物理性质和化学成分对钢材性能的影响

1.热导率

热导率表明金属传导热量的能力，其大小取决于金属内部电子自由行程的长度。电子自由行程越长，导热性能越好。此外，热导率随金属的化学成分而异。常温下碳素钢的热导率按下式计算：

λ=69.8-10C-16.75Mn-33.73Si （1-3-1）

碳素钢的热导率随温度的增高而减小，高合金钢则稍有增大。温度≥900℃时各种钢的热导率实际变化相同。

不同温度下钢的热导率见图1-3-1，表1-3-2给出该图各曲线所代表的钢种。

氧化皮的热导率如下：

温度/℃ 900100011001200

λ/[W/（m·K）] 1.4541.6281.8612.093

2.平均比定压热容c_p

钢的热容量决定于本身的成分与温度，表1-3-3示出含碳量不同的钢及铸铁随温度而变的平均比定压热容值。

图1-3-1 不同温度下钢的热导率

表1-3-2 图1-3-1各曲线所代表的钢种

3.密度ρ

钢的密度与化学成分有关：

纯铁ρ=7880kg/m³。

铸造钢ρ=7500～7800kg/m³

压延钢ρ=7850kg/m³

合金钢

ρ=7880kg/m³+Δρx （1-3-2）

式中 Δρ——碳及合金元素含量每1%（质量分数）变化引起钢密度的增加或减少，见表1-3-4；

x——碳或合金元素质量分数（%）。(www.xing528.com)

表1-3-3 碳素钢与铸铁的平均比定压热容c_p值 [单位：kJ/（kg·K）]

例：计算Q345（16锰钢）的密度，化学成分（质量分数）为：

C0.16% Mn1.4% Si0.4%

由式（1-3-2）并查表（1-3-4）：

ρ=（7880-112×0.16-16×1.4-68×0.4）kg/m³=（7880-67.52）kg/m³=7812.48kg/m³

t（℃）时钢的密度：

式中 β——钢材体积膨胀系数（1/℃）；

600℃时，β=0.5×10^-4；

800℃时，β=0.7×10^-4。

表1-3-4 改变化学成分时钢密度的变化

碳素钢在一定条件下的各项物理性质见图1-3-2。

4.热扩散率a

钢材的热扩散率表示钢材加热时，在一定条件下温度的变化速度，是决定加热过程的主要数据之一：

在800～900℃以前，热扩散率随温度增高而下降；高于900℃时，其值几乎保持不变。

5.热惰性系数b

热惰性系数是热导率、平均比定压热容和密度乘积的平方根值：

在加热计算中直接引用b值，比分别引用λ、c_p、ρ值的优点是：计算简易和准确性高。普通钢的热惰性系数在不同温度下的变化是微小的，可认为是一个常数值，即b≈200。