几种常用钢材的光谱发射率特性研究

摘要

钢是一种最基本的金属材料，在许多领域都有着广泛应用。在钢的生产和加工过程中，温度的准确测量至关重要。因为准确的温度测量不仅会影响到钢的品质和特性，而且还关系到能耗的高低。在多数的测温场合，传统的接触法测温无法凑效。目前，辐射测温技术已在金属冶炼和加工取得了广泛的应用。而辐射测温技术面临的一个难题就是材料发射率的不确定性。在工业过程中，由于受温度、氧化等因素的影响，材料的发射率往往是一个复杂的变量，这已经成为制约辐射测温技术发展的一个难题。钢的种类众多，其光谱发射率特性也不相同。本文利用基于傅里叶红外光谱仪的光谱发射率测量装置和一套反射式光谱发射率测量装置测量了五种常用的钢在不同状况下的光谱发射率，研究了表面粗糙度，合金成分以及氧化进程等因素对钢光谱发射率的影响。
　　论文第一章介绍了钢材发射率的特点以及目前面临的问题，对国内外研究现状进行了系统的总结和分析，阐述了论文的三个研究内容。文章第二章首先简单介绍了能量对比法光谱发射率测量的基本理论知识，并对课题组搭建的基于傅立叶红外光谱仪的光谱发射率测量装置的主要组成部分、测量方法进行了简要的介绍，对测量装置的背景辐射和响应系数进行了测试。
　　论文第三章通过对比测量六种表面处理的E235B钢氧化前后在2-15μm的光谱发射率，研究了表面粗糙度对钢在氧化前后发射率特性的影响。研究表明:表面粗糙度是影响钢光谱发射率的一个主要因素，光学粗糙度的确可以作为评估表面形貌对光谱发射率影响的一个参数，但用单一的粗糙度参数并不能完全地描述表面形貌对发射率的影响。氧化后钢样品的表面形貌发生了一些变化，表面粗糙度相比氧化前变大，光谱发射率也明显增大。光谱发射率曲线出现了明显的震荡，利用薄膜干涉理论可以解释这种现象的发生。
　　论文第四章通过对低碳钢310，中碳钢45＃和高碳钢T10在氧化前后光谱发射率的测量，探究了合金成分对钢氧化前后发射率特性的影响，结果表明:合金成份会对钢的发射率产生不同程度的影响，并且这种影响在氧化前后是不同的。对于未氧化的钢，碳含量越高，光谱发射率会越大，三种钢的发射率相差不超过0.05。氧化后三种钢的光谱发射率整体分布与氧化前大致一样，但是光谱发射率值比氧化前大。因为钢成分中的Al、Cr、Ni等成份会抑制钢氧化膜的生长，使得45＃钢的光谱发射率值比310和T10钢的略大。钢表面颜色对光谱发射率也会有一定影响，氧化后310和T10钢的表面由原来的银白色变成了淡蓝色，45＃钢变成了紫黄色。
　　论文第五章利用一套反射式光谱发射率测量装置实时测量了Q235A钢从300K加热到923K过程中在1.55μm处发射率的变化情况，探究了氧化进程对钢发射率的影响，结果表明氧化进程对钢发射率有着不可忽视的影响，Q235A钢在加热过程中发射率并不是一直增大的，而是会出现一定的波动，最后利用干涉理论粗略估算了波动出现时钢氧化层的厚度。
　　本文旨在通过对影响钢材光谱发射率各种因素的研究，总结出钢材光谱发射率的一般规律，丰富钢材的发射率数据，从而推动对不同状况下钢材的光谱发射率及其特性的进一步研究。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 钢材的发射率特点及研究现状

1．3 研究内容

第二章 基于傅里叶红外光谱仪的材料发射率测量装置

2．1 基本测量原理

2．1．1 热辐射理论基础

2．1．2 黑体辐射经典定律

2．2 能量对比法发射率测量技术原理

2．3 基于傅里叶红外光谱仪的发射率测量装置

2．3．1 总体结构

2．3．2 测量原理

2．4 本章小结

第三章 表面粗糙度对材料发射率的影响

3．1 引言

3．2 表面粗糙度

3．3 样品制备

3．4 实验过程

3．5 实验结果与讨论

3．5．1 氧化前温度和波长对发射率的影响

3．5．2 氧化前粗糙度对发射率的影响

3．5．3 氧化后温度和波长对发射率的影响

3．5．4 氧化前后E235钢发射率特性的对比

3．5．5 氧化后粗糙度对发射率的影响

3．6 本章小结

第四章 合金成分对钢光谱发射率的影响

4．1 引言

4．2 钢材的合金成分

4．3 样品制备及实验过程

4．4 结果分析

4．4．1 氧化前三种钢的发射率对比

4．4．2 氧化后三种钢的发射率对比

4．5 本章小结

第五章 氧化过程中钢发射率的实时变化

5．1 引言

5．2 钢表面的氧化进程

5．3 测量原理及装置

5．4 样品制备

5．5 结果与分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要研究内容及结果

6．2 展望

参考文献

致谢

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