the surface of the processed material depends on the chemical composition, structure and has maximum value after multiple tempering. The thermal conductivity of the surface layer decreases with increasing accumulated degree of deformation. The dependence of thermal conductivity on the degree of deformation is determined by the type, intensity of the machining, and the frequency of application of the load. The dependence of thermal conductivity on the type and condition of the material can be obtained from measurements of data characterizing the individual properties of the material after its mechanical or thermal processing.
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).A known method for determining the thermal conductivity of solids by supplying to the ends of the sample equal in magnitude and opposite in sign powers, measuring the temperature difference, maintaining the temperature of the midpoint of the sample equal to its initial temperature by changing the heater power and calculating the thermal conductivity coefficient using the well-known formula (a.s. No. 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).There is a method of determining the thermophysical characteristics of materials, which consists in asymmetric heating of the sample, measuring heat fluxes and temperatures on two isometric surfaces of the sample and in the center and calculated according to well-known formulas of thermophysical characteristics (AS No. 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).There is a method of determining the thermophysical properties of materials, which consists in using a heater acting on the test sample and measuring temperatures at two control points for a time equal to one repetition period of thermal pulses, after which a time shift is found between the maxima of the first harmonics of the signals received from the first and the second sensors, and the desired thermophysical properties are calculated by the formula (RU No. 2349908).
Известные способы имеют недостатки: невозможность определения теплопроводности тонкого поверхностного слоя, большие размеры измерительного устройства.Known methods have disadvantages: the inability to determine the thermal conductivity of a thin surface layer, the large size of the measuring device.
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).The closest is a method for determining the thermophysical characteristics of materials, which consists in exposing a sample to a surface with a heat pulse and registering the temperature at a given distance from the site of exposure, recording the time interval from the onset of heat exposure until the temperature at the recording point reaches its predetermined integral value determined by material calibration with known thermal conductivity (RU No. 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.The disadvantage of this method is the impossibility of measuring the thermal conductivity of a thin surface layer. Positioning the measuring instrument and temperature recorder in a contact zone having a depth of 1-2 μm and a contact spot length Lpc = 200 μm is not feasible. Significant measurement error due to the influence of ambient temperature on the temperature transmitted through the material of the test sample, because Influenced by heat stroke at a considerable distance from the registrar.
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:To realize the possibility of measuring the thermal conductivity of a thin surface layer, eliminating the measurement error, we propose a method for determining the thermal conductivity coefficient of a nanostructured surface layer of structural materials, including exposure to a thermal pulse on the surface of the sample, recording the temperature and time interval. The contact zone is affected by a heat pulse through an indenter, closed by a thermal insulator and having a built-in temperature sensor and heater. The spherical working part of the indenter made of natural diamond with a force providing a given length of the contact spot is pressed into the treated surface layer, heated to a certain fixed temperature value, the heater is turned off, the time taken for the temperature to decrease to a given level is recorded, and the thermal conductivity coefficient λ according to the formula:
где С - теплоемкость индентора;where C is the heat capacity of the indenter;
m - масса индентора;m is the mass of the indenter;
Lпк - длина пятна контакта;Lпк - length of the contact spot;
t - время охлаждения индентора.t is the indenter cooling time.
Отличительные признаки.Features.
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.In the prototype: a heat pulse source and a temperature sensor are located on the sample material to be studied at a distance from each other. A heat pulse propagates throughout the entire volume of the material. They fix the temperature increase after a given period of time. The coefficient of thermal conductivity is determined by calibration on a material with known thermal conductivity.
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:In the proposed method: the source of the heat pulse and the temperature sensor are located in the indenter, which with the working part - diamond, is pressed into the test surface. The time from the start of the indenter temperature decrease to the set value is fixed. The thermal conductivity λ is calculated by the formula:
где С - теплоемкость индентора;where C is the heat capacity of the indenter;
m - масса индентора;m is the mass of the indenter;
Lпк - длина пятна контакта;Lпк - length of the contact spot;
t - время охлаждения индентора.t is the indenter cooling time.
