【正文】 在鐘表裝置的帶動下相互摩擦，結(jié)果使金屬盤上的蠟熔化了．在這個實驗中，熱不可能是由周圍物體傳遞給蠟的，而且倫福德的實驗已經(jīng)證明，金屬也不會由于比熱的降低而放熱，那就只能是由于摩擦生熱使蠟粒子的運動加快了．戴維的實驗有力地打擊了熱質(zhì)說[45]．具有顯著的節(jié)能效果至今為止的熱處理方法中高頻感應(yīng)熱處理是公認的節(jié)能性最好的熱處理。（1）高頻感應(yīng)熱處理能量消耗情況[6]：以現(xiàn)有文獻資料可查得高頻感應(yīng)熱處理的耗能情況可以按如下計算：高頻淬火設(shè)備由電源、變壓器、感應(yīng)線圈和水套等構(gòu)成，這些組成部分中，電源消耗功率平均約為10%（一般在5%～15%）、頻率轉(zhuǎn)換消耗功率平均約為7%（一般在5%～10%）、%（一般在2%～5%）、磁損耗約為10%、冷水被加熱帶走感應(yīng)產(chǎn)生的熱量近50%、感應(yīng)電流消耗約10%。（2）摩擦熱處理能量消耗情況：摩擦熱處理是通過電機把電能直接轉(zhuǎn)換成機械能、機械能直接轉(zhuǎn)換成熱量來加熱工件，中間環(huán)節(jié)很少。由上面數(shù)據(jù)充分說明，摩擦熱處理節(jié)能效果相對高頻熱處理非常明顯。具有很好的環(huán)保效果高頻感應(yīng)熱處理是當(dāng)前國內(nèi)外公認的環(huán)保熱處理，但高頻感應(yīng)熱處理存在電磁幅射、產(chǎn)生弧光和有害氣體，而摩擦熱處理不存在高頻感應(yīng)熱處理存在的污染環(huán)境和有害健康的因素。生產(chǎn)效率高摩擦熱處理準備工序簡單、加熱時間短，其熱處理效率與摩擦焊接和高頻感應(yīng)熱處理相同。提高工件的綜合機械性能摩擦熱處理淬火，淬硬層具有高的硬度和耐磨性而芯部基體材質(zhì)組織結(jié)構(gòu)不變，具有很好的塑性及韌性。大幅度地降低熱處理成本從節(jié)能和提高熱處理效率角度，摩擦熱處理都非常明顯地降低熱處理成本；再從提高工件機械性能的來考慮，摩擦熱處理的經(jīng)濟效果將是非?？捎^的。近年來[710]，鋼制零件的表面熱處理,大多采用傳統(tǒng)的高頻或中頻感應(yīng)加熱淬火。傳統(tǒng)的表面淬火加磨削工藝存在兩個主要問題:一是表面熱處理熱處理工藝難以集成到產(chǎn)品生產(chǎn)線上、自動化程度低。長期以來,國內(nèi)外研究磨削熱所做的工作,主要集中在將磨削熱作為消極因素加以研究。磨削熱處理技術(shù)是利用磨削熱替代高、中頻感應(yīng)淬火熱源對鋼件表層進行熱處理,將磨削加工與表面熱處理合為一體。磨削熱處理是磨削加工與表面淬火的集成過程,其工藝過程如下:在零件上首先利用粗磨產(chǎn)生的大量磨削熱取代傳統(tǒng)的表面淬火熱源以達到工件表層熱處理的目的,然后再精磨獲取所要求的精度和表面質(zhì)量，從而省去感應(yīng)加熱表面淬火工藝,簡化生產(chǎn)工藝。2002年，并根據(jù)工件組織顯微分析結(jié)果，明確指出：與常規(guī)淬火相比，磨削熱處理后的組織外表層具有超精細板條馬氏體和少量胞狀多邊形為錯結(jié)構(gòu)。目前為止,國內(nèi)外學(xué)者在磨削淬火工藝的研究方面做了許多工作并取得了一定的成果,但仍然存在下列技術(shù)問題,使得磨削淬火工藝在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用受到限制。在磨削過程中,磨削力是一個重要參數(shù),對機械能轉(zhuǎn)化為熱能有著至關(guān)重要的影響,是導(dǎo)致磨削過程中溫度、相變等變化的最根本因素。在淬火過程中,冷卻速度對淬火能否實現(xiàn)以及淬火質(zhì)量的好壞起著關(guān)鍵性的作用。(2)磨削淬火技術(shù)的工藝穩(wěn)定性較差。但目前對磨削淬火技術(shù)工藝穩(wěn)定性的研究主要集中在最大淬硬層深度的再現(xiàn)性方面,而對淬硬層深度沿磨削方向的一致性的研究較為薄弱。磨削過程由于受到多種因素的影響,磨削熱量是一個動態(tài)變化的值,故造成沿磨削方向淬硬層深度的不一致。(3)磨削淬火技術(shù)應(yīng)用范圍較窄。此外對生產(chǎn)實際中應(yīng)用較廣的大表面平面、零件外圓及成形面的磨削淬火研究涉及較少。