На фиг.1 изображена схема осуществления способа определения коэффициента теплопроводности тонкого поверхностного слоя конструкционных материалов после механической обработки.Figure 1 shows a diagram of a method for determining the coefficient of thermal conductivity of a thin surface layer of structural materials after machining.
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.Intentor 1 contains a working part 2, a heater 3, an integrated thermocouple 4 connected to a computer 5, which allows recording the temperature at the contact spot, a thermal insulator 6. Fluoroplastic was used as a thermal insulator. The part 7 pretreated by turning and smoothing has a thin nanostructured surface layer 8 with modified properties.
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
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.To conduct research, take an indenter, into which a temperature sensor (thermocouple) 4 and heater 3 are installed, and then close the indenter with a thermal insulator 6. The indenter working part 2 is a natural diamond of a spherical shape R = 1 mm, whose thermal conductivity is λ≥1500 W / m * TO. The tool is installed and pressed into the treated surface layer 8 of the part 7 with a force of P = 50N, providing a contact spot length of Lpc = 200 μm. Heater 3 is turned on and heat accumulates in the indenter mass for 10 seconds. The indenter temperature is 120 ° C. Heater 3 is turned off. Heat is transferred to part 7 at a speed depending on the thermal conductivity λ W / m * K of the surface layer of the material of the workpiece. The time is recorded from the beginning of the temperature drop until the temperature reaches 60 ° C, i.e. time (t) of the process of heat transfer to the test material. The formula determines the coefficient of thermal conductivity.
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.Based on the studies, it was found that with the contact spot length Lpc = 200 μm, the diameter of the processed sample 0> 50 mm, the thermal conductivity of diamond λ = 1500 W / m * K and the thermal conductivity of the surface layer λ = 2 ... 20 W / m * K contact resistance of the surface layer, which is several orders of magnitude greater than the thermal resistances of the indenter and the sample material. For the given values of the parameters of the indenter C, m and the contact spot Lpc, the thermal conductivity of the surface layer depends only on the cooling time of the indenter.
Применение предлагаемого способа позволяет определить теплопроводность наноструктурированного поверхностного слоя и исключить погрешность измерения коэффициента теплопроводности.The application of the proposed method allows to determine the thermal conductivity of the nanostructured surface layer and to exclude the measurement error of the coefficient of thermal conductivity.
Claims (1)
где с - теплоемкость индентора;
m - масса индентора;
Lпк - длина пятна контакта;
t - время охлаждения индентора до заданной температуры. A method for determining the thermal conductivity coefficient of a nanostructured surface layer of structural materials, which consists in exposing a sample to a surface with a heat pulse, recording the temperature and the time interval from the onset of heat exposure until the temperature at the registration point reaches a predetermined value, characterized in that the contact zone is exposed to a heat pulse through an indenter enclosed by a thermal insulator and having a built-in temperature sensor, heater, and spherical working hour part of the indenter made of natural diamond, which is pressed into the treated surface layer with a force providing a given contact spot length, is heated to a certain fixed temperature value, the heater is turned off and the time is taken for which the temperature decreases to a given level, and the thermal conductivity coefficient is determined by the formula
where c is the heat capacity of the indenter;
m is the mass of the indenter;
Lпк - length of the contact spot;
t is the indenter cooling time to a given temperature.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013108259/28A RU2521139C1 (en) | 2013-02-25 | 2013-02-25 | Method to determine thermal conductivity factor for nanostructurised surface layer of engineered materials |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013108259/28A RU2521139C1 (en) | 2013-02-25 | 2013-02-25 | Method to determine thermal conductivity factor for nanostructurised surface layer of engineered materials |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2521139C1 true RU2521139C1 (en) | 2014-06-27 |
Family
ID=51218139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013108259/28A RU2521139C1 (en) | 2013-02-25 | 2013-02-25 | Method to determine thermal conductivity factor for nanostructurised surface layer of engineered materials |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2521139C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1318883A1 (en) * | 1985-08-09 | 1987-06-23 | Предприятие П/Я А-7840 | Method of checking thermal physical characteristics of material |
| RU2085923C1 (en) * | 1994-01-12 | 1997-07-27 | Санкт-Петербургский государственный морской технический университет | Method of test of chemical and nuclear composition of metals and alloys and device for its implementation |
| US5992224A (en) * | 1992-10-01 | 1999-11-30 | Weinhold; Wolfgang P. | Method of determining the deformability of the surface of a test specimen |
| US20070180897A1 (en) * | 2004-02-17 | 2007-08-09 | Michael Dankert | Method for recording microstructural changes in a component |
| RU2349908C1 (en) * | 2007-12-10 | 2009-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) | Method of material testing for thermophysical properties |
| RU2436078C1 (en) * | 2010-04-14 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ГОУ ВПО ТГТУ | Method of determining thermal properties of materials |
-
2013
- 2013-02-25 RU RU2013108259/28A patent/RU2521139C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1318883A1 (en) * | 1985-08-09 | 1987-06-23 | Предприятие П/Я А-7840 | Method of checking thermal physical characteristics of material |
| US5992224A (en) * | 1992-10-01 | 1999-11-30 | Weinhold; Wolfgang P. | Method of determining the deformability of the surface of a test specimen |
| RU2085923C1 (en) * | 1994-01-12 | 1997-07-27 | Санкт-Петербургский государственный морской технический университет | Method of test of chemical and nuclear composition of metals and alloys and device for its implementation |
| US20070180897A1 (en) * | 2004-02-17 | 2007-08-09 | Michael Dankert | Method for recording microstructural changes in a component |
| RU2349908C1 (en) * | 2007-12-10 | 2009-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) | Method of material testing for thermophysical properties |
| RU2436078C1 (en) * | 2010-04-14 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ГОУ ВПО ТГТУ | Method of determining thermal properties of materials |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gustavsson et al. | Thermal conductivity as an indicator of fat content in milk | |
| RU2521139C1 (en) | Method to determine thermal conductivity factor for nanostructurised surface layer of engineered materials | |
| RU2534429C1 (en) | Measurement method of thermal and physical properties of solid materials by method of instantaneous flat heat source | |
| RU2178166C2 (en) | Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials | |
| RU2478939C1 (en) | Method of measuring thermal diffusivity of heat-insulating materials by regular third kind mode technique | |
| SU1395939A1 (en) | Method of checking thickness of sheet material | |
| SU1163232A1 (en) | Method of determining thermal diffusivity of material | |
| Shi et al. | Study on relationships between the spectral emissivity of DC01 steel and temperature in an oxidizing environment | |
| RU2462703C2 (en) | Method of determining thermal activity of materials and apparatus for realising said method | |
| Bohac et al. | New planar disc transient method for the measurement of thermal properties of materials | |
| RU2436078C1 (en) | Method of determining thermal properties of materials | |
| RU2801079C1 (en) | Method for determining a complex of thermal, acoustic and mechanical properties of solid materials | |
| RU2018117C1 (en) | Method of complex determining of thermophysical properties of materials | |
| RU2589760C1 (en) | Method of determining thermal diffusivity of thin layers of materials | |
| RU2149389C1 (en) | Method of nondestructive test of thermophysical characteristics of materials | |
| RU2161301C2 (en) | Method of non-destructive determination of thermal physical properties of materials | |
| RU2329492C2 (en) | Method of complex determination of thermophysical properties of materials and method for its implementation | |
| RU2324165C1 (en) | Method of identifying system of thermo-physical properties of hard materials | |
| RU2494383C1 (en) | Method for pulsed thermal express inspection of process liquids | |
| SU855464A1 (en) | Method of determination of solid body thermal conductivity | |
| RU2686859C1 (en) | Method of measuring thermal resistance between a housing of a semiconductor device and a cooling radiator | |
| RU2179717C2 (en) | Process of non-destructive test of thermal-physical characteristics of materials | |
| RU2439543C1 (en) | Method for complex determination of thermophysical characteristics of materials | |
| RU186025U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING THERMAL PROPERTIES OF MATERIALS | |
| RU2255329C1 (en) | Method of measuring thermo-physical properties of materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200226 |