由于熱處理的方法很多，要想在本科生階段全部作研究比較困難，論文選擇了淬火為主要研究方向。（二）實驗部分（1）摩擦熱處理試驗方案的制定——采取端面對磨的方式；（2）試樣的制作以及摩擦副的選擇（摩擦副材料為：YG6X硬質(zhì)合金剛）；（3）摩擦試驗機床的選擇：C4DQJ型摩擦焊機；（4）不同轉(zhuǎn)數(shù)下的對磨試驗——分別為2500r/m和1500r/m；（5）通過實驗獲得熱處理部分的金像。，因后裔只討論在平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)．這些附加的定律足以3種基本的傳熱方式為基礎(chǔ)的，即導(dǎo)熱、對流和輻射。傳熱不僅是常見的自然現(xiàn)象而廣泛存在于工程技術(shù)領(lǐng)域。(1)熱傳導(dǎo)：物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動進行的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。(2)熱對流：熱對流是指流體過部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻合所引起的熱量傳遞方式。對流換熱按引起流體流動的原因不同，可分為自然對流和強制對流。物體會因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。熱傳導(dǎo)和熱對流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無須任何介質(zhì)。——傅立葉定律單位時間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量，正比例于垂直于截面方向上的溫度變化率， 即[1112] （2—1）此處溫度變化率是溫差和距離比值的極限，即 溫度變化率== （2—2）引入比例常數(shù)可得， （2—3）這就是導(dǎo)熱基本定律，又稱傅立葉定律的基本表達式。傅立葉定律用文字來表達是：在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)通過截面的熱量，正比例與垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積。傅立葉定律用熱流密度表示時有下列形式： （2—4）溫度梯度可以表示如下： （2—5）之中表示為單位法向向量；表示溫度在方向上的導(dǎo)數(shù)。一般的講，物體的溫度分布是坐標(biāo)和時間的函數(shù)，即 （2—7）式中，為空間直角坐標(biāo)，為時間坐標(biāo)。溫度場分為兩類：一類是穩(wěn)態(tài)工作條件下的溫度場，各點的溫度不隨時間而變化；另一類是瞬態(tài)溫度場溫度分布隨時間的變化而變化。導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值取決于物質(zhì)的種類和溫度。 摩擦溫度場[20]，顧名思義是在摩擦熱處理實驗中由摩擦熱處理產(chǎn)生的溫度場，包括摩擦副溫度場和試樣溫度場，本文主要對試樣溫度場進行研究。由傳熱學(xué)知識可知[2123]，任意方向的熱流量總可以分解成為三個坐標(biāo)軸方向的熱流分量。當(dāng)然，還存在非穩(wěn)態(tài)及有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程。單值條件包括以下幾項： 幾何條件：說明參與過程的物體的大小和形狀。 物理條件：給定各種有關(guān)的物性量的值，包括隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系、是否有內(nèi)熱源以及內(nèi)熱源的大小和分布。穩(wěn)態(tài)過程不需要時間條件。邊界條件：描述在區(qū)域邊界上過程進行的特點。邊界條件用數(shù)學(xué)描述如下：第一類邊界條件：， ,表示測出端點的溫度或濃度。 如果在端是絕熱的，即：稱為絕熱條件。（2）摩擦導(dǎo)熱微分方程摩擦熱處理的傳熱過程由于熱源唯一、傳導(dǎo)介質(zhì)均勻、方向為一維。推到摩擦熱處理微分方程如下：根據(jù)傅里葉定律，沿x , y及z軸傳入微元體的熱流量為： （2—14） 從微元體流出的熱流量為： （2—15）摩擦溫度場沒有內(nèi)熱源，根據(jù)能量守恒定律有：流入與流出微元體的熱流量差額等于單位時間內(nèi)微元體蓄熱量的增量。如上所述[2527]，本試驗所涉及傳熱過程適用于第一類邊界條件：即給出了物體表面溫度隨時間 τ變化的關(guān)系： （2—21）在穩(wěn)態(tài)過程中=定值，稱為定溫壁。在不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程中，該表面溫度不變，一直保持為。在上述初始條件及邊界條件下，由數(shù)學(xué)解析法求得的特解： （2—22） 其中 稱為高斯誤差函數(shù)： (2—23)式中的 tw、t0、t、xa為已知的，由以上已知條件可求出τ。的值可由的值確定，具體數(shù)值可在相關(guān)表中查的，其中可由辛普生（Simpson）求積公式得。摩擦?xí)r工件傳熱物理模型如圖21 圖21平面摩擦的傳熱模型（1）假設(shè)整個過程中轉(zhuǎn)速不變，摩擦副和工件表面沒有磨損，頂緊力不變。（2）摩擦過程是許多表面顆粒隨機摩擦的過程，隨機摩擦點熱源的集合可以近似的認作為一個連續(xù)分布的平面熱源。假設(shè)它是一個持續(xù)發(fā)熱的均勻而恒定的面熱源，其單位時間單位面積的發(fā)熱量為。根據(jù)傳熱學(xué)的理論推導(dǎo)出的摩擦溫度場的數(shù)學(xué)模型和抽象出的物理模型，為深刻理解摩擦熱處理的機理奠定了基礎(chǔ)。第三章 摩擦熱處理工藝試驗?zāi)Σ翢崽幚硎且环N剛剛處在研究階段的新工藝。本章以45鋼作為試驗對象，進行摩擦熱處理試驗。準備工作包括：機床的選擇，摩擦副的選擇，試樣的制作，溫度測量計的選擇等。機床的選擇摩擦試驗是本課題最主要的實驗部分，它作為整個實驗最先行進行的一個部分，摩擦試驗的好壞直接影響后續(xù)分析的結(jié)果，直接影響到摩擦熱處理工藝效果。根據(jù)試驗要求，需要選擇一種具有可調(diào)轉(zhuǎn)速、確定預(yù)定力的機床，并要保證一定的穩(wěn)定性。長春數(shù)控機床生產(chǎn)的摩擦焊機，完全可以滿足我們對于機床的要求。 圖31 C4DQ連續(xù)驅(qū)動摩擦焊機摩擦焊機的主要性能如表31所示。經(jīng)過慎重的篩選，最后決定選擇硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金的基體由兩部分組成：一部分是硬化相；另一部分是粘結(jié)金屬。另外，過渡金屬的氮化物、硼化物、硅化物也有類似的特性，也可以充當(dāng)硬質(zhì)合金中的硬化相。粘結(jié)金屬一般是鐵族金屬，常用的是鈷和鎳。硬質(zhì)合金的這些性能，是它稱為我們試驗的摩擦副的不二選擇。細晶粒的 YG類硬質(zhì)合金（如 YG3X、 YG6X），在含鈷量相同時，其硬度耐磨性比 YG YG6高，強度和韌性稍差，適用于加工硬鑄鐵、奧氏體不銹鋼、耐熱合金、硬青銅等。但導(dǎo)熱性能較差，抗彎強度低，所以它適用于加工鋼材等韌性材料。 ④鎢鈦鉭鈷類（ WC+TiC+TaC+Co） )硬質(zhì)合金 (YW) 在 YT類硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)上添加 TaC(NbC),提高了抗彎強度、沖擊韌性、高溫硬度、抗氧能力和耐磨性。因此常稱為通用硬質(zhì)合金（又稱為萬能硬質(zhì)合金）。綜合考慮各方面的因素，本實驗選擇YG6X硬質(zhì)合金鋼作為摩擦副。其主要物理性能：密度 、硬度HRA≥ 、抗彎強度≥2200Mpa、 粒度≤。由于其耐磨性好，使用強度較好，加工冷硬合金鑄鐵與耐熱合金鋼可獲得良好效果，也適合于普通鑄鐵的精加工及鋼材、有色金屬的細絲冷拔磨具。YG6X硬質(zhì)合金摩擦副為圓柱體，尺寸為200mm長端面直徑為16mm。 表32 YG6X硬質(zhì)合金組織成分牌號WCTaC(Nb)CoYG6X＜6（1）45鋼中碳鋼因珠光體含量增多，其強度和硬度較高，淬火后的硬度顯著提高。45鋼在機械結(jié)構(gòu)中用途最廣，長用來制作軸、絲杠、齒輪、連桿、套筒、鍵、重要螺釘和螺母等。圖3